Handbook Power Spa

Calidad de la energa Anlisis de potencia, armnicos y perturbaciones de red en sistemas trifsicos de distribucinCode No. 20 750 958

Contenido 1.Introduccin .............................................................................................................. 3 2. Definicin de calidad de la energa. ....................................................................... 5 2.1 Definicin del concepto. ....................................................................................... 5 2.2 Normativas que afectan a la calidad de la energa y a los equipos de medicin.. 6 3. Parmetros de importancia en la calidad de la energa...................................... 11 3.1 Parmetros que definen tensin y corriente ....................................................... 11 3.2 Fases de deterioro de la calidad de la energa................................................... 12 4. Anlisis de las perturbaciones de red ms comunes......................................... 14 4.1 Variaciones de frecuencia .................................................................................. 14 4.1 Valores de referencia ......................................................................................... 14 4.2 Variaciones lentas de tensin............................................................................. 17 4.3 . Variaciones rpidas de tensin......................................................................... 19 4.4 . Fluctuaciones de tensin y flicker..................................................................... 25 4.5 Sobretensiones transitorias ................................................................................ 28 4.6 Desequilibrios (unbalance) ................................................................................. 30 4.7 Sobretensiones permanentes por fallo de neutro............................................... 31 4.8 Armnicos. Distorsin armnica ......................................................................... 33 4.9 Interarmnicos.................................................................................................... 47 4.10 Tensiones de sealizacin en la red elctrica. ................................................. 48 4.11 Ruido y Notching. ............................................................................................. 48 5. Mtodos de medicin, anlisis y captura de datos............................................. 50 5.1 Conceptos y trminos bsicos en el anlisis y registro de los parmetros de la calidad de la energa ................................................................................ 50 5.2 Ejemplo de medicin completa e informe sobre la calidad de energa de acuerdo con la normativa en50160 ................................................................... 53 5.3 Tcnicas avanzadas de medicin....................................................................... 61 6. Ejecucin prctica del estudio. protocolo de anlisis........................................ 78 6.1 Definicin de los objetivos del anlisis ............................................................... 78 6.2 Inspeccin previa de la instalacin ..................................................................... 81 6.3 Eleccin del equipo de medida adecuado y su ubicacin .................................. 84 6.4 Monitorizacin y recogida de datos .................................................................... 92 6.5 Anlisis de los datos y bsqueda de soluciones ................................................ 94 7. Soluciones prcticas para las perturbaciones de red ms comunes. .............. 96 7.1 Soluciones para la mitigacin de armnicos ...................................................... 96 7.2 Soluciones para sobretensiones transitorias ...................................................... 99 7.3 Soluciones para la amortiguacin de huecos de tensin.................................... 99

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Calidad de la energa

1.IntroduccinAntecedentes en la Calidad de la energaPasado Hubo una poca para los pases econmicamente desarrollados en que haba la suficiente cantidad de energa elctrica disponible. Se construan redes elctricas y fbricas por todo el mundo, proporcionando beneficios econmicos y crecimiento industrial. En un determinado momento, las necesidades de energa aumentaron hasta llegar al lmite de la red local, y la cantidad de energa disponible empez a ser reconocida como un problema. Algunos pases realizaron importantes esfuerzos para fomentar el desarrollo de modos ms eficaces de utilizar la energa elctrica. Adems, los logros obtenidos en la miniaturizacin de la electrnica llevaron a la aplicacin de sistemas ms complejos en la industria, las telecomunicaciones y sector terciario. Dichos sistemas y su integracin general aumentaron el control, la velocidad y la complejidad de las tareas implicadas, para una menor cantidad de energa utilizada. Sin embargo estos sistemas son a menudo ms susceptibles a las perturbaciones del entorno, pero el beneficio econmico y tcnico normalmente es superior en cualquier caso. Con un consumo significativamente menor, se pueden conectar ms aparatos a la misma red con el mismo porcentaje de utilizacin. La mayor parte del equipamiento mencionado (por ejemplo variadores de velocidad, ordenadores personales, equipamiento mdico, equipos de soldadura, hornos de arco elctrico), mediante la aplicacin de circuitos de alimentacin basados en semiconductores o el consumo de energa variable, representan las denominadas cargas no lineales o generadores de perturbaciones. Este tipo de cargas produce fuertes distorsiones en la corriente que consumen, alterando la forma de onda de la tensin. Por otra parte, estos equipos, que utilizamos de forma cotidiana, son altamente sensibles a dicha deformacin. La problemtica est, pues, servida. Antes de que la electrnica tomase parte activa en la red elctrica, las bateras de condensadores constituan prcticamente el nico modo aceptado y reconocido para optimizar la utilizacin de los recursos elctricos. La conexin de bateras de condensadores hoy en da origina sin embargo problemas en el funcionamiento de dispositivos electrnicos, produciendo prdidas de cuanta considerable. Al mismo tiempo, las cargas no lineales pueden incluso daar dichas bateras de condensadores incrementando las corrientes que pasan a travs de la batera en los procesos de resonancia. Los transformadores de potencia tambin sufren el efecto de las cargas no lineales. Esta combinacin de cargas tradicionales y no tradicionales con presencia de cargas fuertemente fluctuantes origina problemas a menudo clasificados como fortuitos o espordicos (problemas con dispositivos sensibles), molestos (parpadeo de la luz) o como extrao o sin motivo aparente (problemas con el cableado, bateras de condensadores, conmutacin, sealizacin).

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Calidad de la energa Y presente La directiva del Consejo sobre Responsabilidad legal derivada de un producto (85/374/EEC), califica explcitamente la electricidad como un producto. El comprador se convierte en cliente y la energa elctrica se convierte en mercanca. El cliente espera que el precio del producto o servicio sea establecido de acuerdo con su calidad. La determinacin de los pases europeos de establecer un rea para una economa compatible sin fronteras y la liberacin del mercado de la electricidad en Europa y Amrica han establecido un nuevo concepto Calidad de la energa elctrica.

Objetivo de este manual: Calidad de la energa, ANLISIS De potecia, armnicos y perturbaciones de red en sistemas trifsicos de distribucinEl objetivo de este manual es el conocimiento de aquellos aspectos, conceptos y parmetros asociados al anlisis y registro de los parmetros (potencia, energa, armnicos, perturbaciones de red, etc.) que definen el concepto de calidad de la energa, tambin resumido terminolgicamente por algunos autores como calidad de la onda de tensin, que es en definitiva la verdadera protagonista. En este manual 5 edicin de la publicacin original de 2.000 Vd. encontrar explicacin a muchos conceptos, tanto tericos como prcticos, necesarios a la hora de entender un concepto o fenmeno del que se est hablando tanto hoy en da, y a manejar dichos conceptos, as como realizar estudios detallados mediante la utilizacin de la familia de analizadores de redes trifsicos incluidos en la nueva familia de equipos de medida METREL En esta ltima edicin hemos aadido pautas concretas en cuanto al protocolo de anlisis de la calidad de onda utilizado por el departamento tcnico de TEMPER SAU, as como un nuevo apartado sobre las distintas soluciones aplicables a los problemas ms comunes a los que nos enfrentamos a diario los que convivimos con ondas de tensin de baja calidad. Esperamos que este manual le sea de ayuda a la hora de entender la problemtica asociada a una baja calidad de energa, y que se convierta en una herramienta ms para llevar a cabo su tarea cotidiana.

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2. Definicin de calidad de la energa.2.1 Definicin del concepto.Qu es la calidad de energa? Existen muchas definiciones de calidad de energa, dependiendo del punto de vista del autor. Una definicin sencilla aceptada por el cliente - y de hecho la ms prctica interpreta que la calidad de energa es buena si los dispositivos conectados al sistema elctrico funcionan satisfactoriamente. Normalmente, la baja o mala calidad de la energa se manifiesta en el repetido reinicio de ordenadores, el bloqueo de dispositivos sensibles, el parpadeo de la iluminacin o un funcionamiento defectuoso de dispositivos de control o manejo electrnicos. Es cierto que las causas de estos problemas pueden encontrarse en perturbaciones de las tensiones de suministro por parte de la Compaa Elctrica. Un estudio realizado por la Georgia Power a mediados de los 90 determin que la percepcin de la Compaa Elctrica es que el 1% de los problemas de calidad de energa es causado por la propia Compaa. La percepcin de los usuarios es que la Compaa Elctrica supone el 17% de las causas. La perspectiva de dicha Compa a es que el cliente es el 25% de las causas, y la perspectiva del usuario es que el cliente representa el 12% de las causas. Actualmente est ms que demostrado que ms del 80% de los problemas de calidad de energa estn dentro de la propia instalacin, aguas abajo del Pcc, y por tanto dentro del mbito de trabajo de instaladores y mantenedores elctricos. Gran parte de estos problemas resultan ser causados por malas puestas a tierra, conexiones defectuosas, bajos niveles de aislamiento, etc. Otra definicin de calidad de energa, basada en el principio de EMC (compatibilidad electromagntica CEM): El trmino calidad de energa se refiere a una amplia variedad de fenmenos electromagnticos que caracterizan a la tensin y a la corriente en un momento determinado y en una localizacin determinada en el sistema de energa (IEEE 1159:1995 prctica recomendada del IEEE (Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos) para el control de la calidad de energa elctrica) La IEC 61000-4-30 Tcnicas de comprobacin y medicin-mtodos de medicin de la calidad de energa define la calidad de energa como: "las caractersticas de la electricidad en un punto determinado del sistema elctrico, evaluado frente a una serie de parmetros tcnicos de referencia. Independientemente de la definicin que se utilice, la calidad de energa es un asunto de gran importancia estratgica en el mercado econmico abierto de la electricidad. Existe un amplio nmero de razones que animan a un enfoque sistemtico y constante del control de los parmetros de calidad de energa, con objetivos tanto tcnicos como financieros y de marketing.

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2.2 Normativas que afectan a la calidad de la energa y a los equipos de medicinEN 61010, como cualquier equipo de medida elctrico, los analizadores de redes trifsicos deben cumplir con los requisitos de esta importante Norma Europea de seguridad. EN 50081-1 EN 50082-1, Directivas de Baja Tensin y Compatibilidad Electromagntica, necesarias para el marcado CE de los equipos. UNE-EN 50160, Caractersticas de la tensin suministrada por las redes generales de distribucin. Aprobada por CENELEC en 1.994. Define, en el punto de entrega al cliente, las caractersticas principales de la tensin suministrada por una red general de distribucin en baja y media tensin, en condiciones normales de explotacin. - Entendemos como Baja Tensin valores eficaces nominales de tensin por debajo de 1kV, y Media Tensin a valores comprendidos entre 1kV y 35kV. - La norma define y describe los valores lmite, en funcin de los parmetros fundamentales que caracterizan la onda de tensin: - Frecuencia - Amplitud - Forma de onda - Simetra de las tensiones trifsicas UNE-EN 61000, Compatibilidad Electromagntica, de gran amplitud, que consta de distintos apartados que describimos a continuacin. Estandarizacin de la compatibilidad electromagntica (EMC) Una publicacin de la Directiva del Consejo acerca de la aproximacin de la legislacin de los Estados Miembros con relacin a la compatibilidad electromagntica (89/336/EEC) define trminos como perturbaciones electromagnticas, inmunidad y compatibilidad electromagntica. Esta ley dej un legado que aceler la unificacin del establecimiento de los criterios que deben cumplir los aparatos que se lancen al mercado. Esta unificacin es conocida como el Enfoque de compatibilidad electromagntica. El soporte tcnico de la Directiva es realizado por CENELEC mediante la promulgacin de las normativas EN. En poco tiempo, CENELEC introdujo la prctica de contar slo con las normativas publicadas internacionalmente. Existen ms organizaciones internacionales (IEC, IEEE, ISO, CIGRE, UNIPEDE...), nacionales (ANSI, BSI, VDE...), regionales (CENELEC, APEC...) o profesionales (ECMA) que establecen la normativa de compatibilidad electromagntica. La mayora de las normativas internacionales son establecidas por la IEC (Comisin Electrotcnica Internacional). Recientemente, la IEEE ha realizado grandes esfuerzos para la estandarizacin de la compatibilidad electromagntica en Norteamrica y Sudamrica. Aqu presentaremos el trabajo de la organizacin IEC sobre la estandarizacin electromagntica.

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Calidad de la energa La equivalencia en las normativas de la IEC para el trmino calidad de energa utilizada en la estandarizacin del IEEE es fenmenos de compatibilidad electromagntica conducidos por bajas frecuencias. Algunas definiciones bsicas de la IEC procedentes del International Electrotechnical Vocabulary (IEV) (Vocabulario Electrotcnico Internacional) al respecto de la compatibilidad electromagntica se presentan a continuacin. Compatibilidad electromagntica -EMC (IEV 161-01-07): La capacidad de un equipamiento o sistema para funcionar satisfactoriamente en su entorno electromagntico sin introducir perturbaciones electromagnticas intolerables en ninguna de las partes que se encuentran dentro de ese entorno. Entorno electromagntico (IEV 161-01-01): La totalidad de los fenmenos electromagnticos existentes en una localizacin determinada. Nota. En general, el entorno electromagntico depende del tiempo y puede que su descripcin requiera un enfoque estadstico. Perturbacin electromagntica (IEV161-01-05): Cualquier fenmeno electromagntico que puede degradar el rendimiento de un dispositivo, equipamiento o sistema, o afectar de manera negativa a la materia viva o inerte. Nota. Una perturbacin electromagntica puede ser un ruido electromagntico, una seal no deseada o un cambio en el propio medio de propagacin. Inmunidad (a una perturbacin) (IEV 161-01-20): La capacidad de un dispositivo, equipamiento o sistema para funcionar sin ninguna degradacin en presencia de una perturbacin electromagntica. Inmunidad de red (IEV 161-03-03): Inmunidad a las perturbaciones de procedentes de la red elctrica. Susceptibilidad (electromagntica) (IEV 161-01-21): La incapacidad de un dispositivo, equipamiento o sistema para funcionar sin ninguna degradacin en presencia de una perturbacin electromagntica. Nota. Susceptibilidad es la ausencia de inmunidad. Como ya se ha mencionado en el captulo de introduccin, el correcto funcionamiento de un dispositivo conectado a una red elctrica depende de: la cantidad de perturbaciones en las proximidades la susceptibilidad de un dispositivo a dicha perturbacin el impacto del dispositivo en el entorno.

De acuerdo con esto, la normativa de compatibilidad electromagntica debe indicar, entre otros, los niveles de compatibilidad y las limitaciones de las emisiones para un entorno en concreto. Existen tres tipos de normativas de compatibilidad electromagntica en la IEC:

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Calidad de la energa Publicaciones de compatibilidad electromagntica bsicas En forma de normativa o de informe tcnico, las publicaciones definen los requisitos generales y las reglas acerca de la compatibilidad electromagntica. Son utilizadas como gua para los comits tcnicos de normativas de productos. Normativas genricas Las normativas generales no son tan detalladas como las normativas de productos y son aplicables a productos que no estn incluidos en las normativas de compatibilidad electromagntica de los productos. Dependiendo del entorno en el que se va a instalar un producto en concreto, cada normativa es publicada a escala domstica e industrial. Este principio ha sido adoptado de CENELEC. Normativa de productos Normativas de compatibilidad electromagntica genricas normativa para productos Normativas para productos o familias de productos con especificacin de limitaciones de emisin y prueba de inmunidad. Prcticamente todas las normativas de compatibilidad electromagntica bsicas y genricas son redactadas y editadas por el comit tcnico de la IEC (Comisin Electrotcnica Internacional), IEC TC77 y CISPR. La actividad del CISPR est orientada hacia la prevencin de las interferencias con las normativas de emisin de las telecomunicaciones. IEC TC77, con sus subcomits, ha publicado la serie de normativas IEC EMC 61000. Existen muchos otros comits dedicados a la realizacin de normativas electromagnticas de productos. IEC TC77A es un subcomit responsable de los fenmenos de baja frecuencia. Entre otras normativas, IEC 610002-2 Entorno Niveles de compatibilidad para perturbaciones originadas por bajas frecuencias y sealizacin en sistemas de suministro de energa de baja tensin pblicos es una normativa con la que se puede comparar la energa suministrada al cliente. Sin embargo, en la UE y otros pases europeos, se emplea la normativa CENELEC EN50160 para la caracterizacin de la energa suministrada.

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Calidad de la energa Compatibilidad electromagntica de la IEC normativas de calidad de energa Publicacin de la IEC Asunto

Publicaciones bsicas de compatibilidad electromagntica: Niveles de compatibilidad 61000-2-5 Clasificacin de los entornos electromagnticos 61000-2-1 Descripcin de los entornos electromagnticos en sistemas de energa de baja tensin pblicos 61000-2-2 Niveles de compatibilidad en sistemas de energa de baja tensin pblicos 61000-2-4 Niveles de compatibilidad en instalaciones industriales 61000-2-6 Evaluacin de los niveles de emisin en instalaciones industriales 61000-2-8 Huecos de tensin, interrupciones cortas 60725 Impedancia de referencia para lneas de energa de baja tensin Publicaciones bsicas de compatibilidad electromagntica: Emisin 61000-3-2 Lmites para las emisiones de corriente armnica (n < 40), I > 16A, baja tensin 61000-3-3 Limitacin de fluctuaciones de tensin y flicker, I > 16A 61000-3-4 Lmites de emisiones de corriente armnica (n < 40), I > 16A, baja tensin 61000-3-5 Limitacin de fluctuaciones de tensin y flicker, I > 16A 61000-3-6 Lmites para las emisiones de armnicos en sistemas de energa de media y alta tensin 61000-3-7 Limitacin de fluctuaciones de tensin y flicker en sistemas de energa de media y alta tensin 61000-3-8 Niveles de emisin, bandas de frecuencia y niveles de perturbacin para la sealizacin en instalaciones de baja tensin Publicaciones bsicas de compatibilidad electromagntica: Medicin emisin 61000-4-7 Gua general sobre mediciones de armnicos e interarmnicos e instrumentacin 61000-4-15 Medidor de flicker especificaciones funcionales y de dise o 61000-4-30 Medicin de la calidad de energa Las alteraciones de la calidad de la onda tienen lugar en los propios procesos de produccin, transporte y distribucin, as como en la utilizacin por determinados tipos de receptores. Son, por tanto, inevitables. Sin embargo, dada su importancia, debemos conocer cmo se producen para disminuir su intensidad, y sobre todo sus efectos. Todo esto se est convirtiendo en motivo de preocupacin en los ltimos aos, debido fundamentalmente a dos causas: Por un lado, los procesos industriales requieren, de da en da, una mayor calidad de todos los productos utilizados y, en particular, de la electricidad, hacindose ms sensibles a las alteraciones que puedan existir. Por otro lado, la creciente utilizacin de receptores que generan perturbaciones hace que el nivel de contaminacin general de las redes elctricas est aumentando, lo que puede as incidir en el normal funcionamiento de los dems receptores a ellas conectados y, en definitiva, extendiendo el problema.

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Calidad de la energa La privatizacin de las compaas elctricas y la desregulacin del mercado de la electricidad han generado una nueva situacin de la competencia en el sector del suministro de energa. El resultado es, de nuevo, la atraccin de la atencin tanto de los consumidores como de los suministradores hacia el tema de la calidad de energa. Cuando se habla de calidad en la distribucin de energa elctrica, se debe prestar atencin a tres temas: 1) 2) Continuidad del suministro. Se ocupa del nmero de interrupciones que sufren los usuarios del suministro, as como de la duracin de dichas interrupciones. Calidad de la onda. Considerada como un producto, y que hace referencia a la parte tcnica, es decir, que tiene que ver con las caractersticas de la seal elctrica. En esta parte debemos asegurar que la seal elctrica entregada cumpla con las condiciones establecidas en documentos, y que de modo particular recoge la norma UNE-EN 50160 Caractersticas de la tensin elctrica proporcionada por los sistemas de distribucin. Calidad de atencin al cliente. Hace referencia a la parte administrativa de contratacin, facturacin, medida de consumos y cualquier otra relacin con el cliente. En esta parte se debe tender a que la atencin al cliente por parte de las empresas suministradoras sea la adecuada, de acuerdo a los criterios establecidos en las normas ISO 9000.

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Las diversas incidencias que ocurren en la red se traducen en perturbaciones que se propagan por ella y son causantes de efectos no deseados y, en ocasiones daos ms o menos cuantiosos que hay que evitar. Estas incidencias pueden ser, desde causas naturales como el impacto de un rayo, como debidas a la operacin de la red, en casos tan comunes como la apertura o cierre de interruptores, la conexin de bancos de condensadores, etc. Las propias empresas elctricas han de intentar reducir en lo posible el impacto de las alteraciones existentes, asesorando a sus clientes sobre la forma ms correcta de utilizar la energa elctrica, especialmente en receptores que generen perturbaciones. Los fabricantes de aparatos y receptores tienen que disearlos y fabricarlos para que su utilizacin no altere la compatibilidad electromagntica entre la red a la que se van a conectar y los equipos a ella conectados. Los propios usuarios tienen que preparar y explotar sus instalaciones, teniendo en cuenta las caractersticas de la red a la que se van a conectar, su entorno electromagntico y los requerimientos de inmunidad de sus propias instalaciones. Se deben realizar mediciones peridicas para determinar si una instalacin recibe una seal elctrica adecuada y si los posibles problemas en determinadas mquinas se deben a una deficiente seal. Se deben llevar a cabo mediciones de las caractersticas fundamentales de la seal y analizar si estas posibles perturbaciones son las responsables del mal funcionamiento de la maquinaria, o el fallo se debe a otras causas. Finalmente, las Administraciones Pblicas competentes debern organizar el marco legal adecuado que regule las relaciones entre todos ellos 10


3. Parmetros de importancia en la calidad de la energa3.1 Parmetros que definen tensin y corrienteFORMA DE ONDA: la define su expresin matemtica, y es la representacin temporal de la misma. En el caso de la onda de alimentacin de tensin esta expresin es: V(t)=325 sen (2 F t) Donde 325 es la amplitud o valor mximo de la se al en voltios (equivale a 230 2). F es la frecuencia en Hz. La forma de la onda depende del tipo de cargas que se alimentan de ella, pudiendo dichas cargas producir importantes deformaciones en la onda VALOR DE PICO (Vp): valor mximo que alcanza la seal. En la seal de tensin que alimenta las viviendas oscila entre 311V p y 325 Vp, segn sea la tensin de alimentacin de 220 Vac 230 Vac. Es un valor de suma importancia, ya que todos los ordenadores, variadores de velocidad, SAIs y en general cualquier equipo con rectificadores o fuentes de alimentacin utilizan este valor de pico para alimentar sus circuitos internos. Los diodos rectificadores (DIACS, TRIACS) slo conducen cuando la seal alcanza un valor prximo al valor de pico. Cuando la tensin, debido a distorsin o bajadas de amplitud, no alcanza el valor de pico adecuado las fuentes de alimentacin de ordenadores y otros equipos similares no trabajen de forma adecuada, pudiendo reiniciarse, perdiendo informacin en el disco duro, etc. Los variadores de velocidad se pueden disparar, pudiendo producirse un paro en la cadena de produccin. VALOR EFICAZ (valor rms, valor AC): valor de la energa que tiene una seal. Tambin llamado valor cuadrtico medio. Representa el valor de alterna (AC) que produce la misma disipacin de potencia en una resistencia que un valor en continua (DC), es decir, el valor de alterna que es equivalente al valor de continua. VALOR MEDIO: valor similar al eficaz, aunque no coincidentes. La mayora de los instrumentos de medida muestran este valor como aproximado al valor eficaz. Para seales senoidales puras la relacin es de 1,11. Sin embargo para determinadas ondas puede llegar a valer incluso 2, en funcin del grado de deformacin de la seal. Por este motivo cada vez se recomienda ms hoy el da el uso de instrumentos de verdadero valor eficaz (TRMS). FRECUENCIA/PERIODO: la frecuencia es el nmero de veces que la seal se repite en un segundo. En Europa es de 50Hz (50 ciclos por segundo). El periodo es la inversa de la frecuencia, es decir, el tiempo que tarda la se al en repetir el ciclo completo. En nuestro caso es de 20 mseg. 11

Calidad de la energa FACTOR DE CRESTA: factor de suma importancia en relacin a la seguridad de cables, motores y cargas en general. Es un factor de deformacin que relaciona el valor eficaz y el valor de pico, segn la expresin: CF= V pico / V eficaz Para una seal senoidal este valor es de 2 = 1,414. Sin embargo para seales con un alto grado de deformacin este valor puede llegar a valer incluso 4! Todos los equipos, cables, mquinas, enchufes, etc. Estn dimensionados y especificados para corrientes y tensiones que siempre se refieren a su valor eficaz, y por tanto se cuenta con unos valores de pico, el cual no suele venir especificado , equivalentes al producto de dichas tensiones/corrientes por 1,414. Es decir, para un motor especificado para 100A ac, la corriente de pico no ser superior a 141A. Sin embargo, si ese motor se alimenta de una corriente que viene de cargas informticas, balastos electrnicos, variadores de velocidad, etc., el valor de pico podra ascender hasta los 400A, lo que representa ms de un 180% del valor mximo de corriente soportado por el motor!! Por tanto, cuando se sospeche o se sepa con certeza que tenemos armnicos en la seal, es de suma importancia el uso de instrumentos de medida de verdadero valor eficaz. En apartados posteriores de este manual se observarn ms a fondo los efectos de los armnicos en las seales que manejamos de forma cotidiana.

3.2 Fases de deterioro de la calidad de la energaDesde un punto de vista terico, una calidad de suministro perfecta implica la existencia de un sistema trifsico de tensiones: Permanente en el tiempo Totalmente equilibradas Perfectamente senoidales De amplitud igual a su valor nominal De frecuencia 50Hz. En el punto de conexin entre el usuario final y el suministrador del servicio (compa a elctrica). Cualquier alteracin transitoria de alguna de estas caractersticas, denominada perturbacin, constituye una disminucin en la calidad del producto. De estas ideas surge la necesidad de definir los cuatro parmetros fundamentales que determinan la calidad de la onda de tensin: FRECUENCIA AMPLITUD FORMA SIMETRA

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Fig.1. Seal senoidal pura de amplitud 220V. Para asegurar que la onda tiene la calidad suficiente tendremos que prestar atencin a estos cuatro parmetros en todas las fases, desde la generacin al consumo. Los ms importantes son los que se refieren a la amplitud y a la forma, pues los otros dos, aunque se pueden presentar tambin, su incidencia es mucho menor. Las centrales elctricas producen una onda senoidal de 50 ciclos por segundo prcticamente perfecta, por lo que, desde el punto de vista de suministro al cliente, los parmetros mencionados se consideran constantes en la generacin.

Sistema de distribucin

Cliente sensible

Sistema de transmisinCliente sensible en BT

Generacin

Sin embargo, en el proceso de transporte y distribucin de la energa desde las centrales hasta el punto final de consumo, que tiene lugar a travs de las redes elctricas, estas magnitudes sufren alteraciones que pueden afectar a determinados usuarios que denominaremos clientes sensibles. Adems, otros factores como arranque o parada de motores, mquinas elctricas, balastos, variadores de velocidad y otros muchos equipos electrnicos, fuentes de alimentacin, ordenadores, etc., pueden as mismo alterar los parmetros que definen la seal de tensin de alimentacin elctrica. El objetivo de este captulo es describir todas las posibles perturbaciones que se pueden dar en el proceso completo, las causas que las originan, las consecuencias que acarrean en distintos mbitos, as como posibles medios para minimizar el nmero e intensidad de dichas perturbaciones 13


4. Anlisis de las perturbaciones de red ms comunes4.1 Variaciones de frecuenciaDefinicin En el Sistema Elctrico Nacional todos los generadores estn interconectados, salvo en muy contadas excepciones, y en general la frecuencia de la red es muy estable. Se dice que se produce una variacin de frecuencia en un sistema elctrico de corriente alterna cuando se produce una alteracin del equilibrio entre carga y generacin. La frecuencia est directamente relacionada con la velocidad de giro, es decir, con el nmero de revoluciones por minuto de los alternadores. Dado que la frecuencia es comn a toda la red, todos los generadores conectados a ella girarn de manera sncrona, a la misma velocidad angular elctrica.

Fig. 2. Variacin de frecuencia.

4.1 Valores de referenciaLa frecuencia nominal de la tensin en la Unin Europea es de 50Hz. En condiciones normales de operacin, el valor promedio de la frecuencia fundamental en los sistemas de distribucin, durante 10 segundos, es, segn la EN 50160 para sistemas interconectados: 50 Hz +/- 1% (49,5 ... 50,5 Hz) durante el 95% de una semana 50 Hz - 6%, +4% (47 ... 52 Hz) durante el 100% de una semana Causas que las originan En condiciones normales de funcionamiento, la capacidad de generacin conectada a una red elctrica es superior al consumo. Para ello, se mantiene una reserva de energa rodante, es decir, una capacidad no utilizada que puede compensar las variaciones bruscas de carga, y mantener la frecuencia dentro de un margen de tolerancia.

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Calidad de la energa No obstante, son posibles condiciones excepcionales en las que se produzca un desequilibrio importante entre la generacin y la carga, dando lugar a una variacin de frecuencia. Pueden darse los dos casos siguientes: La carga es superior a la generacin. En este caso la frecuencia disminuye. En tal caso, si la disminucin de la frecuencia se sita por encima del margen de tolerancia y los sistemas de regulacin no son capaces de responder de forma suficientemente rpida para detener la cada de la misma, puede llegar a producirse un colapso en el sistema. La recuperacin de dicho sistema se lograra mediante un deslastre rpido, selectivo y temporal de cargas. La carga es inferior a la generacin. En este caso la frecuencia aumenta. El equilibrio se restablece mediante un proceso anlogo al anterior, en este caso actuando sobre los sistemas de regulacin de los alternadores para disminuir su capacidad de generacin. El equilibrio se alcanza de modo ms rpido y sencillo que en primer caso.

Para hacernos una idea dimensional de una variacin de frecuencia, utilizamos el ejemplo del sistema interconectado europeo en el que se encuentra Espa a, para el que se obtienen valores del orden de 12.000 MW/Hz, es decir, hace falta un cambio de carga de 1.200 MW para que se produzca una variacin de frecuencia de 0,1 Hz. En circunstancias normales, es poco probable que aparezcan variaciones significativas. Se puede esperar una variacin de la frecuencia de red cuando el sistema est funcionando aislado de una red de suministro pblica. En este caso, la frecuencia puede variar debido al mayor impacto de la conmutacin de carga en un sistema o a causa de la regulacin de la carga. Efectos que producen En los mrgenes normales de tolerancia, el principal efecto que producen las variaciones de frecuencia es el cambio de velocidad de las mquinas rotativas. En tales condiciones, pueden producirse los siguientes fenmenos: Los motores transmiten ms o menos potencia. Los relojes elctricos sincronizados con red atrasan o adelantan.

Tambin tienen efecto sobre otros equipos: Los filtros de armnicos sufren un efecto distorsionador. Los equipos electrnicos que utilizan la frecuencia como referencia de tiempo se ven alterados. Las turbinas de las centrales elctricas se ven sometidas a fuertes vibra ciones que suponen un severo esfuerzo de fatiga. Posibles problemas en el funcionamiento de instalaciones de autogeneracin.

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Calidad de la energa Acciones de prevencin y correccin Tan slo casos en los que las variaciones de frecuencia pudiesen afectar gravemente a los equipos conectados, es recomendable disponer de un sistema de deslastre por frecuencia. Medicin y registro La medicin de la frecuencia de red se realiza normalmente mediante la deteccin del paso por cero. Debido a las variaciones transitorias o a los armnicos, se deben aplicar varias tcnicas de cancelacin del paso por cero. La figura 3 a continuacin representa la medicin de la frecuencia de red durante una semana. Durante una de las mediciones, una fuerte tormenta ocasion un mal funcionamiento de la lnea de 35kV.50.40 Freq Avg (Hz) Promedio de frecuencia (Hz) 50.20

50.00

49.80

49.60

49.40

19.07.1999 14:05:00

26.07.1999 15:13:00

Figura 3: variacin de la frecuencia La UNE-EN 50160 define una variacin mxima del +/- 1% para el 95% de una semana para redes interconectadas con enlaces sncronos, y del +/-2% para islas.

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4.2 Variaciones lentas de tensinDefinicin Se produce una variacin lenta de tensin cuando hay una alteracin en la amplitud y, por tanto, en el valor eficaz de la onda de tensin.

Fig. 4. Variacin lenta de tensin (tiempo en segundos). Una variacin de tensin tiene. Un valor de partida Un valor final Una duracin, es decir, el tiempo que tarda en pasar del valor inicial al final En otras palabras, amplitud y duracin son los parmetros caractersticos de una variacin de tensin. Se considera una variacin lenta de tensin a aqulla cuya duracin es superior a 60 segundos. Valores de referencia Por lo que se refiere a la normativa legal vigente, el Reglamento de Verificaciones Elctricas y Regularidad en el suministro de Energa establece un margen admisible del +/- 7% respecto a la tensin nominal. En cuanto a la normativa tcnica, los valores pueden quedar as, resumidos para Baja Tensin: Tensin nominal: 230V entre fases para sistemas a tres hilos en sistemas trifsicos. 230V entre fase y neutro, y 400V entre fases, para sistemas a cuatro hilos en sistemas trifsicos. Variacin de tensin: en condiciones normales de funcionamiento, se recomienda que la tensin en los terminales de suministro no difiera de la nominal en ms de +/- 10%. Cualquier variacin en la magnitud de la tensin suministrada que exceda los lmites del +10% / -15% de la tensin nominal tiene como consecuencia el envejecimiento prematuro, el precalentamiento o el mal funcionamiento del equipamiento conectado. La tensin nominal existente de 220/380 V deber evolucionar hacia un valor estndar de 230/400V. El periodo de transicin ha de ser lo ms corto posible y no prolongarse, en cualquier caso, ms all del ao 2.003. Las normas que rigen estos parmetros son la CEI 38 y UNE 21-127. En Media Tensin se sustituye el concepto de tensin nominal por el de tensin declarada, aplicndose los mismos mrgenes de variacin que para BT. 17

Calidad de la energa Causas que las originan Las causas son muy variadas, desde fallos en el suministro, en su mayora debido a fenmenos atmosfricos, hasta la impedancia del receptor, en concreto de las cargas conectadas: consumos no constantes de energa, distribucin desigual por zonas, etc. Efectos que producen Habra que diferenciar entre dos tipos de variaciones de tensin: 1. Efectos de tensin baja, aquellos producidos por un valor de tensin inferior a la nominal. Los efectos producidos en este caso son, en el caso de motores, importantes, debido a las variaciones que producen en el par mecnico que requiere el eje. Durante la variacin de tensin, al bajar la tensin el par disminuye y la mquina desacelera. Al volver a la tensin nominal, el incremento rpido del par puede producir excesivos calentamientos y otros daos en ejes y rodamientos. En lmparas incandescentes, se produce una disminucin de la intensidad luminosa, provocando a su vez problemas en el cebado de algunos tipos una vez restaurada la tensin nominal. En contactores y rels pueden producir actuaciones incorrectas, afectando al proceso que estn controlando. Efectos de tensin alta, en general producen efectos de sobrecalentamiento en receptores, las cuales pueden ocasionar la avera de los equipos si se supera el lmite trmico que toleran. Es ms difcil de detectarla, ya que los receptores no dejan de funcionar instantneamente, y el sobrecalentamiento no se detecta de forma inmediata en la mayor partes de los casos.

2.

Medidas de correccin y prevencin Los cortes prolongados de tensin son faltas de servicio que se deben reducir al mximo, y son, sin lugar a dudas, el parmetro crucial en la calidad del suministro. Este tipo de cortes tiene un tratamiento claramente diferenciado de otras perturbaciones ms cortas, pero que tambin producen efectos no deseados. Para la correccin y prevencin de los cortes de tensin podemos nombrar las siguientes medidas: Utilizacin de reguladores en los transformadores de alta a media tensin, y de tomas variables en los de media a baja tensin. Que los receptores tengan una tensin nominal igual a la de la red, y su funcionamiento sea normal dentro de los mrgenes de variacin especificados en la normativa tcnica. Instalacin de protecciones de mxima y mnima tensin temporizadas para la proteccin trmica de los equipos. Reguladores de tensin. Acondicionadores de red. Sistemas de alimentacin Ininterrumpida (SAI). Transformadores de tensin constante (CVTs) Correctores dinmicos (SSTs)

18


4.3 . Variaciones rpidas de tensinDefinicin Un cambio de tensin rpido es un cambio rpido en una tensin U rms(1/2) entre dos condiciones estables. Es originado por la conexin y la desconexin de una gran carga. La causa tpica de un cambio de tensin rpido es el encendido de un motor grande. Si un cambio de tensin rpido se sobrepone a un umbral de cada o incremento, se considera como una cada o incremento. Para la medicin de cambios de tensin rpidos deben establecerse umbrales para cada una de las siguientes caractersticas: la velocidad de variacin mnima (a), la duracin mnima de las condiciones del estado estable (b), la diferencia mnima entre dos estados estables (c) y la estabilidad de las condiciones del estado (d). La figura 5 muestra un cambio de tensin rpido con sus umbrales.400

Estados estables steady statesa c d b

390

380 duracin: 19,5 ciclos duration: 19.5 cycles ciclosdciccciciclosumbral de cada:-10%

370 dip threshold: -10%

360 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7 time(s) tiempo(s)

0.8

Figura 5: Definicin de variacin de tensin rpida Huecos de tensin (DIPS, SAGS) Un hueco de tensin representa una reduccin temporal de una tensin por debajo de un umbral. La duracin de los fenmenos est limitada a 10 segundos. Para la evaluacin de las cadas, se calcula la tensin rms a lo largo de un nico ciclo o medio ciclo, y se actualiza cada 10 ms, es decir, cada medio ciclo. Este valor es indicado como Urms(1/2).

19

Calidad de la energa600

400

U Urms(1/2)

200

0

-200

-400

-600

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Figura 6: hueco de tensin y su rearme Aclaracin sobre nomenclaturas: En algunas normativas (americanas sobre todo) se utiliza el trmino profundidad de tensin. Una un hueco de profundidad 90% es igual a un hueco del 10% segn nuestra nomenclatura. Dicho de otro modo, en un caso se menciona la tensin que permanece en el sistema y en otro la tensin que falta del sistema. Mismo concepto, distintas formas de expresin. Los huecos de tensin pueden afectar a alguna de las fases en concreto, o a las tres fases simultneamente. La figura 7 representa los tres casos posibles. Sin embargo la gran mayora de los huecos afectan nicamente a una de las fases.1000 500 0 -500 -1000 1000 500 0 -500 -1000 1000 500 0 -500 -1000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

(a)

(b)

(c)

Figura 7: huecos de tensin en sistemas trifsicos La mayora de los huecos son monofsicos, duran menos de 1 segundo y tiene una profundidad inferior al 60%. 20

Calidad de la energa Microcortes Los microcortes son faltas de tensin de una duracin muy breve (generalmente del orden de mseg, en ningn caso superiores a 10 seg.) cuyos efectos no se notan en las cargas poco sensibles, pero con el incremento de ordenadores y controladores, pequeas interrupciones apenas perceptibles pueden llegar a producir mal funcionamiento o paralizacin de mquinas en los procesos productivos. Huecos y microcortes son conceptos muy asociados y manejados de forma conjunta, objeto de bonificaciones por parte de las compaas, etc. De hecho un microcorte es en realidad un hueco de tensin que afecta a las tres fases y tenga una profundidad del 90-100%. Las figuras 8 y 9 representan de forma grfica ambas perturbaciones.

Fig. 8. Microcorte

Fig. 9. Hueco de tensin

Tanto los microcortes como los huecos son el reflejo sobre el usuario final de un mismo fenmeno: las faltas (generalmente cortocircuitos) que ocurren en el sistema de transporte o distribucin, producidas en su mayora por impacto de los rayos en las lneas de transmisin, aunque las causas pueden ser diversas: desde animales o ramas de rboles que generan el cortocircuito en la lnea (causa ms que frecuente) hasta escavadoras que arrancan lneas subterrneas, defectos de aislamiento, etc. Otra gran causa de este fenmeno es el arranque de motores y cargas pesadas en general, ya sea en nuestra propia instalacin o en los alrededores. Este fenmeno se ve acentuado cuando las impedancias de los circuitos que alimentan dichas cargas son demasiado elevadas, debido en su mayora a escasa seccin de cable y sobre todo a conexiones defectuosas (flojas, oxidadas...). En realidad, se produzca el fenmeno en la lnea de distribucin o dentro de la instalacin del usuario, el concepto de la causa es el mismo: elevadas corrientes atravesando altas impedancias, generando en ellas cadas de tensin no deseadas. Sus consecuencias son, en gran medida, tambin similares, siempre muy inferiores a cualquier perturbacin lenta. Estas consecuencias no son graves a nivel individual. Sin embargo si se repiten con demasiada frecuencia, el resultado final s puede acarrear serios problemas de inestabilidad en los sistemas. Conviene, por tanto, tratarlos como un mismo fenmeno, y a su vez catalogarlos de forma conjunta en funcin de su tipo, profundidad (en los huecos) y duracin. 21

Calidad de la energa a) Tipo:

MONOFSICOS: la reduccin de tensin se produce en una sola fase POLIFSICOS: hay ms de una fase involucrada. b) Duracin:

CORTOS: tiempo inferior a 100 mseg. MEDIOS: tiempo entre 100 y 500 mseg. LARGOS: tiempo superior a 500 mseg. c) Profundidad (huecos):

POCA: reduccin de tensin inferior al 20% MEDIA: reduccin entre el 20% y el 50% ALTA: reduccin superior al 50% (muy poco frecuentes) Por hacer alguna diferenciacin, podramos decir que los huecos de tensin tienen su origen en elementos de la red bastante alejados del punto de conexin del cliente, mientras que las faltas que originan los microcortes se encuentran en la propia lnea de suministro de electricidad a la instalacin receptora. En cuanto a sus efectos, son variados , que generalmente afectan sobre el funcionamiento de motores sncronos y asncronos, tanto en su accionamiento como en el control (siendo mucho mayor en este aspecto). Tambin afectan en general a los sistemas de proteccin y control, ordenadores, etc. Los estudios realizados a lo largo de los ltimos aos han confirmado que los huecos de tensin originan la mayor parte del mal funcionamiento del equipamiento electrnico sensible. Rels y los contactores pueden caer si la cada es del 60% durante ms de un ciclo. Los posibles daos dependen de la capacidad para sostener una menor tensin durante periodos cortos. La tecnologa de la informacin es especialmente sensible a las huecos de tensin. Gran parte de estos equipos disponen de rels de mnima tensin que disparan para huecos monofsicos del 20% durante un escaso nmero de ciclos. Existen diversos criterios para la evaluacin de la severidad del hueco, como la curva ITIC. Las unidades electrnicas, los convertidores y el equipamiento con cualquier tipo de fuente de alimentacin electrnica son tambin sensibles a huecos y microcortes. Los motores asncronos pueden originar una corriente mayor que la corriente inicial en la recuperacin de la cada. Dado el carcter aleatorio de su generacin, hay que tener claro que no es posible su eliminacin total, ni tampoco reducirlos a partir de un cierto lmite. Los sistemas de prevencin son por tanto complejos y diversos, repartindose en todas las partes implicadas: suministrador, fabricante y usuario.

22

Calidad de la energa Subidas de tensin (SurgeS, Overvoltages) Las subidas de tensin son aumentos de tensin instantneos (lo opuesto a las huecos de tensin). En la figura 10 aparece la representacin grfica de una subida de este tipo. Para la clasificacin de las subidas se utilizan los mismos atributos que para las cadas. Origen Los orgenes de las subidas pueden ser fallos monofsicos a tierra, fallos en el origen, la desconexin de una gran carga o la conexin de un gran condensador. Impacto en el equipamiento del cliente Debido a que las subidas normalmente duran un corto periodo de tiempo, no existe un impacto significativo en el equipamiento. Sin embrago, pueden hacer que las bombillas se fundan y que aparezcan problemas de seguridad.800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Figura 10:subida de tensin

Interrupciones de tensin (Interruptions) Una interrupcin es un aislamiento de la red de toda fuente de suministro. Debido a la energa almacenada en una red, existe una tensin distinta a cero durante un determinado periodo de tiempo despus de la interrupcin. Por este motivo, la interrupcin es detectada como una cada de U rms(1/2) por debajo del umbral de interrupcin. El umbral de interrupcin vara, y es establecido normalmente como el 1%, el 5% el 10% de la tensin declarada. La duracin de una interrupcin es medida de la misma manera que la medicin de la duracin de un hueco de tensin correspondiente a un umbral de interrupcin. Debido al propio fenmeno y a la tcnica de medicin, un cortocircuito en la lnea puede ser detectado como una interrupcin corta en una parte de la red, y como un hueco de tensin en otra. 23

Calidad de la energa Las interrupciones se clasifican en dos grupos: - interrupciones cortas - interrupciones largas.

Origen Las interrupciones cortas son originadas por un estado defectuoso de la red que origina un accionamiento de los dispositivos de conmutacin. Los planes de operaciones utilizados para la reconexin son complejos. La duracin de una interrupcin corta est limitada a 1 minuto o a 3 minutos, dependiendo de la operacin de reconexin, de la normativa empleada o de un acuerdo entre el proveedor y el cliente. Las interrupciones largas son interrupciones con una duracin por encima del lmite de duracin de la interrupcin corta. Se producen cuando el estado de una avera no puede ser solucionado con una secuencia de control y se produce el disparo final de un interruptor automtico. En la figura 11 se muestra una comparacin entre las normativas de la IEC y EN50160 para los lmites de las interrupciones, es decir, cortas y largas.

100%

max. 3 min

IEC EN50160min 1 min

max. 1 min min 3 min max 10% max 1%10% 1%

interrupcin corta short

interruption

interrupcin larga long interruption

Figura 11: definiciones de umbral de interrupcin y de duracin

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Calidad de la energa Impacto en el equipamiento del cliente En los entornos industriales, las interrupciones originan desrdenes en la fase de produccin, incrementando el nmero de piezas rechazadas o de desperdicio de materiales. En determinadas reas, las interrupciones pueden hacer que aparezca un riesgo de malfuncionamiento o de daos serios en el equipamiento sensible. La tecnologa de la informacin se ve afectada de dos maneras: En primer lugar, se pueden perder los datos actuales y el sistema puede verse alterado. En segundo lugar, una vez que ha finalizado la interrupcin, el proceso de inicio, especialmente en un sistema grande y complejo, puede durar varias horas. Debido a estos motivos, el equipamiento de telecomunicaciones y los sistemas informticos esenciales son suministrados por una fuente de alimentacin ininterrumpible (UPS, SAI).

4.4 . Fluctuaciones de tensin y flickerDefiniciones Se dice que hay fluctuaciones de tensin cuando se producen series de variaciones peridicas o series de cambios aleatorios en la tensin de la red elctrica, es decir, variaciones peridicas del valor eficaz o valor de pico de tensin entre dos niveles consecutivos que se mantienen durante un tiempo finito no especificado. Su efecto ms perceptible es el parpadeo de la luminosidad en las lmparas. Su duracin va desde varios mseg. Hasta unos 10 seg., y con una amplitud que no supere el +/- 10% del valor nominal. Las variaciones pueden ser rectangulares, de perodo constante; escalones de tensin, de forma irregular, y cambios irregulares, tanto en forma como en tiempo. La percepcin de la variacin de la luminosidad de una lmpara experimentada por el ojo humano, causado por fluctuaciones de tensin, es lo que se denomina flicker. Este flicker depende fundamentalmente de la amplitud, frecuencia y duracin de las fluctuaciones de tensin que lo causan. stas oscilan entre los 0,5 Hz y los 30 Hz. El fenmeno flicker, como sensacin que es, es difcil de medir y afecta directamente a cada individuo, en funcin de su sensibilidad y capacidad de reaccin. La variacin de un flujo luminoso puede ser correlacionado con la curva envolvente de tensin de la figura 12 a continuacin, la cual muestra niveles bajos y realmente severos de fluctuacin, con su correspondiente flicker.

25

Calidad de la energa1 0.5 0 -0.5 -1 0 50 100 Normalized voltage 150 200 Time [ms] 250 300 350

Lo flicker1 0.5 0 -0.5 -1 0 50 100 Normalized voltage 150 200 Time [ms] 250 300 350

Hi flicker

Figura 12: fluctuaciones de tensin y flicker Los flickers o flicker son medidos de acuerdo con la normativa IEC 61000-4-15 Medidor de flicker - especificaciones funcionales y de diseo. El medidor de flicker es un instrumento diseado para medir cualquier cantidad de flicker representativa (IEV 161-08-14). Mide la fluctuacin de tensin, realiza una filtracin (clculos) y ofrece unos indicadores de flicker de corta duracin (Pst) y de larga duracin (Plt). El indicador de flicker de corta duracin (Pst) debe ser inferior a 1 durante el 95% del tiempo que dura el estudio, segn la UNE-EN 50160. El indicador de flicker de corta duracin es medido durante un periodo de 10 minutos. El indicador de flicker de larga duracin (Plt)se calcula a partir de los 12 ltimos indicadores Pst, es decir, el ltimo periodo de 2 horas, mediante la ecuacin (1).

Plt = 3

1 11 Pst (i) 3 12 i =0

(1)

Causas que los originan Las fluctuaciones de tensin son originadas por los receptores conectados a la red cuya demanda de potencia no es constante y experimentan variaciones rpidas en su funcionamiento en el tiempo. En determinadas circunstancias, y dependiendo de su punto de conexin, pueden dar lugar a producir fenmenos de flicker.

26

Calidad de la energa El fenmeno flicker puede surgir en presencia de interarmnicos con una frecuencia cercana a la frecuencia base o armnico. Ambos fenmenos suelen venir asociados. Entre los principales dispositivos perturbadores, en su mayora de tipo industrial, se encuentran los siguientes (todos ellos con consumos de corriente muy inestables): Mquinas de soldadura por resistencia Arranque de motores Molinos trituradores Ventiladores de minas Hornos de arco Compresores Laminadoras Mquinas herramientas en general Hornos microondas Impresoras lser Lmparas de descarga Electrodomsticos con regulacin automtica Aerogeneradores

Impacto en el equipamiento del cliente La magnitud de la fluctuacin de tensin est normalmente por debajo del 3% de la tensin de suministro, y no tiene ningn efecto perceptible en el equipamiento. Los flicker luminosos originados por una fluctuacin de tensin de tan solo el 0,2% son considerados como molestos.Acciones de prevencin y correccin

Como accin preventiva la ms significativa sera una modificacin de las condiciones de conexin de dichas cargas, utilizacin de compensadores, etc. A nivel de acciones correctoras, se podran citar la instalacin de compensadores, que dan lugar a variaciones de signo opuesto a la carga fluctuante, instalar estabilizadores electrnicos o magnticos de reactancia saturable, conectar condensadores en serie (slo en los puntos de menor tensin de la red), etc.

27


4.5 Sobretensiones transitoriasSon variaciones bruscas del valor instantneo de la amplitud de la tensin, que pueden a veces llegar a ser varias veces superior al valor nominal de sta, y cuyo valor oscila entre algunos microsegundos y 10 mseg., lo que equivale a medio ciclo de la onda senoidal.

Fig. 13. Transitorios de tensin Deben ser analizados a partir de valores instantneos, y no mediante valores promediados, que son los que habitualmente se usan para medir otros tipos de perturbaciones. Se pueden manifestar en cualquier punto de la red. Son, en general, fenmenos aleatorios que se producen por maniobras en la red, que se auto-amortiguan al cabo de unos ciclos. En general pueden afectar a todos los elementos del sistema elctrico, dependiendo de la magnitud de la propia sobretensin. Sin embargo los niveles de aislamiento dielctrico que incorporan hoy en da los cables, aisladores en general, condensadores, transformadores, interruptores, etc., los hacen ms o menos inmunes a estos impulsos de tensin. Algunos receptores, que incluyen dispositivos electrnicos fabricados a base de dispositivos semiconductores, s que presentan un bajo nivel de inmunidad, entre los que se encuentran rectificadores de diodos, controladores de velocidad mediante tiristores y triacs, y en general todo tipo de sistemas digitales de control, instrumentacin, alarmas y sistemas de disparo, etc. La nica forma de corregir este fenmeno, ya que la prevencin resulta prcticamente imposible, es el aumento de la inmunidad de los receptores. Existen dos tipos de sobretensiones transitorias: sobretensiones impulsivas sobretensiones oscilatorias Las sobretensiones transitorias impulsivas son perturbaciones unidireccionales causadas por descargas elctricas, y tienen una mayor magnitud pero una baja energa. Su escala de frecuencia est por encima de 5kHz, con una duracin de 30200 microsegundos.

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Calidad de la energa Las sobretensiones transitorias oscilatorias son originadas por conexiones, ferrorresonancias, o pueden surgir como respuesta de un sistema a sobretensiones impulsivas. Las sobretensiones por conexiones tienen una mayor energa, y son clasificadas como sobretensiones transitorias de baja (21

2,0 1,0 0,3 0,3 0,2

5,0 1,5 0,3 0,2 0,2

Armnicos pares Orden del Armnico

Alta tensin

Baja y Media Tensin

2 4 6 8 10 12 >12

1,5 1,0 0,5 0,2 0,2 0,2 0,2

2,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,2 0,2

La tasa de distorsin total (THD%) admitida es del 3% para Alta Tensin y del 8% para Media y Baja Tensin, entendiendo como Alta Tensin a tensiones superiores a 30kV, Media Tensin las comprendidas entre 1 y 30kV, y Baja Tensin a tensiones inferiores a 1kV.

35

Calidad de la energa Orden de los armnicos Los armnicos se clasifican por su orden, frecuencia y secuencia, segn tabla a continuacin:Orden Frec. Sec. 1 50 + 2 100 3 150 0 4 200 + 5 250 6 300 0 7 350 + 8 400 9 450 0 N 50 n

La primera gran diferenciacin se debe hacer entre los armnicos pares e impares. Los armnicos impares son los que se encuentran en las instalaciones elctricas, industriales y edificios comerciales, y por tanto los que debemos perseguir en nuestros estudios. Los armnicos pares slo existen cuando se produce asimetra en la seal debido a la componente continua. En general son de escasa consideracin en las instalaciones elctricas, salvo casos particulares. La secuencia puede ser positiva, negativa o nula. Este factor afecta especialmente a los motores trifsicos asncronos: 1. Los armnicos de secuencia positiva tienden a hacer girar el motor en el mismo sentido que la componente fundamental, generando una sobrecorriente que provocan el sobrecalentamiento del motor, y reduciendo la vida til de ste. Tambin influyen directamente en el deterioro del aislamiento entre de los devanados, con el riesgo de avera que ello supone. Son, por tanto generadores de calentamientos en cables, motores, transformadores, etc. 2. Los armnicos de secuencia negativa hacen girar el motor en sentido contrario, frenando el motor, provocando tambin calentamientos, adems de reducir la vida de ejes y engranajes. 3. Los armnicos de secuencia cero, tambin llamados homopolares (su desfase angular en las fases R, S y T del sistema trifsico es nulo) no presentan efectos sobre el giro del motor, pero se suman en el cable de neutro. Tambin se conocen como armnicos TRIPLE-N (ledo tripln), por ser mltiplos enteros de 3. Los armnicos mltiplos de tres son de suma importancia, tanto por su alta presencia como por sus efectos. En los circuitos trifsicos con conductor neutro las tres corrientes de fase R, S y T se suman en este conductor, y al tener desfase relativo de 120 se anulan, siendo por tanto cero la corriente de neutro. Esto es cierto para la frecuencia fundamental y la mayora de las armnicas, salvo para los TRIPLE-N. Al vibrar en fase estos armnicos no se cancelan en el neutro, sino que, de forma contraria, se suman algebraicamente, originando una elevada corriente que, en ocasiones, puede llegar a ser incluso superior a las corrientes de fase. En las instalaciones elctricas con gran nmero de equipos electrnicos en general, sobre todo equipos informticos, existe una gran proporcin de armnicos TRIPLE-N, especialmente el tercero y el noveno. En estas instalaciones la sobrecarga de corriente en el neutro puede ser muy seria, pudindose alcanzar intensidades incluso de 1,5 a 2 veces la intensidad de cada fase.

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Calidad de la energa Tradicionalmente se utilizaban secciones inferiores para el conductor de neutro, incluso la mitad algunas veces. Esto supone un ahorro, pero cada vez es menos recomendable por es motivo recin visto. De hecho, en el nuevo REBT se requiere tener muy en cuenta la presencia de armnicos al determinar la seccin del conductor neutro. No se aceptan secciones inferiores a las de los hilos de fase, y se recomienda utilizar incluso secciones superiores para dicho hilo de neutro. En caso de instalaciones trifsicas sin neutro, no existen armnicos TRIPLE-N en las fases. Sin embargo el espectro final tendr mayor contenido en el resto de armnicos. Factor de potencia y cos Normalmente se suele pensar que el factor de potencia y el cos son lo mismo, utilizando indistintamente ambos trminos. Esto slo es estrictamente cierto cuando no hay armnicos. El factor de potencia por definicin es el cociente PF = P / S El cos es el coseno del ngulo que forman la componente fundamental de la potencia activa (P, resistiva, eje de las X) y la aparente (S, plano XY). Si no hay armnicos, ambos valores coinciden. Sin embargo, si existen armnicos (ver figura 23 a continuacin) aparece una tercera componente armnica en el eje de las Z, que hace que vare ligeramente el valor del ngulo y por tanto su coseno. La diferencia es, en cualquier caso, muy peque a.Q S A

P

Fig. 23, Potencia generada por los armnicos De las tres potencias generadas slo la resistiva genera trabajo. El efecto de la armnica es doble: primero genera un calentamiento generalizado en la instalacin. Luego puede ocurrir que las bateras de condensadores para compensacin de reactiva se ven seriamente afectadas, pudiendo incluso llegar a quemarse: la batera forma un circuito resonante con la instalacin. Si alguna de las frecuencias armnicas entra tambin en resonancia, sta se ver amplificada, con el consiguiente riesgo de saturacin del transformador, posibilidad de que quemen las bateras, y muchos otros efectos perjudiciales.

37

Calidad de la energa Medicin y origen de los armnicos El trmino armnico se utiliza normalmente para el valor rms (eficaz) de una componente armnica Los instrumentos utilizados para la medicin de eventos de la calidad de energa realizan la conversin analgica a digital transformando la tensin de entrada en una secuencia de datos. Se utiliza el clculo denominado transformacin discreta de Fourier (FDT) o su versin ms rpida, la transformacin rpida de Fourier (FFT) para traducir la secuencia de datos de entrada en componentes senoidales. La presencia de armnicos es evaluada a travs del factor de distorsin armnica total (THD). Los armnicos de tensin son declarados como THDU. El THDU es una relacin del valor rms (eficaz) del armnico de tensin con el valor rms del fundamental (50Hz). El THD es un valor porcentual expresado en %. La Figura 24 (a) presenta la tpica forma de onda de la tensin de suministro en un entorno residencial o de pequea industria. Los dispositivos electrnicos de conmutacin (ver la explicacin en la figura 25) causan el achatamiento de la parte superior de la onda senoidal. El diagrama (b) es denominado espectro de frecuencias, y muestra qu armnicos de tensin han originado la distorsin de la onda senoidal.400 V 320 V 240 V 160 V 80 V 0V -80 V -160 V -240 V -320 V -400 V 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 thd

Voltage Ph1 (%)

Thd = 2.60%

(a)

(b)

Figura 24: tpica forma de onda de tensin y su representacin en forma de armnicos Todo armnico puede ser expresado con su amplitud , valor rms o porcentual. La presentacin en forma de porcentaje empleada en la figura 24(b) es la ms comn cuando se trata de calidad de energa. En este ejemplo, se realiza el muestreo de la seal de entrada con 128 muestras por ciclo (20mseg), con el 64 armnico como el mayor orden que puede ser medido.

38

Calidad de la energa Para las mediciones de calidad de energa, el anlisis de armnicos es reducido al 50 armnico, es decir, a 2500 Hz para una red de 50 Hz. El ngulo de fase entre los armnicos de tensin y el fundamental no se considera como un asunto relevante para la calidad de energa. No obstante, dicho desfase entre armnicos de tensin y de corriente del mismo orden s puede ser utilizado para identificar el origen del generador de la perturbacin de los armnicos. Todo lo que ha sido presentado en cuanto orden, frecuencia y secuencia para los armnicos de tensin es tambin vlido para los armnicos de corriente y THDI. Origen de los armnicos La Figura 21 explica el principio del origen de los armnicos. Desde la perspectiva del usuario, la red de suministro de energa elctrica puede ser presentada como el generador G y la impedancia de referencia Xs. La tensin del generador es considerada como una tensin senoidal pura con valor rms (eficaz) nominal. La tensin de los terminales de suministro de un cliente se diferencia de la tensin del generador debido a la cada de tensin en la impedancia de referencia. En el caso de una carga lineal (una resistencia elctrica en este ejemplo) la corriente y la consecuente cada de tensin ser tambin senoidal. La tensin que existe en los terminales ser una senoide pura con amplitud reducida y con cambio de fase a la tensin del generador.UXs Xs UG UG UXs

G

UL

UL

UXs Xs UG

UG UXs UL

G

UL

Figura 25: origen de los armnicos Las cargas no lineales (rectificadores, variadores de velocidad, lmparas fluorescentes, PCs, televisores...) extraen corriente con una alta THDI (forma de onda no senoidal). Para el anlisis, la carga no lineal puede ser modelada con la fuente de carga lineal y (corriente) de un armnico. Los armnicos de corriente originan una cada de tensin no senoidal en la impedancia de referencia, y tensin distorsionada en los terminales del transformado de potencia. Las cargas no lineales perturban la tensin de suministro de un modo en que solo los armnicos impares pueden ser detectados con los instrumentos de medicin. Si la carga es controlada asimtricamente, el semiperiodo positivo y negativo de la corriente difiere en forma y en valor rms (desequilibrio monofsico), haciendo que se eleven los armnicos pares y la componente continua. Esta situacin causa la saturacin y el sobrecalentamiento de los ncleos de los transformadores. 39

Calidad de la energa Otra fuente de armnicos es la propia red de suministro. La magnetizacin del ncleo de los transformadores de potencia y su saturacin originan corrientes no senoidales que se manifiestan como THDU en los terminales de suministro. La figura 26 muestra una vez ms el proceso de formacin de los armnicos: la tensin generada por la fuente (supuestamente senoidal, aunque no es as en la realidad) alimenta las cargas no lineales (descritas a continuacin) o cargas perturbadoras las cuales consumen una corriente (i) no senoidal. Esta corriente genera una cada de tensin en la impedancia de la lnea (transformador ms la propia lnea en s) la cual ya no es lineal. Dicho de otro modo. Las cargas no lineales generan armnicos de corriente, los cuales al atravesar el transformador y la lnea generan armnicos en la onda de tensin. Toda la instalacin est, por tanto, alimentndose de una onda de tensin con contenido armnico, debido a la simple conexin de cargas no lineales en ella.

Figura 26: generacin de la perturbacin armnica Esta distorsin en la onda de tensin afecta tanto a cargas no lineales como a las lineales. Elementos, por ejemplo, puramente inductivos pueden ver verse afectados por el hecho de alimentarse de una onda de tensin con alto contenido armnico. Se da el hecho adems de que precisamente las cargas no lineales que generan los armnicos son las ms sensibles a ellos. Dicho de otro modo, son las que sufren en primer lugar y en mayor medida los efectos nocivos de los propios armnicos que ellas mismas generan y contagian al sistema. Es la pescadilla que se muerde la cola. Los armnicos son un fenmeno comn en la prctica totalidad de las instalaciones elctricas actuales, en cualquiera de los mbitos en que nos movamos. Ms del 70% de la energa elctrica mundial la consumen elementos electrnicos, es decir, semiconductores. Por tanto debemos asumir su presencia, cuantificar su volumen y controlar su evolucin. Siempre con un punto de vista predictivo y no correctivo. Los armnicos no se pueden eliminar. Se trata de minimizar sus efectos nocivos.

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Calidad de la energa Causas y efectos que producen los armnicos En la actualidad los instaladores elctricos se enfrentan continuamente a nuevos y misteriosos problemas y situaciones: Las corrientes de fase estn perfectamente equilibradas, pero la corriente de neutro es ms elevada que la de fase. Los transformadores de potencia se calientan excesivamente con cargas inferiores a la nominal. Las bateras de condensadores para compensar reactiva no se pueden instalar, pues un excesivo calentamiento destruye los condensadores. Magnetotrmicos y fusibles que saltan/funden a corrientes inferiores a los valores nominales. Etc, etc.

Todas estas situaciones tienen siempre la misma explicacin: los armnicos, tal y como acabamos de describir. Cargas lineales y no lineales Las cargas lineales son combinaciones de elementos pasivos: LRC. No deforman la seal. Se alimentan en bornas de una tensin senoidal y la corriente que consumen lo es tambin. Tan slo se produce un desfase entre tensin y corriente, en funcin de la proporcin entre cargas resistivas, inductivas y capacitivas. Ejemplos: motores sin convertidores de frecuencia, luces incandescentes, iluminacin sin balastos en general. Presentan una caracterstica tensin/corriente que es lineal. Por el contrario las cargas no lineales combinan elementos pasivos y activos, es decir: cargas electrnicas: diodos, transistores, tiristores, y sus combinaciones, adems de las resistencias, bobinas y condensadores. Se alimentan de tensiones senoidales, pero a su salida generan corrientes deformadas, no senoidales. Tambin puede existir desfase. Se caracterizan por consumir corriente a impulsos. Cuando la seal alcanza su valor mximo o mnimo es cuando la carga no lineal conduce, provocando una se al pulsante que circula por cables, embarrados, condensadores, diferenciales, magnetotrmicos, que se han diseado para corrientes eficaces senoidales. Son por tanto los equipos con caractersticas no lineales, los que generan armnicos, y a su vez, los que ms sensibles se muestran ante la presencia de los mismos. A este tipo de equipos se les denomina cargas deformantes. Entre este grupo de equipos mencionamos los ms destacados: Receptores Industriales, como por ejemplo rectificadores cargadores trifsicos (convertidores de corriente alterna a corriente continua, combinaciones de diodos y tiristores). Estos generan armnicos de orden 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, ...., en especial los cuatro primeros.

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Calidad de la energa Otro gran grupo lo constituyen los variadores de velocidad, equipos de gran presencia en el mercado en los ltimos aos, tanto por sus prestaciones de control de motores como por su ahorro de energa. Contribuyen muy positivamente a prolongar la vida del motor. Sin embargo son cargas altamente contaminantes, que pueden alcanzar niveles de distorsin de corriente superiores al 100%, siendo mayor la proporcin de armnicos que de la frecuencia fundamental. Tambin generan rdenes 5, 7, 11, 13, 17,, 25. Tambin suelen tener factores de cresta muy elevados, provocando corrientes de pico muy elevadas e inestables, debido a los constantes arranques y paradas. Los equipos de soldadura elctrica son cargas monofsicas con consumos a espacios cortos, en intervalos de entre 20 y 50 periodos. Estamos pues ante otro tipo de carga de consumo inestable, en este caso sobre una sola de las fases, y en funcin tambin de la continuidad de el propio operario al realizar sus cordones de soldadura. Son equipos con una alta distorsin global, en este caso con un contenido mayoritario del armnico de 3 orden, ms pequeos porcentajes del 5, 7 y 9 orden. En este grupo tambin se incluyen los hornos de induccin y de arco, que adems de producir distorsin armnica, son generadores de fluctuaciones de tensin que generan flicker. Receptores de uso domstico y en sector terciario, TV, electrodomsticos, ordenadores, reguladores de luminosidad, lmparas fluorescentes, etc.

Las fuentes de alimentacin monofsicas son las ms extendidas, ya que todos los equipos electrnicos, ordenadores, etc. las incluyen. En instalaciones de oficinas donde se juntan gran cantidad de ordenadores, impresoras, fotocopiadoras, centralitas de telfono, etc., todas ellas cargas con un elevado contenido armnico, se produce una reinyeccin aguas arriba que afecta a todos los usuarios. Este tipo de cargas generan armnicos de 3 orden y sus mltiplos enteros. En concreto el de tercer orden tiene la propiedad de ser el que ms empeora la calidad de la tensin de la fuente, con lo que las cargas alimentadas con una mala calidad de tensin se convierten en cargas todava ms deformantes. Adems de esta deformacin de la tensin tambin produce, como explicamos anteriormente, un exceso de corriente circulando por el conductor neutro. El alumbrado fluorescente es otra de las cargas monofsicas deformadoras que tienen mayor presencia en todo tipo de instalaciones elctricas. Aunque no tienen una tasa global de distorsin muy elevada, el problema es el gran nmero de puntos de luz de estas caractersticas que se encuentran en una instalacin elctrica convencional. El armnico ms relevante es, de nuevo, el de tercer orden. Tambin pueden experimentar efectos de flicker. Presentan un comportamiento capacitivo frente a los armnicos, ya que llevan unos condensadores para mejorar de forma individual el cos y compensar as la reactiva de su propia reactancia serie. Estos condensadores podran llegar a destruirse debido a un alto contenido armnico. En este tipo de cargas es, de nuevo, el armnico de 3 orden el que se presenta con mayor relevancia.

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Calidad de la energa Elementos de instalaciones elctricas, sobre todo los equipos de regulacin y mando que regulan la intensidad absorbida, interrumpindola en determinados momentos, siendo en stos cuando ms armnicos generan. Tambin equipos con ncleos magnticos (transformadores de potencia, etc.), especialmente cuando trabajan en saturacin.

Hay que resaltar de nuevo que los armnicos se ven amplificados en condiciones de resonancia, condicin que se suele dar cuando se colocan condensadores en la red para la correccin del factor de potencia. Efectos de los armnicos Como hemos visto, los armnicos se manifiestan donde hay equipos que absorben corriente a impulsos cortos, como por ejemplo los balastos electrnicos. Estos equipos estn diseados para absorber corriente en los instantes en que la seal de tensin alcanza su mximo valor, dando como resultado una onda pulsante. Este tipo de corrientes pueden provocar daos tanto en las instalaciones como en los equipos utilizados. En general, los efectos que producen los armnicos son numerosos y dependen del grado de distorsin armnica total y de la sensibilidad de los equipos. Algunos de estos efectos se observan a simple vista, o se escuchan. Otros necesitan de medidores de temperatura para ver el calentamiento de cables o pletinas. En otros casos se requieren medidores/analizadores de armnicos para cuantificar la importancia de stos. Vamos a intentar agrupar y describir los principales efectos de las corrientes armnicas: a) Efectos en las instalaciones elctricas CALENTAMIENTOS: conductores, hilo de neutro y otros dispositivos. El calentamiento es uno de los efectos ms importantes de los armnicos, que se produce en devanados de transformadores, motores, conductores, y especialmente en el hilo de neutro.

Efecto Piel: la superficie de circulacin de una corriente AC por un cable conductor depende de la frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, la corriente tiende a concentrarse en la superficie exterior del conductor, desaprovechando parte de la seccin til, aumentando la resistencia del cable, y por lo tanto el calentamiento. Este calentamiento puede producir deterioros de aislamiento, incluso llegando a generar focos de incendios, cortocircuitos, etc. Es especialmente importante en transformadores y conductores de neutro, tal y como hemos descrito en apartados anteriores. SALTO DE PROTECCIONES: las seales con armnicos pueden tener un valor de corriente eficaz muy pequeo y sin embargo alcanzar valores de pico muy grandes. Esto provoca que equipos de proteccin, magnetotrmicos y diferenciales salten.

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Calidad de la energa Los magnetotrmicos saltan porque aunque la corriente eficaz est dentro de los mrgenes, los armnicos provocan calentamientos, lo que supone el salto por efecto trmico. Estos efectos se producen con mucha frecuencia en lugares con muchos ordenadores, fotocopiadoras e impresoras, segn su distribucin elctrica, y especialmente cuando son del mismo fabricante. Esto se debe a que si todos los equipos son del mismo fabricante las fuentes de alimentacin son iguales por lo que los armnicos generados tienen las mismas caractersticas y tienden a sumarse, siendo los efectos ms dainos. Por ello se recomienda que las fotocopiadoras e impresoras cuelguen de un ramal distinto del de los ordenadores, con lo que se evita el problema de reiniciacin de PCs, prdidas de datos, etc., aunque no el de los armnicos que, en realidad, siguen circulando. En cuanto a los diferenciales, el efecto depende del tipo de diferencial, y si es capaz de responder a seales pulsantes (tipo A), armnicas, etc. Existen unos diferenciales superinmunizados (diferenciales SI), que disponen de un filtro pasa-bajos que rechaza altas frecuencias y disponen de un circuito acumulador que acumula la energa del transitorio, lo cual permite seleccionar si se trata de un defecto diferencial real, produciendo el disparo, o si se trata de un transitorio, evitando disparos no deseados. Es importante aclarar que estos diferenciales no son filtros de armnicos. Simplemente eliminan ciertas componentes, con lo que se evita el propio disparo del diferencial. Pero los armnicos seguirn estando en la instalacin, y con total seguridad aparecern por otro sitio, creando problemas. RESONANCIA: un condensador en paralelo con una bobina forma un circuito resonante, capaz de amplificar las seales de una determinada frecuencia. Cuando en una instalacin, que es de carcter inductivo, ponemos una batera de condensadores para compensar la reactiva, lo que estamos haciendo es crear un circuito resonante que provoca que ciertos armnicos se vean amplificados, pudiendo hacer que sus efectos sean an ms perjudiciales, llegando incluso a veces a quemarse las bateras, como ya habamos mencionado anteriormente.

Por tanto, antes de instalar una batera de condensadores hoy en da, hay que medir y cuantificar los armnicos de tensin y, en caso de que puedan ser perjudiciales, se deben colocar reactancias antiarmnicas para desplazar el valor de la frecuencia de resonancia, eliminando as los efectos de dichos armnicos al atravesar la impedancia del condensador. VIBRACIONES Y ACOPLAMIENTOS: las altas frecuencias armnicas, y las subidas y bajadas rpidas de las seales distorsionadas provocan interferencias electromagnticas que pueden provocar vibraciones en cuadros elctricos y transformadores y/o acoplamientos y diafonas en redes de telecomunicaciones (telefnicas, de ordenadores, etc.). Los transformadores deben de ser sobredimensionados en funcin del nivel de armnicos de la red. Hoy en da se recomienda el uso de transformadores tipo K, los cuales soportan los armnicos K veces ms que un transformador normal. Sea o no de tipo K, todo transformador colocado hoy en da en nuevas instalaciones debera ser sobredimensionado en funcin del nivel de armnicos que va a soportar en rgimen permanente. 44

Calidad de la energa En el caso de las comunicaciones telefnicas suponen un ruido que deteriora la calidad de la comunicacin. En redes de datos provocan errores en la informacin, reducciones en la velocidad de transmisin y, en casos extremos, el colapso de la red. Este efecto se puede reducir mediante el uso de cables especiales apantallados. A este efecto, es necesario aclarar que por el contrario de lo que se piensa muchas veces, el cable idneo para apantallar los armnicos no es el FTP sino el ScTP, es decir, el folio de aluminio que trae el cable de tipo FTP apantalla las altas frecuencias (del orden de MHz). Para las frecuencias armnicas el apantallamiento ideal es el que ofrece el mallazo de cobre, similar al del cable coaxial. DETERIORO DE LA ONDA DE TENSIN: ACHATAMIENTO Cuando existe un alto contenido armnico en una instalacin elctrica la corriente distorsionada que generan las cargas puede provocar una deformacin de la onda de tensin, llegando a presentar efectos de achatamiento o aplanamiento en la parte superior e inferior de la seal si la distorsin es importante. Esta aplanamiento produce que la seal no alcance los valores de pico adecuados, necesarios para excitar los puentes de diodos que se encuentran en las fuentes de alimentacin, convertidores de frecuencia que slo consumen corrientes cuando sta alcanza sus valores de pico (ver fig. 27 a continuacin). Una onda de tensin achatada en la pantalla de un osciloscopio es el primer sntoma evidente de la presencia de armnicos en la se al.

Fig. 27: ejemplos de seal de tensin senoidal pura y achatada por efecto de corrientes armnicas en la seal Esto fuerza los diodos rectificadores, reduciendo su vida, o provoca paradas inesperadas en los variadores de velocidad, parpadeo de la iluminacin, reinicio de ordenadores, etc. TENSIN ENTRE NEUTRO Y TIERRA DISTINTA DE CERO: la circulacin de corriente por el conductor de neutro genera cada de tensin en la impedancia de dicho conductor, con lo que aparecen tensiones entre neutro y tierra, las cuales perjudican la calidad de la red y pueden tener efectos realmente graves sobre las redes de ordenadores, comunicaciones digitales, etc

Por ello, no slo es fundamental mantener la tensin neutro/tierra muy cercana a cero, sino que recomienda que cada equipo o mquina vaya conectado independientemente a tierra, para evitar corrientes parsitas y daos en los equipos.

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Calidad de la energa b) Efectos en componentes y equipos conectados a las instalaciones Condensadores. Disminuyen su impedancia con la frecuencia. Aumentan las corrientes parsitas y acoplamientos entre cables. Registran prdidas y calentamientos capaces de ocasionar serios deterioros, incluso quemarlos. Motores asncronos. Las corrientes armnicas que circulan por sus devanados provocan calentamientos en ellos, poniendo en peligro el aislamiento trmico de los arrollamientos. Pueden surgir cortocircuitos que podran destruir el motor. Por otro lado, los armnicos pueden acelerar o frenar la marcha del motor, segn secuencia (ver orden de los armnicos, en apartados anteriores), reduciendo el rendimiento y la vida del motor. Fusibles de proteccin. Tambin se sobrecalientan, pudiendo llegar incluso a fundir en situaciones normales de intensidad. Cables. Los armnicos de alta frecuencia dan lugar a calentamientos excesivos, fallos en el aislamiento y gradientes de tensin elevados. La impedancia aumenta con la frecuencia. Se recomienda utilizar cables de secciones superiores a la recomendada para frecuencias nominales. Balastos inductivos. Usados para encendido de fluorescentes o con lmparas de descarga. El circuito resonante formada por su propia inductancia y la capacidad generada por los armnicos genera alteraciones en su funcionamiento. Rels de proteccin. Saltan de forma injustificada. Ordenadores y cargas informticas: son los elementos que ms armnicos producen y al mismo tiempo los ms sensibles a ellos. Si existen muchos ordenadores conectados al mismo ramal las corrientes armnicas pueden ser realmente altas, por encima incluso de la seal de frecuencia nominal. El resultado puede ser reinicios inesperados, roturas de discos duros, prdidas de datos, etc, especialmente cuando la tensin de alimentacin sufre achatamiento en sus picos (ver fig. 27). Impedancia de fuentes: los armnicos de corriente generan un aumento de la impedancia de transformadores, SAIs, alternadores, etc., ya que sta depende de la frecuencia. Se produce una deformacin en la onda de tensin, pudiendo provocar graves consecuencias. En general, la distorsin de corriente la provoca la carga. La de tensin la fuente, que depende directamente de la impedancia de la misma. Cuanto menor sea la impedancia de la fuente, menor ser la distorsin. Siempre que la distorsin total (THD) no supere el 5% podemos estar tranquilos. Entre el 5 y el 8% debemos empezar a estudiarlo, y a partir del 7% hay que tomar medidas correctivas de forma inmediata. Equipos de control de procesos electrnicos, manipulacin de datos, medicin de magnitudes elctricas, transmisin de seales, etc. Se ven altamente alterados por la presencia de armnicos en la se al. Transformadores y alternadores: los armnicos provocan calentamientos en sus devanados, al mismo tiempo que descalcificacin y prdidas en ellos. La impedancia aumenta con la frecuencia, por lo que tambin se incrementa la distorsin armnica. Los armnicos limitan la potencia del transformador, en el sentido de que conviene mantener los transformadores al 50-75% de su carga, como precaucin. Si el contenido de armnicos es muy elevado el sobrecalentamiento puede ser tan elevado que hay que limitar considerablemente la carga.

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Calidad de la energa La eliminacin y prevencin de armnicos es algo que se reparte entre fabricantes y usuarios. Los fabricantes son los que ms tienen que decir, a la hora de disear equipos que generen menos nivel de armnicos, al mismo tiempo que son menos sensibles, y con mrgenes de funcionamiento mayores de los actuales. Los usuarios a la hora de conectar filtros, configurar correctamente sus rectificadores, etc. Existen soluciones para los efectos negativos de los armnicos, tales como modificar secciones de cables (especialmente en el neutro), utilizar magnetotrmicos multipolares que corten tambin por corrientes de neutro, etc. Tambin es muchos casos una reestructuracin y repartimiento de cargas entre fases es una buena solucin. Es muy conveniente utilizar cables que no propaguen la llama del fuego. Por otro lado existen soluciones electrotcnicas, comenzando por un buen dimensionamiento de fuentes y cargas. Tambin se pueden utilizar transformadores especiales de aislamiento entre cargas y fuentes, construidos de materiales y caractersticas especiales para poder soportar los efectos de los armnicos de forma continua, y mantener la calidad de la onda de tensin lo mejor posible. Tambin existen filtros pasivos y compensadores activos, los cuales mereceran un estudio a parte, por parte de empresas especializadas. Las soluciones para los armnicos se vern a fondo en apartados posteriores.

4.9 Interarmnicos.Si la descomposicin de una seal con la transformacin de Fourier da como resultado la presencia de una frecuencia que no es un mltiplo entero de la fundamental, esta frecuencia se denomina frecuencia interarmnica, y la componente con esa frecuencia es denominada interarmnico.

10% 250Hz (5th harmonic) (5 armnico)

10% 260Hz (260/50=5.2)

Figura 28: ejemplo de 5 armnico y un interarmnico cercano

Origen Las fuentes de los interarmnicos son cargas altamente fluctuantes tales como hornos de arco elctrico, mquinas soldadoras, cicloconvertidores, reguladores intermitentes, convertidores de frecuencia y corrientes portadoras de energa de baja frecuencia (tele-regulacin).

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Calidad de la energa Impacto en el equipamiento del cliente Adems de los problemas indicados en la descripcin de armnicos, los interarmnicos originan flicker luminosos en presencia de interarmnicos cercanos a la frecuencia del armnico pueden estimular oscilaciones mecnicas de baja frecuencia (una tensin por torsin debido a la oscilacin generador-carga) variaciones en los procesos y otras mediciones mal funcionamiento de la tele-regulacin.

4.10 Tensiones de sealizacin en la red elctrica.Las tensiones de sealizacin, tambin llamadas sealizaciones de red son seales utilizadas para la activacin remota de dispositivos lejanos, utilizando la red de distribucin elctrica. Son seales de frecuencia no armnica, de frecuencias estandarizadas, que deben ser seleccionadas manualmente para su monitorizacin. Los operadores en centros de transformacin, mantenimiento elctrico etc., muchas veces necesitan medir la potencia de dichas seales en puntos concretos de la red, para evitar l

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