Calidad del Servicio Eléctrico [Power Quality]eia.udg.es/~secse/curso_calidad/curso3_armonicos.pdf · señal senoidal en regimén permanente. Introducción Compatibilidad Electromagnética

j.j.

Armónicos

Calidad del Servicio Eléctrico [Power Quality]

Girona, Marzo 6 de 2003

Juan José Mora Fló[email protected]

j.j.

Contenido

Introducción

Compatibilidad Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Introducción

Introducción

Compatibilidad Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

ENERGÍA ENERGÍA ELÉCTRICAELÉCTRICA

Confiabilidad

ContinuidadCALIDAD CALIDAD DE SERVICIODE SERVICIO

ArmónicosArmónicos

Seguridad

Calidad

Calidad del producto (Forma de Onda)

Calidad comercial

j.j.

Entorno Electromagnético

Es la aptitud de un dispositivo, aparato o Es la aptitud de un dispositivo, aparato o sistema para funcionar en su entorno sistema para funcionar en su entorno electromagnético de forma satisfactoria, sin electromagnético de forma satisfactoria, sin producir perturbaciones electromagnéticas producir perturbaciones electromagnéticas intolerables para cualquier otro dispositivo intolerables para cualquier otro dispositivo situado en el mismo entorno.situado en el mismo entorno.

Compatibilidad Electromagnética-CEM

Señal conducida A BEmisión A

Susceptibilidad B

Dispositivo ADispositivo A Dispositivo BDispositivo B

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Nivel de perturbación

Nivel de emisiónNivel de emisión

00

Nivel de inmunidad Nivel de inmunidad (puede soportar)

Nivel de Susceptibilidad Nivel de Susceptibilidad (mal funcionamiento)

Compatibilidad Electromagnética de un Sistema

Margen de inmunidadMargen de inmunidad

Nivel de CEMNivel de CEM

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.

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Tipos de Perturbaciones

Baja FrecuenciaBaja Frecuencia(BF)(BF)

Alta FrecuenciaAlta Frecuencia(AF)(AF)

Rango de frecuenciasRango de frecuencias

Forma de propagaciónForma de propagación

DuraciónDuración

0<f<1MHz0<f<1MHz f>1MHzf>1MHz

Por conducciónPor conducción Por RadiaciónPor Radiación

Medio de propagaciónMedio de propagación CablesCables AireAire

Transitoria yTransitoria yPermanentePermanente

Transitoria yTransitoria yPermanentePermanente

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Perturbaciones comunes en los sistemas de distribución

Tensión Variaciones, cortes, caídas, sobretensiones

Frecuencia Variaciones

Forma de onda

Armónicos, transitorios

Fases Desequilibrios

Potencia Cortocircuito, sobrecargas

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Ejemplos de perturbaciones en tensión comunes en la red

Fluctuación de tensión

Caída de tensión

Hueco de

tensión

Micro-Corte

Sobre-tensión

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Armónicos

Los armónicos son perturbaciones de baja frecuencia que se transmiten principalmente por conducción.

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Cómo se evidencia la existencia de Armónicos ?

Se dice que una señal tiene perturbaciones armónicas si la forma de onda difiere de la señal senoidal en regimén permanente.

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

Anormalidades:Sistemainmune

ANTERIORMENTETRFs

Cargas especiales.

Transitorios

Cortocircuitos

Descargas

tensión

Por qué hoy en día hay que hacer estudios de los armónicos ?

Con el advenimieto de Cargas Electrónicas:“Mayor uso y de mayor potencia”

Convertidores Variadores de velocidadRectificadoresComputadores, etc

AumentaAumentaPresenciaPresencia

SensibilidadSensibilidad

PerturbacionesPerturbaciones

A las A las PerturbacionesPerturbaciones

j.j.

Cómo se representan las señales que tienen perturbaciones armónicas ?

++

++

Series de Fourier

( ) ( ) ( )∑∑∞

=

∞

=++=

10

100 sencos

kk

kk tkCtkBatf ωω

( )∫= T dttxT

a 10 ( ) ( )∫= Tk dttktx

TB 0cos2 ω

( ) ( )∫= Tk dttktxT

C 0sen2 ω

22kkk CBD +=

( ) ( )∑∞

=++=

100 cos

kkk tkDatf θω

−= −

k

kk B

Ctan 1θ

Series de Fourier

j.j.

Amplitud

Amplitud

FrecuenciaFrecuencia

Amplitud

Amplitud

TiempoTiempo

Dominios del Tiempo y de la Frecuencia (jω)

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

TiempoTiempo

Vol

taje

Vol

taje

Fuente de tensión senoidal y Carga lineal

i(t)

v(t) R

i [A]i [A]

v [V]v [V]T

iempo

Tiem

po

CorrienteCorriente

Cómo se generan las perturbaciones armónicas ?

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

i [A]i [A]

v [V]v [V]

TiempoTiempo

Vol

taje

Vol

taje

Tiem

poT

iempo

CorrienteCorriente

Fuente de tensión senoidal y Carga no-lineal

i(t)

v(t) R

Cómo se generan las perturbaciones armónicas ?

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

i(t)

v(t)v(t)R

Carga no lineali(t)i(t)

v(t)v(t)R

L

Carga lineal tensión no

senoidal

i(t)i(t)

v(t)v(t)R Carga variante

en el tiempo

Generación de armónicos

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

i N

v B NOZ s LINEAL

vS i

vB LINEAL

iS

Otras formas de generación: Generación de tensiones armónicas en una red eléctrica por propagación corrientes armónicas

v(t)v(t)

ii TT (t)(t)

ZZ LL

v’(t)v’(t)CargaCarga

No No LinealLineal

CargaCargaLinealLineal

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Categorías de fuentes de generación armónicas

Fuentes de pequeña potencia y comportamiento Fuentes de pequeña potencia y comportamiento predeciblepredecible

•• Equipos domesticos y residenciales

Fuente de gran potencia y comportamiento Fuente de gran potencia y comportamiento aleatorioaleatorio

•Hornos de arco

Fuente de gran potencia y comportamiento Fuente de gran potencia y comportamiento predeciblepredecible

•Convertidores estáticos (HVdc, Hornos de fundición)

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Fuentes de pequeña potencia

•Mayoritariamente monofásicos: TV’s, PC’s, convertidores.

•Individualmente no son significativos, pero su efecto

combinado produce gran distorsión (armónicos impares).

•Su comportamiento es predecible y de estado estacionario o

cuasiestacionarío

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

0 10 20 30 40-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Time (mS)

Cur

rent

Single Phase Power Supply (DAT=80%)

0 10 20 30 40-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Time (mS)

Cur

rent

Semiconverter (DAT=alto)

0 10 20 30 40-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Time (mS)

Cur

rent

6 Pulse Converter, capacitive smoothing, no series inductance

(DAT=80%)

0 10 20 30 40-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Time (mS)

Cur

rent

6 Pulse Converter, capacitive smoothing with series inductance > 3%, or

dc drive (DAT=40%)

0 10 20 30 40-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Time (mS)

Cur

rent

6 Pulse Converter with large inductor for current smoothing

(DAT=28%)

0 10 20 30 40-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Time (mS)

Cur

rent

12 Pulse Converter

(DAT=15%)

0 10 20 30 40-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Time (mS)

Cur

rent

AC Voltage Regulator

(DAT=varía con alfa)

Otros Ejemplos

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Cómo afectan las perturbaciones armónicas ?

La gravedad de su aparición depende de la susceptibilidad de la carga o la fuente

Elementos Menos Susceptibles: Generadores de Calor

Elementos Más Susceptibles: Diseñados con entrada completamente Senoidal

Elementos con Susceptibilidad Intermedia: Motores

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Efectos de los armónicos

1.1. Probabilidad de resonancias serie y paraleloProbabilidad de resonancias serie y paralelo

2.2. Saturación de Transformadores (Saturación de Transformadores (dimensionamientodimensionamiento))

3.3. Reducción de la eficiencia del sistema Reducción de la eficiencia del sistema

4.4. Envejecimiento y reducción de vida útil de equiposEnvejecimiento y reducción de vida útil de equipos

5.5. Probabilidad de operación incorrecta de:Probabilidad de operación incorrecta de:

a)a) RelésRelés

b)b) ControladoresControladores

c)c) Contadores (pérdidas)Contadores (pérdidas)

6.6. Incremento de pérdidasIncremento de pérdidas

7.7. Incremento de ruido e interferencia Incremento de ruido e interferencia

8.8. Existencia de torques vibratorios y de frenadoExistencia de torques vibratorios y de frenado

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Cómo se cuantifica el nivel de las perturbaciones armónicas ?

Distorsión Armónica

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 4-2 .5

-2

-1 .5

-1

-0 .5

0

0 .5

1

1 .5

2

2 .5

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

1

2

1nn

V V

VDAT

∑≠=

1

2

1nn

I I

IDAT

∑≠=

Distorsión Armónica

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

armónicosen fase

Armónicosen contrafase

D.A.T.D.A.T.AA = D.A.T.= D.A.T.BB

A

B

Distorsión Armónica

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

•• Factor de crestaFactor de cresta..

FCVV

max

RMS=

•• Factor de formaFactor de forma

FFVRMS

VAAV=

•• Factor de desviaciónFactor de desviación

δmaxFD =

Otros índices

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

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 4-1 .5

-1

-0 .5

0

0 .5

1

1 .5

Tensión

EMPRESAS DISTRIBUIDORAS

Conclusiones¿De quien depende?

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

¿De quien depende?

USUARIOS

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 4-2 .5

-2

-1 .5

-1

-0 .5

0

0 .5

1

1 .5

2

2 .5

Corriente

Conclusiones

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

Conclusiones

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.

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

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.

Conclusiones

Introducción

Compatibilidad

Electromagnética

Análisis de Armónicos

Conclusiones

j.j.

GRUPO DE INVESTIGACIÓN ENGRUPO DE INVESTIGACIÓN ENSISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICASISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y TelecomunicacionesTelecomunicaciones

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERUNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERCarrera 27, Calle 9. Ciudad Universitaria. Carrera 27, Calle 9. Ciudad Universitaria. —— A. A. 678A. A. 678

Conmutador: +(7) 6344000, Extensiones: 2373 Conmutador: +(7) 6344000, Extensiones: 2373 -- 24792479Teléfonos: +(7) 6342085 / 6359622 Teléfonos: +(7) 6342085 / 6359622 —— Fax: +(7) 6451156Fax: +(7) 6451156

BUCARAMANGA BUCARAMANGA —— COLOMBIACOLOMBIA

Agradecimientos

j.j.

Preguntas ?