Armónicos Calidad del Servicio Eléctrico [Power Quality] Juan José Mora Flórez jjmora@silver.udg.es Girona, Marzo 6 de 2003 j.j. Ö Contenido Introducción Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones j.j. ÖIntroducción Introducción ENERGÍA ELÉCTRICA Compatibilidad Confiabilidad Seguridad Electromagnética Calidad Análisis de Armónicos Calidad comercial CALIDAD DE SERVICIO Conclusiones Continuidad Calidad del producto (Forma de Onda) j.j. Armónicos Ö Compatibilidad ElectromagnéticaCEM Introducción Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones Es la aptitud de un dispositivo, aparato o sistema para funcionar en su entorno electromagnético de forma satisfactoria, sin producir perturbaciones electromagnéticas intolerables para cualquier otro dispositivo situado en el mismo entorno. Emisión A Señal conducida A Dispositivo A Entorno Electromagnético j.j. B Dispositivo B Susceptibilidad B Compatibilidad Electromagnética de un Sistema Nivel de perturbación Introducción Nivel de Susceptibilidad (mal funcionamiento) Compatibilidad Electromagnética Margen de inmunidad Nivel de inmunidad (puede soportar) Análisis de Armónicos Nivel de CEM Nivel de emisión Conclusiones 0 El nivel de inmunidad de cada aparato debe ser tal que su entorno no lo perturbe, y su nivel de emisión debe ser lo suficientemente bajo como para no perturbar a los aparatos situados en su entorno electromagnético. j.j. Tipos de Perturbaciones Baja Frecuencia Alta Frecuencia (BF) (AF) Introducción Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Rango de frecuencias Forma de propagación Conclusiones Medio de propagación Duración j.j. 0<f<1MHz Por conducción Cables Transitoria y Permanente f>1MHz Por Radiación Aire Transitoria y Permanente Perturbaciones comunes en los sistemas de distribución Introducción Tensión Variaciones, cortes, caídas, sobretensiones Frecuencia Variaciones Forma de onda Armónicos, transitorios Fases Desequilibrios Potencia Cortocircuito, sobrecargas Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones j.j. Ejemplos de perturbaciones tensión comunes en la red en Introducción Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones Fluctuación de tensión j.j. Caída de tensión Hueco de tensión MicroCorte Sobretensión Ö Armónicos Introducción Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones Los armónicos son perturbaciones de baja frecuencia que se transmiten principalmente por conducción. j.j. Cómo se evidencia la existencia de Armónicos ? Introducción Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones Se dice que una señal tiene perturbaciones armónicas si la forma de onda difiere de la señal senoidal en regimén permanente. j.j. Por qué hoy en día hay que hacer estudios de los armónicos ? ANTERIORMENTE TRFs Cargas especiales. tensión Transitorios Anormalidades: Cortocircuitos Descargas Sistema inmune Con el advenimieto de Cargas Electrónicas: “Mayor uso y de mayor potencia” Convertidores Variadores de velocidad Rectificadores Computadores, etc Presencia Perturbaciones Sensibilidad A las Perturbaciones Aumenta Cómo se representan las señales que tienen perturbaciones armónicas ? + + j.j. Series de Fourier f (t) = a 0 + 1 a0 = T ∞ ∞ k =1 k =1 ∑ Bk cos( kω 0t) + ∑ Ck sen (k ω0 t ) ∫T x (t )dt Ck 2 = T 2 Bk = T ∫T x (t ) cos (k ω 0 t )dt ∫T x (t ) sen (k ω 0 t )dt Series de Fourier f (t ) = a0 + Dk = 2 Bk ∞ Dk cos(k ω0 t + θk ) ∑ k =1 2 + Ck θ k = − tan −1 C k Bk Dominios del Frecuencia (jω) Tiempo y de Introducción Compatibilidad Amplitud Electromagnética Análisis de Armónicos Frecuencia Amplitud Conclusiones Tiempo j.j. la Cómo se generan las perturbaciones armónicas ? i(t) v(t) R v [V] Voltaje Introducción Compatibilidad Electromagnética Tiempo Análisis de Armónicos i [A] Conclusiones Corriente Fuente de tensión senoidal y Carga lineal Tiempo j.j. Cómo se generan las perturbaciones i(t) armónicas ? v(t) v [V] Voltaje Introducción R Compatibilidad Electromagnética Tiempo Análisis de Armónicos i [A] Fuente de tensión senoidal y Carga no-lineal Conclusiones Corriente Tiempo j.j. Generación de armónicos Carga lineal tensión no senoidal Introducción Carga no lineal i(t) i(t) Compatibilidad R Electromagnética v(t) L Análisis de Armónicos R v(t) i(t) Conclusiones R v(t) j.j. Carga variante en el tiempo Otras formas de generación: Generación de tensiones armónicas en una red eléctrica por propagación corrientes armónicas iN Introducción Zs iS vB NO LINEAL Compatibilidad Electromagnética vS i vB Análisis de Armónicos LINEAL Conclusiones i T (t) ZL v(t) j.j. Carga No Lineal Carga Lineal v’(t) Categorías de fuentes de generación armónicas Introducción ¾Fuentes de pequeña potencia y comportamiento predecible Compatibilidad Electromagnética • Equipos domesticos y residenciales ¾Fuente de gran potencia y comportamiento aleatorio Análisis de Armónicos •Hornos de arco Conclusiones ¾Fuente de gran potencia y comportamiento predecible •Convertidores estáticos (HVdc, Hornos de fundición) j.j. Fuentes de pequeña potencia •Mayoritariamente monofásicos: TV’s, PC’s, convertidores. Introducción •Individualmente no son significativos, pero su efecto combinado produce gran distorsión (armónicos impares). Compatibilidad Electromagnética •Su comportamiento es predecible y de estado estacionario o Análisis de Armónicos cuasiestacionarío Conclusiones j.j. 1.0 0.5 Current Otros Ejemplos 0.0 -0.5 -1.0 0 10 20 30 40 Time (mS) Single Phase Power Supply (DAT=80%) Introducción 1.0 0.5 0.5 0.5 0.0 0.0 Electromagnética Current Current 1.0 Current Compatibilidad 1.0 0.0 -0.5 -0.5 -0.5 -1.0 -1.0 0 10 20 30 0 40 10 20 Análisis de Armónicos Semiconverter (DAT=alto) Conclusiones 30 -1.0 40 0 Time (mS) Time (mS) 10 20 30 40 Time (mS) 6 Pulse Converter, capacitive smoothing, no series inductance (DAT=80%) 6 Pulse Converter, capacitive smoothing with series inductance > 3%, or dc drive (DAT=40%) 1.0 0.5 0.5 Current 0.0 0.0 0.0 -0.5 -0.5 -0.5 -1.0 -1.0 -1.0 0 10 20 30 40 Time (mS) 6 Pulse Converter with large inductor for current smoothing (DAT=28%) j.j. 0.5 Current 1.0 Current 1.0 0 10 20 30 Time (mS) 12 Pulse Converter (DAT=15%) 40 0 10 20 30 Time (mS) AC Voltage Regulator (DAT=varía con alfa) 40 Cómo afectan armónicas ? las perturbaciones La gravedad de su aparición depende de la susceptibilidad de la carga o la fuente Introducción Compatibilidad Electromagnética Elementos Menos Susceptibles: Generadores de Calor Análisis de Armónicos Elementos Más Susceptibles: Diseñados con entrada completamente Senoidal Conclusiones Elementos Motores j.j. con Susceptibilidad Intermedia: Efectos de los armónicos Introducción Compatibilidad 1. Probabilidad de resonancias serie y paralelo 2. Saturación de Transformadores (dimensionamiento) 3. Reducción de la eficiencia del sistema 4. Envejecimiento y reducción de vida útil de equipos 5. Probabilidad de operación incorrecta de: Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones j.j. a) Relés b) Controladores c) Contadores (pérdidas) 6. Incremento de pérdidas 7. Incremento de ruido e interferencia 8. Existencia de torques vibratorios y de frenado Cómo se cuantifica el nivel de las perturbaciones armónicas ? Distorsión Armónica Introducción 2 .5 2 Compatibilidad Electromagnética 1 .5 1 Análisis de Armónicos 0 .5 0 -0 .5 Conclusiones -1 -1 .5 -2 -2 .5 j.j. 0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 0 .0 3 5 0 .0 4 Distorsión Armónica Introducción Compatibilidad Electromagnética DATV = Análisis de Armónicos Conclusiones DAT I = j.j. V ∑ n 2 n ≠1 V1 I ∑ n n ≠1 I1 2 Distorsión Armónica A armónicos en fase Introducción Compatibilidad Electromagnética D.A.T.A = D.A.T.B Análisis de Armónicos B Conclusiones Armónicos en contrafase j.j. Otros índices • Factor de cresta. Introducción Compatibilidad Electromagnética Vmax FC = VRMS • Factor de forma Análisis de Armónicos VRMS FF = V AAV Conclusiones • Factor de desviación FD =δ max j.j. Ö Conclusiones ¿De quien depende? 1 .5 Introducción 1 0 .5 Compatibilidad Electromagnética 0 -0 .5 Análisis de Armónicos -1 -1 .5 0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 0 .0 3 5 0 .0 4 Tensión Conclusiones EMPRESAS DISTRIBUIDORAS j.j. Ö Conclusiones ¿De quien depende? 2 .5 Introducción 2 1 .5 1 Compatibilidad Electromagnética 0 .5 0 -0 .5 -1 Análisis de Armónicos -1 .5 -2 -2 .5 Conclusiones 0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 Corriente USUARIOS j.j. 0 .0 3 5 0 .0 4 Ö Conclusiones Introducción Compatibilidad Electromagnética Análisis de Armónicos Conclusiones j.j. Los armónicos son distorsiones de la forma de onda de voltaje y de corriente, debidas a la presencia de señales senoidales de frecuencias múltiplo de la frecuencia fundamental. Ö Conclusiones Introducción Compatibilidad Electromagnética El grado en el que los equipos se afectan por los armónicos y el grado de contaminación que produce cada equipo está enmarcado dentro de su compatibilidad electromagnética. Análisis de Armónicos Conclusiones j.j. GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN SISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA Agradecimientos Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Carrera 27, Calle 9. Ciudad Universitaria. — A. A. 678 Conmutador: +(7) 6344000, Extensiones: 2373 - 2479 Teléfonos: +(7) 6342085 / 6359622 — Fax: +(7) 6451156 BUCARAMANGA — COLOMBIA j.j. Preguntas ? j.j.