CALIDAD DE LA ENERGIA TEMA: QUÉ OCURRE CON EL FACTOR DE POTENCIA CUANDO LA ONDA NO ES SINUSOIDAL (DISTORCION ARMONICA) DOCENTE: ALUMNO: FACULTAD: ING. ELECTRICA 2019 INTRODUCCION Hoy en día debido al crecimiento de dispositivos en los sistemas de potencia, tales como variadores de velocidad, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), convertidores estáticos de potencia, inversores, etc., la calidad de la tensión y de la corriente puede peligrar. Así es como se pueden encontrar armónicos, que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental base. No obstante, nos han acarreado un grave problema para la distribución y consumo de electricidad. QUÉ OCURRE CON EL FACTOR DE POTENCIA CUANDO LA ONDA NO ES SINUSOIDAL (DISTORCION ARMONICA) 1.- LOS ARMÓNICOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA Podemos aproximar el concepto de distorsión armónica a una “malformación” de la corriente eléctrica que llega de la red a nuestros hogares y empresas. Esta “malformación” está originada por los equipos electrónicos que consumen energía eléctrica de una forma “no lineal”, es decir, de una forma no continua en el tiempo. Esta forma de consumir electricidad, provoca que la forma de onda senoidal de la corriente eléctrica se distorsione. Esta distorsión se puede descomponer en diferentes componentes, conocidas como armónicos. La mayor o menor presencia de armónicos se mide con una magnitud conocida como Tasa de Distorsión Armónica (THD). Distorsión armónica Las corrientes armónicas al circular por el sistema de potencia producen caídas de voltaje y calentamiento en el conductor armónicos que son capaces de distorsionar la onda del voltaje de suministro. 1.1.- CÁLCULOS DE FILTROS DE ARMONICOS Para estos casos se puede utilizar filtros de armónicos o la compensación de corriente inductiva y capacitiva. Las ecuaciones importantes son: h2 = XC / XL XC = V2 / VAr XL = 2 * Pi * f * L Donde: h XC XL V VAr Pi f L = Armónica = Reactancia capacitiva del filtro = Reactancia inductiva del filtro = Voltaje nominal en volts del banco de capacitores = Capacidad en VAr del banco de capacitores = 3,1416 = Frecuencia en Hz de la onda fundamental [60] = Inductancia en henrios. 2.- EL FACTOR DE POTENCIA El factor de potencia se define como la relación entre la potencia activa (kW) usada en un sistema y la potencia aparente (kVA). Común mente el factor de potencia es un término utilizado para describir la calidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo (w) por tanto el valor ideal del factor de potencia es 1 esto indica q toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformado en trabajo. Por el contrario el factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil La potencia efectiva o real es la que en el proceso de la transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo. Unidad: watt (w) símbolo: P La potencia reactiva es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento de los equipos inductivos como os motores y transformadores Unidad: volt amper reactivo (var) símbolo: Q La potencia aparente esla suma geométrica de las potencias activa y reactiva Unidad: volt amper (VA) símbolo: S En el triángulo de potencia se deduce que el valor de potencia puede variar en tre 0 1 bajo condiciones de voltajes y corrientes senoidales el factor de potencia es. 2.1.- COMO AFECTA EL FACTOR DE POTENCIA Dependiendo el tipo de carga, el factor de potencia puede ser: ADELANTADO en las cargas capacitivas como los condensadores la corriente se encuentra adelantada con respecto al voltaje. Ø > 0 RETRASADO en las cargas inductivas como los motores y transformadores la corriente se encuentra retrasada con respecto al voltaje. Ø < 0 IGUAL = 1 En las cargas resistivas como las lámparas incandescentes el voltaje y la corriente están en fase en este caso un factor de potencia es. Ø = 1 El consumo de la mayoría de energía es reactiva el ángulo Ø se incrementa y disminuye el factor de potencia. Esto genera gastos económicos por el incremento de consumo de corriente. 2.2.- CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Esta práctica es conocida como mejora o corrección del factor de potencia y se realiza mediante la conexión a través de conmutadores automáticos, de bancos de condensadores (conocidos también como bancos de capacitores) o de inductancias, según sea el caso el tipo de cargas que tenga la instalación. Por ejemplo, el efecto inductivo de las cargas de motores puede ser corregido localmente mediante la conexión de condensadores. En determinadas ocasiones pueden instalarse motores síncronos con los que se puede inyectar potencia capacitiva o reactiva con tan solo variar la corriente de excitación del motor. La mejora del factor de potencia debe ser realizada de una forma cuidadosa con objeto de mantenerlo lo más alto posible. Es por ello que en los casos de grandes variaciones en la composición de la carga es preferible que la corrección se realice por medios automáticos. 3.- CONSECUENCIA DE LA DISTORSION ARMÓNICA QUE AFECTA AL FACTOR DE POTENCIA Teniendo todos estos conceptos podemos determinar que distorsión armónica afecta al factor de potencia, debido que la variación de frecuencia satura la potencia de consumo de cualquier equipo eléctrico - Sobrecalentamientos en los conductores especialmente en el neutro de las instalaciones, debido al efecto pelicular. - Disparos intempestivos de Interruptores Automáticos y Diferenciales. - Disminución del factor de potencia de una instalación y envejecimiento e incluso destrucción de las baterías de condensadores utilizadas para su corrección debido a fenómenos de resonancia y amplificación. - Vibraciones en cuadros eléctricos y acoplamientos en redes de telefonía y de datos. - Deterioro de la forma de onda de la tensión, y consiguiente malfuncionamiento de los aparatos eléctricos. - Calentamientos, degradaciones en los aislamientos, embalamientos y frenados en motores asíncronos. - Degradaciones del aislamiento de los transformadores, pérdida de capacidad de suministro de potencia en los mismos. Todos estos efectos acarrean pérdidas económicas importantes debido a: - Necesidad de sobredimensionamiento de los conductores y de las potencias contratadas en una instalación. - Necesidad de sustitución con mayor frecuencia de los aparatos y máquinas dañados por los armónicos. - Paradas de producción debidas a los disparos intempestivos de los elementos de protección y mando. ¿Cómo podemos detectar la presencia de armónicos en nuestra instalación? Además de la propia observación de los efectos causados y la experiencia de los técnicos de mantenimiento, podemos recurrir a instrumentos tales como osciloscopios, multímetros y pinzas de verdadero valor eficaz (TMRS), multímetros medidores de armónicos y analizadores de redes eléctricas, además de la existencia de especialistas y profesionales que nos pueden hacer un diagnóstico de los problemas de armónicos de nuestra instalación. Conocidos lo que son, los efectos que producen y cómo se pueden detectar, veamos ahora algunas de las múltiples soluciones que existen: - Sobredimensionamiento de conductores y pletinas. Utilización de un neutro para cada fase. - Utilización de transformadores de aislamiento de estrella-triángulo, con secundario en zig-zag o con doble secundario. - Filtros pasivos como las impedancias anti armónicas o los llamados “shunt resonantes”, formados por elementos pasivos como inductancias y condensadores. Filtros activos y convertidores “limpios”. - Utilización de diferenciales “súper inmunizados” calibrados para soportar altas tasas de THD. - Separación de los elementos no lineales de las “cargas limpias” en una instalación eléctrica. - Impedancias de alisado, conectadas a las cargas no lineales. Filtros en cargadores y alimentadores. Alertados de la presencia de los armónicos e informados de sus características, puntos fuertes y debilidades, podemos armarnos y defendernos de ellos. Para quien desee profundizar en el tema, existen numerosos tratados, publicaciones y cuadernos técnicos disponibles. Aquí he pretendido una aproximación al problema que representan para los consumidores, de una forma sencilla, concisa y fácilmente entendible. 4.- CONCLUCIONES La combinación de cargas no lineales distintas, conectadas en paralelo, siempre arroja distorsiones resultantes con valores cercanos -o aún más bajos, de los ángulos de fase de los armónicos de cada una de las cargas conectadas en paralelo. Vemos que con cada carga identifica el nivel de potencia, conectando a la red en paralelo, se observaron el incremento significativo del THD. En el hecho de que los amperes armónicos, si bien aumentan con “n” cargas, nacen tan rápidamente como los amperes de la onda fundamental. Cuando los niveles de potencia son distintos, hay una mayor dispersión en los ángulos de desfasaje de los armónicos de cada una de las cargas y por ende, reducciones más significativas se presentan por superposición de los fenómenos de diversidad y atenuación. La distorsión de corriente es altamente dependiente del nivel de potencia. Finalmente y con el modelo del sistema de distribución presentado, se analizó el efecto del incremento de la reactancia de la red, concluyendo que su aumento influye favorablemente en la disminución del índice de distorsión de corriente. ANEXOS En un circuito de corriente alterna, el factor de potencia afecta directamente la eficiencia del mismo. En una instalación, es necesario conocer las causas y las desventajas de tener un bajo factor de potencia y, los métodos para mejorarlo. Pero los circuitos actuales tienen cada vez más elementos o cargas no lineales, en que la corriente que toman no siempre es proporcional al voltaje de la fuente. Estos elementos principalmente son del tipo electrónico, como diodos, transistores, SCR, triacs, etc. instalados en controladores ajustables para motores. Por otro lado, también se tienen muchos elementos del tipo electromagnético, como transformadores, motores, generadores, etc., que al estar trabajando en el límite de saturación magnética su respuesta no es lineal. El análisis matemático hecho por el Sr. Fourier, y así lo ha demostrado los experimentos posteriores, indican que este tipo de curvas no sinusoidales, y que pueden estar muy distorsionadas, se pueden considerar como la suma de una serie infinita de ondas sinusoidales, más una componente de corriente directa en su caso, con fórmula general: y = An sen nx + Bn cos nx + C Que se llama Serie de Fourier, en que A y B son la amplitud máxima de la onda "n" en particular, y nx es un múltiplo de la frecuencia fundamental "x" .Cada componente sinusoidal constituye lo que se llama una "armónica", y la onda total podrá estar desplazada de cero en una cantidad C. Además, cada componente sinusoidal constituye lo que se llama una "armónica" a la frecuencia nx, en que n es un número entero. BIBLIOGRAFIA Mansoor, A. y W. M Grady, Análisis de los factores de compensación que influyen en la corriente armónica neta producida por cargas no lineales monofásicas: Actas de la VIII Conferencia Internacional sobre Armónicos y Calidad de Energía. 2, 883-887 (1998). [ Links ] https://scielo.conicyt.cl/scielo.php?script=sci_issuetoc&pid=0718076420140001&lng=es&nrm=iso http://etapesp.es/folletos.html https://youtu.be/ZRR0UefCGmU http://www.sectorelectricidad.com/category/articulos/ https://plantaselectricas.wordpress.com/2011/02/18/armonicos-que-son-y-como-nosafectan/ https://gesternova.com/los-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones/
