4.- Calidad de Energia AEP
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CALIDAD DE ENERGIA En Sistemas de
Distribución
Rama Estudiantil AEP – FIE - UNMSM
30 de Enero, 2003
Calidad de Energía
Es el concepto de alimentar y poner a tierra los equipos electrónicos sensibles de manera adecuada para su operación (IEEE P1100, Feb 92)
Esta descripción cubre todas las aplicaciones de protección y acondicionamiento de energía. Las soluciones ofrecidas incluyen: puesta a tierra, supresores de voltajes transientes (TVSS), filtros y reguladores de tensión, transferencias automáticas, equipos de aislamiento, UPS, etc.
Los hechos
Hay un interés creciente en la Calidad de la EnergíaLa micro-miniaturización de componentes ha dado como resultado un incremento en la sensibilidad del equipo.Más de 60% de la carga total de las empresas distribuidoras de energía es no-lineal.Se ha expandido el uso de equipo generador de perturbaciones.
Las perturbaciones de energía tienen un impacto negativo en el uso del equipo y la productividad.
Las compañías de manufactura, comercio y servicios de Norte América pierden anualmente US$ 26,000 y US$ 13,000 millones, respectivamente, por tiempo perdido y gastos debidos a perturbaciones del sistema.
Crecimiento en la electrónica = Demanda por Calidad de Energía
Los hechos
Perturbaciones
Interrupción
Desviación de frecuencia
Desbalance
Flicker
Distorsión armónica
Notch
Impulso (Transiente - Pico - Surge – Spike)
Swell
Sobrevoltaje
Sag (Dip)
Baja Tensión
Ruido
Alteración de la onda sinusoidal de tensión
InterrupciónInterrupciónPérdida completa de voltaje por un período determinado (IEEE P1100, Feb 92)
Sostenida – si dura más de un minuto.
Temporal – entre 3 segundos y un minuto
Debido a fallas en el sistema de generación, transmisión o distribución externa e interna
Perturbaciones
Perturbaciones
Desviación de FrecuenciaDesviación de FrecuenciaAumento o disminución de la frecuencia de línea, con duración desde algunos ciclos hasta varias horas
Afecta la velocidad de los motores, especialmente síncronos y equipos que usan la frecuencia como referencia. (Relojes)
Debido a la variación de velocidad de los generadores. Usualmente presente en sistemas chicos, especialmente con un solo generador.
DesbalanceDesbalance
Diferencia de tensión entre las tres fases de un sistema
Usualmente causado por cargas monofásicas conectadas en forma desigual.
Puede causar recalentamiento peligroso en motores
Perturbaciones
Perturbaciones
Flicker Flicker Variación de la tensión en magnitud y duración que permite la observación visual del cambio de iluminación.
La molestia depende del cambio de iluminación y de la frecuencia con que se presenta.
Debido a la conexión y desconexión de cargas o fluctuación rápida de las mismas. (Soldadura, arranque de motores, hornos de arco)
Cuando es interno puede corregirse o minimizarse con un diseño adecuado de la instalación.
Flicker
Perturbaciones
Distorsión ArmónicaDistorsión Armónica
Representación matemática de la deformación de la forma de onda sinusoidal.
Causada por cargas no-lineales, usualmente equipos electrónicos.
Impulso - Transiente – Pico - Surge - Spike Impulso - Transiente – Pico - Surge - Spike Un rápido incremento de voltaje y corriente de corta duración (microsegundos) y alta energía.Pueden destruir o dañar equipos electrónicos o perforar el aislamientoPueden ser causados por rayos o por la operación del sistema eléctrico, conexión o desconexión de cargas.
Perturbaciones
Perturbación
Swell Swell Un “incremento” en el voltaje efectivo a la frecuencia normal de la red por una duración desde medio ciclo a un minuto.
Debido usualmente a la desconexión de grandes cargas (e.g. grandes motores) o fallas en el suministro de energía. Perceptible como un aumento de luminosidad en luminarias
SobretensiónSobretensión
Transitorio ascendente mantenido; con una duración de más de un minuto.
Perceptible en sistemas de iluminación y debido a la desconexión de grandes cargas y fallas en el suministro de energía.
Perturbaciones
Sag o Dip Sag o Dip
Un “descenso” en el voltaje efectivo a la frecuencia normal de la red por una duración desde medio ciclo hasta pocos segundos.
Debido usualmente a la conexión de grandes cargas (e.g. soldadoras, grandes motores) o fallas en el suministro de energía. Perceptible como un oscurecimiento de las luminarias.
Perturbaciones
Baja TensiónBaja Tensión
Transitorio descendente mantenido; con una duración de más un minuto.
Perceptible en sistemas de iluminación.
Debido al arranque de grandes cargas, fallas en el suministro de energía y sistema de alambrado deficiente.
Perturbaciones
Perturbaciones
Notch
Un disturbio de polaridad opuesta, sustractiva, que dura menos de medio ciclo, debido a la usualmente a la conmutación de fases en las fuentes electrónicas
Ruido (EMI / RFI)Ruido (EMI / RFI)Cualquier señal eléctrica no deseada repetitiva de alta frecuencia que produce efectos perjudiciales en los circuitos y equipo sensitivo. También descrito por IEEE como disturbios de menos de 2 x voltaje pico.
Creados por motores, generador, variadores de frecuencia y otros equipos electrónicos.
Perturbaciones
Frecuencia de perturbaciones
0
10
20
30
40
50
60
70
Por año
Ruido 49 %
Impulso 39.5 %
Sobre - Sub tensión11 %Interrupción 0.5 %
No hay un dispositivo de protección único que pueda resolver todos los problemas de calidad de energía.La factibilidad y el costo determinan qué tipo de tecnología de protección será implementada.La Pirámide de calidad de energía constituye un marco de referencia para implementar soluciones efectivas y viables para la protección del sistema.
Manejo efectivo de la calidad de energía: Factores que deben tomarse en cuenta
Pirámide de calidad de energía
Para lograr el mejor resultado por inversión, se debe empezar por la base de la pirámide e ir escalando cada piso.Sin una buena puesta a tierra los otros equipos no trabajarán óptimamente
Pirámide de la Calidad de Energía
Usualmente los dos niveles mas bajos se consideran desde el diseño inicial y aplicables a toda la instalación.Los niveles superiores se aplican selectivamente dependiendo de las cargas y las condiciones reales de servicio.Conforme se asciende aumentan los costos por KVA.
Control de la Calidad de Energía
La calidad de energía depende de la fuente de suministro y del sistema de distribución.La Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos regula la calidad del suministro, y sanciona las infracciones.Un sistema de distribución correctamente diseñado y construido es indispensable para tener una calidad de energía satisfactoria.
Diseño del sistema
Una red de distribución correctamente diseñada evitará los problemas internos de desbalance, sag y flicker, reduce la distorción armónica.Un adecuado sistema de puesta a tierra minimiza los ruidos y los impulsos.Un adecuado diseño y protección reduce las interrupciones.
Diseño del sistema
La alimentación de energía a sistemas electrónicos requiere la fijación del neutro conectado a tierra como voltaje de referencia.
Es indispensable un correcto dimensionamiento y seguimiento del neutro y de las puestas a tierra.
Medición
“Si no se puede medir, no se conoce”
La medición puede ser:Instantánea
Acumulativa
Registros máximos y mínimos
Registro “continuo”
Captura Selectiva
Osciloscopio
Dranetz
Control de interrupcionesEs necesario evaluar el costo de la pérdida de energía versus el costo de la solución.Es necesario tener una referencia de la frecuencia y duración de las interrupciones.Opciones :
Grupo electrógeno + Transferencia manual – ½ horaGrupo electrógeno + Transferencia automática – 8 a 60 segundosUPS – Instantáneo – Duración 15 a 30 minutosSRT – Instantáneo – Mininterrupciones hasta 3 ciclos
Control de nivel de tensiónEstabilizadores de tensiónUPSSRTDimensionamiento y selección (Estabilizadores, UPS y Grupos Electrógenos)
PotenciaVelocidad de respuestaLímites de regulaciónComportamiento con cargas No-Lineales. Generación de armónicosOnda de salida
Curva ITIC CBEMA
ArmónicosLimites de Intensidad – IEEE 519
Control de armónicos
La magnitud de la distorsión depende del sistema de distribución y de la carga no-lineal.La distorsión armónica no necesariamente causa problemas.Un buen sistema de alimentación y distribución puede ser la solución más económica.Selección de equipos que no generen armónicosTransformadores con factor K
Control de armónicos
Reactancia de entrada o transformador antes del equipo no-lineal
Transformador Delta-Estrella (elimina armónicos múltiplos de tres)
Reducción de condensadores
Filtros pasivos
Filtros activos
Carga inicial – Sin Condensadores
Carga Final – Todos los condensadores
Descargas atmosféricas (Rayos)Cuando cae un rayo la mayor parte de su energía se va a tierra o es derivada por los pararrayos.El IEEE recomienda una onda de 20 kV 10 kA como representación de una sobretensión de origen atmosférico en redes de B.T.
Origen de Transientes
80% de las transientes se generan internamente
Origen de Transientes
Cierre de interruptor en un subtablero de una planta (transiente en una onda senoidal de 120V )
Fuentes internas de transientes: Conexión/desconexión de motores Equipo electrónico pesado (Equipos médicos, Rayos X, Copiadoras) Apertura/cierre de interruptores Energización de transformadores Variadores de frecuencia y
arrancadores de estado sólido Reguladores de intensidad luminosa Soldadoras de arco Chispas o arcos eléctricos
Daños por transientes
Impulso 4x
Normal
Impulso 2x
Normal
Ruido2x
Normal
Impacto en cargas electrónicas
Falla de circuito electrónico Sí Sí
Errores de transmisión de datos Sí Sí Sí
Error de memoria Sí Sí Sí
Daño a disco duro Sí Sí
Interrupción del proceso Sí Sí Sí
Falla de fuente de alimentación SÍ Sí Sí
Reinicio de programa Sí Sí Sí Sí
Interrupción
¿Por qué usar protección de transientes?
Equipos electrónicos que pueden ser dañados: Computadoras y equipo de control de procesos telecomunicaciones equipo médico variadores de frecuencia otros dispositivos electrónicos
la falla puede ser inmediata (i.e. por descargas atmosféricas) la falla puede ser gradual (degradación de componentes de
estado sólido) problemas de operación o fallas inexplicables
Costo de tiempo de paro o falla del equipo > costo de supresor
Supresor de Transientes TVSS
Equipos que se colocan en paralelo con la red, que derivan la energía de la transiente, usualmente con MOVsReaccionan más rápido que la transiente (nanosegundos)Se especifican por la máxima intensidad que pueden derivar segun normas, las cuales determinan la tensión residual.
Plan de protección de “Dos Etapas”
Recomendaciones de IEEE (Libro Esmeralda):
“…Para grandes transientes de corriente, la desviación (de transientes) se efectúa mejor en dos etapas: la primera desviación debe realizarse en la acometida del edificio. Luego, cualquier voltaje residual de la acción (del dispositivo de supresión) puede desviarse con un segundo dispositivo de protección en el tablero de distribución del cuarto de cómputo (u otra carga crítica - i.e. rectificadores)…”
Parámetros de examen del sistema:Onda de entrada: Sobretensión de 20 kV; 10 kA según IEEE C62.41 Categoría C3Procedimiento de prueba: IEEE C62.45
Industria
CargaElectrónica
Protección etapa 1:Acometida principal
Protección etapa 2 :tablero secundario
Entradade
transiente causada
por descarga
Atmosférica u operación del sistema
TVSS
480:120/208
TVSS
25 uS 50 uS0
1200V
20,000V
TIEMPO (MICROSEGUNDOS)
TRANSIENTE DE ENTRADA:Impulso de 10 kA, 20 kV, IEEE categoría C3
Etapa 1: supresor paralelo (voltajes remanentes de 1000 a 1600 Voltios).
VO
LT
AJ
E R
EM
AN
EN
TE
Etapa 2: salida de segundaetapa de filtrado: < 100 V
Plan de protección de “Dos Etapas”
Protector de TransientesFiltro híbrido
Combinan dos etapas de TVSS y un filtro inductor-condensador
Se especifican por la intensidad de operación normal y sistema de tensión
Diseño de Filtro Híbrido
Solución para residencias
Nuevo Clipper Home Surge Protector (CHSP)
Protección completa (3 tipos)- Sistema de CA- Una línea de cable coaxial- Dos líneas telefónicas
Versión con protección de CA sólamentepara sistemas 120/240 V
DATACOM
Líneas telefónicas (1, 4 y 25 pares)
Señal 4-20 mA
Líneas de datos
Señal RS232
Cables Coaxiales
Conectores BNC, RJ-11, RJ-31
Referencias
IEEE Std 1100-1999IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment
IEEE Std 519-1992IEEE Recommended Practice and requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems
IEEE Std 142-1991 IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power System
Muchas Gracias