universidad continental de ciencias e ingeniería
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UNIVERSIDAD CONTINENTAL
FACULTAD DE INGENIERIA
Escuela Académica Profesional de Ingeniería Eléctrica
TÍTULO:
“LOS ARMÓNICOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS EN PLANTA
DE SERVICON”
Tesis para optar el Título de Ingeniero Electricista
AUTOR:
HERNAN ROMAN BERROCAL
HUANCAYO – PERÚ
ABRIL - 2014
INDICE
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1 Determinación del problema
1.2 Formulación del problema
1.3 Objetivos
1.4 Justificación
CAPÍTULO II: MARCO TEORICO
2.1 Antecedentes del problema
2.2 Bases teóricas
2.3 Definición de términos básicos
CAPITULO III: HIPOTESIS Y VARIABLES
3.1 Hipótesis
3.2 Variables, operacionalización
CAPITULO IV: METODOLOGIA
4.1 Método de la investigación
4.2 Diseño de la investigación
4.3 Población y muestra
4.4 Instrumentos
4.5. Técnicas de recolección de datos
4.6 Tratamiento estadístico
CAPÍTULO V: ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
5.1 Presupuesto
5.2 Cronograma
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 . Enunciado y formulación del problema
La energía eléctrica se distribuye generalmente en forma de tres tensiones
que constituyen un sistema trifásico sinusoidal, uno de los parámetros del sistema
es la forma de onda, que debe ser lo más parecida posible a una sinusoide.
Es necesario corregir esta onda, si su deformación sobrepasa ciertos límites,
frecuentemente alcanzados en las redes que tienen fuentes de perturbaciones
armónicas, como son: hornos de arco, convertidores estáticos de potencia, o
incluso ciertos tipos de alumbrado, etc.
Con este fin, el presente trabajo de investigación pretende ser una contribución
para un mejor conocimiento de los problemas de los armónicos, de sus causas y de
las soluciones más comúnmente utilizadas en la industria.
Para ello se formula la siguiente pregunta:
¿De qué manera afectan los armónicos en el sistema eléctrico en la planta de
concreto y oficinas de la empresa Serviccon en la ciudad de Pasco, de la provincia
de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014?
Sub preguntas.
a. ¿Cómo minimizar el tipo de distorsiones armónicas en la planta?
b. ¿De qué manera afecta los afecta los armónicos producidos; en la
eficiencia eléctrica de la planta y cuáles son sus consecuencias?
1.2 Objetivos
General.
Analizar los fundamentos de los armónicos en los sistemas eléctricos, de explicar su
generación y transmisión, así como el comportamiento de los equipos, tanto
generadores como consumidores de armónicos y su problemática en el sistema
eléctrico
Específicos.
a. Determinar y estudiar qué tipo de armónico se produce utilizando las cargas no
lineales de la planta de concreto.
b. Mostrar una solución los armónicos producidos a fin de lograr mayor eficiencia
de la energía para una mayor utilidad de la empresa.
1.3 Justificación e importancia
El uso de equipos electrónicos en todo proceso industrial en una planta eléctrica
genera armónicos, los cuales son perjudícales para el sistema eléctrico, en la
actualidad en una planta se puede encontrar en gran cantidad con equipos que son
caracterizados como cargas no lineales, estas son las que introducen una gran
cantidad de armónicos al sistema eléctrico de distribución las cuales se propagan en
toda la red del sistema de distribución eléctrica pudiendo ocasionar paradas
inesperadas de planta, provocando pérdidas tanto de producción y económicas al
usuario, para poder corregir o eliminar y alargando la vida útil de los equipos
eléctricos, electrónicos hay que conocer la fuente de producción, una alternativa
como minimizar la producción de los armónicos
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes del problema
Nacionales
CHÁVEZ TAIPE Gina Mabel, en su tesis “ALTERNATIVA ÓPTIMA DE COSTO
MÍNIMO FRENTE A LA PROBLEMÁTICA DE LA CALIDAD DEL SERVICIO
ELÉCTRICO” en la Universidad NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ,
Huancayo Perú 2011; para optar el Título de Ingeniero Electricista; realiza un
estudio investigativo donde menciona:
En la presente tesis se analiza la problemática de la Calidad del Servicio Eléctrico
en redes de media tensión, desarrollando un procedimiento que permita minimizar
las pérdidas técnicas, mejorar el perfil de tensiones y analizar los armónicos en el
sistema, se analizan distintas alternativas, teniendo como objetivo seleccionar la
alternativa óptima de mínimo costo y que cumpla con las condiciones que establece
la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos, para lo cual se desarrolla
un algoritmo que permite la ubicación óptima de condensadores y un
procedimiento para el análisis de armónicos. El resultado es desarrollar una
metodología que permita seleccionar los kVAR necesarios en la red para obtener
mayores beneficios considerando los niveles de armónicos que se presentan en el
sistema. Ilustrándose la efectividad de dicha metodología.
Para la realización del presente trabajo se consideraron 4 capítulos, en el capítulo
I se plantean los antecedentes generales del trabajo de investigación, para
luego en el capítulo II desarrollo del marco teórico considerando los efectos de la
potencia reactiva, la reducción de pérdidas, el compensador síncrono, flujo de carga
en sistemas de distribución y las características de la Norma Técnica de Calidad; en
el capítulo III se analiza
La situación de la red, tales como la demanda actual y proyectada, ingeniería
básica y los parámetros económicos, para finalmente en el capítulo IV se realiza las
el detalle de las especificaciones técnicas correspondientes relacionados al banco
de condensadores, al regulador de tensión, así como el metrado y presupuesto para
la determinación de la alternativa óptima de costo mínimo frente a la calidad del
servicio eléctrico.
GÁLVEZ CARRILLO Manuel Ricardo, en su Tesis “DIRECCIONALIDAD DE
CORRIENTES ARMÓNICAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA” en
la Universidad de Piura, Lima Perú 2003, para optar el título profesional de
Ingeniero Mecánico – Eléctrico en su estudio de investigación nos menciona:
El presente trabajo de tesis se centra en el estudio y explicación de una
metodología teóricamente válida y de fácil implementación para la determinación de
la direccionalidad de las corrientes armónicas en un sistema de distribución
eléctrica. El estudio de los fundamentos, causas, efectos, soluciones a los
problemas de los armónicos, así como de la normativa vigente, tanto nacional como
internacional ha sido necesaria para llegar al análisis y exposición de una
metodología basada en un concepto nuevo: la impedancia crítica.
El presente trabajo de tesis además muestra una aplicación práctica a un caso real,
involucrando dos empresas fabriles: UCISA y ALICORP, con presencia de
perturbación armónica conectadas a la empresa distribuidora
ELECTRONOROESTE S.A Para la situación de máxima demanda actual de las
fábricas, el análisis de simulación que inicia con un estudio a frecuencia nominal,
seguido de un estudio mediante el método de inyección de corrientes armónicas y la
posterior aplicación de la metodología desarrollada, indica que la mayor
responsabilidad en la perturbación de la calidad de onda de tensión recae sobre
las empresas fabriles.
Internacionales
REYES CALDERON Gilberto, en su tesis “ARMONICOS EN SISTEMAS DE
DISTRIBUCION DE ENERGIA ELCTRICA” en la Universidad Autónoma de Nueva
León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, España 1996, para obtener el
título de Master Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad de
potencia, nos menciona.
Las armónicas son un tema de creciente interés debido a los muchos y variados
efectos que ocasionan en las redes de distribución eléctrica; también ocasionan
interferencias con los equipos de medición, protección, control y comunicación. Por
otra parte la filosofía actual recomienda un aprovechamiento máximo de la energía
eléctrica, lo cual conduce a un compromiso entre los proveedores y consumidores de
mantener una buena calidad de la energía eléctrica en el punto de acoplamiento
común (PAC), a este respecto ya se han emitido por parte de varias instituciones,
entre ellas el Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (IEEE), estándares
que recomiendan los límites armónicos permitidos en el PAC.
Con este trabajo se pretende dar a conocer las fuentes y efectos principales de las
armónicas en la red eléctrica y los equipos industriales utilizados en la
transformación y aprovechamiento de la energía eléctrica, así como también exponer
la metodología básica de análisis del problema armónico y los medios de supresión.
Normalmente las armónicas no se eliminan completamente sino que se reducen sólo
a niveles permisibles y seguros, normalizados por estándares, como los límites
establecidos por el estándar 519 del IEEE. En los estudios armónicos se modelan
equivalentes de la red eléctrica mediante paquetes computacionales con los que se
obtiene valiosa información del comportamiento de la red ante fuentes armónicas.
BYRON JULIÁN Villatoro Martínez, en su tesis “TEORÍAS DE DISEÑO DE
FILTROS ACTIVOS PARA MITIGACIÓN DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS
ELÉCTRICOS DE POTENCIA” en Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Guatemala, 2009,
para optar el grado de TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA; realiza
un estudio investigativo.
Desde finales del siglo pasado al sistema eléctrico de potencia se le han
adherido cargas de carácter no lineal en una mayor proporción, lo cual ha
originado un creciente nivel de distorsión armónica, lo que da lugar a perturbaciones
en el transporte, distribución y consumo de energía eléctrica.
El elevado contenido de armónicos, cuya energía de distorsión asociada no se
traduce finalmente en trabajo útil, pero si provoca la aparición de problemas en la
red y en las cargas conectadas a ella.
Dicha creciente de cargas no lineales se debe a que en la actualidad las
empresas utilizan equipos que basan su funcionamiento en componentes de
electrónica de potencia con el único fin de que estos equipos simplifiquen el trabajo,
y que la calidad y cantidad de la producción aumente. Por ende ante esta
situación se ha visto en la necesidad de aplicar medidas que conlleven a mantener
los sistemas eléctricos con una calidad de energía adecuada y así aprovechar las
ventajas de la tecnología de los equipos electrónicos que ayudan a incrementar
la productividad, confort y ahorro de energía.
El análisis detallado de los diferentes tipos de perturbaciones que se presentan
en la red eléctrica es de vital importancia para los ingenieros eléctricos y
electrónicos, con el propósito de poder crear dispositivos electrónicos que puedan
contrarrestar dichos efectos negativos que se producen en dicha red.
Es por ello que en este documento se presentan las teorías sobre la potencia
reactiva instantánea para sistemas trifásicos, el objetivo inicial de dichas teorías fue
eminentemente práctico, servir de base al diseño de filtros activos de potencia,
quienes hoy en día son los encargados de contrarrestar estos efectos, con el único
fin de que las ondas de corriente y voltaje no se vean afectados, y así no causar
daños a todos los que utilizamos este servicio.
La teoría original fue publicada en 1983 por Akagi-Kanazawa-Nabae y es a ellos
a quien debe su nombre. Posteriormente han aparecido otras formulaciones
alternativas, aunque todas ellas con un claro nexo de inspiración en la teoría
original.
Un filtro activo de potencia es un circuito electrónico de potencia que se conecta,
o bien en paralelo con la carga actuando como una fuente de intensidad
controlada, o bien en serie actuando como una fuente de tensión.
2.2. Bases teóricas
Hoy en día se ha considerado para los filtros activos de potencia la
compensación senoidal o la compensación del factor de potencia. También se
efectúa un recorrido de los principios de funcionamiento, de las aplicaciones y
de las topologías más recientes de los denominados filtros activos de potencia
como equipos correctores para la falta de calidad de la potencia eléctrica.
Para el correcto desarrollo del estudio de armónicos es necesario indicar los
conceptos fundamentales y definiciones que permitan realizar un análisis técnico
para dar solución a las dificultades técnicas presentados por consecuencia de los
armónicos en las redes eléctricas.
2.2.1.1. Series de Fourier
La aplicación más intuitiva de la teoría de Fourier es aquella que se refiere
al tratamiento de las señales periódicas, ya que sus resultados tienen una sencilla
interpretación física, tal y como se verá a continuación.
2.2.2. Funciones periódicas
En primer lugar es necesario definir el concepto de función periódica como
aquella cuyos valores se repiten a intervalos regulares, el tiempo entre las
sucesivas repeticiones es lo que se conoce como período. Matemáticamente,
podemos decir que una función temporal es periódica cuando se cumple la
siguiente relación:
f(t) = f(t + T)
Para todo valor de t. La constante mínima que satisface la anterior relación
es denominada período (T) que, en el caso de funciones temporales, se expresa
en segundos. A la parte de la función que abarca un tiempo equivalente a un
período T se le denomina ciclo.
En una función periódica se define la frecuencia como la inversa de
período, o sea, como el número de ciclos por segundo:
fr = 1/ T
Su unidad es el Hercio (Hz). Si se supone que un ciclo equivale a 2π
radianes, entonces el número de radianes en un segundo es lo que se conoce
como pulsación o frecuencia angular en rad/s o en 1/s:
Generalmente a los términos frecuencia y pulsación se les sueles
denominar indistintamente como frecuencia aunque se ha de tener en cuenta que
sus unidades son distintas.
En una onda periódica se definen el valor de pico máximo Fp+ y el valor de pico
mínimo Fp- como sus valores máximos y mínimos en un período, respectivamente.
El valor de pico a pico Fpp es la diferencia entre ambos:
Unos valores típicamente asociados a una función periódica son el de su
valor medio:
y su valor eficaz2 o RMS:
Donde las integrales se han definido entre 0 y T, aunque es válido
cualquier intervalo que abarque un período, p.e. de –T/2 a +T/2.
Una de las ondas periódicas más representativas es la sinusoidal (ver
Ilustración II-1), cuya expresión es:
Siendo A lo que se conoce como amplitud y θ su fase inicial. En este caso
el valor de pico (máximo y mínimo) es Fp = A y el valor de pico a pico Fpp = 2A.
Asimismo, el valor medio para esta forma de onda es igual a cero y su valor eficaz
A/raíz 2.
2.2.3. Serie de Fourier
2.2.3.1. Obtención de la Serie de Fourier
La teoría de Fourier afirma que cualquier función periódica f(t), ya sea más
o menos compleja, se puede descomponer en suma de funciones simples,
sinusoidales, cuya frecuencia es múltiplo de la función periódica. Esto es, dicha
función se puede descomponer en una serie armónica infinita (ver Ilustración II-2)
expresada como:
Dónde:
ω0 (o 0 fr = ω0 /2π) es la frecuencia de la función periódica y recibe el nombre de
frecuencia fundamental an, bn, Cn y θn son los coeficientes de la Serie de Fourier
que definen las senoides cuya frecuencia es múltiplo de la fundamental.
La componente de la Serie de Fourier cuya frecuencia coincide con la
fundamental (n=1) recibe el nombre de componente fundamental: a1 cos ω0t + b1
sentω1 o C ωocos(ω0t - ϴ1. Al resto de las componentes se les denomina
componentes armónicas, así el armónico de orden n o enésimo sería aquel cuya
frecuencia es n veces la fundamental:ancosnωot + bn senω0t o Cn cos(nV0t –
θn). Igualmente, la frecuencia de las componentes armónicas recibe a su vez el
nombre de frecuencia armónica. En el caso de Cn y θn, éstas se suelen llamar
además amplitud armónica y ángulo de fase.
Los valores de a0/2 y C0 representan el valor medio de la función f(t) a lo
largo de un período por lo que reciben el nombre de componente continua.
Para el cálculo de los coeficientes de Fourier se emplean las integrales:
Además de las siguientes relaciones:
Donde la notación de∫T dt3 significa que está extendida a un período
cualquiera de la función periódica f(t), por ejemplo de -T/2 a +T/2, ó de 0 a T,
Alternativamente, la Serie de Fourier se puede representar de forma que incluya
los valores eficaces de los distintos armónicos:
Donde cada coeficiente Cn′ representa el valor eficaz del armónico de orden n, es
decir:
2.2.4. Espectro de frecuencia
Las expresiones anteriores ponen de manifiesto que una función periódica
queda descompuesta en una serie infinita de funciones sinusoidales que tienen
diferentes frecuencias, todas ellas múltiplos de la frecuencia de la función ω0, tal y
como se muestra en Ilustración.
2.2.5. Índices de distorsión
En ciertas áreas de la ingeniería es interesante establecer un parámetro
que permita evaluar cuánto se aleja una forma de onda periódica de una
sinusoidal de la misma frecuencia, de forma que cuando una forma de onda no es
sinusoidal se dice que está distorsionada.
Uno de los parámetros más empleados para evaluar la distorsión es la tasa de
distorsión armónica total (THD4) la cual relaciona la amplitud (o el valor eficaz) de
los armónicos de una forma de onda con el de su componente fundamental, y se
define como:
Donde el valor de N es el número del armónico máximo que se va a tener en
cuenta para el cálculo del THD. Por ejemplo, en ingeniería eléctrica este valor es
típicamente 40, o sea, que se evalúa la distorsión de una forma de onda, de
tensión o intensidad, teniendo únicamente en cuenta los 40 primeros armónicos.
Según esta definición una onda sinusoidal tiene un valor de THD del 0%, mientras
que para una onda cuadrada (como la mostrada en la Ilustración II-3) este valor es
del 48.3%.
Camilo José Carrillo González, Fundamentos del Análisis de Fourier
Departamento de Enxeñería Eléctrica Escola Técnica Superior de Enxeñeiros
Industriáis, Universidade de Vigo, 2003, recuperado de
webs.uvigo.es/grupo_ene/publicaciones/Apuntes_Fourier.pdf.
2.2.6. Fuentes de armónicas
Los equipos electrónicos modernos hacen que el trabajo se simplifique,
que la calidad, y cantidad de la producción aumenten, o que la duración de los
elementos de iluminación se alargue. Este tipo de carga es conocido como carga
no lineal y su características principales son:
Control de eficiencia y carga de motores utilizando semiconductores y
computadoras, los cuales producen formas de onda de voltaje y corriente
irregular.
Dispositivos de control de velocidad, como los utilizados en tracción.
Trasmisión de corriente directa en alto voltaje, debido a que la conversión de CD y
CA produce corrientes armónicas y la posibilidad de propagación debido a la
interconexión. Esta fuente no obstante, está limitada debido al uso de filtros en
todas las terminales de CD. REYES, 1996, p.11.
Así como los dispositivos ferromagnéticos son los que producen armónicos
en la red provocando:
Deformación o rizo en la forma de onda de voltaje de las máquinas eléctricas
debido a pulsaciones y oscilaciones de flujo magnético originado por el
movimiento de los polos frente a los dientes de la armadura.
Variación de la reluctancia del entrehierro debido a la inclinación de los polos del
motor síncrono, lo que origina variaciones en el flujo magnético que afecta la
forma de onda y se traduce en generación de armónicas.
Distorsión del flujo magnético de motores síncronos debido a efectos de
carga. Los cambios grandes de carga provocan cambios súbitos de la velocidad
sin cambio en el flujo magnético, lo cual causa una distorsión de la señal.
Generación de fem's no senoidales debidas a la distribución no senoidal
del flujo magnético en el entrehierro de los motores síncronos.
Corrientes no senoidales. Típicas de estas no linealidades son los rectificadores,
inversores, soldadoras, hornos de arco eléctrico, controladores de voltaje de
estado sólido y convertidores de frecuencia. REYES, 1996, p.10.
C
a
u
s
a
s
d
e
c
a
m
b
i
o
s
d
e
amplitud Du, armónicos Ku y Asimetrías de las tensiones en una red
eléctrica trifásica (Reyes, 1996, p. 12)
Existen equipos cuyo consumo es no lineal cuyo empleo masivo, su
consumo no es no sinusoidal se relaciona con el empleo de un circuito de
rectificación o fuente de poder de alimentación conocidos como equipos
electrónicos. “La fuente principal de armónicas en las plantas industriales son los
convertidores estáticos de potencia y para conocer las armónicas que producen
se requiere información precisa de las formas de onda de voltaje CA en las
Du ku Au
Alimentacion para maquinas
herramientas, FFCC, bombas y
transportadores
curva tecnológica, arranque X
carga de todo tipo controladas por
grupo de ondas
Conexiones y
desconeciones cíclicasX
cargas monofasicas sin
distribución uniforme
Fenómenos eléctricos de
operaciónX
Líneas Principales superiores a
110KvCorona X
Lamparas de descarga de alta y
baja presiónProceso de operación X
Contactos, terminales y
conectores de todo tipoEnvejecimiento y fallas X
Líneas con transposición
insuficienteProceso de operación X
Arco electrometalúrgicoProceso tecnológico de
operaciónX X X
Máquinas soldadorasProceso tecnológico de
operaciónX X
Rectificadores e inversores
controlados y no controlados
Proceso tecnológico de
operaciónX
Transformadores de una y tres y
cinco columnas
Procesos eléctricos,
operación en vacioX
Sistemas de transmisión y
transformadores de energía
eléctrica
Proceso
Tipos de perturbación
terminales del convertidor” (Reyes, 1996, p.13). Paradójicamente son equipos de
ahorro de energía.
2.2.6.1. Motores Y Generadores
Las maquinas rotativas generan armónicos y desbalances en el sistema
sobre los motores, “Las pérdidas en el motor debidas a las corrientes armónicas
son influenciadas por una gran variedad de parámetros, las pérdidas a partir de
la quinta armónica” (Reyes, 1996, p. 17). Sin embargo uno de los casos más
problemáticos es cuando en el voltaje de alimentación de los motores se
encuentran voltajes armónicos.
2.2.6.2. Transformadores
Por ser dispositivo ferromagnético causa armónicos pero no es
considerable pero en situaciones de falla si aporta armónicos a la red. “Los
transformadores modernos en condiciones de estado estable no causan por sí
mismos una distorsión significativa en la red eléctrica. No obstante, durante
perturbaciones transitorias pueden aumentar considerablemente su contribución
armónica” (Reyes, 1996, p. 18). Y por ser parte fundamental de un sistema
eléctrico no es ajeno de estudio.
2.2.7. Efecto de las armónicas
Los armónicos producidos son perjudiciales para todos los componentes
de un sistema eléctrico. “En los sistemas eléctricos, tenemos armónicos pueden
perturbar las dispositivos de regulación. También pueden influir en las
condiciones de conmutación de los tiristores cuando desplazan el paso por cero
de la tensión” (IEC 60146-2).
Sobrecarga en bancos de capacitores. El esfuerzo dieléctrico es
proporcional al voltaje de cresta, el cual puede aumentar o disminuir por los
voltajes armónicos.
Interferencia en el rango de audiofrecuencias con señales de control y líneas de
energía.
Corrientes armónicas en motores de inducción y sincrónicos que causan
pérdidas adicionales de energía y calentamiento. Estos efectos son, en su mayor
parte, atribuibles a armónicas de orden menor y altas magnitudes de amplitud.
Inestabilidad dieléctrica de cables aislados como resultado de sobrevoltajes del
sistema.
Interferencia inductiva con los sistemas de comunicación, que resulta del
acoplamiento inductivo entre las frecuencias armónicas y las líneas de
comunicación.
Errores en los equipos de medición, debido a que generalmente los
diseños consideran señales sinodales puras. Reyes, 1996, p.21.
También se producen fallas en los componentes del sistema eléctrico como
se mencionan a continuación:
Falla del dieléctrico de los bancos de condensadores o sobrecarga
de potencia reactiva
Interferencias inductivas sobre los sistemas de comunicación
Falla en el aislamiento de los cables de energía como resultado de una
sobretensión por armónicos en la red.
Sobretensiones y excesiva corriente sobre el sistema debido a la
resonancia del armónico con la red.
Errores en la medición en contadores de energía de inducción.
Posibles interferencias en relés electrónicos
Oscilaciones mecánicas de máquinas síncronas e inducción
Operación inestable de circuitos de disparo basados en la detección del
cruce de la tensión por cero.
Estos efectos dependen de la ubicación de la fuente de armónicos y de las
características de la red (Chávez, 2011, p.60)
2.2.8. Principales disturbancias causadas por armónicos de corriente y
voltaje.
Los armónicos de corriente y voltajes sobrepuestos a la onda fundamental
tienen efectos combinados sobre los equipos y dispositivos conectados a las
redes de distribución.
Para detectar los posibles problemas de armónicos que pueden existir en
las redes e instalaciones es necesario utilizar equipos de medida de verdadero
valor eficaz, ya que los equipos de valor promedio sólo proporcionan medidas
correctas en el caso de que las ondas sean perfectamente sinusoidales. En el
caso en que la onda sea distorsionada, las medidas pueden estar hasta un 40 %
por debajo del verdadero valor eficaz
El efecto principal causado por los armónicos consiste en la aparición de voltajes
no sinusoidales en diferentes puntos del sistema. Ellos son producidos por la
circulación de corrientes distorsionadas a través de las líneas. La circulación de
estas corrientes provoca caídas de voltaje deformadas que hacen que a los nodos
del sistema no lleguen voltajes puramente sinusoidales. Mientras mayores sean
las corrientes armónicas circulantes a través de los alimentadores de un sistema
eléctrico de potencia, más distorsionadas serán los voltajes en los nodos del
circuito y más agudos los problemas que pueden presentarse por esta causa.
Los voltajes no sinusoidales son causantes de numerosos efectos que
perjudican los equipos conectados al sistema. Entre estos efectos se pueden
mencionar la reducción de la vida útil del equipamiento de potencia así como la
degradación de su eficiencia y funcionamiento en general.
Los efectos perjudiciales de estos armónicos dependen del tipo de carga
encontrada, e incluye:
Efectos instantáneos.
Efectos a largo plazo debido al calentamiento.
2.2.8.1. Efectos instantáneos
Armónicos de voltajes pueden distorsionar los controles usados en los
sistemas electrónicos. Ellos pueden por ejemplo afectar las condiciones de
conmutación de los tiristores por el desplazamiento del cruce por cero de la onda
de voltaje.
Los armónicos pueden causar errores adicionales en los discos de
inducción de los metros contadores. Por ejemplo, el error de un metro clase 2 será
incrementado un 0.3 %, en presencia de una onda de tensión y corriente con una
tasa del 5 % para el 5° armónico
Las fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas
asociadas con las corrientes armónicas causan vibraciones y ruido, especialmente
en equipos electromagnéticos (transformadores, reactores, entre otros).
Torques mecánicos pulsantes, debido a campos de armónicos rotatorios
pueden producir vibraciones en máquinas rotatorias.
Perturbaciones son observadas cuando líneas de comunicación y control
son distribuidas a lo largo de líneas de distribución eléctricas que conducen
corrientes distorsionadas. Parámetros que deben tenerse en cuenta incluyen: la
longitud que se encuentran dichas líneas en paralelo, las distancias entre los dos
circuitos y las frecuencias armónicas.
Los armónicos son causantes de numerosos problemas de operación en
los sistemas de protección. Entre ellos está la operación incorrecta de fusibles, de
interruptores y equipos y/o sistemas digitales de protección.
Para el caso de equipos protegidos contra sobre voltajes cuyos sistemas de
protección también estén diseñados para operar con voltajes sinusoidales, estos
pueden operar incorrectamente ante la aparición de formas de onda no
sinusoidales. Esta operación incorrecta puede ir desde la sobreprotección del
equipo hasta la desprotección del mismo por la no operación ante una forma de
onda que podría dañarlo de forma severa. El caso típico se presenta ante formas
de onda que presentan picos agudos. Si el dispositivo de medición está diseñado
para responder ante rms de la forma de onda, entonces estos cambios abruptos
pudieran pasar sin ser detectados y conllevarían a la desprotección del equipo
ante aquellos picos agudos dañinos, que no provoquen un aumento notable de la
magnitud medio cuadrática sensada. También pudiera ocurrir el caso contrario, el
disparo ante valores no dañinos para el equipo protegido. En estos casos el ajuste
de la protección deberá depender de las características de la forma de onda:
voltajes pico y rms tiempo de crecimiento de la onda, entre otros. Las protecciones
convencionales no tienen en cuenta todos estos parámetros y lo que toman como
base del proceso de protección, lo hacen sobre la suposición de que la forma de
onda es puramente sinusoidal lo cual puede ser aceptado para algunas formas de
onda pero incorrecto para otras que pueden ser dañinas
2.2.8.2. Efectos a largo plazo
El principal efecto a largo plazo de los armónicos es el calentamiento.
2.2.8.2.1. Calentamiento de capacitores
Las pérdidas causadas por calentamiento son debidas a dos fenómenos:
conducción e histéresis en el dieléctrico. Como una primera aproximación, ellas
son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado para conducción y a la
frecuencia para histéresis. Los capacitores son por consiguiente sensibles a
sobrecargas, tanto debido a un excesivo voltaje a la frecuencia fundamental o a la
presencia de tensiones armónicas.
2.2.8.3. Calentamiento debido a pérdidas adicionales en máquinas y
transformadores
Pérdidas adicionales en el estator (cobre y hierro) y principalmente en el
rotor (devanado de amortiguamiento, y circuito magnético) de máquinas causadas
por la diferencia considerable en velocidad entre el campo rotatorio inducido por
los armónicos y el rotor.
En los transformadores existirán pérdidas suplementarias debido al efecto
pelicular, el cual provoca un incremento de la resistencia del conductor con la
frecuencia, también habrá un incremento de las pérdidas por histéresis y las
corrientes de eddy o Foucault (en el circuito magnético).
2.2.8.4. Calentamiento de cables y equipos
Las pérdidas son incrementadas en cables que conducen corrientes
armónicas, lo que incrementa la temperatura en los mismos. Las causas de las
pérdidas adicionales incluyen:
Un incremento en la resistencia aparente del conductor con la
frecuencia, debido al efecto pelicular.
Un aumento del valor eficaz de la corriente para una misma potencia
activa consumida.
Un incremento de las pérdidas dieléctricas en el aislamiento con la
frecuencia, si el cable es sometido a distorsiones de tensión no
despreciables.
El fenómeno relacionado con la proximidad, de envolventes, de
pantallas (conductores revestidos) puestas a tierra en ambos extremos,
entre otros.
De una forma general todos los equipos (cuadros eléctricos) sometidos a
tensiones o atravesados por corrientes armónicas, sufren más pérdidas y deberán
ser objeto de una eventual disminución de clase. Por ejemplo, una celda de
alimentación de un condensador se dimensiona para una intensidad igual a 1.3
veces la corriente reactiva de compensación. Este sobredimensionamiento no
tiene en cuenta sin embargo el aumento del calentamiento debido al efecto
pelicular en los conductores.
Muchas de las anomalías que ocasiona la circulación de corrientes de
frecuencias que no son propiamente del sistema, a través de él y de los equipos
conectados, causando en ocasiones problemas de operación, tanto a la empresa
suministradora como al usuario, se deben a las siguientes razones:
a. Las frecuencias del flujo de potencia de tensiones y corrientes
sobrepuestas a las ondas de flujo de 50 ó 60 ciclos, originan altas
tensiones, esfuerzos en los aislamientos, esfuerzos térmicos e
incrementan las pérdidas eléctricas.
b. Muchos aparatos eléctricos son diseñados para aceptar y operar
correctamente en potencia de 50 ó 60 ciclos, pero no responden bien a
cantidades significantes de potencia a diferentes frecuencias. Esto
puede causar ruido en el equipo eléctrico, problemas mecánicos y en el
peor de los casos falla del equipo.
c. Los armónicos generados en un sistema eléctrico pueden crear niveles
altos de ruido eléctrico que interfieran con las líneas telefónicas
cercanas.
d. La presencia de frecuencias diferentes a la nominal en la tensión y en
la corriente, regularmente no son detectables por un monitoreo normal,
por mediciones o por el equipo de control; por lo que su presencia no
se nota. Por ejemplo los medidores residenciales monofásicos no
detectan frecuencias mucho más arriba de 6 ciclos.
Frecuentemente la primera indicación de la presencia significativa de
armónicos es cuando causan problemas de operación o fallas del equipo.
http://www.monografias.com/trabajos21/armonicos/armonicos.shtml#ixzz2zxW6X
cI4.
2.3. Definición de términos básicos
Armónicos: Componente de la tensión o corriente cuya frecuencia es múltiplo
de la frecuencia de la onda fundamental. Los armónicos son esencialmente el
resultado de loa equipos electrónicos actuales. La electrónica de hoy en día ha
diseñado para absorber corriente en forma de “pulsos” en vez de hacerlo
suavemente en forma sinusoidal, como lo hacían los antiguos equipos que no
eran electrónicos. Estos pulsos producen formas de onda de corriente
distorsionada, lo cual a su vez produce una distorsión de la tensión. Los
armónicos de la tensión y de la corriente pueden provocar problemas como el
calentamiento excesivo en el cableado, las conexiones, los motores y
transformadores y pueden producir un disparo aleatorio de los interruptores
automáticos.
Calidad de energía eléctrica: En condiciones ideales de operación, las formas
de onda de tensión y corriente que fluyen en un sistema eléctrico de potencia
son sinusoidales de frecuencia única y constante.
Factor de potencia: El factor de potencia se define como la relación entre la
potencia activa P y la potencia aparente S.
Falla: 1. Es una alteración o daño permanente o temporal en cualquier parte del
equipo, que varía sus condiciones normales de operación y que generalmente
causa un disturbio. II 2. Perturbación que impide la operación normal.
Frecuencia: En sistema de corriente alterna, velocidad a la que la corriente
cambia la dirección, expresada en hercios (ciclos por segundo); medida del
número de ciclos completos de una forma de onda por unidad de tiempo.
Generador: dispositivo electromagnético por medio de la cual se convierte la
energía mecánica en energía eléctrica.
Hercio (Hz): unidad de frecuencia igual a un ciclo por segundo. 2. En la corriente
alterna, los números de cambios de ciclos positivo y negativo por segundo.
Instalación: Infraestructura creada por el sector eléctrico, para la generación,
transmisión y distribución de la energía eléctrica, así como la de los
permisionarios que se interconectan con el sistema.
Línea de transmisión: Es un conductor físico por medio del cual se transporta
energía eléctrica a niveles de tensión alto y medio, principalmente desde los
centros de generación a los centros de distribución y consumo.//Elemento de
transporte de energía entre dos instalaciones del sistema eléctrico.
Red de Distribución: Conjunto de alimentadores interconectados y radiales que
suministran a través de los alimentadores la energía a los diferentes usuarios.
Sistema eléctrico: Comprende el conjunto de medios y elementos útiles para la
generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto
está dotado de mecanismos de control, seguridad y protección.
Subestación eléctrica: conjunto de aparatos eléctricos localizados en un mismo
lugar, y edificaciones necesarias para la conversión o transmisión de energía y
edificaciones necesarias para la conversión o transformación para el enlace de
dos o más circuitos.
Transformador: (%THD, Distorsión Armónica Total) contribución de todas las
corrientes o tensiones armónicas a la tensión o corriente fundamental,
expresada como un porcentaje de las mismas.
Resonancia: conjunto de fenómenos relacionados con los movimientos
periódicos o casi periódicos en que se produce reforzamiento de una oscilación
al someter el sistema a oscilaciones de una frecuencia determina.
CAPITULO III
HIPÓTESIS Y VARIABLES
3.1. Hipótesis
Afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y
oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en
el 2014 de forma negativa para todo el sistema
3.2. Sub Hipótesis:
a. Afectan los armónicos en el sistema eléctrico de la planta de concreto
reduciendo la vida útil de los componentes eléctricos.
b. En el sistema eléctrico de la planta de concreto se se presenta armónicos
de orden 3°, 5° y 7°.
CAPITULO IV
METODOLOGIA
4.1. Método, tipo y nivel de investigación
Descriptivo.- Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las
características, y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos,
objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir
únicamente pretenden medir o recoger información de manera independiente o
conjunta sobre los conceptos o variables a las que se refieren, esto es, objetivo
no es indicar como se relacionan estas. Hernández, Fernández & Baptista.
(2010) Metodología de la Investigación.5ta Edición, Cap.5. pag.80
4.2. Diseño de investigación
Descriptivo Comparativo.- Objetivo Específico: Comparar realidades de 2
conjuntos de elementos.
• M1 y M2: Muestras 1 y 2 ó Población 1 y 2.
• Xi: Variable(s) de estudio
• O1 y O2: Observaciones 1 y 2: Resultados (=, ≠, ~) de las comparaciones.
Este diseño parte de la consideración de dos o más investigaciones
descriptivas simples; esto es, recolectar información relevante en varias
muestras con respecto a un mismo fenómeno o aspecto de interés y luego
caracterizar este fenómeno en base a la comparación de los datos recogidos,
pudiendo hacerse esta comparación en los datos generales o en una categoría
de ellos. Alva Santos A. Diseño Metodológico
4.3. Población y muestra
Muestra:
Motores y transformadores
Población: Planta de concreto de concreto
4.4. Técnicas de recolección de datos
Instrumentos de de medicion de parametros estableciod en normas nacionales
e internacionales.
Instrumentos de
Medición
Unidad de
MedidaDescripción Imagen
Analizador de
RedesHercios
Un Analizador de Redes es un instrumento
capaz de analizar las propiedades de las
redes eléctricas, especialmente aquellas
propiedades asociadas con la reflexión y la
transmisión de señales eléctricas,
conocidas como parámetros de dispersión
(Parámetros-S). Los analizadores de redes
son más frecuentemente usados en altas
frecuencias, que operan entre los rangos
de 9 kHz hasta 110 GHz.
Osiloscopio Hercios
Un osciloscopio es un instrumento de
medición electrónico para la representación
gráfica de señales eléctricas que pueden
variar en el tiempo. Es muy usado en
electrónica de señal, frecuentemente junto a
un analizador de espectro.
Pinza
AmperimetricaAmperios
La pinza amperimétrica es un tipo especial
de amperímetro que permite obviar el
inconveniente de tener que abrir el circuito
en el que se quiere medir la corriente para
colocar un amperímetro clásico. El
funcionamiento de la pinza se basa en la
medida indirecta de la corriente circulante
por un conductor a partir del campo
magnético o de los campos que dicha
circulación de corriente que genera. Recibe
el nombre de pinza porque consta de un
sensor, en forma de pinza, que se abre y
abraza el cable cuya corriente queremos
medir.
Voltimetro Voltios
Un voltímetro es aquel aparato o dispositivo
que se utiliza a fin de medir, de manera
directa o indirecta, la diferencia potencial
entre dos puntos de un circuito eléctrico.
Se usa tanto por los especialistas y
reparadores de artefactos eléctricos, como
por aficionados en el hogar para diversos
fines; la tecnología actual ha permitido
poner en el mercado versiones
económicas y al mismo tiempo precisas
para el uso general, dispositivos presentes
en cualquier casa de ventas dedicada a la
electrónica
Watimetro Watios
El vatímetro es un instrumento
electrodinámico para medir la potencia
eléctrica o la tasa de suministro de energía
eléctrica de un circuito eléctrico dado. El
dispositivo consiste en un par de bobinas
fijas, llamadas «bobinas de corriente», y
una bobina móvil llamada «bobina de
potencial». .
4.5. Técnicas de tratamiento de datos
Los datos obtenidos de la mediciones son pruebas paramétricas, para ello se
tendrán un tratamiento según parámetros y estándares planteadas por nomas
nacionales e internacionales.
CAPITULO V
ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
5.1. Presupuesto
Cantidad CostoTotal
UCCI
Otra
entidadTotal
Mensual S/. 3,000.00 0 0 S/. 3,000.00
Mensual S/. 500 0 0 S/. 500.00
- Hojas millar S/. 21 0 0 S/. 21.00
- Lapiceros 10 S/. 2 0 0 S/. 20.00
- Folter 10 S/. 1 0 0 S/. 5.00
- Analizador redes 1 S/. 2,500 0 0 S/. 2,500.00
- Osiloscopio 1 S/. 1,500 0 0 S/. 1,500.00
- Amperimetros 1 S/. 150 0 0 S/. 150.00
- Voltimetros 1 S/. 120 0 0 S/. 120.00
- Vatimetros 1 S/. 200 0 0 S/. 200.00
S/. 450 0 0 S/. 450.00
S/. 8,466.00
Otros gastos
TOTAL:
Descripción
Honorarios
Transporte local
Útiles de Oficina
Equipos y materiales
5.2. Cronograma
Mes Mes Mes Mes Mes Mes Mes
1 2 3 4 5 6 7
Evaluación del sistema electrico y
de las maquinasX
Revision Bibliográfica X
Pruebas y mediciones 1ra parte X
Estudio y pruebas de campo X
Gabinete – cálculos X
Pruebas y mediciones 2da Parte X
Redacción de Informe X
ACTIVIDADES
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Fundamentos del Análisis de Fourier Departamento de Enxeñería Eléctrica
Escola Técnica Superior de Enxeñeiros Industriáis, Universidade de Vigo,
2003.webs.uvigo.es/grupo_ene/publicaciones/Apuntes_Fourier.pdf.
2. Alternativa óptima de costo mínimo Frente a la Problemática de la Calidad del
Servicio Eléctrico en la Universidad Nacional del Centro del Perú, Huancayo
Perú 2011 CHÁVEZ TAIPE Gina Mabel.
3. Direccionalidad de Corrientes Armónicas en Sistemas de Distribución Eléctrica
en la Universidad de Piura, Perú 2003, Ingeniero Mecánico – Eléctrico,
GÁLVEZ CARRILLO Manuel Ricardo.
4. Armónicos en Sistemas de Distribución de Energía Eléctrica en la Universidad
Autónoma de Nueva León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica,
España 1996, REYES CALDERON Gilberto.
5. Teorías de Diseño de Filtros Activos para Mitigación de Armónicos en
Sistemas Eléctricos de Potencia en Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica, BYRON
JULIÁN Villatoro Martínez.
6. Metodología de la Investigación.5ta Edición (2010), Hernández, Fernández &
Baptista.
7. Código Nacional de Electricidad, Intranet2.
minem.gob.pe/web/cafae/Pdfs/CNE.PDF
8. Código Nacional de Electricidad/www.cne.gob.pe/
9. Generalidades sobre los armónicos y su influencia en los sistemas de
distribución de energía.
http://www.monografias.com/trabajos21/armonicos/armonicos.shtml#ixzz2zxW
ZSmCO
ANEXO
PROBLEMA GENERAL
OBJETIVO GENERAL HIPOTESIS GENERAL ARMÓNICO METODOLOGÍA
¿De qué manera afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014?
Analizar de qué manera afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014?
Afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014 de forma negativa para todo el sistema.
Componente sinusoidal de la tensión cuya frecuencia es múltiplo de la onda fundamental
DESCRIPTIVO Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las
características, y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir únicamente pretenden medir o recoger información de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o variables a las que se refieren, esto es, objetivo no es indicar como se relacionan estas. Hernández, Fernández & Baptista. (2010) Metodología de la Investigación.5ta Edición, Cap.5. pag.80
SUB PROBLEMAS OBJETIVOS ESPECIFICOS
SUB HIPOTESIS SISTEMA ELÉCTRICO
DISEÑO
¿Cómo afectan los armónicos en el sistema eléctrico de la planta de concreto?
Determinar cómo afectan los armónicos en el sistema eléctrico de la planta de concreto.
Afectan los armónicos en el sistema eléctrico de la planta de concreto reduciendo la vida útil de los componentes eléctricos.
comprende el conjunto de medios y elementos útiles para la generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto está dotado de mecanismos de control, seguridad y protección
DESCRIPTIVO COMPARATIVO Objetivo Específico: Comparar realidades de 2
conjuntos de elementos
• M1 y M2: Muestras 1 y 2 ó Población 1 y 2. • Xi: Variable(s) de estudio • O1 y O2: Observaciones 1 y 2: Resultados (=, ≠, ~) de las comparaciones.
Este diseño parte de la consideración de dos o más investigaciones descriptivas simples; esto es, recolectar información relevante en varias muestras con respecto a un mismo fenómeno o aspecto de interés y luego caracterizar este fenómeno en base a la comparación de los datos recogidos, pudiendo hacerse esta comparación en los
datos generales o en una categoría de ellos. Alva Santos A. Diseño Metodológico
¿Qué armónicos se presentan en el sistema eléctrico de la planta de concreto?
Analizar el tipo de armónico se presenta en el sistema eléctrico de la planta de concreto?
En el sistema eléctrico de la planta de concreto se presenta armónicos de orden 3°, 5° y 7°.
CCM DE PLANTA BORENARAS DE MOTORES ELECTRICOS
BANCO DE CAPACITORES PLANTA DE SERVICCON
CARGA NO LINEAL (VARIADOR DE
VELOCIDAD)
CARGA NO LINEAL (ARRANCADORES
ELECTRONICOS)