2.2.2.2.7.1 APLICACIONES
Se emplean como lámparas indicadoras debido a su robustez mecánica, larga vida, pequeño tamaño y bajo consumo y como fuente luminosa es muy útil cuando se requieren luces de colores.
Los principales ejemplos de aplicación de este tipo de lámparas son los semáforos, luces de automóviles, en situaciones de seguridad, señales de tráfico, paneles de información al pasajero y panes de video a color entre otras [1].
CAPÍTULO 3
FACTOR DE POTENCIA
Para poder definir el factor de potencia debemos recordar que la potencia es la velocidad a la que se consume la energía (J/seg) o bien es la capacidad para realizar un trabajo. La medición de potencia en corriente alterna es más complicada que la de corriente continua debido al efecto de la existencia de tres parámetros los cuales son inductancia, capacitancia y resistencia en una variedad de combinaciones [1].
En circuitos resistivos el voltaje (V) está en fase con la corriente (i). En un circuito inductivo o capacitivo la tensión y la corriente están desfasadas 90°, una respecto a la otra (figura 4.1 Y 4.2). En un circuito puramente inductivo la corriente está atrasada 90° respecto de la tensión y en un circuito capacitivo la corriente va adelantada 90° respecto de la tensión [B] (figura 4.3 Y 4.4).
3.2 Representación vectorial.
3.4 Representación vectorial
3.1 TIPOS DE POTENCIA
Existen tres tipos de potencia:
Potencia Reactiva. Es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos (Motores y transformadores) y sus unidades son los VAR [A].
Potencia Activa o Real. Es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo y sus unidades son los Watts (W) [2].
Potencia Aparente. Es la suma vectorial de la potencia activa y de la potencia reactiva o simplemente la relación directamente proporcional de la corriente y el voltaje [A].
3.2 DEFINICIÓN.
El factor de potencia es un indicador cualitativo y cuantitativo del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica y es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.
El factor de potencia (fp) es la relación entre las potencias activa (P) y aparente (S) si las corrientes y tensiones son señales sinusoidales. Si son señales perfectamente sinusoidales el factor de potencia será igual al cos φ, o bien el coseno del ángulo que forman los fasores de la corriente y la tensión, siendo cos φ el valor del ángulo [4].
En el triángulo de potencias (figura 4.5) se observa gráficamente que es el factor de potencia o cos φ y su relación entre las potencias [5].
3.5 Triangulo de potencias.
Para demostrar que el factor de potencia es igual a cos φ tenemos un circuito inductivo (figura 4.6) donde se observa que la corriente está atrasada a la tensión, existen dos componentes y uno de ellos es el vector AB, en fase con la tensión y es una potencia activa vista en la carga, la otra componente AC la cual está atrasada 90° representa la potencia reactiva, por lo tanto la relación entre la potencia activa [3].
3.6 Circuito inductivo.
3.3 BAJO FACTOR DE POTENCIA
Se presenta cuando existe un alto consumo de energía reactiva por el uso intensivo algunos aparatos (motores, transformadores, equipos de refrigeración,
lámparas fluorescentes, etc.) [A].
Las consecuencias de un bajo factor de potencia son [C]:
Aumento en la corriente. Se incrementan las pérdidas por el efecto Joule Aumento en la caída de tensión. Es el insuficiente suministro de potencia a
las cargas las cuales se reducen en su potencia de salida.
Aumento de costo de electricidad por la empresa distribuidora. El productor penaliza al usuario por un alto consumo de energía.
3.4 SOLUCIONES PARA EL BAJO FACTOR DE POTENCIA
Para un mejor entendimiento las soluciones de este problemas se dividen en pasivas, activas e hibridas.
3.4.1 SOLUCIONES PASIVAS
Consisten en filtros formados por bobinas y capacitores sintonizados a la
frecuencia de línea. Estas soluciones consisten en utilizar filtros pasivos inductivos – capacitivos (LC) con la finalidad de filtrar los armónicos de bajo orden generados por la señal de corriente.
Los armónicos por filtrar son muy cercanos a la frecuencia de línea y por esta razón los filtros LC están sintonizados a frecuencias muy bajas, por lo que son muy pesados y voluminosos, dejando claro que solo atenúan armónicos de baja frecuencia dejando pasar el resto, el aumento conseguido en el factor de potencia no es notable llegando a ser de alrededor de un 90% en el mejor de los casos [6].
3.4.2 SOLUCIONES ACTIVAS
Estas soluciones son llamadas emuladores de resistencia pues por medio de un circuito de control, se obliga a la corriente a seguir la forma de onda del voltaje de alimentación [6].
3.4.2.1 SOLUCIÓN TRADICIONAL
Son las más empleadas en balastros electrónicos y consisten en el empleo de convertidores CD-CD colocados entre el puente de diodos y el capacitor de filtrado El convertidor CD-CD presenta una resistencia al puente de diodos (Emulador de resistencia). El circuito cuenta con un circuito de control el cual obliga a la corriente de entrada para que sea una onda senoidal rectificada y regula el voltaje de salida [6].
El control de un emulador de resistencia se implementa:
Con un control con lazo de corriente y un lazo de tensión llamado Control por Multiplicador.
Con un control con un lazo de tensión y operando en modo conducción discontinuo llamado Control por seguidor de tensión.
Los emuladores de resistencia corrigen completamente el problema del factor de potencia y llegan a presentar factores de potencia prácticamente unitarios. La desventaja de estas soluciones es la cantidad de elementos extras que son necesarios y la relativa complejidad del circuito de control [6].
3.4.2.2 SOLUCIÓN INTEGRADA
En las soluciones tradicionales se agrega una etapa extra que realiza la función de corregir el factor de potencia. En las soluciones integradas esta etapa se elimina incluyéndola dentro del balastro electrónico. Para eliminar esta etapa se comparte el interruptor del corrector con alguno de los interruptores del inversor utilizado en el balastro electrónico, estas soluciones ahorran el empleo de un interruptor extra. Estas soluciones siguen basándose en el empleo de un inductor o u transformador extra y solo pueden aplicarse a inversores clásicos (medio puente o amplificador clase D) [6].
3.4.3 SOLUCIONES HÍBRIDAS
Son similares a las soluciones pasivas, pero en este caso, los elementos pasivos están sintonizados en alta frecuencia.
Estas soluciones consisten en el empleo de redes LC sintonizadas en alta frecuencia y se basan en el principio denominado ―cuasiestatismo‖.
El Cuasiestatismo indica que si las variaciones en la fuente de alimentación de un circuito operando en alta frecuencia tienen una razón de cambio mucho menor (100 veces menor) que la frecuencia de operación del circuito.
Entre las soluciones híbridas encontramos [6]: Eliminación del capacitor de filtrado Técnica de ―valley fill‖ pasivo
CAPITULO 4
ARMÓNICOS
4.1 DEFINICIÓN DE ARMÓNICOS
Los armónicos son corrientes o voltajes presentes en un sistema eléctrico, con una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental [1].
4.2 CARGA LINEAL
Las cargas que presentan una característica tensión-corriente lineal son llamadas carga lineales. Cuando son conectadas en un suministro de tipo senoidal provocan corrientes senoidales. La corriente puede tener una diferencia de fase respecto a la tensión [2]. Un ejemplo de estos tipos de carga son las lámparas incandescentes, capacitores, máquinas de inducción, etc.
4.3 CARGAS NO LINEALES
Las cargas que tiene una característica tensión-corriente no lineal son llamadas cargas no-lineales. Cuando son conectadas a un suministro senoidal provocan corrientes no senoidales. Los aparatos no-lineales que producen armónicas se pueden clasificar de la siguiente manera [a]:
Electrónica de potencia. Es una de las principales razones para a creciente distorsión armónica en las redes eléctricas, y es por la creciente aplicación de rectificadores, sistemas de potencia ininterrumpida, inversores, y fuente conmutadas en crecimiento.
Aparatos ferromagnéticos. Los transformadores son los elementos que como resultado de los materiales utilizados para su fabricación generan características magnetizantes no lineales. El nivel de armónicas aumenta sustancialmente cuando la tensión aplicada aumenta por sobre los valores nominales del transformador.
Aparatos de arco. Los aparatos de arco generan armónicas debido al as características no lineales del arco en si mismo. La iluminación fluorescente
tiene básicamente las mismas características y es mucho más predominante en la carga del sistema de energía.
Las cargas no lineales originan corrientes con distorsión armónica. Estas siguen el camino con menor impedancia en la red. Usualmente hacia la fuente o algún elemento de la red [3].
4.4 FUENTES
La razón principal del incremento del nivel de armónicos en los sistemas de potencia se debe al desarrollo y amplia utilización de dispositivos de electrónica de estado sólido.
A continuación se presentan algunos generadores de armónicos:
Fuentes Tradicionales. Antes del desarrollo de la electrónica de potencia, los
armónicos se asociaban con el diseño y la operación de las máquinas eléctricas. Los transformadores y máquinas rotativas modernas operando en régimen permanente, no ocasionan por si misma distorsiones significativas en la red, pero durante perturbaciones transitorias y cuando operan fuera del régimen normal, pueden distorsionar la onda considerablemente. También los hornos de arco eléctrico generan una cantidad apreciada de distorsión armónica debido a la característica no lineal del arco eléctrico utilizador para fundir [4].
Fuentes nuevas.
Convertidores de gran potencia. Son aquellos cuya potencia nominal es mayor de 1 MW. Tienen mayor inductancia en el lado de corriente continua que en el de corriente alterna, por lo que la corriente continua es prácticamente constante y el convertidor actúa como fuente de tensión armónica en el lado de la corriente continua y como fuente de corriente armónica en el lado de corriente alterna. Las resultantes de cada fase son exactamente iguales [3].
Convertidores de mediana potencia. Los de potencia nominal entre 100 kW y 1 MW, y se utilizan en instalaciones industriales para controlar motores de
corriente continua y variadores estáticos de velocidad para controlar motores de inducción [3].
Convertidores de pequeña potencia. Son los de potencia no mayor a 100 kW. Entre las cargas no lineales de baja potencia se encuentran:
Iluminación no incandescente, televisores, radios, estéreos, computadoras personales y cualquier equipo que utilice corriente continua. Estas pueden presentar un problema de contaminación armónica cuando el número de ellas están activas al mismo tiempo en un punto de acoplamiento común. Estos equipos utilizan rectificadores de onda completa, cuya contaminación predomina en la tercera armónica [b].
Fuentes Futuras. Las cargas de baterías de vehículos y su masificación exigirán
grandes cantidades de potencia continua, lo cual supone un incremento en el número de equipos contaminantes [b].
4.5 EFECTOS
Dentro de los efectos nocivos que presentan los armónicos, se pueden citar los siguientes [5]:
Pueden causar errores adicionales en las lecturas de los medidores de electricidad, tipo disco de inducción.
Las fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas, asociadas con las diferentes corrientes armónicas, causan vibraciones y ruido acústico en transformadores, reactores y máquinas rotativas.
Son la causa de interferencias en las comunicaciones y en los circuitos de control.
Provocan la disminución del factor de potencia.
Están asociados con el calentamiento de condensadores. Pueden provocar ferroresonancia.
Provocan calentamiento adicional debido al incremento de las pérdidas en transformadores y máquinas.
Al incrementarse la corriente debido a los armónicos, se aumentan el calentamiento y de las pérdidas en los cables. Como caso específico, se puede mencionar la presencia de mayor corriente en los neutros de los sistemas de baja tensión.
Causan sobrecargas en transformadores, máquinas y cables de los sistemas eléctricos.
Los armónicos de tensión pueden provocar disturbios en los sistemas electrónicos. Por ejemplo, afectan el normal desempeño de los tiristores. La mitigación de los efectos nocivos de los armónicos puede llevarse a cabo mediante [6]:
El monitoreo constante de los sistemas para detectar la presencia de armónicos indeseables.
La utilización de filtros para eliminar los armónicos indeseables.
El dimensionamiento de transformadores, máquinas y cables; teniendo en cuenta la presencia de corrientes no senoidales (presencia de armónicos).
4.6 DISTORSIÓN ARMÓNICA
Cuando el voltaje o la corriente de un sistema eléctrico tienen deformaciones con respecto a la forma de onda senoidal, se dice que la señal está distorsionada. Una señal distorsionada, puede ser descompuesta en una serie de señales senoidales múltiplos de la frecuencia fundamental a través de la serie de Fourier [7]. Por ejemplo un sistema de potencia a 60 Hz, una componente de frecuencia al triple de la frecuencia fundamental es llamado el tercer armónico, que sería 180 Hz (figura 5.1).
4.1 Descomposición de frecuencias de una onda distorsionada. La distorsión puede deberse a [7]:
Fenómenos transitorios tales como arranque de motores, conmutación de capacitores, efectos de tormentas o fallas por cortocircuito.
Condiciones permanentes que están relacionadas con armónicas de estado estable. En los sistemas eléctricos es común encontrar que las señales tendrán una cierta distorsión que cuando es baja, no ocasiona problemas en la operación de equipos y dispositivos.
Para que se considere como distorsión armónica las deformaciones en una señal, se deben de cumplir las siguientes condiciones [7]:
Que la señal tenga valores definidos dentro del intervalo, lo que implica que la energía contenida es finita
Que la señal sea periódica, teniendo la misma forma de onda en cada ciclo de la señal de corriente o voltaje.
Permanente. Cuando la distorsión armónica se presenta en cualquier instante de tiempo, es decir, que no es pasajera.
Para cuantificar la distorsión existente en una señal, es preciso definir parámetros que determinen su magnitud y contar con equipos de medición adecuados [9].
Valor eficaz (rms). Cuando se suman señales de voltaje o corriente de diferentes
frecuencias para obtener su resultante. Corriente eficaz (rms): ∑ Voltaje eficaz (rms): ∑
Cofactor de distorsión (Cd). Es la relación entre el contenido armónico de la señal
y su valor eficaz (rms). Su valor se ubica entre 0% y 100%.También se conoce como THD [7].
Con una distorsión baja, Cd cambia notoriamente, por eso se recomienda su uso cuando se desea conocer el contenido armónico de una seña [7}l.
√∑
4.7 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL (THD)
Es la relación entre el contenido armónico de la señal y la primera armónica o
fundamental. Su valor se ubica entre 0% e infinito.
Es el parámetro de medición de distorsión más conocido, por lo que es recomendable para medir la distorsión en parámetros individuales. Al igual que el Cd es útil cuando se trabaja con equipos que deben responder sólo a la señal fundamental, como en el caso de algunos relevadores de protección [7].
En un sistema eléctrico se presentan distorsiones de tensión y corriente:
Distorsión armónica total de tensión . Es un índice usado para medir la
distorsión de una onda periódica de tensión, con respecto a una onda senoidal de frecuencia fundamenta [10]l. Este índice se obtiene de la relación entre la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados del valor rms de cada armónico y el valor rms de la fundamental.
√∑
: Distorsión armónica de tensión
: Valor individual de cada corriente : Valor fundamental (50 o 60 Hz) : Orden del armónico
: Máximo armónico
Distorsión armónica de corriente. Es un índice usado para medir la distorsión de una onda periódica de corriente, con respecto a una onda senoidal de frecuencia fundamental. Este índice se obtiene de la relación entre raíz cuadrada de la suma de los cuadrados del valor rms de cada armónico y el valor rms de la fundamental [10].
√∑
: Distorsión armónica de corriente
: Valor individual de cada corriente : Valor fundamental (50 o 60 Hz) : Orden del armónico
4.8 DISTORSIÓN DE DEMANDA TOTAL
Es la relación entre la corriente armónica y la demanda máxima de la corriente de carga.
Cuando se efectúan mediciones relacionadas con armónicas en los sistemas eléctricos, es común encontrar niveles de THD altos en condiciones de baja carga que no afectan la operación de los equipos ya que la energía distorsionante que fluye es también baja [7]. Para evaluar adecuadamente estas condiciones se define el TDD que es el parámetro de referencia que establece los límites aceptables de distorsión en corriente en la norma IEEE 519.
TDD: Distorsión de demanda total √∑
Demanda máxima de la corriente fundamental de carga, que se calcula como el promedio máximo mensual de demanda de corriente de los últimos 12 meses o puede estimarse
4.9 NORMATIVIDAD
Recordar que tenemos normas que regularizan y establecer límites sobre niveles de distorsión permisibles.
En México existe la especificación CFE L0000-45 denominada ―Perturbaciones permisibles en las formas de onda de tensión y corriente del suministro de energía eléctrica‖ concerniente a la distorsión armónica permisible.
En los Estados Unidos de América la norma IEEE 519 ―Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de armónicas en sistemas eléctricos de potencia‖ define entre sus puntos los valores máximos de distorsión permisible [11].
Ambas normatividades están diseñadas para limitar las corrientes armónicas de cada usuario en lo individual de forma que los niveles armónicos en voltaje en la totalidad del sistema de potencia sean aceptables, siendo su cumplimiento una responsabilidad compartida entre suministrador y usuarios [5].
Suministrador. Es su responsabilidad que en la acometida, la distorsión armónica
total en voltaje THDv se encuentre dentro de los límites establecidos, por lo que debe asegurarse que condiciones de resonancia en el sistema de generación, transmisión o distribución no ocasionen niveles inaceptables de distorsión en voltaje, aun si los usuarios se encuentran dentro de los límites de generación armónica en corriente.
Usuarios. Deben de asegurar que en la acometida, la generación de armónicas
en corriente se ubique dentro de los límites establecidos, tanto para componentes armónicas individuales como para la Distorsión de Demanda Total TDD, especificándose dichos límites como porcentaje de la demanda promedio de corriente del usuario en lugar de la corriente fundamental instantánea, con el fin de proporcionar una base común de evaluación a lo largo del tiempo.
Límites de distorsión en Voltaje. El suministrador es responsable de mantener la
calidad del voltaje en el sistema global, especificándose los límites para diferentes niveles de tensión.
Es importante notar que la definición de la distorsión armónica total THD que se utiliza es diferente a la convencional ya que se expresa la distorsión en función al voltaje nominal, que es un valor constante para cada usuario, estableciéndose así, una base fija de evaluación a lo largo del tiempo [11].
Nivel de tensión en la
acometida(Vn) Distorsión armónica individual
Distorsión armónica total THD (Vn)
Vn<69 Kv 3,0% 5,0%
69Kv<Vn<161Kv 1,5% 2,5%
Vn>161Kv 1,0% 2,5%