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Mediciones Eléctricas I - http://www3.fi.mdp.edu.ar/electrica
MediciMedicióónn de de lala CalidadCalidadde de lala
EnergEnergííaaDistorsiDistorsióónn ArmArmóónicanica
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B. Perturbaciones que afectan a la frecuencia
C. Perturbaciones que afectan al equilibrio
D. Perturbaciones que afectan a la forma de la onda
Distorsión armónica
Calidad de la Energía
• Huecos de tensión
• Fluctuaciones de tensión
• Cortes breves de tensión
• Impulsos de tensión
A. Perturbaciones que afectan a la amplitud
Hay cuatro tipo de perturbaciones que caracterizan a la onda de tensión y que permiten medir su grado de pureza:
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GeneraciónMedición de Salida
•GEN. •TRAN. •DIST.
Usuarios
Calidad de la EnergíaCalidadCalidad de de lala EnergEnergííaa
Onda perfecta
••ManiobrasManiobras••Descargas Descargas atmosfatmosfééricasricas••AverAverííasas
Emisores de perturbaciones
•Rectificadores•LFC•Hornos de arco•Baterías de condensadores•Equipos electrónicosReceptores Sensibles•Automatismos•Motores •Computadoras
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Huecos de tensiónCorte breve de tensión:Cuando se produce la desaparición total dela tensión de las tres fases durante un tiempo superior a 10 milisegundos e inferior a 1minuto. Es equivalente a un hueco de tensión que afecte a las tres fases y tenga una profundidad del 100%.
Cuando la tensión cae entre un 10 y 99% de la tensión nominal al cabo de un tiempo determinado, que oscila entre los 10 milisegundos y varios segundos (unminuto)
Hueco de tensión:
("Voltage SAGS")
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¿Cuáles son las causas que determinan laaparición de huecos de tensión?
Aparecen debido a la presencia de fallas en la red eléctrica, tanto la externa a la instalación como dentro de ella
•Cortorcircuitos
•Descargas atmosféricas
•Fallos de aislación
•Cortocircuitos
•Conexión de grandes cargas
Fallas en la red externa
Fallas en la red interna
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Variaciones rápidas de tensión
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Flicker (parpadeo): alteraciones del valor eficaz de tensión comprendidas en un rangode ± 5% de la Un
•Percepción de la variación de la luminosidad de una lámpara, ocasionada por fluctuaciones de tensión en la red de alimentación eléctrica.
• Origina molestia visual en quien lo percibe.
•Depende fundamentalmente de la amplitud, frecuencia y duración de las fluctuaciones de tensión que lo causan. Estas oscilan entre los 0,5 Hz y los 30 Hz de frecuencia.
Variaciones rápidas de tensión
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Fuentes de flicker:•Hornos de arco•Soldadura por arco•Compresores•Máquinas herramientas
Efectos de flicker:•Monitores•Aparatos de TV•Lámparas de incandescencia•Lámparas de descarga
Variaciones rápidas de tensión: Flicker
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Impulsos de tensiónSe define como una variación brusca del valor instantáneo de la amplitud de la tensión.
¿Qué valores lo caracterizan?
Un impulso de tensión se caracteriza por su amplitud en valor instantáneo, que puede ser varias veces superior al valor nominal de la tensión, y su duración que oscila entre unos pocos microsegundos y 10 mS.
¿Cuáles son las causas de su aparición?Las causas de aparición de los impulsos son múltiples, aunque suelen estar relacionadas con la conexión y desconexión de equipos a la red y a los fenómenos atmosféricos. En la siguiente tabla se resumen las causas más comunes:
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Distorsión armónica : fundamentos¿Cuándo una tensión o una corriente están distorsionadas?
Se habla de corrientes o tensiones distorsionadas cuando su forma de onda no corresponde a una senoide pura.
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Para determinar el grado de distorsión de una señal es necesario recurrir al análisis en el dominio de la frecuencia. Se utilizan los algoritmos matemáticos basados en los desarrollos de Fourier. En particular, se aplica el Teorema de Fourier según el cual “ cualquier señal periódica y continua de periodo T puede descomponerse en una suma infinita de señales senoidales de frecuencias múltiplos enteros de la frecuencia fundamental ”
¿Cómo se puede cuantificar la distorsión de una señal?
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Teorema de Teorema de FourierFourier
0 x0 0.05 0.1 0.15
200
100
0
100
200
a x( ) 180 sin 100 x.( ).
b x( ) 30 sin 500 x.( ).
c x( ) a x( ) b x( )
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¿Qué es el espectro de frecuencias de una señal?
El espectro de frecuencias de una señal es una representación que permite conocer las amplitudes y ángulos de desfases relativos de cada una de las componentes senoidales que integran a la señal distorsionada. Se obtiene mediante la Transformada de Fourier o su aplicación digital denominada FFT ("Fast Fourier Transform"). Esta transformación se puede asimilar de forma muy simplificada a una proyección sobre un plano amplitud - frecuencia de las amplitudes de las distintas componentes senoidales que integran la señal.
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Factor de CrestaFactor de CrestaFactor de Cresta
eficaz
pico
II
CF =
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¿Qué índices normalizados existen para la medida de la distorsión de una señal?
Tasa de distorsión total
(Total HarmonicDistortion)
Índice de distorsión individualUi , Ii valor eficaz de los armónicos de orden i
U1, I1 valor eficaz de la componente fundamental
Ejemplo:
I1=105 AI3=21 A I5=9 A
%8.21100.105
921 22
=+
=ITHD
402
2
1
% 100i
iu
UTHD
U==∑
402
2
1
% 100i
ii
ITHD
I==∑
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¿Qué equipos eléctricos y electrónicos son capaces de distorsionar la tensión y la
corriente de la red eléctrica?Los equipos capaces de producir la distorsión armónica de las tensiones y corrientes son los llamados "equipos no lineales", es decir, aquellas máquinas o equipos electrónicos que realizan un consumo de corriente no senoidal de la redeléctrica. Los equipos no lineales que mayores efectos de distorsión producen aparecen recogidos en la siguiente tabla:
PRINCIPALES EQUIPOS NO LINEALES
1. Rectificadores
2. Hornos de inducción y de arco
3. Lámparas de descarga
4. Equipos domésticos electrónicos
5. Transformadores de potencia saturados
6. Accionamientos de motores eléctricos
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EEjemplojemplo de instalacide instalacióón con distorsin con distorsióón armn armóónicanica
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Aumento en las pérdidas I2R por efecto pelicular.
EFECTO DE LAS ARMÓNICAS EN CONDUCTORES
EFECTO DE LAS ARMÓNICAS EN TRANSFORMADORES
Aumento de pérdidas:•Pérdidas por efecto Joule I2R
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EFECTO DE LAS ARMÓNICAS EN MOTORES
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Resumen perturbaciones en la red
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Resumen perturbaciones en la red
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• Saturación de transformadores• Corrientes de energización de transformadores• Conexiones al neutro de transformadores• Fuerzas magnetomotrices en máquinas rotatorias de
corriente alterna• Hornos de arco eléctrico• Lámparas fluorescentes• Fuentes reguladas por conmutación• Cargadores de baterías• Compensadores estáticos de VAr’s• Variadores de frecuencia para motores (“drives”)• Convertidores de estado sólido
Fuentes de Armónicas
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ESTUDIO DE ESTUDIO DE ARMARMÓÓNICOSNICOS
FACTOR FACTOR DIVERSIDAD Y DIVERSIDAD Y ATENUACIATENUACIÓÓNN
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∑
∑
=
== n
1i)i(k
n
1i)i(k
k
I
IFD
r
Las dispersiones en el ángulo de fase de las armónicas de cargas individuales provocan una disminución de las corrientes armónicas en la red. Este efecto, conocido como diversidad, se debe principalmente a diferencias en los parámetros del sistema de distribución y a los de la propia carga.El factor de diversidad de corriente (FDk) se define para cualquier armónica k y un conjunto de n cargas conectadas en paralelo, como la magnitud del fasor de la corriente de red, dividido por la suma algebraica de magnitudes de las corrientes individuales, para el mismo orden de armónica.
Factor Diversidad (FD)Factor Diversidad (FD)Factor Diversidad (FD)
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105%
110%
THDI%?
95%
130%
)LFC(3)IMPRESORA(3)MONITOR(3)CPU(3
3k IIII
IFD+++
=
→
Factor Diversidad (FD)Factor Diversidad (FD)Factor Diversidad (FD)
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Factor Diversidad (FD)Factor Diversidad (FD)Factor Diversidad (FD)
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Factor Atenuación (FA)Factor AtenuaciFactor Atenuacióón (FA)n (FA)
15W
15W
15W
THDI%?
TOTALI _3
)(3 LFCIn
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Factor Atenuación (FA)Factor AtenuaciFactor Atenuacióón (FA)n (FA)
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La atenuación es provocada por la propia impedancia del sistema de potencia y por la correspondiente distorsión de tensión que tiende a reducir las corrientes armónicas en la red producida por cargas no lineales.El factor de atenuación FAk para la armónica k está definido como la magnitud de la corriente total de la armónica k cuando n cargas idénticas están conectadas en paralelo, dividida por n veces la magnitud de lacorriente de una única carga:
Factor Atenuación (FA)Factor AtenuaciFactor Atenuacióón (FA)n (FA)
)1(k
)n(kk In
IFA =
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Potencias y Factor Potencias y Factor de Potencia en de Potencia en presencia de presencia de armarmóónicosnicos
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Factor de Potencia con carga linealFactor de Potencia con carga linealFactor de Potencia con carga lineal
Carga Lineal
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00Desplazamiento del factor de potencia
Pérd
idas
p.u
.
)cos(IV
)cos(IVAparentePotenciaActivaPotenciaFP
rmsrms
rmsrms ϕ−θ=ϕ−θ
==λ=
ϕϕ cosU.cosPI k
==
2.IR
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)t(senV)t(v 1o1 θω +=
)()(1
non
n tnsenIti ϕω +=∑∞
=
)cos(2IVPP nn
1n
maxnmaxnmedia ϕ−θ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛== ∑
∞
=
)cos(IV)cos(2IVP 11rms1rms111
11 ϕ−θ=φ−θ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
)cos(II
IV)cos(IV
IVP
SP)potenciafactor(fp 11
rms
rms1
rmsrms1
11rms1rms1
rmsrms
ϕ−θ=φ−θ
===λ=
∑∑∞
=
∞
=
+==1
22
0
2 )2
(n
no
nnrmsrms
IIII
Fuente sinusoidal y carga no linealFuente sinusoidal y carga no linealFuente sinusoidal y carga no lineal
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rms
rms
IIFD 1=distorsióndeFactor
FD)cos(fp 11 ϕ−θ=
2rms1
2rms1
2rms
2rms1
1n
2nrms
i III
I
ITHD −
==∑≠ totalArmónicaDistorsión
2iTHD1
1FD+
=
Fuente sinusoidal y carga no linealFuente sinusoidal y carga no linealFuente sinusoidal y carga no lineal
2i
1distorsiónentodesplazamiverdaderoTHD1
1cosfp.fpfp+
ϕ==
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Factor de Potencia y THDIFactor de Potencia y THDIFactor de Potencia y THDI
0,5000
0,5500
0,6000
0,6500
0,7000
0,7500
0,8000
0,8500
0,9000
0,9500
1,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
THDI%
Máx
imo
Fact
or d
e Po
tenc
ia V
erda
dero
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En un circuito con ondas poliarmónicas la igualdad anterior no se cumple:
Para un circuito con ondas senoidales
2 2 2 2S - P - Q = D
D= (U I ) -S2 2&
S P Q2 2 2 0− − =
S P Q2 2 2 0− − ≠
22 DPN +=
22 DQF +=
•Potencia de distorsión
•Potencia No Reactiva
•Potencia Ficticia
Potencia de distorsiónPotencia de distorsiPotencia de distorsióónn
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UI
S1 Q1
D
F
y
-y
z
O
E
C
N
ψ
x
•D: Potencia de distorsión
•F: Potencia Ficticia
•N: Potencia No Reactiva
Potencia de distorsiónPotencia de distorsiPotencia de distorsióónn
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MediciMedicióón de Distorsin de Distorsióón n ArmArmóónicanica
Analizadores de RedesAnalizadores de Redes
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Laboratorio Laboratorio –– MediciMedicióón de Potencia de Armn de Potencia de Armóónicosnicos
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Laboratorio Laboratorio –– MediciMedicióón de Potencia de Armn de Potencia de Armóónicosnicos
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1ϕ
PINZA AMPEROMETRICA PROVA 21PINZA AMPEROMETRICA PROVA 21
κ
•Urms
•Irms
•Armónicos U e I
•P
•S
•F.P.
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Laboratorio Laboratorio –– MediciMedicióón de Potencia de Armn de Potencia de Armóónicosnicos
Fluke
C
FlukeFluke
HIOKIHIOKI
PINZA PROVA 21
Pinza Transductora
Fluke
C
FlukeFluke
HIOKIHIOKI
PINZA PROVA 21
Pinza Transductora
Fluke
C
FlukeFluke
HIOKIHIOKI
PINZA PROVA 21
Fluke
C
FlukeFluke
HIOKIHIOKI
PINZA PROVA 21
Pinza Transductora
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Mediciones instantáneas
Medicion de armónicos
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R
S
T
N
Laboratorio Laboratorio –– MediciMedicióón de Potencia de Armn de Potencia de Armóónicosnicos
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R
S
T
N
Laboratorio Laboratorio –– MediciMedicióón de Potencia de Armn de Potencia de Armóónicosnicos
THDiTHDi %% ϕϕP.FP.F..
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Comprobación del cableado: Wiring
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Laboratorio Laboratorio –– MediciMedicióón de Potencia de Armn de Potencia de Armóónicosnicos
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-8.00E+00
-6.00E+00
-4.00E+00
-2.00E+00
0.00E+00
2.00E+00
4.00E+00
6.00E+00
8.00E+00
1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253
Señal de corriente recuperada con Excel
WAVE_I104/10/2005
10:11:271.31E-022.61E-03
-2.61E-030.00E+000.00E+000.00E+000.00E+00-1.83E-020.00E+00-1.04E-025.22E-03
-1.57E-021.31E-02
-2.09E-022.09E-02
-2.87E-023.91E-02
-5.48E-027.83E-02
-1.36E-011.47E+003.92E+004.92E+005.51E+005.19E+005.19E+005.22E+005.30E+00
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Señal de corriente recuperada con el Fluke 97
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