Calidad De La Energia

Alumno: Luis Antonio Díaz Hipólito

Grado y grupo: 5to “A”

Programa Educativo: Energías Renovables

Maestro: Orlando Coria Plancarte

Materia: Calidad de la energía

Consumos lineales.

Para estudiar las características de los sistemas eléctricos es usual con si de rar los como resultado de la in ter conexión de diferentes bloques básicos:

a) La fuente de alimentación, usualmente un voltaje sinusoidal.

b) El consumo, usualmente constituido por resistencias, inductancias y condensadores de valores fi jos.

Así, cuando el consumo es un calefactor eléctrico de 1000 W y el vol ta je es 220 V efectivos, el voltaje y la corriente tendrán la forma de la Figura 1. Si el consumo es un motor de 1/6 HP, rendimiento 80%, factor de potencia 0,85, el voltaje y la corriente tendrán la forma de la Figura 2.

En resumen, si el voltaje es sinusoidal la corriente también lo es y, en general, existe un desfase entre ellos.

Consumos no lineales.

La electrónica de potencia puso a disposición de los hogares y las empresas productivas diversos equipos capaces de controlar el producto final: iluminación variable, velocidad ajustable, etc. Así, aproximadamente un 50% de la energía eléctrica pasa por un dispositivo de electrónica de potencia antes que ésta sea finalmente aprovechada.

La electrónica de potencia hace uso de diodos, transistores y tiristores, y prácticamente todos ellos trabajan en el modo de interrupción («switching»). Esto significa que trabajan esencialmente en 2 esta dos:

DESCOMPOSICION DE UNA SEÑAL DE VOLTAJE O CORRIENTE EN COMPONENTES ARMONICAS

Planteamiento general.

La corriente o el voltaje no sinusoidal se puede expresar mediante diversas componentes, llamadas armónicas:

La Tabla 1 muestra el análisis armónico de la corriente, en amperes y en porcentaje, correspondiente a la corriente de la Figura 3. Cada armónica tiene su fase y su amplitud; en general, las armónicas de orden par son nulas debido a que los dispositivos actúan en forma simétrica y periódica. Las armónicas de orden elevado son pequeñas, fundamentalmente debido a que las variaciones son suavizadas por la presencia de inductancias en el sistema. Por el contrario, la presencia de armónicas pares es síntoma de que el control de los semiconductores está desajustado y la presencia de armónicas elevadas puede ser indicio de variaciones bruscas de voltaje o corriente que pueden conducir a un deterioro del equipo bajo control o radio interferencia en equipos de radio y televisión.

La Figura 4 muestra gráficamente la factibilidad de construir una onda a partir de sus armónicas. En este caso, sólo con la fundamental y las armónicas 3 y 5 el resultado es ya bastante adecuado.

Análisis armónico de la corriente armónica de un controlador de luz incandescente.

Un sistema similar al mostrado en la Figura 3, se emplea para regular la iluminación emitida por una ampolleta de luz incandescente. Por cierto que, a plena luz, los semiconductores conducen todo el tiempo, y el voltaje y corriente resultan sinusoidales. Para disminuir la iluminación se hace conducir los semiconductores durante un tiempo menor, disminuyendo la potencia en la lámpara. En estas circunstancias, la corriente por la lámpara y por el sistema crece en armónicas. La Figura 5 muestra la variación de la armónica 3 al variar la potencia de la lámpara; se observa que entre un 15% y un 75% de luminosidad, la corriente de armónica 3 inyectada fluctúa entre 0.18 y 0.20 A máximos, es decir, aproximadamente un 30% de la corriente nominal de la lámpara.

NORMA IEC 555-2 SOBRE ARMONICA EN ELECTRODOMESTICOS

Armónicas en rectificadores: computadores y televisores.

Si bien existen diversos equipos cuyo consumo es no-lineal, televisores y computadores son de empleo masivo y, por tanto, las armónicas que inyectan han sido motivo continuo de análisis y normalización. La razón por la cual su consumo es no-sinusoidal se relaciona con el empleo de un circuito de rectificación o fuente de poder de alimentación. La Figura 6 muestra un diagrama básico circuital y la forma de onda de la corriente que se observa en la red de 220 V. Básicamente, el circuito con diodos conduce sólo en los instantes en que el voltaje se acerca al valor máximo; en ese instante se recarga el condensador que mantiene constante (simulando una batería de voltaje continuo constante), el voltaje en bornes del rectificador. Cuando el voltaje sinusoidal es inferior al voltaje del condensador los diodos dejan de conducir. El resultado es que prácticamente todos los computadores y televisores tienen un consumo de corriente pulsante, como el mostrado en la Figura 6; los pulsos de corriente coinciden con el valor máximo del voltaje, lo que acentúa el problema de distorsión debido a la simultaneidad de este pulso de corriente en todos los televisores y computadores.

Límites de la Norma IEC 555-2.

La Norma IEC 555 - 2 establece las exigencias sobre armónicas que deben cumplir todos aquellos equipos que consumen menos de 16 A por fase en la red de 220 V a 415 V. Entre ellos figuran los computadores personales y los televisores.

La Tabla 2 muestra los límites que todo equipo de más de 50 W debe cumplir. Bajo esa potencia no existirá límite alguno. La Norma establece los límites en base a valores eficaces (rms) de cada armónica. La relación entre valor eficaz y valor máximo es:

El valor efectivo total es la suma cuadrática del valor rms de cada armónica:

Los límites expuestos en la Tabla 2 se aplican, a modo de ejemplo, al consumo de un computador personal que posee una fuente de poder de 200 W. La fuente tiene una eficiencia de un 75% de modo que absorbe de la red 267 W.

La Tabla 3 señala los límites derivados del standard. En este caso, como en todo equipo menor que 670 W, el límite está impuesto por el valor en m A/W descrito en la Norma.

Así, usualmente, los computadores distorsionan la red con una corriente armónica que es levemente superior a la admitida por la Norma. Debe hacerse notar que, en 1982, la Norma IEC sólo establecía el límite absoluto en Amperes indicado en la Tabla 2, que en el caso de la armónica 11 es 0,33 A, es decir, bastante superior al límite aceptado hoy.

La solución al problema, entre otras, consiste en agregar una inductancia en serie con la fuente (del orden de 10 mH). Con ello, los valores se modifican y prácticamente cumplen con lo exigido. En todo caso la Norma permite inyectar un 75% de armónica 3, situación que será necesario considerar en los diseños de alambrados.

ARMONICAS EN SISTEMAS TRIFASICOS

Descripción de un sistema trifásico.

Un sistema trifásico está constituido por tres voltajes de igual amplitud, pero desfasados en 120º:

Si suponemos que, conectado a la fase A se tiene un consumo no-lineal:

Si en la fase B se tiene conectado un consumo idéntico, la corriente será idéntica pero desplazada en 120º, tal como se muestra en la Figura 7. Analíticamente, desplazar una corriente en 120º significa:

Conceptual y prácticamente esto ocurre debido a que, como se ha dicho, en un televisor, por ejemplo, los pulsos de corriente deben coincidir con los valores máximos de cada voltaje. Así, en cada fase, se tendrá los mismos pulsos pero corridos en 120º. Analíticamente, entonces, la armónica 3 se desplaza en 3 veces 120º (o sea 360º) mientras la fundamental sólo en 120º. Análogamente, la armónica 5 se desplaza en 5 veces 120º y así sucesivamente.

Las corrientes por el conductor de neutro son:

El resultado, gráficamente, se muestra en la Figura 7 en la que se observa que, prácticamente, la corriente de neutro es de armónica 3. Analíticamente:

Al sumar las corrientes desplazadas en 120 grados el resultado es nulo; las que quedan desplazadas en 360° no se anulan: se suman. De este modo:

Es decir, bajo la hipótesis de un sistema con idéntico consumo no-lineal en las tres fases, circula una corriente por el neutro igual a 3 veces la corriente de armónica 3 que circula por una fase. Esto significa que si un consumo está constituido sólo por computadores y televisores, la corriente por el neutro será superior a la corriente de fase y éste deberá dimensionarse tomando en consideración lo anterior.

Tableros exclusivos dedicados a computadores

Es común observar, en grandes edificios, que se deja un tablero de uso exclusivo para conectar computadores y equipos electrónicos. Si este tablero es trifásico, se tendrá en las tres fases un consumo similar al mostrado en la Figura 7 (detallado en la Tabla 3) y por el neutro circularán las armónicas impares múltiplos de 3 (3, 9, 15, 21). La Tabla 4 muestra el resultado que se obtiene. Se ha agregado una columna con los valores al cuadrado para facilitar la realización

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