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Calidad de la energía
y la instalación eléctrica
M en C. Salvador Chávez Negrete Octubre de 2015
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Contenido
Aviso Importante:
Esta presentación ha sido preparada por Soluciones Integrales en Alta
Tecnología (SIATSA) en colaboración con Procobre Centro Mexicano de
Promoción del cobre A.C. con el propósito de difundir y diseminar diferentes
aspectos relacionados con ventajas y beneficios para quienes adopten o
implementen las recomendaciones aquí expuestas. Ha sido preparado y
revisado por personas conocedoras del tema, sin embargo, el Centro Mexicano
de Promoción del Cobre y otros organismos participantes no se responsabilizan
de su aplicación ni de la profundidad en relación al contenido aquí expuesto, ni
por cualquier daño directo, incidental o consecuencial que pueda derivarse del
uso de la información o de los datos aquí contenidos.
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Disturbios Eléctricos Los disturbios eléctricos son variaciones de los parámetros de la señal senoidal.
Son eventos que amenazan la operación de equipo eléctrico.
Por su origen se clasifican en:
- Internas Generada en la instalación del usuario.
- Externas Generada por otros usuarios y de origen atmosférico.
Fundamental
-200.0
-150.0
-100.0
-50.0
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
Fundamental
Se definen en términos de amplitud, forma y duración.
Vp sen t
Introducción
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Variables de daño o mal funcionamiento a equipo eléctrico - Magnitud del disturbio.
- Duración del disturbio.
- Repetibilidad del disturbio.
Inmunidad eléctrica No todos los equipos son sensibles a todos los disturbios. Un disturbio eléctrico
puede pasar inadvertido o puede causar un problema a cierto equipo o tipo de
equipos en particular.
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Introducción
Solucionar problemas eléctricos o disminuir su impacto: - Instalación eléctrica que no propague el disturbio.
- Circuitos separados para evitar interacción entre equipos.
- Uso de transformadores de aislamiento para separar sistemas.
- Uso de equipo de acondicionamiento eléctrico.
disminución de nivel
cambio de polaridad
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Tensión y frecuencia dentro de límites preestablecidos, continuidad del servicio
eléctrico: Vp sen t.
Calidad de la energía
La carga genera disturbios eléctricos, la red
los distribuye en todo el inmueble.
Transformador
de servicio
Circuito multiderivado
Otros
servicios
Calidad de la energía
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No todas las cargas consumen energía en forma lineal, pueden distorsionar la
señal de tensión, generar disturbios eléctricos.
tensión
aplicada tensión
aplicada
corriente
demandada corriente
demandada
carga
lineal
carga no
lineal
En la construcción, administración y mantenimiento de redes eléctricas
es importante observar la instalación desde el punto
de vista de calidad de la energía.
Calidad de la energía
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Ésa no linealidad afecta la tensión de suministro y genera problemas de calidad
de la energía en otros equipos.
tensión
aplicada
corriente
demandada
carga
lineal
Calidad de la energía
tensión distorsionada
por otros equipos
No todos los equipos reaccionan igual ante el mismo evento eléctrico. Una
‘calidad’ del suministro puede no ser adecuada para un equipo y ser suficiente
para otro (inmunidad eléctrica).
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Daño a equipo por problema en la calidad de la energía
Daño inmediato. Transitorios de gran magnitud como las descargas
atmosféricas a menudo resultan en daño instantáneo y catastrófico a la
electrónica.
Daño latente. El calentamiento, sobretensión y sobrecorriente, acumulan fatiga
eléctrica en componentes electrónicos que posteriormente causará mal
funcionamiento o falla.
Molestias al sistema. El ruido eléctrico y las armónicas causan funcionamiento
errático y sobrecalentamiento en equipo electrónico sensible.
Calidad de la energía
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Disturbio eléctrico - Evento eléctrico que amenaza la operación del equipo del usuario.
- Se define en términos de amplitud, duración y forma.
- Procedencia: red interna, red externa.
Soluciones - Conocimiento de electricidad, redes eléctricas y dispositivos electrónicos.
- Instalación eléctrica adecuada a la carga.
Otros: - Planos eléctricos actualizados.
- Instrumento de medición apropiado (para el disturbio a observar).
- Conocimiento de técnicas de solución de problemas.
Disturbios eléctricos
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Factores de dependencia del daño al equipo del usuario: - El tipo de disturbio. - Energía contenida.
- La magnitud del evento. - La repetibilidad del evento.
- Duración del disturbio.
Recomendaciones de solución: 1.- Verificar los conductores: IEEE Standard 1100-2005
2.- Revisar el sistema de tierra: IEEE Standard 142-1991
Disturbios eléctricos
Cables de puesta a tierra sin conectar,
(de unidades de acondicionamiento
ambiental).
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Clasificación general de los disturbios eléctricos
Transitorios: Impulsos.
Nivel de tensión: Alto, bajo, ausente.
Distorsión: Armónica, simetría, ruido.
Frecuencia: Magnitud, oscilación.
Origen de los disturbios - Externos: Mantenimiento, operación,
climáticos, accidentales.
- Internos: Mantenimiento, operación,
electrostáticos, accidentales.
Disturbios eléctricos
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Transitorio - Es un evento normalmente de alta frecuencia.
- Puede variar de algunos cientos de Hz a varios MHz.
Características importantes - Nivel máximo. - Angulo de fase.
- Contenido de energía. - Frecuencia de ocurrencia.
- Tiempo de elevación (dv/dt).
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Impulso
Señal de alta frecuencia de amplitud positiva o negativa.
Disturbios eléctricos
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Posibles causas de aparición - Interrupción de equipo inductivo. - Descargas atmosféricas.
- Conmutación de líneas de fuerza. - Operación de capacitores de fp.
- Conmutación de tiristores. - Interruptores y contactos
- Falso contacto en conexiones. carbonizados.
Problema a equipo crítico - Funcionamiento errático. - Pérdida de datos.
- Daño a fuente de alimentación. - Sistema no responde.
- Daño a nivel componente. - Disparo errático de tiristores.
Posibles Soluciones - Reparar problemas en cableado (falso contacto, bajo calibre).
- Reemplazar interruptores dañados o sobrecalentados.
- Mover la fuente de disturbios o reubicar la carga crítica.
- Agregar amortiguadores eléctricos (snnuber) a contactos y relevadores.
- Agregar equipo de acondicionamiento eléctrico.
Disturbios eléctricos
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Impulso unidireccional - Disturbio de corta duración, de cambios rápidos en su magnitud.
- Se generan normalmente dentro del inmueble.
- Su alta frecuencia, mayor de 5kHz, permite su rápida atenuación
en los componentes reactivos del sistema eléctrico.
- Cerca de la fuente productora tienden a ser unidireccionales.
- Son causados por la conmutación de inductores y capacitores, falso contacto,
descarga electrostática, falla en la red eléctrica.
La combinación voltaje - contenido de energía puede
dañar los rectificadores de las fuentes de poder.
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
Disturbios eléctricos
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Impulsos
Síntomas del equipo Causas típicas - Error de paridad . - Operación de SCR.
- Falla de fuente de poder. - Impulsores de velocidad variable.
- Falla de SCR. - Conmutación de contactores.
- Pérdida de memoria. - Conmutación de capacitores.
- Operación errática. - Iluminación.
- Conexiones flojas.
Disturbios eléctricos
Un impulso afectado por la frecuencia natural del sistema
de fuerza puede entrar en oscilación.
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Disturbios Oscilatorios (impulso oscilatorio) Igual que los impulsos también son eventos transitorios.
Características - Tienen polaridad tanto positiva como negative.
- Es temporal, con rápidas fluctuaciones de frecuencia.
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
- Frecuencia.
- Duración.
- Magnitud.
Causas comunes - Conmutación de capacitor de corrección de fp.
- Apagado de cargas inductivas asociado con la impedancia de la red.
- Contactor en mal estado.
Disturbios eléctricos
Oscilación causada por la impedancia de la red
Impulso causado por una conmutación
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Impulsos repetitivos Ocasionado generalmente por la conmutación de elementos de control de
potencia en su operación normal.
Comunmente denominado notching
(disturbio de corta duración, menos de medio ciclo de duración, polaridad
opuesta al semiciclo que lo contiene).
Efecto dañino
acumulativo
en otras cargas
Disturbios eléctricos
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Eventos de tensión Si tienen suficiente magnitud equipo electrónico se apagará, motores
eléctricos operarán a mayor temperatura, con menor eficiencia.
Disminución instantánea Ocurren normalmente cuando cargas grandes (comparado con la potencia
de su línea) son encendidas.
Elevación instantánea Ocurren normalmente cuando cargas grandes (comparadas con la potencia
de su línea) son apagadas.
Disturbios eléctricos
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Disminución de tensión (Sag)
Síntomas del equipo - Reinicialización.
- Disparo de interruptores.
- Inhibición por bajo voltaje.
- Interrupción del proceso.
- Error de programa.
- Detección de bajo voltaje.
Causas típicas - Falla en el sistema de potencia.
- Corrientes de irrupción.
- Fallas y corto circuito.
- Falso contacto.
- Alta impedancia de la red.
- Carga excesiva momentánea.
DISMINUCION DE VOLTAGE (SAG)
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Soluciones - Reparar cableado (falso contacto).
- Aumentar calibre de conductores.
- Agregar equipo de
acondicionamiento eléctrico.
Disturbios eléctricos
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Aumento de tensión (swell)
AUMENTO DE VOLTAGE (SWELL)
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
Tiempo de recuperación de nivel ± x seg (Recovery time)
Disturbios eléctricos
por apagado de carga por liberación de falla de corto circuito
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Tensión Neutro - Tierra - Refleja la caída de tensión en el neutro, debido a la IN.
- Caída de tensión en el conductor de puesta a tierra por corrientes de falla
y alta impedancia en la conexión neutro – tierra.
Efecto en el equipo - Operación errática. - Error de paridad.
- Baja resolución. - Reinicialización.
- Sistema no responde.
Causas típicas - Conexión floja en neutro. - Conexión floja en tierra.
- Conductor de neutro de alta Z. - Calibre de conductor bajo.
- Corriente excesiva en neutro. - Fallas a tierra.
- Corriente excesiva en conductor de puesta a tierra.
- Encendido de equipo de alto consumo.
¿Soluciones?
Disturbios eléctricos
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Tensión neutro a tierra
Variables
- Diámetro del conductor bajo.
- Longitud del conductor elevado.
- Corriente en el conductor.
- Temperatura en el conductor.
Efecto en equipo - Caídas.
- Operación errática.
- Error de paridad.
- Baja resolución.
- Reinicio no programado.
Disturbios eléctricos
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Distorsión de la onda de tensión (armónicas) Desviación de la forma de onda senoidal Vp sen t causada por la operación de
cargas no lineales.
Interacción entre corrientes armónicas y la combinación de las impedancias de la
fuente de alimentación y el sistema de distribución eléctrica.
-200.0
-150.0
-100.0
-50.0
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
-200.0
-150.0
-100.0
-50.0
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
Fundamental
Tercera
Quinta
Séptima
Novena
descomposición de la
señal distorsionada
Armónica Frecuencias múltiplo de
la red de alimentación.
v(t) = vo+179senwt +60sen3wt + 36sen5wt + 25sen7wt + 20sen9wt
Disturbios eléctricos
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Reduciendo los efectos de las armónicas - Aislar cargas generadoras de alto contenido armónico.
- Incrementar el calibre de conductores y conectores.
- Agregar nuevos circuitos (aislar la carga).
- Disminuir la carga a transformadores y motores.
- Redistribuir la carga.
- Incrementar el número de pulsos de rectificación.
- Agregar filtros contra armónicas.
Disturbios eléctricos
Una carga no lineal se comporta como generador
de corrientes armónicas.
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El uso de circuitos independientes disminuye el ruido
eléctrico y otros disturbios en las cargas involucradas.
Separar cargas
Disturbios eléctricos
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Manifestaciones en la red eléctrica por armónicas - Sobrecalentamiento transformadores, motores, conductores.
- Disparo errático en protecciones eléctricas.
- Zumbido y vibración excesiva en máquinas eléctricas.
- Ruido en sistemas de telecomunicaciones.
- Explosión de capacitores, corrección de fp, UPS.
- Fusibles abiertos sin causa aparente.
- Pérdida en el control de variadores de velocidad.
El problema puede ser propagado en la misma red interna del
usuario o hacia el exterior a otros usuarios.
Disturbios eléctricos
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Impulsor de CA (control de velocidad de motores)
Elementos
- Motor.
- Impulsor (inversor, cicloconvertidor).
Función del impulsor
- Variar la frecuencia (determina la velocidad).
- Variar la tensión aplicada al motor (mantiene el torque V/Hz).
Tipos de control de impulsores
- Variación de tensión aplicada.
- Modulación por ancho de pulso.
- Variación de corriente de entrada.
- Inversor de conmutación.
Generadores de disturbios eléctricos
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Equipo electrónico
es ilustrativo, no se recomienda
Generadores de disturbios eléctricos
Genera corrientes armónicas,
distorsiona la señal de tensión
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Problemas en cableado
Problema Efecto Baja sección (calibre): Caída de tensión.
Conexión floja: Impulsos, caída de tensión.
Unión neutro tierra: Corriente en conductor puesto a
tierra, tensión elevada neutro tierra.
Neutro y tierra invertido: Corriente en conductor puesto a
tierra, tensión elevada neutro tierra.
Neutro y tierra unido en Pérdida de nivel de referencia.
tableros secundarios:
Alta impedancia en tierra: No actúan las protecciones, Alta
variación de tensión N-G.
Alta impedancia en neutro: Variación de tensión en la carga.
Equipo monofásico dañado.
Cableado eléctrico
El cableado eléctrico puede ser una fuente de problemas
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Conductor eléctrico Cuerpo capaz de conducir o transmitir la electricidad
Cobre Conductividad relativa 100 %
Aluminio Conductividad relativa 61 %
Hierro Conductividad relativa 17 %
Resistencia eléctrica (Oposición al paso de la corriente eléctrica)
- Aumenta al aumentar la temperatura.
- Aumenta con la longitud.
- Disminuye con diámetro mayor.
- Aumenta con la frecuencia de la corriente (efecto superficial).
Cableado eléctrico
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Dilatación lineal de los cuerpos (en la calidad de la energía)
Variación de longitud en cuerpos sólidos como alambres, varillas o barras debido a
cambios en la temperatura.
Coeficiente de
dilatación térmica
Elemento (1/°C) Lf longitud final. Hierro 11.7x 10-6
Lo longitud inicial. Cobre 16.7x 10-6
Tf temperatura final. Plata 18.3x 10-6
To temperatura inicial. Aluminio 22.4x 10-6
Dilatación cúbica de los cuerpos: = 3
Cableado eléctrico
La dilatación en los puntos de conexión causa falso
contacto y fusión de la unión.
La respuesta de la dilatación de los metales son falsos contactos,
sobrecalentamiento y fusión.
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Cableado eléctrico
No se indican irregularidades de instalación en esta imagen
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Variables que afectan el equipo de cómputo
- Velocidad de operación. - Conexión con otros equipos.
- Conexión a tierra. - Otros equipos en la misma red.
Posibles soluciones Verifique el cableado
- Busque conexiones flojas ó calientes (falso contacto).
- Verifique continuidad de cableado de puesta a tierra.
- Vea si otros equipos comparten el mismo circuito.
- Mida la corriente hacia tierra (electrodos) ¿existe, es excesiva?
- Anote todos los problemas de todos los equipos.
- Inicie o revise la bitácora de los equipo.
- Anote los ciclos de trabajo del equipo.
- Anote los ciclos de trabajo de otros equipos.
Equipo crítico
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Variables que afectan a:
- Telecomunicaciones
Utiliza la tierra como referencia.
Opera a frecuencias muy altas.
Se conectan a diferentes equipos en todo el inmueble del usuario.
Se conecta a líneas telefónicas y de datos externos.
- Control de procesos
Utiliza un computador como unidad de control, verificación y
seguimiento de procesos físicos.
- Impulsor de velocidad variable
Para controlar velocidad, torque, frecuencia, voltaje.
- Otros …
Equipo crítico
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Instalar un acondicionador en el lugar equivocado puede
no resolver ningún problema.
Transformador
El problema: Circuito multiderivado
Acondicionador
eléctrico
Solución de problemas eléctricos
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Separación de cargas Disminuye o elimina la interacción entre cargas
Solución de problemas eléctricos
La mayoría de los problemas eléctricos son
causados en la red eléctrica interna del usuario.
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Transformador de aislamiento - Protege al equipo electrónico de algunos impulsos y de problemas
de tensión entre neutro y tierra.
- Para configuración Delta – Estrella la 3a armónica en el
secundario queda atrapada en el transformador.
Solución de problemas eléctricos
Separación de cargas
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Causas comunes de mala calidad de la energía eléctrica
- Saturación del cableado eléctrico (diámetro insuficiente).
- La edad de la instalación eléctrica (falso contacto).
- Insuficiente número de circuitos (interacción entre cargas).
- Sistema de tierra inadecuado o poco efectivo.
- Baja capacidad en potencia del sistema de alimentación.
Prácticas positivas de cableado
- Carga sensible en circuito independiente.
- Separe circuitos.
- Separe tableros de distribución.
- Separe alimentadores.
- Agregue transformadores (de aislamiento y de fuerza).
Conclusiones
39
Gracias
ICA – Procobre
Red de instituciones latinoamericanas cuya misión es la promoción del uso del cobre, impulsando la
investigación y el desarrollo de nuevas aplicaciones y difundiendo su contribución al mejoramiento
de la calidad de vida y el progreso de la sociedad.
www.procobre.org
SIATSA
Soluciones Integrales en Alta Tecnología
Firma de consultores en Ingeniería Eléctrica: auditoría energética, peritajes, proyectos y sistemas de
tierra física.
Contacto: Ing. Enrique Balan Romero; enriquebalan@cablevisión.net.mx; (55) 4622 0301
M en C. Salvador Chávez Negrete; [email protected]; móvil 33 1136 6684
