Informe Final - Calidad de La Energía

Calidad de la Energa

Leonardo Cortes - Mara Gabriela Pena

15 de Junio de 2015

1

Calidad de la EnergiaElectronica de Potencia (2015)

Leonardo CortesMara Gabriela Pena

Indice

1 Introduccion 3

2 Que es el problema de la calidad de la energa? 42.1 Por que el concepto esta volviendo da a da mas importante? . . . . . . 4

3 Caractersticas de las ondas de tension y corriente 6

4 Fenomenos electromagneticos 64.1 Caracterstica de los fenomenos electro magneticos . . . . . . . . . . . . . 7

4.1.1 Transitorio Impulsivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.1.2 Transitorio oscilatorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4.2 Variaciones de tension de corta duracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.2.1 Depresiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.2.2 Crestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2.3 Interrupciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2.4 Variaciones de la tension de larga duracion . . . . . . . . . . . . . 12

4.3 Clasificacion de las variaciones de la tension de larga duracion . . . . . . . 124.3.1 Sobretension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3.2 Baja tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3.3 Interrupcion sostenida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.4 Desequilibrio de Tensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.5 Distorsion de la Forma de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.6 Corriente DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.6.1 Efectos de la presencia de DC en redes de AC . . . . . . . . . . . . 144.7 Correccion del Factor de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.8 Armonicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.8.1 Inter-armonicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.9 Filtros de armonicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.9.1 Tecnologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.10 Muescas de tension (Notching) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.11 Ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.12 Fluctuaciones de la Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.13 Variaciones de frecuencia en el sistema de potencia . . . . . . . . . . . . . 19

5 Calidad de energa en el marco de la Energa Eolica 20

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1. Introduccion

La calidad de potencia o de energa representa en la actualidad uno de los temas masimportantes de la relacion entre profesionales del sector electrico y se nota claramentela tendencia al agravamiento del problema en el futuro.

Todos los profesionales del area electrica, en mayor o menor medida se veran enfren-tados al problema de calidad de la potencia, ya sea siendo vendedores o compradoresde energa electrica o fabricantes de equipos sensibles a las mismas. El profesional es-tara involucrado en el establecimiento o pago de multas por falencias en la calidad, comotambien debera participar en la reduccion de las especificaciones de compra y estudioeconomico de propuestas de equipos sensibles y correctores. La energa electrica repre-senta el principal insumo que mueve al mundo industrial; sin ella, nuestras empresas sedetendran y las economas enteras entraran en crisis. Por eso es vital saber adminis-trarla.

La calidad de la energa electrica puede definirse como una ausencia de interrupcio-nes, sobre tensiones y deformaciones producidas por armonicas en la red y variaciones devoltaje RMS suministrado al usuario; esto referido a la estabilidad del voltaje, la frecuen-cia y la continuidad del servicio electrico. En la figura 1 se muestra la onda fundamentalmonofasica, considerada como la ideal. En la figura 2 se muestran las ondas senoidalestpicas ideales de un sistema trifasico, tambien ideales. Uno de los problemas mas co-munes que ocasiona el desperdicio de energa electrica en las empresas es la calidad deesta, dado que influye en la eficiencia de los equipos electricos que la usan.

Actualmente, la calidad de la energa es el resultado de una atencion continua; en anosrecientes esta atencion ha sido de mayor importancia debido al incremento del numerode cargas sensibles en los sistemas de distribucion, las cuales por s solas, resultan seruna causa de la degradacion en la calidad de la energa electrica.

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Figura 1: Onda senoidal monofasica ideal

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Figura 2: Onda senoidal trifasica ideal.

Se tratara de dar una introduccion a la tematica de la calidad de la energa electricade acuerdo a las normas nacionales e internacionales.

2. Que es el problema de la calidad de la energa?

Podemos decir que existe un problema de calidad de la energa electrica cuandoocurre cualquier desviacion de la tension, la corriente o la frecuencia que provoque la malaoperacion de los equipos de uso final y perjudique a los usuarios; asimismo cuando ocurrealguna interrupcion del flujo de energa electrica. Los efectos asociados a problemas decalidad de la energa son:

Incremento en las perdidas de energa.

Danos a la produccion, a la economa y la competitividad empresarial

Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del con-fort.

2.1. Por que el concepto esta volviendo da a da mas importante?

Las condiciones del ambiente en el que se fabrican, compran y operan los equipos deuso final, y especficamente los sensibles, hoy en da son las siguientes:

El equipo sensible se va a volver mas sensible por razones de su precio y competicionen el mercado.

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Los equipos contaminantes continuaran contaminando mas, debido al aumentodel costo de incorporacion o de construccion del equipo o costo adicional paracompensacion y tambien por la falta de fuerza de las reglamentaciones.

Los equipos sensibles y contaminantes se usaran mas, extendiendo su aplicacionno solamente a la industria y comercio sino practicamente a todos los sectores delsistema electrico.

El rendimiento (ahorro de energa, uso de variadores de velocidad y equipos decorreccion del factor de potencia, los que aumentan la inyeccion de armonicos enel sistema de potencia) y el costo se considera hoy casi al mismo nivel en la tomade decisiones.

La desregulacion y privatizacion exacerbara la situacion debido a la feroz compe-tencia entre empresas electricas.

El nivel de desregulacion y de control sobre las empresas electricas de potenciay las de comunicaciones y/o senales (telefono, video-cable, redes de datos, etc. ),es muy distinto, encontrandonos con que siempre se culpa a la empresa electricacuando muchos de los problemas se generan o trasmiten por las instalaciones delas restantes empresas.

Las reglamentaciones o normas, los dispositivos de medicion y las tecnicas de anali-sis son cada da mas precisas, poderosas y sofisticadas.

Elevado costo involucrado en cualquier problema de calidad de potencia y su solu-cion, debido a las perdidas economicas causadas a las cargas industriales y comer-ciales.

Cada da mas disputas respecto a problemas de calidad de potencia se ventilan yresuelven en el sistema judicial, con los consiguientes costos legales involucrados.Estos nueve hechos interactuaran hasta que se alcance una solucion consensuadaentre los cinco o mas sectores involucrados, que se estima tendran lugar durantela presente decada.

La proliferacion de equipos de control y automatizacion han aumentado los proble-mas de confiabilidad en la produccion. Pues los equipos electronicos son una fuente deperturbaciones para la calidad de la energa electrica pues distorsionan las ondas de ten-sion y corriente. Por otro lado los equipos de control y automatizacion son muy sensiblesa distorsion o magnitud de la onda de tension por lo que una variacion en la calidadde la energa electrica puede ocasionar fallas que paralicen la produccion ocasionandotiempo perdido y costos de produccion inesperados.

Hay que convivir con el problema, desde el punto de vista de los disenadores de siste-mas se debera considerar estos inconvenientes y actuar en consecuencia de los mismos.Por lo cual el estudio de los fenomenos de la calidad de la energa es indispensable.

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3. Caractersticas de las ondas de tension y corriente

Las ondas de tension y corriente estan definidas por las siguientes caractersticasprincipales:

Numero de Fases. La fase indica la situacion instantanea en el ciclo, de una magnitudque vara cclicamente.

Amplitud de la onda, la amplitud de una onda es el valor maximo, tanto positivocomo negativo, que puede llegar a adquirir la onda sinusoide.

El valor maximo positivo que toma la amplitud de una onda sinusoidal recibe elnombre de pico o cresta.

El valor maximo negativo, vientre o valle.

El punto donde el valor de la onda se anula al pasar del valor positivo al negativo,o viceversa, se conoce como nodo, cero o punto de equilibrio.

Frecuencia de la onda: La frecuencia (f) del movimiento ondulatorio se define comoel numero de oscilaciones completas o ciclos por segundo.

f =1

T(1)

4. Fenomenos electromagneticos

Si tan solo ayer se prestaba atencion a un grupo relativamente limitado de fenomenos,hoy es necesario tomar en consideracion un conjunto mas amplio de indicadores decalidad, debido a sus efectos sobre el confort, la confiabilidad, el costo, el consumo, lademanda y el diseno de los sistemas de suministro electrico.

Paradojicamente, hay mas problemas y son escasas o no existen personas preparadaso dedicadas a enfrentarlos.

Segun la Norma IEEE Estandar 1159 de 1995 los fenomenos electromagneticos pue-den ser de tres tipos:

Variaciones en el valor RMS de la tension o la corriente.

Perturbaciones de caracter transitorio.

Deformaciones en la forma de onda.

La tabla 1 muestra un resumen de las caractersticas tpicas de los fenomenos elec-tromagneticos.

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Tabla 1: Clasificacion y Caractersticas Tpicas de los Fenomenos Electromagneticos

Categoras Contenido Espectral Duracion Magnitud de Voltaje

TRANSIENTES

IMPULSIVOS

Nanosegundos 5 ns rise 1 ms

OSCILATORIOS

Baja Frecuencia



Figura 3: Corriente Impulsiva Transitoria de un Rayo Atmosferico. Tomado de la NormaIEEE Estandar 1159 de 1995

4.1.2. Transitorio oscilatorios

Es un cambio repentino en la condicion de estado estable de la tension, la corriente oen ambas. Con polaridades positivas, negativas y de frecuencia diferentes de la operaciondel sistema.

Este tipo de transitorio se describe por su contenido espectral, duracion y magnitud.Por su frecuencia se clasifican en: transitorios de alta, media y baja frecuencia.

Los transitorios oscilatorios con una frecuencia mayor de 500 kHz y una duraciontpica medida en microsegundos (o varios ciclos de la frecuencia fundamental) sonconsiderados transitorios oscilatorios de alta frecuencia.

Cuando la frecuencia se encuentra entre 5 y 500 kHz se considera un transitoriode frecuencia media.

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Figura 4: Corriente Oscilatoria Transitoria causada por el switching de capacitores back-to-back. Tomado de la Norma IEEE Estandar 1159 de 1995

Un transitorio con una frecuencia inferior a 5 kHz, y una duracion de 0,3 ms a 50ms, se considera un transitorio de baja frecuencia.

Sucede en los niveles de subtransmision y distribucion y en los sistemas industrialesy es causado por diversos tipos de eventos. El mas frecuente es la energizacion debancos de capacitores que hacen oscilar la tension con una frecuencia primariaentre 300 y 900 Hz. La magnitud pico observada normalmente es de 1,3 -1,5 p.u.con una duracion entre 0,5 y 3 ciclos dependiendo del amortiguamiento del sistema.

4.2. Variaciones de tension de corta duracion

4.2.1. Depresiones

Las depresiones (Sag o Dip), tambien conocidas como valles o huecos consisten enuna reduccion entre 0,1 y 0,9 p.u. en el valor R.M.S. de la tension o corriente conuna duracion de 0,5 ciclo a un minuto.

Las depresiones de tension son normalmente asociadas a fallas del sistema, a laenergizacion de grandes cargas, al arranque de motores de elevada potencia y a laenergizacion de transformadores de potencia.

Los efectos nocivos de las depresiones de tension dependen de su duracion y de suprofundidad, estando relacionados con la desconexion de equipos de computo, PLCy contactores entre otros dispositivos. Tambien presenta efectos sobre la velocidadde los motores.

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Diferentes posibilidades existen para mitigar los efectos de los sags. La primeraconsiste en estabilizar la senal de tension a traves de acondicionadores de red, loscuales existen con diferentes principios y tecnologas.

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Figura 5: Ejemplo de Depresion o Sag de corta duracion

4.2.2. Crestas

Una cresta (Swell) se define como un incremento del valor R.M.S. de la tension ola corriente entre 1,1 y 1,8 p.u. con una duracion desde 0,5 ciclo a un minuto.

Como en el caso de las depresiones, las crestas son asociadas a fallas en el sistemaaunque no son tan comunes como las depresiones. Un caso tpico es la elevaciontemporal de la tension en las fases no falladas durante una falla lnea a tierra. Tam-bien pueden ser causadas por la desconexion de grandes cargas o la energizacionde grandes bancos de capacitores.

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Figura 6: Ejemplo de Cresta o Swell de corta duracion

4.2.3. Interrupciones

Una interrupcion ocurre cuando la tension o la corriente de la carga disminuyen amenos de 0,1 p.u. por un perodo de tiempo que no excede un minuto.

Las interrupciones pueden ser el resultado de fallas en el sistema, equipos averiadoso debidas al mal funcionamiento de los sistemas de control. Las interrupciones secaracterizan por su duracion ya que la magnitud de la tension es siempre inferioral 10 % de su valor nominal.

El recierre instantaneo generalmente limita la interrupcion causada por una fallano permanente a menos de 30 ciclos. La duracion de una interrupcion motivadapor el funcionamiento indebido de equipos o perdidas de conexion es irregular.

Las interrupciones no planeadas, debido a fallas en el sistema electrico o a cortes deenerga, pueden generar grandes perdidas en los negocios con operaciones crticas:perdida de produccion, perdida de servicios, cortes peligrosos, reinicios costosos yla perdida general de ganancia. La electricidad suministrada por las empresas deenerga no siempre estan al nivel de calidad ni de disponibilidad requerido por elusuario.

Las soluciones de continuidad para estas aplicaciones, reducen el impacto de loscortes de energa, previniendo y evitando el tiempo de parada, basadas en lasnecesidades de confiabilidad y disponibilidad de una operacion crtica.

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Figura 7: Ejemplo de una interrupcion de corta duracion

4.2.4. Variaciones de la tension de larga duracion

Son aquellas desviaciones del valor R.M.S. de la tension que ocurren con unaduracion superior a un minuto.

La norma ANSI C84.1 especifica las tolerancias en la tension de estado estable enun sistema de potencia. Una variacion de voltaje se considera de larga duracioncuando excede el lmite de la ANSI por mas de un minuto. Debe prestarse atenciona los valores fuera de estos rangos.

En Colombia los lmites estan definidos por la Resolucion CREG 024 de 2005 entre+10 % y 10 % de la tension nominal.

4.3. Clasificacion de las variaciones de la tension de larga duracion

4.3.1. Sobretension

Es el incremento de la tension a un nivel superior al 110Generalmente se observacuando el sistema es muy debil para mantener la regulacion de la tension o cuandoel control de la tension es inadecuado. La incorrecta seleccion del TAP en lostransformadores ocasiona sobretension en el sistema.

4.3.2. Baja tension

La reduccion en el valor R.M.S. de la tension a menos del 90La conexion de unacarga o la desconexion de un banco de capacitores pueden causar una baja tension

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hasta que los equipos de regulacion actuen correctamente para restablecerlo. Loscircuitos sobrecargados pueden producir baja tension en los terminales de la carga.

La sobretension y la baja tension generalmente no se deben a fallas en el siste-ma. Estas son causadas comunmente por variaciones de la carga u operaciones deconexion y desconexion.

Estas variaciones se registran cuando se monitorea el valor R.M.S. de la tensioncontra el tiempo.

4.3.3. Interrupcion sostenida

La ausencia de tension se manifiesta por un perodo superior a un minuto. Estetipo de interrupciones frecuentemente son permanentes y requieren la intervenciondel hombre para restablecer el sistema.

4.4. Desequilibrio de Tensiones

El desequilibrio de Tensiones en un sistema electrico ocurre cuando las tensionesentre las tres lneas no son iguales y puede ser definido como la desviacion maximarespecto al valor promedio de las tensiones de lnea, dividida entre el promediode las tensiones de lnea, expresado en porcentaje. El desbalance tambien puedeser definido usando componentes simetricas como la relacion de la componentede secuencia cero o la componente de secuencia negativa entre la componente desecuencia positiva, expresada en porcentaje.

Las fuentes mas comunes del desequilibrio de tensiones son las cargas monofasicasconectadas en circuitos trifasicos, los transformadores conectados en delta abierto,fallas de aislamiento en conductores no detectadas. Se recomienda que el desequi-librio de tensiones sea menor al 2 %.

4.5. Distorsion de la Forma de Onda

La distorsion de la forma de onda es una desviacion estable del comportamientoidealmente sinusoidal de la tension o la corriente a la frecuencia fundamental delsistema de potencia. Se caracteriza, principalmente, por el contenido espectral dela desviacion. Existen cinco formas primarias de distorsion de la forma de onda:

Corrimiento DC Armonicos Inter-armonicos Hendiduras Ruido

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4.6. Corriente DC

La presencia de una tension o corriente directa (DC) en un sistema de corrientealterna (AC) de potencia se denomina corrimiento DC (DC offset).

Esto puede ocurrir debido al efecto de la rectificacion de media onda, extensores devida o controladores de luces incandescentes. Este tipo de controlador, por ejemplo,puede consistir en diodos que reducen el valor R.M.S. de la tension de alimentacionpor rectificacion de media onda.

4.6.1. Efectos de la presencia de DC en redes de AC

La corriente directa en redes de corriente alterna produce efectos perjudiciales alpolarizar los nucleos de los transformadores de forma que se saturen en operacionnormal causando el calentamiento y la perdida de vida util en estos equipos.

La corriente directa es una causa potencial del aumento de la corrosion en loselectrodos de puesta a tierra y en otros conductores y conectores.

4.7. Correccion del Factor de Potencia

Cada maquina electrica necesita energa activa y reactiva para operar. La medi-cion del factor potencia identifica el nivel de energa reactiva y la optimiza paraminimizar costos y evitar multas. Si el factor potencia cae por debajo del lmiteestablecido por la empresa distribuidora de energa, el banco de correccion del fac-tor potencia modifica el nivel para evitar multas. Estas soluciones, al corregir unfactor potencia bajo, tambien reducen la demanda de kVA. La menor demanda dekVA da por resultado una cuenta de energa mas baja, entre un 5 % a un 10 %, y elfuncionamiento de los equipos a menos temperatura, incrementando su vida util.Ademas, la adecuada correccion del factor potencia ayuda a optimizar la carga dela red electrica y mejora la confiabilidad.1

4.8. Armonicos

Los armonicos son tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un multiplointegral de la frecuencia fundamental del sistema la cual, para el caso de nuestropas, es 50 Hz.

Las formas de onda distorsionadas son descompuestas, de acuerdo con Fourier,en la suma de una componente fundamental mas las componentes armonicas. Ladistorsion armonica se origina, fundamentalmente, por la caracterstica no linealde las cargas en los sistemas de potencia.

1Varplus2, Varlogic. Schneider Electric. Eficiencia Energetica. Manual de Soluciones. http://www.schneider-electric.com.ar/documents/solutions/catalogo_soluciones.pdf

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El nivel de distorsion armonica se describe por el espectro total armonico mediantelas magnitudes y el angulo de fase de cada componente individual.

Es comun, ademas, utilizar un criterio denominado distorsion total armonica (THD)como una medida de la distorsion.

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Figura 8: Perturbacion Armonica

Dentro de los efectos nocivos que presentan los armonicos, se pueden citar lossiguientes:

Pueden causar errores adicionales en las lecturas de los medidores de electri-cidad, tipo disco de induccion.

Las fuerzas electrodinamicas producidas por las corrientes instantaneas, aso-ciadas con las diferentes corrientes armonicas, causan vibraciones y ruidoacustico en transformadores, reactores y maquinas rotativas.

Son la causa de interferencias en las comunicaciones y en los circuitos decontrol.

Provocan la disminucion del factor de potencia. Estan asociados con el calentamiento de condensadores. Pueden provocar ferroresonancia. Provocan calentamiento adicional debido al incremento de las perdidas en

transformadores y maquinas.

Al incrementarse la corriente debido a los armonicos, se aumentan el ca-lentamiento y de las perdidas en los cables. Como caso especfico, se puedemencionar la presencia de mayor corriente en los neutros de los sistemas debaja tension.

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Causan sobrecargas en transformadores, maquinas y cables de los sistemaselectricos.

Los armonicos de tension pueden provocar disturbios en los sistemas electroni-cos. Por ejemplo, afectan el normal desempeno de los tiristores.

En la tabla 2 se muestran los limites de distorision definidos por la norma IEEEStd. 519-1992 de Practicas y Requerimientos Recomendados.

Tabla 2: Limites de Corriente de Distorsion para Sistemas de Distribucion Generales

Maxima Distorsion Armonica de Corriente, en porcentaje de ILOrden individual de Armonicos (Armonicos impares)

Isc/IL



4.9. Filtros de armonicos

Son equipamientos tales como variadores de velocidad, inversores, UPS, hornos dearco, transformadores, filtros y lamparas de descarga; generan distorsion de voltajeo armonicos. Estos armonicos exigen la red, sobrecargan cables y transformadores,causan apagones y perturban muchos equipos como computadoras, telefonos ymaquinas. La vida del equipo se puede reducir ampliamente. El filtro de armonicoses una manera de reducir y eliminar los armonicos. Estas soluciones aumentan lavida util del equipo hasta un 32 % para maquinas de fase unica, hasta 18 % paramaquinas de tres fases y hasta 5 % para transformadores. 2

4.9.1. Tecnologa

1. Filtro Pasivo

Consiste en colocar una impedancia baja a las frecuencias a atenuar, medianteuna adecuada configuracion de componentes pasivos (inductancia, condensa-dor, resistencia). Esta unidad se instala en derivacion con la red. Para filtrarvarias componentes, pueden ser necesarios varios filtros pasivos en paralelo.

2. Filtro Activo

El dispositivo mide la corriente total de carga del sistema, determina la com-ponente fundamental e inyecta a la red la componente armonica en fase opues-ta, de tal forma que los armonicos quedan cancelados.

3. Filtro Hbrido

Se compone de un filtro activo y un filtro pasivo sintonizado con el armonicopreponderante y que suministra la energa reactiva necesaria.

4.10. Muescas de tension (Notching)

Conocidas tambien como hendiduras, las muescas son perturbaciones periodi-cas en la forma de onda de tension, causadas por la operacion normal de losdispositivos de electronica de potencia, cuando la corriente es conmutada deuna fase a otra.

Como ocurren continuamente, son caracterizadas por el espectro armonico dela tension afectada.

Generalmente son tratadas como un caso especial ya que los componentesde frecuencia asociados a ellas pueden ser tan altos que no son facilmentedetectados por los equipos de medicion normalmente utilizados para el analisisarmonico.

Las muescas de tension causan fallas en las CPU, impresoras laser y malfuncionamiento de algunos equipos electronicos.

2Accusine. Schneider Electric. Eficiencia Energetica. Manual de Soluciones. http://www.schneider-electric.com.ar/documents/solutions/catalogo_soluciones.pdf

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La eliminacion de las muescas de tension implica el aislamiento, de los equipossensibles, de la fuente que las esta produciendo. La insercion de insercion dereactancias inductivas tambien puede servir como solucion, para mitigar elefecto de las muescas.

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Figura 9: Mi Figura

4.11. Ruido

El ruido es una senal electrica indeseable con un contenido espectral inferior a200 kHz superpuesto a la tension o a la corriente del sistema en los conductoresde las fases o en los conductores neutros o lneas de senales.

Puede ser causado por dispositivos de electronica de potencia, circuitos decontrol, equipos de arco, cargas con rectificadores de estado solido y fuentesconmutadas.

Una de las causas mas frecuente de ruidos son los generadores de emergenciabaratos de baja calidad donde se manifiesta el efecto de las ranuras en laforma de onda del voltaje de salida.

4.12. Fluctuaciones de la Tension

Las fluctuaciones de tension son variaciones sistematicas del envolvente de latension o una serie de cambios aleatorios de la tension cuya magnitud no exce-de normalmente los rangos de tension especificados por la norma ANSI C84.1.Las cargas que muestran variaciones rapidas y continuas de la magnitud de lacorriente pueden causar variaciones de tension que son frecuentemente deno-minadas flicker. El termino flicker se deriva del impacto de las fluctuaciones

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de tension en las lamparas al ser percibidas por el ojo humano como titilacio-nes.

Una de las causas mas comunes de las fluctuaciones de tension en los sistemasde transmision y distribucion son los hornos de arco. En otros sistemas masdebiles las fluctuaciones se pueden deber a la presencia de equipos de solda-dura por arco y cargas similares. La senal de flicker se define por su magnitudR.M.S. expresada como por ciento de la tension nominal.

Tpicamente magnitudes tan bajas como 0,5 % de la tension del sistema pue-den producir un titileo perceptible en las lamparas si la frecuencia esta en elrango de 6 a 8 Hz. El flicker de tension se mide con respecto a la sensibilidaddel ojo humano.

4.13. Variaciones de frecuencia en el sistema de potencia

La variacion de frecuencia es la desviacion de la frecuencia fundamental delsistema de su valor nominal especificado. La frecuencia esta directamenterelacionada con la velocidad de rotacion de los generadores que componenel sistema. Normalmente existen ligeras variaciones de frecuencia debido a lafluctuacion del balance entre la generacion y la demanda de potencia de unsistema.

En nuestro pas, la frecuencia se debe mantener en todo momento dentrode los lmites de calidad de servicio requeridos en el Mercado Electrico Ma-yorista (MEM). Para ello, los Generadores deberan contar en sus maquinascon equipos que permitan una regulacion automatica de su produccion, paraequilibrar los requerimientos variables del consumo. 3

El grupo generador debera cumplir con los siguientes requisitos mnimos delsistema de regulacion primaria de frecuencia.

Estatismo permanente entre el 4 y el 7 %. Banda muerta inferior al 0,1 % ( 0,05 Hz). Tiempo de establecimiento (tiempo necesario para ingresar en la banda

del +/-5 % del valor final) del lazo de regulacion de velocidad no mayorque 30 segundos.

Poder reducir o entregar por accion automatica de su sistema de regu-lacion de potencia frecuencia como mnimo el +/- 5 % de la potenciadespachada, dentro de todo el rango de generacion.

Rango de frecuencia admisible de operacion de la unidad, sin la actuacionde reles instantaneos de desconexion, entre 47,5Hz y 52Hz.

Rango de frecuencia admisible de operacion de la unidad, sin la actua-cion de reles temporizados de desconexion para un ajuste de hasta 20segundos, entre 48 Hz y 51,5 Hz.

3Anexo 23 = Regulacion Primaria De Frecuencia. Supervision Y Control De La Reserva Rotante.Ente Nacional Regulador de la Electricidad. http://www.enre.gov.ar

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Rango de frecuencia admisible de operacion de la unidad, sin lmite detiempo, entre 49Hz y 51Hz.

5. Calidad de energa en el marco de la Energa Eolica

Durante operacion normal, las turbinas de viento producen energa que conti-nuamente vara. La variaciones de energa de mas alta frecuencia son causadasprincipalmente por los efectos de turbulencia, cizalladuras del viento, y la ope-racion del sistema de control de la turbina. Estos efectos llevan a una pulsacionperiodica de la potencia a la frecuencia en la que las palas cruzan por la torre(tpicamente a 1Hz para turbinas grandes), las cuales se superponen sobre lasvariaciones mas lentas causadas por los cambios en la velocidad del viento.Tambien puede haber variaciones de energa (algunos Hertz) causadas por ladinamica de la turbina. La operacion de velocidad variable del rotor tienela ventaja de que muchas de las variaciones de potencia mas rapidas no sontransmitidas a la red, sino que son mejoradas por la accion de flywheeldel rotor. Sin embargo, la operacion de velocidad fija, usando un generadorde induccion de bajo deslizamiento, puede llevar a variaciones cclicas de lapotencia de salida, a frecuencia rotacional y a la frecuencia de las palas, porlo que la tension de la red cambia a estas frecuencias. La conexion de grandesgeneradores de induccion sobre redes debiles puede tambien acarrear cambiostransitorios de tension.

Es esencial que las turbinas de viento no degraden la calidad de energa dela red de distribucion; de no ser as el permiso para la conexion o la ope-racion continua sera rechazada por la empresa encargada de la distribucionelectrica. En adicion a los estandares nacionales que establece los lmites alas variaciones de tension que son causadas por la conexion de cualquier equi-po, la particular importancia de la influencia de las turbinas de viento enla calidad de energa ha sido reconocida en el estandar Measurements andassessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines(IEC 61420021, 2008).

Los aspectos principales considerados en la IEC 614200-21 son:

Fluctuaciones en la tension

Coeficiente de fluctuaciones para operaciones continuas dado como unafuncion del angulo de la impedancia de la fuente de la red, y la velocidadpromedio anual del viento.

Numero maximo de arranque de turbinas de viento dentro de un perodode 10 a 120 minutos.

Corrientes Armonicas e inter-armonicas

Corrientes armonicas, hasta la 5ta, durante una operacion contnua, peroexcluyendo los armonicos durante el arranque de la turbina

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Respuesta a cadas de tension de la red Control de potencia activa Potencia maxima de salida Limitacion de la tasa de aumento luego del arranque de la turbina Capacidad de potencia reactiva y control del punto de trabajo

Proteccion de la red

Ajustes de sobretensiones y subtensiones y reles de frecuencia y tiempode reconexion.

Por lo general el principal problema que presenta en la calidad de potenciaal conectar un parque eolico con un alto numero de generadores (mas dediez turbinas) es la potencia estacionaria y aumentos de tension, mientrasque para grandes turbinas individuales conectadas a redes debiles el factorlimitante son usualmente las variaciones de la tension transitoria.

Los sistemas de control de velocidad variable de las turbinas de viento puedenoperar de forma defectuosa durante los valles, dado que dependen un lazode fijacion de fase (PLL, de sus siglas en ingles, Phase Locked Loop) parasincronizar la operacion de las llaves de potencia con la tension de la red. ElPLL es un circuito capaz de generar una oscilacion cuya fase con respectoa una senal de entrada se mantiene acotada, a traves de una realimentacionque compara la fase de las dos senales y actua modificando la frecuencia dela oscilacion generada.4. La tension DC de las conexiones de las turbinas deviento de velocidad variable subira durante un sag ya que la turbina continuagenerando una potencia que no puede ser inyectada en la red debido a su bajatension. Soluciones a este evento en particular incluyen el uso de una barraresistiva sobre las conexiones de DC de la turbina, o el almacenamiento de laenerga cinetica durante la cada de tension, permitiendo al rotor aerodinamicoa acelerarse.

Los aumentos de tension son menos comunes y no representan un problemamayor para las turbinas de viento.

Las distorsiones de tension debido a armonicos ambientales aumentan cadavez mas debido a la proliferacion de los equipamientos electronicos. Estasdistorsiones aumentan las perdidas en los generadores de las turbinas y puedentambien perturbar la operacion de los sistemas de control y el desempeno delas corrientes armonicas de los convertidores electronicos de potencia.

A su vez, las turbinas de viento pueden empeorar la calidad de energa de unared. Las turbinas de velocidad variable inyectan corrientes armonicas en la redde forma significativa. Las turbinas de velocidad fija, particularmente aquellascon capacitores de correccion de factor de potencia, altera la impedancia

4PLL Lazos De Fijacion De Fase, Federico Miyara, Universidad Nacional de Rosario acultad deCiencias Exactas, Ingeniera y Agrimensura - Escuela de Ingeniera Electronica - Departamento deElectronica (2005). http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3/pll.pdf

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armonica de la red de distribucion y, en algunas circunstancias, crean uncircuito resonante.

Usualmente se utilizan tiristores soft-start en la conexion de la red con losgeneradores de induccion utilizados en las turbinas de viento de velocidadfija. Su modo de operacion es, inicialmente, disparar los tiristores tarde enel ciclo de tension y luego avanzar el angulo de disparo hasta que la ondacompleta de tension es aplicada al generador. De esta forma, la tension dela red es aplicada gradualmente al generador y la corriente absorbida por losmismos es controlada para reducir cualquier variacion de la tension sobre lared. Generalmente estas unidades son utilizadas solo durante unos pocos se-gundos durante la conexion del generador de induccion y durante este cortoperodo el efecto de los armonicos se considera inofensivo y puede ser igno-rado. Si el paralelo de tiristores no es puenteado, sus corrientes armonicasdeben ser evaluadas. El uso continuo del soft-start ha sido propuesto parareducir la tension aplicada y, consecuentemente, las perdidas en el hierro enlos generadores asincronicos en los momentos de baja generacion.

Figura 10: Unidad de soft-start para un generador de induccion

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Informe Final - Calidad de La Energía

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