Anàlisi de les pertorbacions registrades per un conjunt d...

Víctor Franco Pérez

Anàlisi de les pertorbacions registrades per un conjunt d'analitzadors de xarxes d'una empresa i estudi de la

seva mitigació

Treball Fi de Màster

dirigit pel Dr. Luis Guasch Pesquer

Màster en Enginyeria Industrial

Tarragona

2017


seva mitigació

ÍNDEX GENERAL

Tarragona, 6 setembre de 2017



Anàlisi de les pertorbacions registrades per un conjunt d'analitzadors de xarxes d'una empresa i estudi de la seva mitigació

Màster en Enginyeria Industrial, Universitat Rovira i Virgili 4/74

ÍNDEX GENERAL

Document núm. 1: Memòria

1 Objecte del projecte ................................................................................................. 9

2 Abast ...................................................................................................................... 9

3 Antecedents del projecte ........................................................................................ 10

4 Normes i referències .............................................................................................. 10

4.1 Disposicions legals i normes aplicades ........................................................... 10

4.2 Bibliografia ................................................................................................. 11

4.3 Programes de càlcul .................................................................................... 11

4.4 Pla de gestió de la qualitat aplicada durant la redacció del projecte ................. 11

4.5 Altres referències ........................................................................................ 11

5 Definicions i abreviatures ........................................................................................ 12

5.1 Definicions .................................................................................................. 12

5.2 Abreviatures ............................................................................................... 12

6 Requisits de disseny ............................................................................................... 12

6.1 Analitzador de xarxa .................................................................................... 12

6.1.1 Principi de funcionament ..................................................................... 15

6.1.2 Comunicació entre dispositius .............................................................. 16

6.2 Mesura d’algunes pertorbacions en un sistema elèctric ................................... 17

6.2.1 Tensió................................................................................................ 17

6.2.2 Desequilibris ....................................................................................... 17

6.2.3 Harmònics .......................................................................................... 20

7 Anàlisi de solucions ................................................................................................ 22

8 Resultats finals ...................................................................................................... 22

8.1 Analitzadors de xarxa .................................................................................. 23

8.1.1 Tensions ............................................................................................ 23

8.1.2 Corrents ............................................................................................. 42

8.1.3 Factor de potència .............................................................................. 44

8.1.4 Potències ........................................................................................... 47

8.1.5 Energies ............................................................................................. 52

8.2 Simulació d’un motor d’inducció amb desequilibris .......................................... 56


8.2.2 Rendiment ......................................................................................... 57

8.3 Resum dels resultats.................................................................................... 58

8.4 Conclusions ................................................................................................ 59

9 Planificació ............................................................................................................ 60

10 Ordre de prioritat entre els documents .................................................................... 60



Document núm. 2: Annexos

1 Documentació de partida ........................................................................................ 63

2 Càlculs .................................................................................................................. 63

2.1 Fórmules utilitzades ..................................................................................... 63

2.1.1 Càlcul del valor mig ............................................................................. 63

2.1.2 Desequilibris ....................................................................................... 64

2.1.3 Simulació d’un motor d’inducció amb desequilibris ................................. 66

3 Annexos d’aplicació a l’àmbit del projecte................................................................. 66

3.1 Annex 1: Tensions ....................................................................................... 66

3.1.1 Annex 1.1: Factor de desequilibri de tensió (VUF) .................................. 66

3.1.2 Annex 1.2: Harmònics ......................................................................... 67

3.2 Annex 2: Potències ...................................................................................... 71

4 Altres documents ................................................................................................... 74

4.1 Catàlegs dels elements constitutius del projecte ............................................. 74

4.2 Llistats ....................................................................................................... 74

4.3 Informació en suports lògics, magnètics, òptics, etc ....................................... 74

4.4 Maquetes o models ..................................................................................... 74




seva mitigació

MEMÒRIA






ÍNDEX DE LA MEMÒRIA

1 Objecte del projecte ................................................................................................. 9

2 Abast ...................................................................................................................... 9

3 Antecedents del projecte ........................................................................................ 10

4 Normes i referències .............................................................................................. 10

4.1 Disposicions legals i normes aplicades ........................................................... 10

4.2 Bibliografia ................................................................................................. 11

4.3 Programes de càlcul .................................................................................... 11

4.4 Pla de gestió de la qualitat aplicada durant la redacció del projecte ................. 11

4.5 Altres referències ........................................................................................ 11

5 Definicions i abreviatures ........................................................................................ 12

5.1 Definicions .................................................................................................. 12

5.2 Abreviatures ............................................................................................... 12

6 Requisits de disseny ............................................................................................... 12

6.1 Analitzador de xarxa .................................................................................... 12

6.1.1 Principi de funcionament ..................................................................... 15

6.1.2 Comunicació entre dispositius .............................................................. 16

6.2 Mesura d’algunes pertorbacions en un sistema elèctric ................................... 17

6.2.1 Tensió................................................................................................ 17

6.2.2 Desequilibris ....................................................................................... 17

6.2.3 Harmònics .......................................................................................... 20

7 Anàlisi de solucions ................................................................................................ 22

8 Resultats finals ...................................................................................................... 22

8.1 Analitzadors de xarxa .................................................................................. 23

8.1.1 Tensions ............................................................................................ 23

8.1.2 Corrents ............................................................................................. 42


8.1.4 Potències ........................................................................................... 47

8.1.5 Energies ............................................................................................. 52

8.2 Simulació d’un motor d’inducció amb desequilibris .......................................... 56


8.2.2 Rendiment ......................................................................................... 57

8.3 Resum dels resultats.................................................................................... 58

8.4 Conclusions ................................................................................................ 59

9 Planificació ............................................................................................................ 60

10 Ordre de prioritat entre els documents .................................................................... 60



1 Objecte del projecte

La planta alimentària de la que s’han obtingut les dades per realitzar aquest treball

compta amb 3 estacions transformadores (ET), aquestes s’han instal·lat en diferents èpoques a mesura que la planta ha anat creixent.

Les càrregues que ha de suportar cada estació transformadora han variat des de la

seva instal·lació fins a l’actualitat, segons els diferents projectes de millora que s’han anat fent amb els anys. El funcionament dels equips connectats a cada ET afecta directament a l’equilibri de la xarxa interna de la planta.

La qualitat de la tensió subministrada per aquestes ET és de vital importància pel correcte funcionament dels diferents equipaments que s’alimenten d’elles. La possible aparició de pertorbacions pot ser deguda tant al subministrament com a determinat tipus de

càrregues de la pròpia planta. Aquest treball analitza les pertorbacions en dos armaris elèctrics de diferents ET d’aquesta planta.

Per analitzar les diferents pertorbacions de cada armari elèctric analitzat s’aprofiten els

analitzadors de xarxes instal·lats en cadascun d’ells. Aquests dispositius donen informació de: tensions, corrents, potències, energies i harmònics. Les dades obtingudes facilitaran la seva representació gràfica per tal de tenir una visió general de l’estat de cada paràmetre i fer

el posterior anàlisi.

També és objecte del present projecte la proposició de solucions per tal de minimitzar aquestes pertorbacions de la xarxa o trobar-ne la causa principal per tal de què l’empresa en

un futur pugui realitzar accions correctores amb l’objectiu de millorar el subministrament d’energia elèctrica de l’empresa.

2 Abast

En aquest treball s’han realitzat les tasques següents:

• Selecció dels quadres elèctrics a analitzar segons si disposen d’analitzador de xarxa.

• Recollida de dades dels analitzadors de xarxa.

• Processament de les dades obtingudes mitjançant el programa matemàtic Matlab.

• Representació gràfica de les diferents variables.

• Simulació d’un motor amb el programa PSIM per tal de conèixer la idealitat d’un motor d’aquest tipus.

• Interpretació, anàlisi i comparació de les gràfiques obtingudes dels quadres triats.

• Proposta de millores, solucions o causes dels problemes observats en les diferents gràfiques obtingudes.



3 Antecedents del projecte

El present projecte està basat en una empresa del sector de l’alimentació, que va

iniciar la seva activitat econòmica a la dècada dels 80. Degut als bons resultats obtinguts durant els anys i lligat a un augment de la demanda dels seus productes, aquesta s’ha vist forçada a ampliar les seves instal·lacions en dues ocasions, cosa que ha implicat l’ampliació

de la seva xarxa elèctrica, inicialment es disposava d’una única estació transformadora fins a l’actualitat que es disposa de tres.

L’estació transformadora inicial és la que alimenta la majoria de càrregues. Amb els

anys es va construir la segona i la tercera ET, ja que la primera estava massa sobrecarregada i no era capaç de suportar les càrregues corresponents a les posteriors ampliacions de la planta.

Aquesta planta disposa d’una gran quantitat d’elements mecànics i electrònics per tal d’aconseguir que el rendiment sigui el més elevat possible amb la millor eficiència possible. Aquests tipus de càrregues elèctriques poden ser causants de les pertorbacions en el

subministrament de la xarxa elèctrica, cosa que provoca que aquest rendiment i eficiència decaigui. A més, hi ha altres causes, com pot ser l’inadequat punt de funcionament de les màquines o procediments incorrectes de desconnexió dels elements, i la qualitat de la pròpia

xarxa subministradora en el punt d’alimentació de la planta.

La planta alimentària d’estudi consta d’una gran quantitat d’armaris elèctrics distribuïts en les diferents àrees. Com s’ha comentat anteriorment, cada armari té la seva data

d’instal·lació, per tant, uns seran més antics que d’altres, cosa que afegeix interès a l’estudi que s’ha de dur a terme en aquest projecte.

Per tal de realitzar una comparació més atractiva i interessant, s’ha decidit triar un

armari corresponent a la primera estació transformadora, que es va construir aproximadament als anys vuitanta, i un armari elèctric més actual corresponent a la tercera estació transformadora, construït en el present segle.

Per poder comparar l’estat d’aquests armaris, pel que fa a la qualitat del subministrament elèctric, s’ha realitzat una recollida de dades prèvia. Aquesta tasca s’ha dut a terme mitjançant el software associat als diferents analitzadors de xarxa instal·lats de l’empresa Circutor.

4 Normes i referències

4.1 Disposicions legals i normes aplicades

Per a la realització del projecte s’han tingut en compte les següents normatives vigents:

[1] Norma UNE-EN 50160 Característiques de la tensió subministrada en xarxes generals

de distribució. [2] Norma UNE 157001:2014 Criteris generals per a la elaboració de projectes. [3] IEC 61000-2-2; Versión Oficial en español – Compatibilidad electromagnética (CEM).

Parte 2-2: Entorno. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de

baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministro público en baja tensión.



4.2 Bibliografia

Llibres consultats

[1] Boix, O., Sainz, L., Córcoles, F. i Suelves, F. Tecnología Eléctrica, Ediciones Ceysa. Barcelona, 2002.

[2] Pérez Donsión, M. Calidad de la Energía Eléctrica, Garceta Grupo Editorial. Vigo, 2016.

[3] Arrillaga, J. i Eguíluz, L. I. Armónicos en sistemas de potencia, Servicio de

publicacions Universidad de Cantabria. Cantabria, 1994.

Pàgines web

• www.roble.pntic.mec.es. Informació sobre energia elèctrica. [Consulta en línia] Presentació digital [Data de consulta: 01/06/2017] [Accés gratuït] <http://roble.pntic.mec.es/jsalinas/factor%20potencia.pdf>

• www.circutor.com/es. Analitzadors de xarxa. [Consulta en línia] Pàgina web de l’empresa [Data de consulta: 19/06/2017] [Accés gratuït] <http://circutor.com/es/>

• www.rua.ua.es. Analitzadors de xarxa. [Consulta en línia] Pàgina web Universitat Alacant [Data de consulta: 21/06/2017] [Accés gratuït]

<https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/18990/1/AA-p3.pdf> • www.mixteco.utm.mx. Analitzadors de xarxa. [Consulta en línia] Pàgina web

de la Universitat Tecnològica de Mèxic [Data de consulta: 21/06/2017] [Accés

gratuït] <http://mixteco.utm.mx/~resdi/historial/materias/IPv4.pdf>

• www.rtrenergia.es Energia elèctrica. [Consulta en línia] Pàgina web RTR Energia [Data de consulta: 31/05/2017] [Accés gratuït] <http://www.rtrenergia.es/downloads/reactiva_2012.pdf>

• www.utbb.edu.mx Informació d’harmònics. [Consulta en línia] Pàgina web Universitat Tecnològica de Mèxic [Data de consulta: 15/05/2017] [Accés gratuït]

<http://www.utbb.edu.mx/ciermi/w2box/data/7.%20Calidad%20de%20la%20Energ%EDa%20en%20Sistemas%20El%E9ctricos%20Industriales.pdf>

4.3 Programes de càlcul

• Matlab R2015a: programa de càlculs matemàtics i representació gràfica.

• PSIM: programa de simulació de circuits elèctrics.

4.4 Pla de gestió de la qualitat aplicada durant la redacció del projecte

Durant la realització del treball, per tal d’assegurar la seva qualitat s’han realitzat

diferents revisions periòdiques perquè els resultats siguin el més interpretables i entenedors com fos possible. A més, s’han anat seguint les diferents normatives per tal de complir-les i no obviar cap apartat aplicable en aquest projecte.

4.5 Altres referències

No és d’aplicació en aquest treball.

http://roble.pntic.mec.es/jsalinas/factor%20potencia.pdf

http://circutor.com/es/

https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/18990/1/AA-p3.pdf

http://mixteco.utm.mx/~resdi/historial/materias/IPv4.pdf

http://www.rtrenergia.es/downloads/reactiva_2012.pdf

http://www.utbb.edu.mx/ciermi/w2box/data/7.%20Calidad%20de%20la%20Energ%EDa%20en%20Sistemas%20El%E9ctricos%20Industriales.pdf

http://www.utbb.edu.mx/ciermi/w2box/data/7.%20Calidad%20de%20la%20Energ%EDa%20en%20Sistemas%20El%E9ctricos%20Industriales.pdf



5 Definicions i abreviatures

5.1 Definicions

Estació transformadora: Instal·lació fixa per a la conversió de tensió del corrent altern i la distribució d’aquest per al consum d’una ciutat, d’una factoria o d’una indústria.

Baixa Tensió: tensió de subministrament inferior a 1 kV.

Armari elèctric o quadre elèctric: es defineix com la combinació d’un o més aparells de connexió sota tensió, amb els materials associats de comandament, mesura, senyalització,

protecció, regulació, etc., completament muntats sota la responsabilitat del constructor, amb totes les connexions internes, mecàniques i elèctriques i els elements estructurals.

Pertorbació: fenomen electromagnètic propagat al llarg dels conductors de les línies

d’una xarxa de distribució. Les pertorbacions poden degradar les prestacions d’un aparell, equip o sistema provocant danys.

Desequilibri de tensió: en un sistema trifàsic, estat en el qual el valor eficaç de les

tensions de fase o els desfases no són iguals.

Ressonància elèctrica: un circuit LC o circuit ressonant és un circuit format per una bobina (L) i un condensador (C). En un circuit LC hi ha una freqüència per la qual es

produeix un fenomen de ressonància elèctrica, a la qual es diu freqüència de ressonància, en què la reactància inductiva és igual a la reactància capacitiva (XC = XL). Per tant, la impedància serà mínima i igual a la resistència òhmica.

5.2 Abreviatures

ET: Estació Transformadora

VUF: Voltage Unbalanced Factor o Factor de Desequilibri de Tensions

CUF: Current Unbalanced Factor o Factor de Desequilibri de Corrents

THD: Total Harmonic Distorsion o Distorsión Total Harmònica

BT: Baixa Tensió

UNE: Una Norma Espanyola

FP: Factor de Potència

6 Requisits de disseny

6.1 Analitzador de xarxa

Un analitzador de xarxa és un element que es col·loca a l’interior dels armaris elèctrics i proporcionen informació sobre diferents paràmetres de la xarxa elèctrica de l’armari elèctric

on es troba instal·lat.

Tota la informació que recullen els dispositius són enviats i emmagatzemats en temps real a una base de dades de la mateixa empresa, aquesta informació es pot consultar en

qualsevol moment gràcies al software que proporciona l’empresa Circutor, que és la marca dels analitzadors de xarxes instal·lats per tota la planta.

Aquesta empresa proporciona el software PowerStudio, una eina utilitzada per a la

visualització de les diferents variables així com la generació de gràfics de les variables desitjades per l’usuari.



Figura 1. Exemple de dades del software PowerStudio.

Tal i com es pot veure a la Figura 1, aquest software proporciona una gran quantitat d’informació referent a la xarxa elèctrica, totes aquestes dades poden ser tabulades i

representades. Com es tracta d’un software de recollida de dades a temps real i d’emmagatzematge, hi ha la possibilitat de descarregar un històric entre períodes concrets triats per l’usuari.

Cal dir que aquest software té una freqüència de recollida de dades d’un segon, però només mostra la mitjana obtinguda cada deu minuts, tal i com indica la norma UNE-EN 50160.

L’analitzador de xarxa físic que s’està descrivint en aquest projecte és de la marca Circutor en concret el model CVM-144. Aquest dispositiu aporta diferents solucions en l’anàlisi de l’energia elèctrica com són:

• Control de quadres de distribució i escomeses de baixa tensió.

• Disposa d’un conjunt d’alarmes programables amb la variable a controlar, el valor màxim i mínim.

• Control dels valors instantanis, màxims i mínims dels diferents paràmetres elèctrics mesurats.

• El convertidor disposa de sortides analògiques de 0/4 – 20 mA. • Funció de mesura de corrents de fuga i de neutre.

• Analitzador de la qualitat de l’energia elèctrica, és a dir, descomposició harmònica fins l’ordre 50.



Figura 2. Analitzador de xarxa de la marca Circutor.

El CVM-144 està compost per tres displays on es mostren les diferents variables que es

desitgi observar segons les preferències de l’usuari, els paràmetres que es poden mostrar per pantalla i/o llegir directament amb el software comentat anteriorment són els que es mostren a la taula, únicament no es poden visualitzar són els valors dels diferents

harmònics.

Taula 1. Paràmetres de lectura del CVM-144.

A part d’aquestes característiques, l’instrument és capaç de mesurar valors d’energia,

càlculs de màxima demanda i els valors mesurats en valor eficaç, així com la memorització de tots aquests valors esmentats i els seus respectius màxims i mínims.



6.1.1 Principi de funcionament

L’analitzador de xarxa té una connexió interna composta per transformadors de corrent, que són els encarregats de mesurar la intensitat que circula per aquella fase. D’altra banda, es mesura la tensió que hi circula per cada fase i pel neutre, amb aquestes dades el

dispositiu és capaç d’obtenir la resta de paràmetres dels que disposa l’instrument (veure Taula 1).

Figura 3. Esquema de connexió de l’analitzador de xarxa

Amb aquest aparell es poden realitzar mesures d’un sistema trifàsic amb neutre, amb aquesta connexió es realitza la mesura de cada fase per separat, com si es mesurés un sistema monofàsic.

Figura 4. Connexió per mesurar



6.1.2 Comunicació entre dispositius

L’analitzador de xarxa a part de mesurar les variables comentades en l’apartat anterior, aquest ha d’establir una comunicació amb un PLC i, posteriorment, les dades són enviades a un ordinador on es mostren amb el software, aquesta comunicació permet la centralització

de les dades en un únic punt.

Figura 5. Esquema de comunicació entre diferents dispositius.

El CVM-144 es comunica amb el convertidor mitjançant el cablejat de bus RS-485. Aquest estàndard defineix un bus per a la transmissió en sèrie multipunt, en un moment determinat pot haver un equip transmeten i altres rebent informació. El cablejat consisteix

en un parell de fils de coure trenat sobre el qual es transmet un senyal diferencial per enviar els bits de dades. Aquesta comunicació només permet connectar 32 esclaus (32 analitzadors de xarxa) a un mateix convertidor, cosa que provoca que s’hagin d’instal·lar diferents

convertidors per la planta.

Un cop coneguda la comunicació que s’utilitza és necessari conèixer el protocol que s’utilitza entre esclaus i convertidors, en aquest cas es tracta del protocol Modbus o Ethernet.

El tipus de protocol depèn de la modernitat de l’element, ja que actualment estan convivint els dos tipus de protocols a la planta, amb l’objectiu d’unificar-ho tot al protocol Ethernet.

Protocol Modbus

Modbus és un protocol estàndard que pot gestionar una comunicació tipo client-servidor entre diferents equips connectats físicament amb un bus sèrie (RS-485). Aquest és un protocol del tipus petició – resposta, per tant en una transició de dades es pot identificar

el dispositiu que realitza una petició en concret. Aquesta identificació de cada esclau es pot dur a terme perquè cada esclau és identificat amb una direcció única per dispositiu. Aquest valor d’identificació ha de correspondre amb un número entre 1 i 247 amb configuracions

multipunt com és el cas.



Protocol Ethernet

Les xarxes Ethernet tenen un esquema de direccionament de 48 bits, per tant, a cada element connectat a una xarxa Ethernet se li assigna un número conegut. Llavors, el que fa aquest protocol és “escoltar” abans d’enviar qualsevol dada, amb aquesta funció

s’aconsegueix que si algun node està enviant informació, aquest tindrà preferència per davant de la resta de nodes. En cas de que hi hagi una coincidència d’enviament de dades en un mateix moment, a cada node se li assignarà un valor de temps aleatori per tal d’evitar

la interferència de dades entre nodes, d’aquesta manera s’aconsegueix un enviament de dades de manera ordenada.

Un cop aconseguit l’enviament de dades des dels analitzadors de xarxes fins al

convertidor, aquest converteix totes les dades al tipus Ethernet, ja que és el protocol unificat per a l’enviament de dades amb l’ordinador central (veure Figura 5).

6.2 Mesura d’algunes pertorbacions en un sistema elèctric

En el següent apartat es detallen tots aquells aspectes i/o definicions necessàries per poder comprendre apartats posteriors. A més, es detallen les normatives aplicables en cada cas, això és una de les parts importants a tenir en compte, perquè l’anàlisi dels diferents

paràmetres dels quadres han de complir els límits establerts per la normativa.

6.2.1 Tensió

La tensió ve prefixada per la companyia elèctrica per a instal·lacions de baixa tensió.

• En el cas d’un sistema trifàsic de quatre conductors en BT és Un = 230 V entre fase i neutre.

• En el cas d’un sistema trifàsic de tres conductors en BT és Un = 230 V entre fases.

Aquesta tensió va associada a la freqüència de la xarxa elèctrica, que també està

fixada a 50 Hz.

6.2.2 Desequilibris

En un sistema de tensions equilibrat les tres ones han de complir les condicions

següents:

• Mateixa forma d’ona.

• Mateixa freqüència.

• Mateixa amplitud.

• Desfasament de 120º entre elles.

Si no es compleix alguna d’aquestes quatre condicions ja es pot considerar que un sistema està desequilibrat.



En la següent representació es mostren les condicions anteriors per tal de definir un

sistema equilibrat.

Figura 6. Sistema equilibrat de tensions.

Quan es mesura si un sistema està desequilibrat o no, la majoria de normes marquen

com a límit d’un sistema equilibrat de tensions el 2%.

La norma UNE-EN 50160 indica el següent referent als desequilibris de tensions:

• “Para cada período de una semana, el 95% de los valores eficaces promediados en 10 minutos de la componente inversa de la tensión de alimentación debe situarse entre el 0% y el 2% de la componente directa. En ciertas regiones equipadas con líneas parcialmente monofásicas o bifásicas, los desequilibrios pueden alcanzar el 3% en los puntos de suministros trifásicos.”

• “Para cada período de una semana, el 95% de los valores eficaces de la tensión suministrada promediados en 10 min deben situarse en un intervalo Un 10%.”

• “Para todos los períodos de 10 min, los valores promediados del valor eficaz de la tensión deben situarse en el intervalo Un +10%/-15%.”

6.2.2.1 Components simètriques

Per definir el factor de desequilibri que es veurà més endavant, s’ha utilitat el mètode de les components simètriques desenvolupat per Fortescue. Aquest teorema estableix que un sistema polifàsic de n fasors desequilibrats relacionats entre ells, es pot definir com la

superposició dels n fasors equilibrats. Aquest mètode d’anàlisi descomposa la tensió equilibrada en els següents elements:

• Component directa o seqüència positiva: són tres fasors d’igual magnitud i estan desfasats entre ells 120º i tenen la mateixa seqüència de fase que les originals (Va1, Vb1, Vc1).

• Component directa o seqüència positiva: són tres fasors d’igual magnitud i estan desfasats entre ells 120º, però tenen la seqüència de fase contrària als originals (Va2, Vb2, Vc2).

• Component directa o seqüència positiva: són tres fasors d’igual magnitud i no tenen cap desfasament entre els tres fasors (Va0, Vb0, Vc0).



Figura 7. Descomposició d'un sistema trifàsic desequilibrat segons Fortescue.

Aquesta descomposició del sistema desequilibrat es pot expressar de manera matemàtica de la següent manera:

𝐕𝟎 =1

3(𝐕𝒂𝒃 + 𝐕𝒃𝒄 + 𝐕𝒄𝒂) (1)

𝐕𝟏 =1

3(𝐕𝒂𝒃 + a · 𝐕𝒃𝒄 + a2 · 𝐕𝒄𝒂) (2)

𝐕𝟐 =1

3(𝐕𝐚𝐛 + a2 · 𝐕𝒃𝒄 + a · 𝐕𝐜𝐚) (3)

A partir de la matriu de transformació del teorema de Fortescue, apareix un operador anomenat a que es defineix com:

a = ej·2π

3 = −1

1+ j ·

√3

2 (4)

a2 = e−j·2π

3 = −1

1− j ·

√3

2 (5)

6.2.2.2 Factor de desequilibri

Per tal de quantificar el desequilibri existent en una ona es defineix el factor de desequilibri, és aquell indicador que relaciona la component de seqüència negativa amb la

component de seqüència positiva mesurada amb la freqüència del sistema, de manera matemàtica es pot expressar com:

𝑉𝑈𝐹 = |𝐕𝐔𝐅| = |𝐕𝟐

𝐕𝟏| · 100 (6)

Una de les conseqüències dels desequilibris de tensió són els desequilibris de corrent.

A l’igual que amb la tensió, apareixen seqüències positives i negatives de la intensitat, de la mateixa manera que el desequilibri de tensió es pot definir el desequilibri de corrent amb la següent expressió matemàtica:

𝐶𝑈𝐹 = |𝐂𝐔𝐅| = |𝐈𝟐

𝐈𝟏| · 100 (7)

Cal dir que el factor de desequilibri de tensió és aquell que s’ha de complir per normativa. En canvi, el factor de desequilibri de corrent no està establert un valor màxim

normatiu ja que dependrà de les càrregues que hi hagi connectades.



6.2.3 Harmònics

La distorsió harmònica a la xarxa d’alimentació és principalment deguda a les càrregues no lineals dels diferents elements connectats al quadre elèctric que absorbeixen corrent no sinusoïdal. Les càrregues més comunes en entorns industrials són:

• Variadors de velocitat/freqüència

• Làmpades de descàrrega • Rectificadors

• Convertidors CA/CC • Forns d’inducció

• SAI • Ordinadors

• Etc.

Existeix distorsió harmònica quan l’ona sinusoïdal perfecta generada per les centrals elèctriques pateix deformacions a les xarxes d’alimentació dels usuaris, en aquest cas de la

planta industrial d’alimentació. Els harmònics són sinusoides de freqüència múltiple de la fonamental que se superposa a la sinusoide inicial perfecta.

Figura 8. Ona de tensió distorsionada.

La component fonamental de l’ona és aquella on la freqüència nominal és de 50 Hz, és a dir, és l’harmònic d’ordre 1. La resta d’harmònics són denominats normalment pel seu ordre, que resulta de la relació entre la seva pròpia freqüència i la freqüència fonamental

(harmònic 3: producte entre l’ordre de l’harmònic i la freqüència de l’harmònic fonamental 3x50 Hz = 150 Hz).

És sabut que la presència d’harmònics a la xarxa és molt habitual i aquests tenen

diferents magnituds, el més habitual és trobar harmònics d’ordre imparell, tot i que també es poden trobar d’ordre parell. Per tal de conèixer si el valor d’aquests harmònics són acceptables, la norma UNE-EN 50160 sobre les Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución a la Taula 2 d’aquesta norma indica els límits admissibles per cada harmònic, en concret la norma especifica el següent:

“En condiciones normales de explotación, durante cada período de una semana, el 95% de los valores eficaces de cada tensión armónica promediados en 10 min no debe sobrepasar los valores indicados en la tabla. Tensiones más elevadas para un armónico dado pueden ser debidas a resonancias.”



Taula 2. Valors límit dels harmònics.

Aquests valors límit mostrats a la taula s’han de complir, en cas de què no succeeixi

això s’hauran d’aplicar les mesures correctores necessàries per complir aquesta normativa.

D’altra banda, de la taula es pot deduir la component interharmònica, és a dir, quan el senyal que posseeix una component superposada a la fonamental de freqüència no múltiple

de la fonamental, poden aparèixer en baixa tensió.

6.2.3.1 Tipus d’harmònics

De la Taula 2 es poden observar els límits admissibles dels diferents tipus d’harmònics

existents:

• Harmònics parells: no causen problemes i només apareixen quan existeix asimetria en el senyal degut a la component contínua1, no acostumen a estudiar-se perquè s’anul·len gràcies a la simetria del senyal. La presència d’harmònics parells és un indici de què alguna cosa no funciona bé, ja sigui

l’aparell de mesura o en l’equip on s’està mesurant. • Harmònics imparells: són els que s’acostumen a trobar en les instal·lacions

industrials. Aquests queden afegits al neutre, en compte de cancel·lar-se uns

amb els altres. L’aparició d’aquest tipus és degut a càrregues no lineals (inductors, condensadors, rectificadors…), càrregues trifàsiques, etc.

1 Component contínua de la tensió o corrent: component d’ordre zero de la sèrie d’harmònics. Apareix si les àrees dels semicicles positiu i negatiu no són iguals.



6.2.3.2 Distorsió Harmònica Total (THD)

Com s’ha comentat en l’apartat anterior, els harmònics són pertorbacions que pateix una ona i desvirtua l’ona de la component fonamental, provocant una variació a les ones de tensió i corrent.

Aquesta alteració de l’ona pot ser avaluada de dos maneres diferents:

• Taxa de distorsió harmònica (HD): és la relació entre el valor eficaç d’un harmònic i el valor eficaç de la fonamental. L’expressió que defineix aquest aquesta taxa és la següent:

𝐇𝐃 (%) = 𝐔𝐧

𝐔𝟏· 100 (8)

𝐇𝐃 (%) = 𝐈𝐧

𝐈𝟏· 100 (9)

On:

Un o In són valors eficaços de tensió i corrent de l’harmònic d’ordre n. U1 o I1 són valors eficaços de tensió i corrent de la component fonamental.

• Taxa de distorsió harmònica total (THD): és utilitzada per poder quantificar numèricament els harmònics existents en un determinat punt de mesura. És

un índex que dona una mesura de la deformació de l’ona degut a l’efecte combinat de diferents harmònics, és la manera més habitual de mesura la deformació d’una ona.

𝐓𝐇𝐃𝐮 (%) = √∑ (𝐔𝐧

𝐔𝟏)

2Hn=2 (10)

𝐓𝐇𝐃𝐢 (%) = √∑ (𝐈𝐧

𝐈𝟏)

2Hn=2 (11)

Segons la UNE-EN 50160, la taxa de distorsió harmònica total de la tensió subministrada (compresos tots els harmònics fins a l’ordre 40) no han de sobrepassar el 8%.

7 Anàlisi de solucions


8 Resultats finals

Un cop entès el funcionament dels analitzadors de xarxa i la comunicació entre aquests dispositius i un ordinador i els diferents conceptes teòrics referents als paràmetres d’anàlisi,

és moment d’interpretar les diferents dades recollides per aquests elements. Com s’ha comentat a l’inici del projecte, la recollida de dades provinents dels diferents analitzadors de xarxa s’ha dut a terme mitjançant el software PowerStudio de la marca Circutor.

Amb les dades recopilades durant un any (entre el gener del 2016 i el gener de 2017)

amb un període de recollida de dades cada quinze minuts, s’ha generat un codi en el programa de càlcul Matlab per tal d’introduir les dades i obtenir les gràfiques de cada paràmetre d’interès per ser analitzat. Cal aclarir que per obtenir una representació més

visual i fàcil d’entendre s’ha realitzat un mitja de les dades de cada mes, assumint la possible pèrdua d’informació al realitzar aquest càlcul. En aquells punts on es considera que tenen



una importància més rellevant respecte a la resta, s’ha decidit realitzar un enfocament

d’aquell període o d’aquells punts per extreure unes conclusions més específiques.

Per tal d’entendre i diferenciar el quadre elèctric que pertany a l’estació transformadora més antiga i el quadre elèctric de l’estació transformadora més nova, s’ha decidit establir la

nomenclatura QE1 i QE2, respectivament.

8.1 Analitzadors de xarxa

En aquest apartat es procedeix a analitzar i comparar les diferents representacions

gràfiques entre els dos armaris elèctrics QE1 i QE2. Aquest anàlisi i comparació es realitzarà a partir de cada variable aportada per l’analitzador de xarxa.

8.1.1 Tensions

La tensió és un dels components del subministrament elèctric més important i més susceptible de variar en funció de les càrregues que hi ha connectades. És sabut que una mala qualitat en el subministrament de l’energia elèctrica, i en concret la qualitat de l’ona,

pot afectar a tots aquells armaris elèctrics que s’alimenten de la mateixa estació transformadora.

A part de la qualitat de l’ona de tensió, un dels problemes habituals és la variació de

tensió (augment o disminució de la tensió) causada per la variació de càrrega, en aquests armaris en concret poden causar una aturada temporal d’alguns equips o simplement la reducció del punt de funcionament d’algun motor.

Armari elèctric QE1

En aquest armari en concret es pot apreciar un evident desequilibri entre les tres fases, aquest fet pot ser causa de desequilibris produïts en una altra part de la instal·lació, sempre i quan estiguin connectats a la mateixa estació transformadora, i que afectin directament al

subministrament d’aquest panell elèctric.

Gràfica 1. Valor eficaç de les tensions del quadre QE1.



D’altra banda i sense tenir en compte la qualitat de subministrament elèctric, el

desequilibri de tensions que s’observa a la Gràfica 1 pot ser causa a què la tensió entre la línia 3 i 1 (V31) està molt sobrecarregada, és a dir, existeix la possibilitat de què entre la fase 1 i el neutre hi hagin moltes càrregues monofàsiques connectades. Aquesta deducció ve

donada a què la següent línia més carregada és la de color blau (V12), per tant, la fase comú entre aquestes dos línies esmentades és la número 1. També es pot comprovar que V31 és la més sobrecarregada perquè és la que té una major caiguda de tensió, això és conseqüència

a l’elevada intensitat que circula per aquesta línia.

Una possible solució a aquest desequilibri de tensions seria la possibilitat de redistribuir el connexionat de l’armari, tenint el coneixement de les càrregues que pengen de cada línia,

d’aquesta manera s’intentaria equilibrar les càrregues connectades. Tot i que seria la millor solució, és evident que és una solució inviable, ja que suposaria una gran inversió econòmica per l’empresa realitzar aquesta modificació, ja que en el present projecte només és

contempla aquest quadre, però existeix la possibilitat de què altres armaris de la planta pateixin el mateix problema.

Per tant, una solució alternativa seria tenir en compte el desequilibri de fases que

existeix en l’armari elèctric i en futurs projectes de millora o ampliació de càrregues intentar connectar les noves càrregues en aquella línia que estigui menys carregada, en aquest cas V23.


Pel que fa a l’armari elèctric més actual, a priori es pot pensar que la gràfica de tensions per aquest cas és incorrecta o manca alguna línia en la representació, però la veritable explicació és que es tracta d’un sistema equilibrat en tensions.

Gràfica 2. Valor eficaç de les tensions del quadre QE2.

Un sistema equilibrat de tensions té com a principal característica que la representació de les tres línies únicament es pot apreciar una, és a dir, estan superposades de manera que

l’ona de tensió és la mateixa en tots tres casos. A diferenciar del QE1 analitzat, es pot dir que en aquest armari elèctric les càrregues connectades estan distribuïdes de manera adient, ja que no produeixen cap desequilibri en el quadre.



8.1.1.1 Factor de desequilibri de tensions (VUF)

Per fer l’anàlisi del VUF, serà necessari fixar-se en el valor màxim permès per la norma UNE-EN 50160 i la IEC 61000-2-2, aquest valor ja conegut del 2%.


Com es pot observar a la Gràfica 3, el VUF compleix perfectament amb el límit marcat per la norma. Aquest fet afavoreix a la qualitat de la tensió de l’armari, evitant així una alteració en el subministrament de la tensió i mantenint la xarxa elèctrica estable. A més, és

una manera d’evitar la introducció de pertorbacions a la xarxa, cosa que provoquen q inestabilitat a la xarxa.

Gràfica 3. Factor de desequilibri de les tensions del quadre QE1.

A més a més, aquesta representació està donant informació que el desequilibri de

tensions vist a la Gràfica 1 no està fora dels límits permesos, és a dir, existeix un clar desequilibri però es compleix la normativa. Aquest fet no vol dir que no se l’hagi de donar importància a l’evident desequilibri de tensions que existeix en el QE1. Si es desitja observar

amb més detall el VUF es pot trobar la gràfica de l’Annex 1.1.


En aquest cas, es pot observar un cas ideal de sistema de tensions equilibrat. Tal i com s’ha vist a la Gràfica 2 que les tensions estaven superposades, a més el VUF està corroborant aquesta idealitat, ja que com es pot comprovar en la representacio següent el valor d’aquest

índex és nul.



Gràfica 4.Factor de desequilibri de les tensions del quadre QE2.

8.1.1.2 Factor de desequilibri de corrents (CUF)

Com s’ha comentat en apartats anteriors, no existeix una normativa on exigeixi el compliment d’un valor màxim de desequilibri en el cas dels corrents, però igualment es pot

realitzar un anàlisi de les seves gràfiques obtingudes.


El CUF del QE1 en línies generals segueix la mateixa forma que el VUF del mateix

quadre, exceptuant entre els mesos de febrer i abril. Aquest pic que apareix és degut a què els corrents en aquest període, especialment al març, es produeix una baixada o absència de corrent. Aquest fet provoca, primerament, que el càlcul del CUF augmenti bruscament i,

conseqüentment, augmenta la mitja mensual de cada CUF.

Gràfica 5. Factor de desequilibri de les corrents del quadre QE1.



L’absència de dades referent als corrents en el període comentat pot ser deguda a una

fallada en el programa de recollida de dades a temps real, aquesta hipòtesi podria ser acceptada en cas de què l’aturada fos de curta durada, ja que és gairebé impensable que el sistema deixi de recollir dades durant un mes pràcticament. Un altre motiu per descartar

aquesta possibilitat és perquè els altres paràmetres que es recullen dades (tensions, potències…) segueixen tenir valor.

Per tant, el motiu més probable és l’aturada temporal de la planta per realitzar tasques

de manteniment. Aquest fet guanya punts, ja que es coneix que durant aquest període es van realitzar aquestes tasques esmentades.


En aquest quadre elèctric no es pot dir que hi hagi una similitud en la forma de l’ona, ja que en VUF del QE2 tenia un valor nul en tot el període d’anàlisi. A partir de la Gràfica 6 es poden diferenciar dos àrees; la primera, corresponent als períodes de febrer a juliol; la

segona, entre novembre i gener.

Pel que fa als mesos de març i maig es produeix un augment del CUF degut a l’aturada de la planta, en aquest cas no es produeix una aturada de llarga durada perquè s’observa

que només hi ha una reducció del valor de la intensitat, sense a arribar a aturar-la completament, és a dir, mantenint un corrent molt més baix al funcionament normal.

Gràfica 6. Factor de desequilibri de les corrents del quadre QE2.

Pel que fa als darrers mesos de l’any, en la representació s’observa una pujada molt

sobtada, aquest fet té les mateixes causes que en el cas del CUF del QE1 en el mes de març. Es coneix que a finals d’anys la planta torna a aturar-se per motius de manteniment, pel que es pot apreciar en ambdós gràfiques del CUF l’aturada de finals d’any només va afectar al

quadre elèctric QE2, ja que es la que sofreix una disminució del corrent i conseqüentment un augment del factor de desequilibri.



8.1.1.3 Harmònics

A continuació es realitzarà un anàlisi i comparació de les diferents gràfiques d’harmònics obtingudes per als dos armaris elèctrics (QE1 i QE2). Aquesta comparació està dividida segons a la línia que pertany i, a més, segons el tipus d’harmònic de què es tracta

(harmònics parells, harmònics imparells múltiples de 3 i harmònics imparells no múltiples de 3). El motiu d’aquesta divisió de les gràfiques és perquè segons el tipus d’harmònic té un màxim admissible normatiu, d’aquesta manera resultarà més fàcil la seva visualització.

A part d’aquestes gràfiques més específiques a l’Annex 1.2 es poden trobar el conjunt dels harmònics sense el fonamental per tal de veure més en detall la distribució conjunta.

8.1.1.3.1 Armari elèctric QE1

Harmònics L1

A la gràfica dels harmònics múltiples de 3 es pot comprovar que l’harmònic tercer i

novè compleixen perfectament amb les exigències de la norma, en canvi el quinzè harmònic inicia l’any complint amb escreix fins arribar al mes de setembre que sofreix un augment important del seu valor fins a superar el límit permès.

L’aparició d’aquest harmònic d’ordre 15 pot ser degut a un augment del corrent que circula pel conductor neutre, si es tractés d’un sistema equilibrat hauria de ser nul. Aquest fet és un dels possibles causants de l’augment del valor durant aquests mesos.

Gràfica 7. Harmònics L1 múltiples de 3 amb els seus límits corresponents.

Pel que fa als harmònics que no són múltiples de 3, es pot comprovar que els dos harmònics més importants en aquest cas, és a dir, el cinquè i el setè, tenen un incompliment del límit. El motiu d’aquest incompliment pot ser degut a una influència considerable del

banc de condensadors, ja que aquests presenten una ressonància amb freqüència propera al cinquè i setè harmònic.



Gràfica 8. Harmònics L1 no múltiples de 3 amb els seus límits corresponents.

Per a la gràfica d’harmònics parells es pot apreciar que l’harmònic d’ordre 6 supera lleugerament el límit a l’inici del mes de juny, aquest fet es pot atribuir a un mal

funcionament de l’aparell de mesura o a un mal funcionament d’algun equip dels que està connectat en aquest armari elèctric entre els mesos de maig i juliol. És un fet amb poca rellevància, ja que en posteriors períodes aconsegueixen disminuir el seu valor de manera

notable.

Gràfica 9. Harmònics L1 parells amb els seus límits corresponents.



Harmònic L2

Els harmònics múltiples de 3 corresponents a la línia 2 tenen una forma molt similar que en la línia 1, inclús es pot apreciar una disminució del valor d’aquests, cosa que afavoreix a la xarxa elèctrica. De la mateixa manera que en el cas anterior, l’harmònic

d’ordre 15 a partir de setembre pateix el mateix augment amb una forma d’ona idèntica i es podrien atribuir les mateixes causes.


Anàlogament a la línia 1 pels harmònics no múltiples de 3, tots ells compleixen la normativa fins al mes de setembre aproximadament. En aquest punt, apareix un augment

dels harmònics cinquè i setè mantenint pràcticament el seu valor que en el cas de la línia 1 amb possible causa arrel en els bancs de condensadors.




Els harmònics parells presents a la línia 2 compleixen amb la normativa perfectament,

exceptuant l’harmònic d’ordre 6. No és un fet amb una gran importància, ja que supera lleugerament el límit marcat per la norma i els mesos previs i posteriors al juny (punt on es produeix l’incompliment) tenen un compliment absolut i, a més, amb un valor força baix.


Harmònics L3

A diferència de les altres línies, en aquesta es produeix una injecció d’harmònics important entre febrer i març, arribant a superar el límit permès durant el mes de març.

En aquests mesos esmentats, es produeix un augment del tercer harmònic. Aquest fet pot estar causat per la saturació de transformadors, aquest efecte és l’encarregat de la generació de l’harmònic d’ordre tres. La generació d’aquest harmònic es presenta quan està

en estat estable quan el transformador està sobrecarregat, provocant que aquest treballi en la seva regió no linial. Aquesta causa es descarta ja que a la Gràfica 1 i la Gràfica 29, de tensions i corrents respectivament, s’observa que es produeix una disminució d’ambdós

valors justament en el període que es produeix l’augment del valor del tercer harmònic.

Una altra possible causa és que el transformador estigui treballant en buit, aquest fet també genera harmònics d’aquest tipus, aquesta causa és més possible perquè es redueix la

tensió i el corrent. També pot ser degut a la presència de màquines síncrones que són generadores d’harmònics de tercer odre a partir de l’escalfament de les resistències de posta a terra del neutre dels alternadors o del funcionament dels relés amperimètrics de protecció

contra defectes d’aïllament.

A més d’aquest fet, de la mateixa manera que succeïa en els casos anteriors, es pot comprovar com l’harmònic 15 a partir de setembre pateix un incompliment de la normativa.




En aquesta tercera línia succeeix el mateix que anteriorment, incompliment de la normativa del cinquè i setè harmònic a partir del mes de setembre. Com s’ha comentat en el

primer cas, la connexió d’un banc de condensadors trifàsic pot ser la principal causa d’aquest fet.




Els harmònics parells de la línia 3 tenen una important diferència amb les altres dues

línies, no es produeix l’incompliment normatiu dels harmònics en el mes juny, tot i que també es produeix un augment entre maig i juliol.

En aquest cas, l’augment d’aquest tipus de desequilibri s’inicia en el mes de febrer i té

el seu valor més elevat en el mes de març. També es pot comprovar que els harmònics que no compleixen són els parells a partir del sisè.


Si es fa una visió general de la línia 3, es pot arribar a la conclusió que durant els mesos de febrer, març i abril aquesta línia va patir problemes de diferents tipus, ja que tant els harmònics múltiples de 3, no múltiples de 3 i els parells tenen una representació idèntica

al mes de març com a punt on es produeix l’augment més important. Com es produeix el mateix pic en els tres casos és molt difícil deduir quin pot ser la causa que origina aquesta pertorbació, però una hipòtesi podria ser una mala execució de la maquinària connectada a

aquesta línia durant l’aturada de la planta per realitzar les tasques de manteniment corresponents.

8.1.1.3.2 Armari elèctric QE2

Harmònics L1

Els harmònics múltiples de 3 del QE2 són molt diferents al QE1, com es pot observar a la gràfica següent hi ha un incompliment normatiu dels tres tipus d’harmònics representats.

Pel que fa al tercer harmònic es pot comprovar que apareixen dos pics ben marcats i

on precisament deixen de complir amb el límit establert, el primer pic apareix al mes de maig i l’altre al mes de desembre. Es coneix que en aquests dos períodes la planta alimentària va realitzar una aturada temporal per tasques de manteniment. Si s’observa la Gràfica 30 de

corrents corresponent a aquest armari elèctric, es pot comprovar que justament en aquests dos mesos decreix el corrent de manera considerable. Aquest fet és el culpable de la generació d’aquest tipus d’harmònic, degut a què el transformador està treballant en buit o molt per sota de les seves prestacions.



En el cas dels harmònics novè i quinzè incompleixen el límit establert en tot moment,

aquest fet pot tenir la seva arrel a un important augment del corrent del neutre, provocant l’augment d’aquests harmònics.


Tots els harmònics obtinguts que no són múltiples de tres d’aquesta línia superen el límit establert per la normativa. Una causa atribuïble a l’aparició d’aquests harmònics és la presència de convertidors estàtics a la planta (element molt habitual). Aquests dispositius

efectuen el procés de conversió de l’energia elèctrica, de corrent alterna a corrent contínua, doncs aquests tipus d’elements són els encarregats de la generació d’harmònics no múltiples de 3.




A diferència del quadre elèctric QE1, en aquest hi ha una presència d’harmònics parells

molt elevada, provocant l’incompliment dels límits marcats.

En molts casos, l’aparició dels harmònics parells és deguda a la utilització de rectificadors semicontrolats. Aquests s’instal·len perquè són molt econòmics, quan han de

treballar a càrrega completa generen els mateixos harmònics que els rectificadors d’ona completa, és a dir, harmònics imparells. En canvi, quan han de treballar amb un endarreriment de l’engegada presenten problemes de generació d’harmònics parells. Per

tant, quan han de treballar amb càrregues reduïdes provoquen aquests harmònics parells, però també la reducció del factor de potència.

Habitualment es sobredimensionen els motors instal·lats a les indústries per possibles

ampliacions futures i, per tant, treballen amb una càrrega més reduïda, en aquestes condicions la magnitud del segon harmònic augmenta de manera molt remarcada, cosa que no succeeix en el cas de la Gràfica 18.


Harmònics L2

Els harmònics de la línia 2 tenen una representació idèntica a la línia anterior, però en aquest cas l’harmònic d’ordre tres no compleix gairebé mai durant tot el període representat.

No es pot diferenciar amb els altres dos harmònics representats, ja que tots tres segueixen una representació molt similar, per tant no es pot atribuir que l’aparició d’aquests harmònics sigui a l’aturada de la planta per tasques de manteniment. Un possible motiu de l’aparició de

tots aquests harmònics múltiples de tres pot ser degut a què es tracta a un sistema desequilibrat i, per tant, quan s’alimenten càrregues no lineals, el corrent de neutre rep la suma de totes les components harmòniques de seqüència zero, és a dir, els harmònics

múltiples de tres. Això succeeix perquè les components harmòniques que són múltiples de tres estan en fase i les seves magnituds se sumen de forma directa.




Els harmònics que no són múltiples de tres de la línia 2 també superen els límits

establerts per la normativa. De la mateixa manera que en la línia 1, s’associa aquests harmònics a la presència de convertidors estàtics. També pot estar l’arrel d’aquesta harmònics en els motors d’inducció que incorporen convertidors., la presència d’harmònics

de seqüència negativa provoca un parell oposats al senyal de l’ona fonamental.




Com s’ha comentat en el cas de la línia 1, l’aparició d’aquest tipus d’harmònics pot ser

deguda a la utilització de rectificadors semicontrolats, així com d’un funcionament incorrecte de l’equip. No s’atribuiria a un funcionament deficitari de l’aparell de mesura, perquè la resta de paràmetres mesurats tenen un valor coherent.


Harmònics L3

Aquesta línia 3 té una representació molt similar a la línia 1, tal i com passava a L1 al mes de maig i de desembre apareixen dos pics, a més també apareix un tercer al mes de

març. Aquestes similituds poden tenir el seu origen en el transformador trifàsic com s’ha comentat anteriorment o també




Els harmònics no múltiples de 3 d’aquesta línia tenen les mateixes característiques que

les dues línies anteriors, per tant s’atribueix a la mateixa causa que en els casos anteriors, als convertidors d’energia elèctrica.


Com ja s’ha comentat en les dues línies anteriors, l’aparició dels harmònics parells pot

estar causada per diferents elements de la xarxa elèctrica o dels equips elèctrics. Però és molt de difícil de determinar d’on prové la seva generació, ja que són el tipus d’harmònics menys estudiats tant en l’àmbit acadèmic com en l’àmbit industrial.




8.1.1.3.3 Distorsió Harmònica Total


En la Gràfica 25 es pot observar la representació de la Distorsió Harmònica Total (THD) corresponent a les tensions. D’aquesta representació es pot comprovar que les tres fases tenen la mateixa forma i una magnitud de cada mes molt similar, ja que en alguns casos hi ha una superposició de línies.

Si es fa una comparació amb les gràfiques d’harmònics vistes anteriorment, es pot arribar a la conclusió que en els mesos on es produeix un augment dels harmònics, la THD es veu afectada de la mateixa manera, exceptuant el mes de desembre que els harmònics

pateixen una disminució important i la THD respon amb un augment del seu valor.

Gràfica 25. Representació de la Distorsió Harmònica Total de tensions del QE1.

Un cop representada aquesta distorsió total de tensions, s’ha de comprovar si compleix amb els límits establerts per la norma UNE-EN 50160 que indica que la Distorsió Harmònica Total de la tensió subministrada no pot sobrepassar el 8%.

A la Gràfica 26 es pot veure representat el THD de tensions de totes tres línies i el límit normatiu es representa amb una línia vermella discontinua, per tant, es pot afirmar que la THD en aquest cas compleix la normativa.



Gràfica 26. Representació de la Distorsió Harmònica Total amb el límit permès del QE1.

A part de la representació de la THD de tensions, també es pot comprovar la THD de

corrents (veure Gràfica 52 a l’Annex 1.2). En aquest cas, la normativa no fa referència a cap límit, ja que els corrents depenen de les càrregues que hi hagi connectades en cada moment.


A la Gràfica 27 es pot observar la representació de les tres línies de la THD del QE2, en aquest cas la forma de cada línia no tenen cap similitud entre elles. A més a més, els valors

del THD són extremadament elevat, el motiu d’aquesta alteració tan notòria d’aquest indicador és degut a la gran quantitat d’harmònics existents en aquest armari elèctric.

Gràfica 27. Representació de la Distorsió Harmònica Total de tensions del QE2.



Degut a aquesta gran quantitat d’harmònics i, conseqüentment, un valor del THD molt

elevat s’obté que aquest factor de quantificació de la distorsió harmònica no compleix en cap moment amb el límit establert en la normativa corresponent.

Gràfica 28. Representació de la Distorsió Harmònica Total amb el límit permès del QE2.

De la mateixa manera que en l’apartat anterior, a part de la representació de la THD de tensions, també es pot comprovar la THD de corrents (veure Gràfica 53 a l’Annex 1.2). En aquest cas, la normativa no fa referència a cap límit, ja que els corrents depenen de les

càrregues que hi hagi connectades en l’armari elèctric.

8.1.1.3.4 Mitigació dels harmònics

Fins a aquest punt del treball, s’han analitzat les diferents gràfiques dels harmònics, tant del QE1 com del QE2. Fent una visió general d’ambdós quadres elèctrics es pot comprovar que pel que fa a aquest tipus de pertorbacions en la línia són totalment

independents i diferents, ja que depenen, principalment, de les càrregues que hi tenen connectades en cada cas. Segons el tipus d’harmònic que hi apareix es pot intuir quin tipus de càrrega hi ha connectada, per això es pot deduir que el QE2 té una gran quantitats de

dispositius electrònics que afavoreixen a la generació d’harmònics.

Per tal de reduir aquests elements paràsits a la xarxa elèctrica de la planta és important i necessari la instal·lació d’elements que afavoreixen a la seva eliminació o, si més

no, a la seva reducció amb l’objectiu, per una banda, de complir amb la normativa i, d’altra, millorar la qualitat del subministrament elèctric de la planta.

La solució més efectiva per a l’eliminació dels harmònics és la col·locació de filtres

entre la font d’alimentació i les càrregues. Amb aquest sistema es minimitzen les components harmòniques i s’elimina el problema des de l’inici. A continuació es mostraran diferents tipus de filtres que es podrien instal·lar.

8.1.1.3.4.1 Filtres passius

Els filtres passius es formen amb elements reactius (bobines i condensadors) que estan connectats en paral·lel amb la càrrega. La idea és que els elements instal·lats estiguin en ressonància amb la freqüència de l’harmònic que es vol eliminar, així la component que no

es desitja trobarà una branca on la impedància sigui mínima i circularà fins a terra.



Figura 9. Circuit amb filtre passiu.

Aquest tipus de filtre són simples, fiables, robustos i ajustables per a l’eliminació d’un únic harmònic si fos necessari (pot eliminar els harmònics d’alta freqüència). En canvi, tenen

l’inconvenient de què són molt grans les bobines i condensadors que utilitzen i una baixa resposta dinàmica als canvis de càrrega.

8.1.1.3.4.2 Filtres actius

Els filtres actius estan compostos per elements passius i transistors controlats, són capaces d’eliminar pràcticament tots els harmònics de baixa freqüència i no tenen els inconvenients dels filtres passius.

Els filtres actius poden ser connectats en sèrie o en paral·lel. Els filtres sèrie actuen com a font de tensió, d’aquesta manera proporcionen una alta impedància pels harmònics i impedància reduïda per la freqüència de la xarxa. Els filtres actius paral·lel actuen com a font

de corrent en paral·lel a la càrrega, injectant o absorbint corrent segons sigui necessari. Existeix la possibilitat de combinar filtres actius i passius, obtenint un filtre mixt o híbrid.

Figura 10. Tipologies de filtres.

8.1.2 Corrents

Fins al moment s’han estat analitzant els diferents desequilibris i relacionats amb la tensió, en aquest punt es mostra l’evolució de la intensitat al llarg de tot el període d’anàlisi en el present treball. Com ja s’ha comentat en altres apartats, tot el que està relacionat amb

els corrents no es té una normativa específica i concreta per determinar si compleix amb uns límits establerts o no, per aquest motiu es realitzarà una visió general dels dos armaris elèctrics.




A la Gràfica 29 es pot veure representada la intensitat de les tres línies en el període d’un any. Si es comença l’anàlisi a partir de les ja conegudes aturades temporals de la planta, es pot dir que les dues valls que apareixen (mesos de març i desembre) són

causades per aquest aspecte. En canvi, l’altra reducció de corrent que s’observa és durant el mes de maig i juny, aquesta pot ser causada per una disminució de la producció a la planta, fet que provoca la desconnexió d’algunes càrregues de l’armari. També es pot deduir que les

càrregues que hi ha connectades són trifàsiques, ja que la forma de la ona representada varia de la mateixa manera durant tot el període.

Gràfica 29. Representació dels corrents de cada fase del QE1.


En aquest segon armari es pot comprovar que el corrent consumit és força més elevat que en el QE1 degut a què hi deu haver menys càrregues connectades, provocant així una caiguda de tensió inferior (veure Gràfica 2).

De la mateixa manera que succeïa anteriorment, apareixen dos valls ben marcades a la gràfica, aquestes són degudes a l’aturada de la planta. A diferència del QE1, l’aturada de principis d’any es va realitzar uns mesos després, ja que la planta no s’atura completa sinó

que es va realitzant per àrees. En canvi, l’aturada de finals d’anys sí que es tractà d’una aturada completa, per aquest motiu coincideixen en el mateix mes.

També es pot deduir que les càrregues que hi ha connectades són trifàsiques, ja que la

forma de la ona representada varia de la mateixa manera durant tot el període.



Gràfica 30. Representació dels corrents de cada fase del QE2.

8.1.3 Factor de potència

Es defineix el factor de potència (FP) com el cosinus de l’angle de desfasament que existeix entre la tensió i la intensitat en un circuit elèctric. Davant d’un desequilibri de tensió,

es presenta un desequilibri de corrent i un desplaçament de l’angle, per tant aquest fet afecta directament sobre el cosinus de fi. També es pot determinar el factor de potència com el quocient entre la potència activa i la potència aparent, però aquesta definició deixa de ser

vàlida quan hi ha la presència de càrregues distorsionants.

En aquest apartat es vol mostrar l’evolució del FP al llarg de tot un any, de la mateixa manera que s’ha estat fent fins ara, i poder comprovar quin valor obté. Segons el valor que

assoleix es pot determinar si una instal·lació o màquina és eficient o no.


En aquesta Gràfica 31 es pot veure com el factor de potència de la instal·lació està al

voltant del 0,75, un valor que podria ser millorable però és acceptable, en algun moment de l’any s’aconsegueix arribar a 0,85 aproximadament.



Gràfica 31. Factor de potència QE1.

A part d’aquesta visió general, es poden observar dos valls on el valor del FP decau

considerablement, la vall del mes de desembre és coherent ja que disminueixen els factors de potència de les tres línies i conseqüentment disminueix de la mateixa manera el FP trifàsic. En canvi, si s’observa la vall obtinguda al mes de març es pot intuir una certa

incoherència, ja que els factors de potència de les línies disminueixen i el FP trifàsic augmenta.

Analitzant aquest fet i observant detalladament la taula de les dades recollides, s’arriba

a la conclusió de què durant uns certs dies del mes de març el valor del FP de potència és nul o, fins i tot, negatiu de la línia 3 (FP3). Obtenir qualsevol d’aquests dos valors no significa que sigui erroni; en el primer cas, significa que no hi ha cap aparell connectat i, el segon,

respon a què les càrregues que hi ha connectades són del tipus capacitiu. Per tant, com s’ha realitzat la mitja per tal de poder representar les variables d’una manera més entenedora, aquests valors negatius provoquen que la mitja caigui en picada falsejant els resultats

obtinguts.

Gràfica 32. Factor de potència corregit del QE1.



Per aquest motiu s’ha decidit realitzar una segona gràfica (Gràfica 32) utilitzant el valor

absolut dels factors de potència per tal d’obtenir una mitja molt més aproximada a la realitat. Amb aquesta operació s’obté que justament la línia 3 passa d’obtenir una vall a obtenir un pic, a diferència de les altres dues línies que mantenen la mateixa forma perquè tenen un

valor nul (veure Figura 11).

Figura 11. Dades recollides dels factors de potència.


En aquesta gràfica es representa el FP del segon armari elèctric, on es pot observar també l’evolució al llarg d’un any. Aquesta representació és molt més lògica que en el cas

anterior, però igualment s’observa que en alguns casos el factor de potència d’alguna línia sofreix una gran baixada del valor.

Gràfica 33. Factor de potència QE2.

De la mateixa manera que anteriorment, s’ha decidit realitzar el valor mig en cada cas

en valor absolut, per tal d’apropar-se més a la realitat amb independència de si les càrregues connectades estan tenint un comportament inductiu o capacitiu. Realitzant aquesta nova operació es pot observar com el FP ha augmentat lleugerament, arribant a superar en alguns

casos el 0,80.



Gràfica 34. Factor de potència corregit QE2.

Cal destacar que els factors de potència que s’assoleixen en cada moment va molt relacionat, entre d’altres coses, amb els desequilibris que sofreix la xarxa elèctric. Un

d’aquests que influeix és la quantitat d’harmònics que apareixen en cada línia, per això la instal·lació dels bancs de condensadors, tal i com es va veure en apartats anteriors, no només afavoreix a l’eliminació dels harmònics sinó que també a l’augment del valor del

factor de potència.

8.1.4 Potències

Com ja és conegut existeixen tres tipus de potències: activa, reactiva i aparent.

• La potència activa és la que en el procés de transformació de l’energia elèctrica s’aprofita com a treball.

• La potència reactiva és l’encarregada de generar el camp magnètic que requereixen per al seu funcionament alguns equips inductius com poden ser màquines rotatives i transformadors.

• La potència aparent d'un circuit elèctric de corrent altern és la suma vectorial de la potència activa i la potència reactiva.


En aquest apartat es veuran representades les potències corresponents a cada línia, a més de les potències trifàsiques de l’armari elèctric.

Si es realitza una ullada ràpida per les quatres gràfiques que es mostren, s’observa que

es compleix que la suma vectorial de la potència activa i reactiva s’obté la potència aparent, ja que aquesta ha de ser superior a les dues anteriors, per corroborar aquesta afirmació només cal mirar les línies verdes en les gràfiques.



Pel que fa a la potència activa i reactiva representades, es pot deduir que existeix una

gran injecció de potència reactiva a la xarxa, ja que la potència activa i reactiva mostrades tenen valors molt similars (succeeix el mateix en el cas d’energies, es veurà més endavant), en alguns casos la reactiva supera la potència activa, això no afavoreix a la xarxa elèctrica

de la planta i, fins i tot, l’empresa propietària de la planta pot ser penalitzada per part de l’empresa subministradora d’energia elèctrica.

Gràfica 35. Potències de la línia 1 de QE1.





A part de la representació de les potències monofàsiques, també es mostra la gràfica de potències trifàsiques, sent la suma simple de cadascuna de les potències individuals, és més, la forma de la representació de les potències trifàsiques és molt similar a les altres

gràfiques.

Gràfica 38. Potències trifàsiques de de QE1.




A l’igual que en l’armari elèctric QE1, es mostren les gràfiques separada per línies. Compliment amb la teoria de les potències, la potència aparent és superior a les altres dues. A diferència del QE1, en el present armari elèctric s’observa que la potència reactiva present

és molt més reduïda, sent els valors de la potència activa molt més similars a la potència aparent. Tot i que en alguns punts del període d’anàlisi la potència activa i, per tant, la potència aparent tenen un valor més propers a la reactiva (principalment al maig i

desembre) es pot afirmar que hi ha una inferior presència de reactiva en tota la xarxa elèctrica d’aquest armari elèctric.






De la mateixa manera que passava anteriorment, la representació de les potències

trifàsiques tenen la mateixa forma que les potències monofàsiques.

Gràfica 42. Potències trifàsiques de de QE2.

En cada gràfic mostrat en els dos armaris elèctrics apareixen els tres tipus de potències, d’aquestes la potència reactiva és la menys desitjada en tota xarxa elèctrica, per aquest motiu és la que s’ha de reduir al màxim mitjançant diferents dispositius basats en

l’electrònica de potència. Actualment la tecnologia emergent en aquest sentit són els anomenats FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System), són un conjunt de controladors que es poden utilitzar individualment o de manera conjunta amb altres



controladors instal·lats a la xarxa, aconseguint un major aprofitament de les característiques

de control de la xarxa.

Per a la compensació de la potència reactiva es pot realitzar compensació paral·lela o sèrie, en aquesta projecte s’adequa més la compensació paral·lela, ja que la sèrie està

destinada a les línies de distribució de l’energia elèctrica. La compensació paral·lela es defineix com qualsevol sistema de compensació connectat en paral·lel amb la xarxa de transport, poden ser mètodes commutats o controlats. Alguns dels mètodes de compensació

de la potència reactiva es mostren a continuació:

• Reactàncies controlada per tiristors (TCR).

• Condensadors commutats per tiristors (TSC).

• Condensadors connectats mecànicament (MSC). • Compensador estàtica de potència reactiva (Static VAR compensator, SVC).

• Compensadors basats en inversors PWM.

• STATCOM (Static Synchronous Compensator).

No s’entrarà en detall del funcionament dels diferents sistemes de compensació

paral·lel de la potència reactiva ja que està fora de l’abast del projecte.

8.1.5 Energies

L’energia elèctrica es coneix com el producte d’una potència per una unitat de temps

determinada. Normalment és entesa l’energia activa, des del punt de vista del consumidor, la quantitat de temps que s’ha utilitzat una aparell elèctric per la potència d’aquell mateix.

A part d’aquest tipus d’energia alguns equips elèctrics també necessiten un altre tipus d’energia per funcionar de manera òptima, aquesta és l’energia reactiva. Els equips que

necessiten d’aquest tipus d’energia són els que estan constituïts internament per bobines, principalment motors i transformadors.


En aquest primer armari elèctric (QE1) es pot observar la representació tant de l’energia activa com de la reactiva. L’evolució de l’energia activa al llarg del període representat és molt variant en funció del consum de les càrregues que hi hagi connectades

en cada moment. El punt més sorprenent és que l’energia reactiva segueix la mateixa forma que l’energia activa mantenint el seu valor molt pròxim. Això respon a què els màquines o aparells que hi ha connectats en tot moment són altament consumidors d’energia reactiva,

fet que no afavoreix a xarxa elèctrica interna de la planta.



Gràfica 43. Evolució de les energies en QE1.


En canvi, en aquest segon armari elèctric s’observa la diferència de consums entre l’energia activa i la reactiva. Tot i que l’energia reactiva consumida en el QE1 i en aquest és molt similar pel que fa a valor mig, en aquest segon cas l’energia activa consumida és molt

més elevada. Es podria dir que l’armari QE2 està aprofitant millor l’energia elèctrica que rep de la xarxa de subministrament.

Gràfica 44. Evolució de les energies en QE2.



Un cop analitzats tots dos armaris elèctrics i comprovant que hi ha una important

presència d’energia reactiva, s’hauria de considerar la possibilitat de compensar-la. Aquesta acció aporta gran quantitat de beneficis per la xarxa elèctrica de la planta com poden ser: disminució de les pèrdues per efecte Joule, disminució de la caiguda de tensió en les línies,

augment de la capacitat de la xarxa elèctrica, entre d’altres. A part d’aquests avantatges tècnics també es produeixen uns avantatges econòmics importants per l’empresa responsable de la planta alimentària.

Aquesta compensació de l’energia reactiva es pot dur a terme de tres maneres diferents:

Compensació individual

El mètode de compensació individual s’utilitza en aquells equips que estan en continu i funcionament i amb un consum d’energia reactiva considerable degut a la seva importància en la planta, com són els transformadors i motors amb una potència superior als 25 kW o

també en aquelles màquines amb un factor de potència molt baix.

Figura 12. Esquema de compensació individual.

A la taula següent es mostren els avantatges i inconvenients que tenen la instal·lació

d’aquest mètode de compensació:

Taula 3. Característiques de la compensació individual.

AVANTATGES INCONVENIENTS

Energia reactiva absorbida pels condensadors. El preu és elevat.

Funcionament dels condensadors únicament quan la càrrega està en servei.

Subutilització dels condensadors al no estar tots els aparells connectats al mateix

temps.

Millora del factor de potència.

Optimització de la instal·lació, es redueix el

corrent.

Compensació per grups

La compensació per grups és recomanable utilitzar-la quan hi ha un grup de càrregues connectades simultàniament, independentment de si les càrregues són iguals o no. En aquest sistema el conjunt de càrregues es connecten a un mateix banc de condensadors.



Figura 13. Esquema de compensació per grup.

A la taula següent es mostren els avantatges i inconvenients que tenen la instal·lació d’aquest mètode de compensació:

Taula 4. Característiques de la compensació per grups.


La bateria de condensadors es pot instal·lar en el centre de control de motors.

Només optimitza una part de la instal·lació, ja que el tram entre cada màquina i el centre de control de motors

segueix apareixen potència reactiva. Els condensadors s’utilitzen quan les càrregues

estan en funcionament.

S’elimina la potència reactiva de les línies de distribució.

Compensació global

En la compensació global la compensació d’energia reactiva s’agrupa en un únic punt de la instal·lació, normalment en el centre de transformació o estació transformadora. La

potència total de la bateria de condensadors es divideix en diferents blocs comunicats amb un regulador automàtic que els connecta i desconnecta en funció de la quantitat d’energia reactiva que hi ha en cada moment.

Figura 14. Esquema de compensació global.



A la taula següent es mostren els avantatges i inconvenients que tenen la instal·lació

d’aquest mètode de compensació:

Taula 5. Característiques de la compensació global.


Millor aprofitament de la capacitat dels condensadors.

Complex mètode de decisió del número de condensadors a instal·lar.

Millor regulació del voltatge. Necessitat d’un regulador automàtic.

Adequació de la potència de la bateria de condensadors segons requeriments en cada

moment.

No es descarreguen les línies de distribució, ja que els conductors que hi ha

situats per sota de la bateria de condensadors segueixen transportant energia reactiva.

8.2 Simulació d’un motor d’inducció amb desequilibris

Un cop analitzades totes les dades que permet obtenir l’analitzador de xarxa, s’ha decidit realitzar una petita simulació amb el software de circuits elèctrics PSIM d’un motor

d’inducció amb desequilibris. El motiu d’aquesta simulació és per comprovar quin és el factor de potència i rendiment d’un motor amb unes característiques similars als que hi ha instal·lats en la planta. Generalment és sabut que un motor que tingui un FP al voltant del

80% és pot considerar que el motor és prou eficient. A més a més, és una manera d’observar com influeix la càrrega que hi hagi connectada al FP i al rendiment.

Per realitzar la simulació s’ha triat un motor d’inducció amb les següents

característiques:

Taula 6. Característiques del motor d'inducció.

Fabricant PN

(kW) NS

(rpm) NN

(rpm) Pabs

(kW) V

(V) f

(Hz) Rend. (%) cosφN

IN (A)

IO/IN TN

(Nm) TO/TN TM/TN

J (kg·m2)

ROSSI 30,0 1.000 975 6 400 50 92,0 0,81 59,0 6,3 294,0 2,4 2,4 0,47

Un cop mostrats els paràmetres característics del motor, s’ha prosseguit a realitzar el

circuit equivalent, tal i com es mostra a la Figura 15. Aquest consta d’una font trifàsica, un mesurador del factor de potència, el motor d’inducció en qüestió i una càrrega.

Figura 15. Circuit equivalent del motor d’inducció.



Per obtenir els diferents valors del factor de potència i del rendiment del motor s’han

mantingut fixos els paràmetres, exceptuant el parell nominal (TN). Aquest és el que s’anirà variant per tal de comprovar com evoluciona el FP i rendiment en funció de la càrrega que ha de suportar el motor.

Als annexos es justifiquen els càlculs realitzats, tant pel factor de potència com el rendiment. Aquests càlculs s’han basat a partir de valors obtinguts de la simulació en PSIM.

8.2.1 Factor de potència

Per comprovar com evoluciona el factor de potència s’ha decidit anar augmentant progressivament la càrrega, d’aquesta manera es podrà comprovar quina és la càrrega que fa que el factor de potència del motor sigui màxim.

Gràfica 45. Evolució del factor de potència en funció de la càrrega.

Com s’observa a la Gràfica 45, el punt on s’aconsegueix un FP més gran és exactament

quan el motor treballa amb el parell nominal (294 Nm), és a dir, seria ideal que el motor treballés sempre en aquest punt de funcionament, però aquesta acció és molt difícil d’aconseguir perquè sempre existeixen variacions de càrrega.

Per tant, es pot afirmar que un motor d’aquestes característiques assoleix un factor de potència de 0,80 en funcionament ideal. Si aquest valor es compara amb l’obtingut per l’analitzador de xarxa de la planta i argumentat en apartats anterior, es pot dir que en molts

períodes de l’any, tant el QE1 com el QE2 (veure Gràfica 32 i Gràfica 34), treballen amb un factor de potència igual o superior.

També es pot observar que en altres períodes assoleix un factor de potència força

baix, coincidint en l’aturada de la planta, és a dir, es redueix la càrrega dels motors i, per tant, com s’ha vist en la Gràfica 45 a menys càrrega més petit és el FP.

8.2.2 Rendiment

Per realitzar la representació del rendiment s’ha seguit la mateixa metodologia que en el cas anterior, anar variant la càrrega progressivament fins arribar al valor nominal del parell.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

cosϕ

C (%)

FACTOR POTÈNCIA vs CÀRREGA



A la Gràfica 46 es pot veure que quan hi ha un 50% de la càrrega s’assoleix el màxim

de rendiment del motor, però com s’ha vist en la gràfica del factor de potència amb la meitat del parell connectat no s’obté un FP acceptable. En canvi, quan el parell és el nominal disminueix lleugerament aquest rendiment (de 93% aproximadament a gairebé 91%). És

assumible no assolir el màxim rendiment de la màquina amb l’objectiu d’aconseguir el màxim factor de potència.

Gràfica 46. Evolució del rendiment en funció de la càrrega.

8.3 Resum dels resultats

En aquest apartat es mostra de manera resumida si tots els resultats obtinguts durant el treball compleixen amb la normativa vigent. Tots aquells paràmetres que no tenen un

valor normatiu concret no apareixen a la taula resum, ja que no depenen exclusivament de les variables marcades per les especificacions.

Taula 7. Resum dels resultats del treball.

VUF HARMÒNICS

THDu 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

QE1

L1

✓

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

✓ L2 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ x

L3 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

QE2

L1

✓

L2

L3

84%

85%

86%

87%

88%

89%

90%

91%

92%

93%

94%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ƞ (

%)

C (%)

RENDIMENT vs CÀRREGA



A la taula resum es poden distingir tres tipus diferents de símbols i colors, el significat

d’aquests és el següent:

✓ Compliment absolut en el període d’anàlisi

Incompliment parcial en el període d’anàlisi, és a dir, en algun punt de l’anàlisi no

compleix amb la normativa

Incompliment en tot el període d’anàlisi

8.4 Conclusions

El present projecte, com ja s’ha comentat durant tota la seva redacció, s’ha centrat

principalment en l’anàlisi de dos armaris elèctrics d’una planta alimentària, l’època de cadascun dels armaris és diferent, per tant aquest aspecte ha donat una mica més d’interès a l’estudi.

• En el cas de l’armari QE1 encara que les tensions de les 3 fases presenten diferències en la seva evolució temporal, el sistema és equilibrat segons

normativa. Cal remarcar, que encara que el subministrament compleix la normativa vigent (VUF amb un valor per sota del 2%), aquest desequilibri genera pertorbacions en les càrregues elèctriques. Aquest efecte serà funció

del grau de la pertorbació, però també del tipus de càrrega. • En aquest mateix armari QE1 també s’observa un elevat factor de potència,

aspecte que també afecta el valor eficaç de la tensió de subministrament.

• També es pot comprovar la presència d’harmònics a la xarxa, però complint amb la normativa vigent, en casos puntuals no compleix amb la normativa

però no són grans incompliments ni romanen durant un llarg període. • En canvi, en aquest cas s’aprecia una gran injecció de potència reactiva a la

xarxa en relació a la potència activa consumida.

• En el cas del QE2 aconsegueix tenir un sistema de tensions equilibrat, ja que en la seva representació temporal no presenta variacions entre les tres fases i,

per tant, sempre compleix amb la normativa aplicable (el VUF és nul en tot l’anàlisi temporal).

• De la mateixa manera que en el cas anterior, el factor de potència general d’aquest armari és elevat (0,80).

• La principal diferència és la gran quantitat d’harmònics presents en el QE2, arribant a incomplir els límits establerts per la norma durant la majoria del període d’anàlisi.

• Per contra, existeix una gran diferència entre la injecció de potència reactiva i la potència activa consumida, tot i que el valor de potència reactiva en tots dos casos és molt semblant.

Finalment, les solucions proposades al llarg del projecte són totes aquelles més viables per l’empresa propietària de la planta, ja que en molts casos la solució més senzilla i ràpida seria la substitució d’elements o parts del quadre elèctric, però no vol dir que la més ràpida i

senzilla sigui la més viable econòmicament.

• Per al desequilibri de tensions, la solució més viable és connectar les noves càrregues monofàsiques en la fase menys carregada, per tal d’igualar la

caiguda de tensió a les tres fases.

• Realitzar una tria adient dels motors a instal·lar, per tal de què s’ajustin al màxim a les necessitats de la planta.



• Tenir especial cura a l’hora de desconnectar els motors en buit. • Per a la mitigació dels harmònics presents en cada armari elèctric es podrien

utilitzar tant filtres passius com actius, sent aquests últims més efectius i

adaptables a cada situació o condició.

• Per al control o reducció de la potència reactiva, és molt recomanable la utilització de la tecnologia emergent dels FACTS.

• Una solució alternativa és la utilització de bancs de condensadors que segons la seva ubicació compensen un únic element o un conjunt d’elements o dispositius.

9 Planificació


10 Ordre de prioritat entre els documents

En cas de no coincidència de les diferents dades, la prioritat que s’aplica segons la norma UNE 157001, és la següent:

1. Memòria

2. Annexos




seva mitigació

ANNEXOS






ÍNDEX DELS ANNEXOS

1 Documentació de partida ........................................................................................ 63

2 Càlculs .................................................................................................................. 63

2.1 Fórmules utilitzades ..................................................................................... 63

2.1.1 Càlcul del valor mig ............................................................................. 63

2.1.2 Desequilibris ....................................................................................... 64

2.1.3 Simulació d’un motor d’inducció amb desequilibris ................................. 66

3 Annexos d’aplicació a l’àmbit del projecte................................................................. 66

3.1 Annex 1: Tensions ....................................................................................... 66

3.1.1 Annex 1.1: Factor de desequilibri de tensió (VUF) .................................. 66

3.1.2 Annex 1.2: Harmònics ......................................................................... 67

3.2 Annex 2: Potències ...................................................................................... 71

4 Altres documents ................................................................................................... 74

4.1 Catàlegs dels elements constitutius del projecte ............................................. 74

4.2 Llistats ....................................................................................................... 74

4.3 Informació en suports lògics, magnètics, òptics, etc ....................................... 74

4.4 Maquetes o models ..................................................................................... 74



1 Documentació de partida

Els annexos es redactaran segons indica la norma UNE 157001, per tal de complir el

que indica la llei.

Es justificaran els càlculs a l’hora de determinar els valors necessaris per construir les gràfiques i les fórmules utilitzades en cada cas. Algunes d’aquestes justificacions es faran

d’acord a la següent normativa:

• UNE-EN 50160: Característiques de la tensió subministrada en xarxes generals de distribució.

2 Càlculs

En el present apartat es mostraran alguns exemples dels càlculs realitzats en el projecte.

2.1 Fórmules utilitzades

Tot i que el present projecte no té una gran quantitat de càlculs degut a què l’analitzador de xarxa proporciona la majoria de les dades d’interès d’aquest treball, s’han

realitzat algunes comprovacions mitjançant expressions matemàtiques per tal de complementar la informació facilitada pel dispositiu.

2.1.1 Càlcul del valor mig

Per realitzar el càlcul del valor mig de les diferents variables utilitzades durant tot el treball es realitza de la següent manera:

𝐼𝑚𝑖𝑔 =∑ 𝐼𝑖

𝑛𝑖=1

𝑛 (12)

S’ha agafat com a variable exemple els corrents, però es realitzaria de la mateixa manera per la resta de variables. En aquest cas no es pot mostrar una taula resum o un exemple de càlcul ja que aquesta operació s’ha realitzat amb el software de càlcul Matlab, per aquest motiu es mostra una part del codi implementat per realitzar aquesta operació.



Figura 16. Codi implementat per obtenir el valor mig.

La primera part del codi és l’encarregat de crear una matriu de dades de cada mes i la segona part és l’encarregada de realitzar el càlcul del valor mig de cada mes. Un cop

obtingut aquest es realitza un vector de dades de cada línia, per tal de què posteriorment faciliti la seva representació.

2.1.2 Desequilibris

Com s’ha comentat en la memòria descriptiva, els desequilibris poden provenir de diferents punts del sistema elèctric, és important tenir constància d’un valor absolut que pugui reflectir l’estat dels desequilibris. Per aquest motiu s’ha realitzat el càlcul del VUF i del CUF, per tenir una idea més objectiva de la influència d’elements pertorbadors a la xarxa

elèctrica de la planta.

Factor de Desequilibri de Tensió (VUF)

Per demostrar el càlcul del VUF de l’armari elèctric QE1, a continuació es mostrarà el

procediment de càlcul, aquest es realitzarà a partir de l’equació (6).

𝑉𝑈𝐹 = |𝐕𝐔𝐅| = |𝐕𝟐

𝐕𝟏| · 100 = |

13

(𝐕𝟏𝟐 + a2 · 𝐕𝟐𝟑 + a · 𝐕𝟑𝟏)

13

(𝐕𝟏𝟐 + a · 𝐕𝟐𝟑 + a2 · 𝐕𝟑𝟏)| · 100



𝑉𝑈𝐹 = ||(391,1 + (−

11 − j ·

√32 ) · 391,5 + (−

11 + j ·

√32 ) · 390,2)

(391,1 + (−11

+ j ·√32

) · 391,5 + (−11

− j ·√32

) · 390,2)|| · 100 = 0,097

A continuació es mostra una taula amb alguns exemples de càlculs realitzats amb

l’Excel.

Taula 8. Exemple de càlcul del VUF del QE1.

Fecha/hora V12 (V) V23 (v) V31 (V) V1 (V) V2 (V) VUF

08/01/2016 12:30 391,0 391,5 390,2 390,90+3,79E-14i 0,05+0,38i 0,097

08/01/2016 12:45 392,9 393,1 391,8 392,60+2,84E-14i 0,15+0,38i 0,103

08/01/2016 13:00 393,3 393,8 392,5 393,20+2,84E-14i 0,05+0,38i 0,096

08/01/2016 13:15 392,8 393,0 391,6 392,47+1,33E-13i 0,17+0,40i 0,111

08/01/2016 13:30 394,9 394,9 393,5 394,43-2,84E-14i 0,23+0,40i 0,118

Factor de Desequilibri de Corrent (CUF)

Per demostrar el càlcul del CUF de l’armari elèctric QE1, a continuació es mostrarà el

procediment de càlcul, aquest es realitzarà a partir de l’equació (7).

𝐶𝑈𝐹 = |𝐂𝐔𝐅| = |𝐈𝟐

𝐈𝟏| · 100 = |

13

(𝐈𝐚 + a2 · 𝐈𝐛 + a · 𝐈𝐜)

13

(𝐈𝐚 + a · 𝐈𝐛 + a2 · 𝐈𝐜)| · 100

𝑉𝑈𝐹 = ||(550,5 + (−

11 − j ·

√32 ) · 601,5 + (−

11 + j ·

√32 ) · 544,2)

(550,5 + (−11 + j ·

√32 ) · 601,5 + (−

11 − j ·

√32 ) · 544,2)

|| · 100 = 3,209

A continuació es mostra una taula amb alguns exemples de càlculs realitzats amb l’Excel.

Taula 9. Exemple de càlcul del CUF del QE1.

Fecha/hora Ia (A) Ib (A) Ic (A) I1 (A) I2 (A) CUF

08/01/2016 12:30 550,5 601,5 544,2 565,40-5,68E-14i -7,45+16,54i 3,209

08/01/2016 12:45 555,2 608,2 547,9 570,43+3,79E-14i -7,62+17,41i 3,331

08/01/2016 13:00 555,8 608,4 547,0 570,40+8,53E-14i -7,3+17,72i 3,361

08/01/2016 13:15 557 610,8 547,6 571,80-8,53E-14i -7,40+18,24i 3,443

08/01/2016 13:30 559,2 613,0 549,1 573,77-9,47E-14i -7,28+18,45i 3,456

Els càlculs exemplificats són de l’armari elèctric QE1, però s’ha seguit la mateixa metodologia en el cas de l’armari elèctric QE2.



2.1.3 Simulació d’un motor d’inducció amb desequilibris

A la taula següent es mostren els resultats finals, tant de la simulació del motor d’inducció com dels càlculs del rendiment. De la simulació s’han obtingut les dades del factor de potència, de la velocitat angular del motor i potència absorbida.

Taula 10. Resultats dels càlculs del factor de potència i rendiment.

Parell (Nm) C (%) cosφ n (rpm) Pu (W) Pabs (W) Rendiment (η)

29 10,0 0,17 998 3.029 3.585 84,50%

58 20,0 0,31 995 6.041 6.663 90,67%

87 30,0 0,43 992 9.035 9.770 92,48%

116 40,0 0,53 989 12.011 12.907 93,05%

145 50,0 0,61 986 14.967 16.056 93,22%

174 60,0 0,67 983 17.904 19.277 92,88%

203 70,0 0,72 979 20.820 22.513 92,48%

232 80,0 0,75 976 23.714 25.783 91,97%

261 90,0 0,78 973 26.586 29.092 91,38%

290 100,0 0,80 969 29.433 32.440 90,73%

Per obtenir el valor del rendiment s’han seguit els següents passos:

𝐏𝐮 = 𝐓𝐊 · 𝛚𝐊 = 29 Nm ·2π

60· 998 rpm = 3.029 W (13)

𝐏𝐚𝐛𝐬 = 3 · 1195,0095 W = 3.585 W (14)

𝛈 =𝐏𝐮

𝐏𝐚𝐛𝐬· 100 =

3.029 W

3.585 W· 100 = 84,50% (15)

Els càlculs per a la resta de casos són iguals que els que s’acaben d’exemplificar pel primer cas. A continuació, es mostra un exemple de l’expressió matemàtica utilitzada a l’Excel:

• Pu =PI()/30*B2*E2

• Rendiment = F2/G2

3 Annexos d’aplicació a l’àmbit del projecte

3.1 Annex 1: Tensions

3.1.1 Annex 1.1: Factor de desequilibri de tensió (VUF)


En la següent gràfica es mostra més detalladament el factor de desequilibri de tensió.



Gràfica 47. Representació detallada del VUF.

3.1.2 Annex 1.2: Harmònics

En aquest annex es mostren els gràfics de tots els harmònics en funció de la línia que li correspon i l’armari elèctric.

3.1.2.1 Armari elèctric QE1

Gràfica 48. Conjunt d'harmònics de la línia 1 del QE1.



3.1.2.2 Armari elèctric QE2






3.1.2.3 Distorsió Harmònica Total


A continuació es mostra detalladament l’evolució del THD de corrents del primer

quadre elèctric, on es poden comprovar més concretament els punts assolits en cada mes. Com s’observa la representació no té cap similitud amb el THD de tensions i a més els valors assolits són més elevats, ja que tenen una dependència directa amb les càrregues

connectades.

Gràfica 54. Representació de la Distorsió Harmònica Total de corrents del QE1.




A continuació es mostra detalladament l’evolució del THD de corrents del segon quadre elèctric, on es poden comprovar més concretament els punts assolits en cada mes.

Gràfica 55. Representació de la Distorsió Harmònica Total de corrents del QE2.

3.2 Annex 2: Potències


Gràfica 56. Potències activa de QE1.



Gràfica 57. Potències reactiva de QE1.

Gràfica 58. Potències aparent de QE1.




Gràfica 59. Potències activa de QE2.

Gràfica 60. Potències reactiva de QE2.



Gràfica 61. Potències aparent de QE2.

4 Altres documents

4.1 Catàlegs dels elements constitutius del projecte


4.2 Llistats


4.3 Informació en suports lògics, magnètics, òptics, etc


4.4 Maquetes o models


Anàlisi de les pertorbacions registrades per un conjunt d...

Documents

Transcript of Anàlisi de les pertorbacions registrades per un conjunt d...