Armónicos

Armónicos
Calidad del Servicio Eléctrico [Power Quality]
Juan José Mora Flórez
[email protected]
Girona, Marzo 6 de 2003
j.j.
Ö
Contenido
Introducción
Compatibilidad Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
ÖIntroducción
Introducción
ENERGÍA
ELÉCTRICA
Compatibilidad
ƒ Confiabilidad
ƒ Seguridad
Electromagnética
ƒ Calidad
Análisis de
Armónicos
ƒ Calidad comercial
CALIDAD
DE SERVICIO
Conclusiones
ƒ Continuidad
ƒ 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.