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Indice Varios eventos durante el transcurso de este siglo han influenciado para que
las cargas eléctricas y los servicios de los sistemas de distribución cambien
radicalmente. El primero lo constituye la invención del transistor, donde nace
la electrónica de potencia apareciendo como consecuencia inmediata la carga no
lineal, un segundo evento lo constituye el problema de los energéticos
ocurridos en los años setenta donde la electrónica se masifica con mas afán
para producir equipos más eficientes con menor consumo de energía y una
tercera influencia mundial ocurre afines de los ochenta donde que se busca
mejorar la productividad con equipos mas eficaces, eficientes conjugando la
reducción de costos y a su vez ofreciendo servicios de calidad. A inicios de este siglo las cargas eléctricas consideradas típicas eran de
tipo resistivo, inductivo o capacitivo es decir cargas lineales y resulta algo
paradójico que a inicios del siglo XXI las nuevas cargas eléctricas lo
constituyen en un alto porcentaje cargas no lineales. Si se revisa la tendencia
actual del desarrollo tecnológico se encontrara que todo dispositivo tienen
entre sus componentes internas algún dispositivo de control electrónico las
mismas que en gran parte poseen fuentes de alimentación de modo conmutado o de
otro tipo Las empresas que suministran servicio eléctrico se mantuvieron durante mucho
tiempo en una época en la que se podría llamar de la navegación tranquila, ya
que estas solamente se preocupaban de satisfacer la creciente demanda de sus
"usuarios" ya sea construyendo centrales de generación o
subestaciones con mayor capacidad y por supuesto asumiendo que las cargas eléctricas
eran las ya conocidas (resistivas - inductivas - capacitivas) las cuales a
excepción de su tamaño no eran de preocupación técnica alguna para los
profesionales de dichas empresas. Muchos de los estudios en la red eléctrica de
distribución eran orientados solamente con fines de protección de los equipos
de la red. Se daba además un marcado divorcio entre "abonado" y
empresa eléctrica, ya que poco o nada en cuanto a información técnica cruzada
existía. Hoy en día en muchas empresas eléctricas en el ámbito mundial se habla
mucho de la eficiencia, de la optimización de recursos, reducción de costos y
la calidad en todos los aspectos que esta pueda estar involucrada. La época de
la navegación tranquila para todas las empresas eléctricas ha llegado a su fin
para abrir paso a una nueva época en la cual todo gira en función del cliente
de la red eléctrica. Este trabajo revisa ciertos aspectos técnicos actuales que se ven afectados
en la red de distribución eléctrica y propone cierto análisis matemáticos
tendientes a reducir armónicas generadas ya sea desde cargas puntuales o como
efecto del conjunto de cargas. El objetivo de este articulo es concientizar a
los técnicos que forman parte de: empresas eléctricas, libre ejercicio,
entidades de educación superior, entidades publicas relacionadas al sector eléctrico,
fabricantes de equipos y a los clientes de la red, sobre los cambios que se han
dado en la red de distribución eléctrica en el nuevo entorno bajo el cual se
navega. Muchos estudios se han realizado con respecto a la influencia de las armónicas
de corriente y voltaje en aparatos eléctricos y electrónicos, los mismos que
han mostrado que si existen efectos secundarios sobre el desempeño de muchos de
estos equipos. El propósito de este ítem no es analizar nuevamente los efectos
internos de las armónicas de corriente en los equipos eléctricos, si no mas
bien revisar las nuevas clases de cargas eléctricas y las formas de onda típicas
de corriente que se puede encontrar en acometidas de varios tipos de clientes. Existe una gran diversidad de cargas eléctricas las mismas que debido a su
función especifica generan formas de onda de corriente diferentes a la onda
sinusoidal y varias inclusive afectan directamente a la forma de onda de
voltaje. A continuación se muestran varias curvas de corriente de equipos de
tipo residencial, industrial, comercial que se han podido capturar con equipos
de análisis de calidad de energía.
Tabla 1: Distorsión armónica individual y total (THD) en porcentaje
de las cargas de la figura 1. Armónicas impares TDH (%) individual Figura a Figura b Figura c 3 34.4 76.3 71.8 5 10 42.7 39.8 7 6.4 12.8 11.9 9 3.8 6.2 7.5 11 2.4 10.8 7.5 13 2 5.9 5 15 1.3 2.1 5.7 17 1 5.4 5.2 19 0.5 4.4 5.5 THD (%): 36.8 90 84.9 Tabla 2: Distorsión armónica individual y total (THD) en porcentaje
de las cargas de la figura 2 Armónicas TDH (%) individual impares Figura a Figura b Figura c 3 78.4 1.3 7.9 5 47.7 9.2 6 7 25.8 5.2 2.4 9 28.2 0.8 1.5 11 31.4 4.2 0.8 13 26.5 2.9 0.6 15 24.4 0.9 0.4 17 25.9 2.9 0.4 19 23.2 2 0.2 21 20.4 1 0.3 23 19.7 2.6 0.3 THD(%): 124.9 27.7 10.4
Tabla 3: Distorsión armónica individual y total (THD) en porcentaje
de las cargas de la figura 3 Armónica TDH (%) individual impar Figura a Figura b 3 10.2 16.5 5 12.8 1.6 7 5.4 1.7 9 3.5 0.4 11 4.1 0.4 13 0.4 0.7 15 1.3 0.3 TDH %: 18.4 16.8
Tabla 4: Distorsión armónica individual y total (THD) en porcentaje
de las cargas de la figura 4 Armónica TDH (%) individual impar Figura a Figura b Figura c 3 16.2 7.5 42 5 5.5 5.3 25.9 7 1 1.7 14.1 9 0.2 0.4 2.7 11 0.3 0.4 5 13 0.4 0.3 4.6 15 0.2 0 1.2 TDH (%): 17.2 9.6 52.1 Tabla 5: Distorsión armónica individual y total (THD) en porcentaje
de las cargas de la figura 5 Armónicas THD(%) individual impares figura a Figura b figura c 3 7.1 3.0 2.1 5 73.6 7.2 9.1 7 56.1 2.1 14.7 9 4 0.3 1.4 11 18.9 10.9 8.2 13 5.9 1.2 7.4 15 1.4 0.5 1.7 17 10.4 0.7 4.1 19 8.4 0.7 3.6 THD (%): 96.6 13.8 22.2 Las curvas mostradas anteriormente corresponden a los siguientes casos: Un altísimo numero de cámaras de transformación en edificios comerciales,
de viviendas e industrias al igual que en transformadores trifásicos que
alimentan a circuitos secundarios de redes e distribución tienen la conexión
delta en el primario y estrella con conexión a tierra en el lado secundario. Si
se observa en muchos de los espectros de frecuencia armónica de las figuras
mostradas anteriormente se puede notar que las armónicas que más incidencia
tienen en la forma de onda característica, además de la componente
fundamental, son la tercera, quinta y séptima armónica. Si consideramos que la conexión delta tiene la particularidad de cancelar la
tercera armónica de corriente, entonces como consecuencia directa de este fenómeno
se puede presumir que en los alimentadores primarios existirá un alto grado de
quintas, séptimas y otro orden superior de armónicas presentes en el espectro
de la corriente que llega a las subestaciones de distribución.
Experimentalmente se ha comprobado que efectivamente así sucede, la figura 6 es
un ejemplo de esta tendencia, estas curvas se han encontrado en una subestación
que alimenta a un sector comercial y donde existen también edificios de
oficinas. Las corrientes en un primario conteniendo quintas, séptimas y otras armónicas
a la larga producen distorsión en el voltaje, es decir se degrada la calidad de
energía que se suministra al cliente. En casi toda red de distribución la presencia de la quinta armónica es un
factor común. La contaminación armónica en el voltaje es una gran preocupación
por parte de las empresas eléctricas y es por ello que en la actualidad se
recomienda realizan estudios de flujos de potencia considerando cargas no
lineales, pues al existir frecuencias superiores a la fundamental se produce un
caldo de cultivo para que se den nuevos problemas de orden técnico como la
resonancia entre capacitores de las subestaciones, transformadores de potencia,
el sistema de subtransmision y distribución. Es preocupante también que las
armónicas producidas desde el sistema de distribución lleguen a las centrales
de generación eléctrica cercanas al sistema. La figura 8 muestra un ejemplo de
lo anterior. Tabla 7: Distorsión armónica individual y total (THD) en porcentaje
de la figura 8 - generador
THD(%) individuales Impares figura a (i) Figura b (v) 3 0.6 0.2 5 3.5 0.7 7 0.1 0.2 THD%: 3.6 1 La corriente armónica puede producir micro torques que reducen a la larga la
vida útil de las unidades generadoras. Durante mucho tiempo se han fabricado equipos que consideraban que todas las
cargas eléctricas entregaban ondas sinusoidales similares a las del voltaje
aplicado, bajo este supuesto el calcular el factor de potencia se constituía en
una simple operación matemática. Si se observan las corrientes generadas por varios equipos modernos, se puede
apreciar que la forma de onda de la corriente en muchos de los casos se
diferencian sustancialmente de la sinusoide, por lo que el concepto de factor de
potencia se muestra conflictivo con las consideraciones anteriores. Considérese un voltaje y corriente armónica representadas por las series de
Fourier siguientes [1]:
El factor de distorsión armónica
total (THD - total harmonic distorsión) esta definido por:
de donde se puede relacionar
el valor rms de la corriente y el voltaje con el THD correspondiente como:
El conocido factor de
potencia (verdadero) se lo define como la relación entre la potencia promedio y
la potencia aparente o:
antes de proceder a hacer los reemplazos, se deben tomar en cuenta las
siguientes consideraciones:
(6) Se obtiene entonces que en (9) se define como desplazamiento del factor de potencia al aporte de la
componente fundamental y como factor de potencia de la distorsión armónica
al segundo termino de la relación propuesta. De (9) se puede ver que al
anteriormente conocido "factor de potencia" se ha transformado en el
desplazamiento del factor de potencia (Dpf) y al factor de potencia total
ahora se le denomina simplemente factor de potencia (fp) o también verdadero
factor de potencia (Tpf - True power factor). Experimentalmente se ha podido comprobar que en muchos de los casos el
factor de potencia (TPf) de cargas no lineales es menor al desplazamiento del
factor de potencia (Dpf). El factor de potencia de las cargas eléctricas consideradas anteriormente
ha arrojado los siguientes resultados: Tabla 8. Factores de potencia de cargas no lineales. Elemento Dpf Tpf THDi (%) U.P.S. 0.639 0.598 36.8 * Regulador electrónico de velocidad - ASD 0.662 0.454 96.6 Fotocopiadora 0.089 0.104 90.0 * Computador personal 1 0.758 84.9 * Lampara electrónica compacta tipo I 0.97 0.591 124.9 * Fluorescente (1) 0.956 0.95 10.4 * Torno-suelda eléctrica 0.999 0.971 22.8 Refrigeradora (1) 0.793 0.785 17.2 * Televisor-lamp. Comp. 0.995 0.873 52.1 Licuadora 0.664 0.661 9.6 Convertidor AC/DC 0.938 0.929 13.8 * Trafo subestación 0.874 0.872 9.0 (*) desplazamiento del factor de potencia en adelanto Tabla 9. Factores de potencia de otras cargas no lineales [1]. Elemento Dpf Tpf THDi (%) Ventilador 0.999 0.999 1.80 Refrigeradora (2) 0.875 0.867 13.4 Horno microondas 0.998 0.982 18.2 Aspiradora domestica 0.951 0.921 26.0 Fluorescente (2) 0.956 0.889 39.5 * Televisor 14 pulg. 0.988 0.629 121.0 * Computador-impresora 0.999 0.580 140.0 * Equipo de sonido moderno (1000W sal.) 0.811 0.735 45.8 * (*) desplazamiento del factor de potencia en adelanto De los resultados obtenidos con respecto al verdadero factor de potencia se
observa que la relación (8) se ajusta significativamente. Muchos equipos de medición entre los cuales se encuentran medidores de KWh o
KVARh y relés de protección de disco de inducción son utilizados en alto
grado en sistemas de distribución tradicionales. Muchos de estos equipos de
medición solamente registran la presencia de la componente fundamental (Dpf)
dejando de lado las componentes armónicas, por lo que de existir corrientes armónicas
generadas desde cargas no lineales se estaría incurriendo en registros erróneos
del verdadero factor de potencia (Tpf), magnitudes de corriente y/o voltaje y
los KWh o KVARh que consume el cliente. En todo sistema trifásico siempre se considero que las fases involucradas se
encontraban desplazadas 120 grados entre sí y se asumía además que las
componentes de secuencia positiva, negativa y cero no coexistían simultáneamente
en el sistema, por lo que el análisis de componentes simétricas se lo hacia
separadamente. Como se ha podido comprobar experimentalmente cuando existen cargas no
lineales las componentes de secuencia positiva, negativa y cero si pueden
coexistir al mismo tiempo. Las componentes de secuencia cero no necesariamente
pueden aparecer por efecto de cargas desbalanceadas. Considérese los fasores de secuencia positiva como se muestra a continuación: Estos fasores obtenidos con respecto a las componentes de secuencia positiva
(h=1) corresponden a unas componentes de secuencia negativa, lo que significa
que de existir esta armónica en la corriente o voltaje este actuara de acuerdo
a su característica eléctrica. En un motor alimentado con voltaje conteniendo
la quinta armónica creara un campo electromotriz contrario al generado por la
frecuencia fundamental el cual se encontrara presente en el entrehierro
produciendo un efecto de frenado. Como se menciona al analizar las cargas eléctricas,
la quinta armónica (v, i) se encuentra presente a casi todo sistema de
distribución tradicional por lo que un análisis del sistema de distribución
bajo estas condiciones se torna algo complejo e interesante. La tabla 10 muestra otros casos de armónicas.
Las armónicas de orden par por lo general no se presentan a menudo por lo que casi en todo los análisis armónico estos se circunscribe a analizar las armónicas impares. Si se analiza el caso de una corriente armónica conteniendo terceras armónicas (h=3) se obtiene:
De existir una conexión estrella con aterramiento, todas las corrientes de secuencia cero fluirán hacia el neutro donde en el peor de los casos pueden sobrepasar el limite térmico del conductor. El voltaje neutro tierra en estas condiciones se vuelve preocupante, además de que se produce ruido electromagnético que pueden afectar a circuitos de comunicación.
5. Longitud de Primarios y perdidas técnicas La longitud del alimentador primario es un parámetro importante en el diseño de las redes de distribución que sirven a los diferentes tipos de clientes. Las cargas no lineales al final de primarios de longitud relativamente larga (>5 Km) influyen en forma mas sustancial en incremento de las perdidas técnicas, en la distorsión armónica del voltaje y corriente que llegan a la barra de una subestación y en el comportamiento mismo del sistema. La tabla 12 muestra un ejemplo de la variación de la distorsión armónica del voltaje y corriente para diferentes longitudes de un alimentador primario.
Los datos del circuito de la figura 10 se encuentran en el apéndice. Los datos obtenidos del análisis de la figura 10 muestran que:
La figura 11 muestra la corriente encontrada experimentalmente en un primario de gran longitud (> 100 Km.) la cual llega a una subestación de distribución. 6. Capacitores y filtros de armónicas La utilización de capacitores como medio tradicional para mejorar el factor de potencia ha sido una practica común desde hace mucho tiempo. La presencia de cargas no lineales y en general de armónicas en la corriente como en el voltaje pueden ocasionar en muchos casos condiciones de resonancia entre la red y el capacitor que aparentemente corregirá el factor de potencia, lo cual hace que en muchos de estos casos el factor de potencia final sea igual o inferior al anterior. En las tablas 12 y 13 se muestran datos de la condición de circuito de la figura 10 colocando un capacitor de 0.55 MVAR. Muchas subestaciones de distribución poseen bancos de capacitores con el objeto de compensar caídas de voltaje y/o corregir el factor de potencia, las cuales ante corrientes o voltajes armónicos las hace candidatas a tener condiciones de resonancia. Si en circuito de la figura 10 se coloca la unidad de 0.55 MVAR en la barra de la subestación (B.V.) se tendrían los siguientes resultados.
Los datos muestran que para una longitud de 25 Km. la distorsión armónica del voltaje aplicado en las cargas se incrementa y se produce además una resonancia en la armónica 17°. Para este dato la corriente en el punto (3) (trafo 1.5 MVA) se torna mas distorsionada aun cuando el THD de la corriente como del voltaje en la subestación se reduce. El punto de común acoplamiento (PCA) del cliente con la red de distribución es sitio a tener muy en cuenta al momento de suministrar el servicio, pues el tener cargas no lineales y capacitores implica un análisis armónico en el cual deben tomarse en cuenta entre otros parámetros los siguientes:
El ultimo punto se menciona pues muchas cargas no lineales son muy sensibles a los transitorios producidos por la energización de capacitores de las subestaciones de distribución. Filtros de armónicas En muchos países se han adoptado | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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