APUNTES DE LA UNIDAD II

APUNTES DE LA UNIDAD II 1. CARGAS LINEALES La mayor parte de las cargas eléctricas se tipifican como cargas convencionales; estas se comportan linealmente, lo cual significa que al aplicar una tensión, la forma de onda de la corriente conserva esa misma forma, aunque en general estará desplazada en el tiempo un ángulo (j) Carga lineal (linear load): en electricidad o electrónica tiene un significado muy específico y estrictamente matemático. Aquí, carga es el elemento (resistencia, motor, bombilla....) al que se le aplica una tensión eléctrica. Viene a significar que una carga es lineal cuando hay una correspondencia lineal entre la intensidad eléctrica (amperios) y la tensión eléctrica (voltios) que se le aplica. Las dos ondas son similares en forma sólo varían en su fase y amplitud. Carga lineal: Una carga eléctrica que en operación de estado estable, presenta una impedancia de carga esencialmente constante a la fuente de poder durante todo el ciclo del voltaje aplicado. En pocas palabras, una carga lineal es la que tiene una relación constante entre el voltaje y la corriente, por ejemplo un foco incandescente. si haces la grafica de voltaje contra corriente esta es una línea recta, la relación pues es la resistencia del foco, la cual prácticamente no cambia. 2. CARGAS NO LINEALES Introducción Varios eventos durante el transcurso de este siglo han influenciado para que las cargas eléctricas y los servicios de los sistemas de distribución cambien radicalmente. El primero lo constituye la invención del transistor, donde nace la electrónica de potencia apareciendo como consecuencia inmediata la carga no lineal, un segundo evento lo constituye el problema de los energéticos ocurridos en los años setenta donde la electrónica se masifica con mas afán para producir equipos más eficientes con menor consumo de energía y una tercera influencia mundial ocurre afines de los ochenta donde que se busca mejorar la productividad con equipos mas eficaces, eficientes conjugando la reducción de costos y a su vez ofreciendo servicios de calidad. A inicios de este siglo las cargas eléctricas consideradas típicas eran de tipo resistivo, inductivo o capacitivo es decir cargas lineales y resulta algo paradójico que a inicios del siglo XXI las nuevas cargas eléctricas lo constituyen en un alto porcentaje cargas no lineales. Si se revisa la tendencia actual del desarrollo tecnológico se encontrara que todo dispositivo tienen entre sus componentes internas algún dispositivo de control electrónico las mismas que en gran parte poseen fuentes de alimentación de modo conmutado o de otro tipo. 1 Las empresas que suministran servicio eléctrico se mantuvieron durante mucho tiempo en una época en la que se podría llamar de la navegación tranquila, ya que estas solamente se preocupaban de satisfacer la creciente demanda de sus "usuarios" ya sea construyendo centrales de generación o subestaciones con mayor capacidad y por supuesto asumiendo que las cargas eléctricas eran las ya conocidas (resistivas - inductivas - capacitivas) las cuales a excepción de su tamaño no eran de preocupación técnica alguna para los profesionales de dichas empresas. Muchos de los estudios en la red eléctrica de distribución eran orientados solamente con fines de protección de los equipos de la red. Se daba además un marcado divorcio entre "abonado" y empresa eléctrica, ya que poco o nada en cuanto a información técnica cruzada existía. Hoy en día en muchas empresas eléctricas en el ámbito mundial se habla mucho de la eficiencia, de la optimización de recursos, reducción de costos y la calidad en todos los aspectos que esta pueda estar involucrada. La época de la navegación tranquila para todas las empresas eléctricas ha llegado a su fin para abrir paso a una nueva época en la cual todo gira en función del cliente de la red eléctrica. ANALISIS DE CARGA NO LINEAL Carga no lineal: Carga eléctrica que demanda corriente discontinuamente o cuya impedancia varia durante el ciclo del la forma de onda del voltaje alterno – aplicado Por otro lado, una carga no lineal, es aquella en la que la relación entre el voltaje que le aplicas y la corriente que demanda ya no es lineal, un ejemplo clásico es una fuente de poder de computadora, la corriente tiene una forma de onda muy diferente a la del voltaje (que es senoidal). Otro ejemplo es un diodo, que para voltajes negativos tiene una impedancia muy grande (no conduce) y para voltajes positivos su impedancia es muy baja (conduce) Una carga no lineal es aquel tipo de carga la cual no tiene un consumo de corriente y voltaje constante de ahí viene el nombre no lineal ya que su consumo no es lineal si no que de pende de la aplicación en la que se este usando y de las consecuencias del medio de operación. Las cargas no lineales conectadas a la red eléctrica absorben corrientes en impulsos bruscos. Estos impulsos crean ondas de corriente distorsionadas que originan a su vez corrientes de armónicos de retorno hacia otras partes del sistema de alimentación. como ejemplos más típicos de cargas no lineales podemos destacar: 1. rectificadores monofásicos: 2. rectificadores trifásicos 3. reguladores de tensión 4. hornos de arco 5. transformadores 6. Etc. 2  RECTIFICADORES MONOFÁSICOS: La tensión alterna de entrada, una vez rectificada por los diodos, se utiliza para cargar un condensador. Después de un semiperiodo, el condensador se carga a la tensión de pico de la onda senoidal. Entonces el equipo electrónico absorbe corriente de esta elevada tensión de continua para alimentar al resto del circuito. El equipo puede absorber corriente hasta alcanzar un límite mínimo regulado. Básicamente el condensador sólo absorbe un impulso de corriente durante la cresta de la onda. Los equipos que poseen fuente de alimentación con condensador y diodos son ordenadores, impresoras, aparatos de medicina y televisores. Los armónicos que generan son de orden impar con una amplitud inversamente proporcional al orden del armónico. Estos contaminantes adquieren importancia cuando un gran número de unidades están simultáneamente activadas. RECTIFICADORES TRIFÁSICOS La configuración típica de los rectificadores trifásicos corresponde al puente de Graetz, cuyo esquema aparece en la siguiente figura. Estudios teóricos, confirmados por la práctica, determinan que estos rectificadores inyectan armónicos de orden: n=k·p±1 donde:  n = orden del armónico  p = número de pulsos del rectificador  k = entero positivo 1, 2, 3 ... Las amplitudes de corrientes armónicas características son inversamente proporcionales al orden del armónico, al igual que en el rectificador monofásico. 3 Los equipos más difundidos que incluyen rectificador trifásico son SAIs (Sistemas de Alimentación Ininterrumpida) y Variadores de Velocidad o Convertidores de Frecuencia. REGULADORES DE TENSIÓN Son dispositivos con aplicaciones muy variadas, entre las que se incluye la variación de intensidad luminosa o la regulación de determinados aparatos, como calefactores eléctricos. Estos equipos producen armónicos, subarmónicos e interarmónicos cuya amplitud varía con la posición de regulación. HORNOS DE ARCO El retraso en el encendido del arco, y sobre todo su característica negativa (resistencia no lineal) hacen que el arco eléctrico pueda considerarse como una importante fuente perturbadora conectada a la red. En la fase inicial de fusión las perturbaciones son máximas. Mediciones efectuadas en diferentes hornos de arco muestran que las intensidades contienen casi todos los armónicos TRANSFORMADORES El circuito magnético de los transformadores posee una característica no lineal a partir del codo de saturación que puede distorsionar las ondas de tensión e intensidad. En la práctica razones económicas suelen imponer trabajar con valores de inducción entrados en el codo de saturación. Por tanto, la aplicación de una tensión senoidal no producirá excitación senoidal, e inversamente el flujo de intensidades senoidales será acompañado de tensiones no senoidales entre primario y secundario del transformador. 3. EJEMPLOS DE CARGAS LINEAL Y NO LINEALES: El sistema eléctrico ve a la carga no lineal así: 4  Fuente de tensión sinusoidal y Carga lineal FUENTE DE TENSIÓN SENOIDAL Y CARGA NO-LINEAL 4. CARACTERISTICAS DE LAS CARGAS ELECTRICAS Muchos estudios se han realizado con respecto a la influencia de las armónicas de corriente y voltaje en aparatos eléctricos y electrónicos, los mismos que han mostrado que si existen efectos secundarios sobre el desempeño de muchos de estos equipos. 5 Así distorsiona una carga no lineal al voltaje: Existe una gran diversidad de cargas eléctricas las mismas que debido a su función específica generan formas de onda de corriente diferentes a la onda sinusoidal y varias inclusive afectan directamente a la forma de onda de voltaje. A continuación se muestran varias curvas de corriente de equipos de tipo residencial, industrial, comercial que se han podido capturar con equipos de análisis de calidad de energía. FOTOCOPIADORA: Ilustración 1. Corriente en una focopiadora Equipos comúnmente encontrados en oficinas. UPS Ilustración 2. Señal de corriente de una UPS ILUMINACIÓN FLUORESCENTE Luminarias electrónicas compactas y de tipo convencional (fluorescente) utilizadas en oficinas y hogares. Si bien las lampara de tipo compacto ayudan a reducir significativamente el consumo de energía en los hogares, sin embargo existen otros efectos secundarios que se deben tomar en cuenta como la distorsión armónica, el factor de potencia, efecto estroboscópico, el color del flujo luminoso. 6 COMPUTADORAS Ilustración 3. Corriente de una computadora Los clientes residenciales constituyen la mayor parte del numero total de clientes de una empresa eléctrica. Las figuras son comúnmente encontradas en los hogares que poseen este tipo de equipos TRANSFORMADORES Un altísimo número de cámaras de transformación en edificios comerciales, de viviendas e industrias al igual que en transformadores trifásicos que alimentan a circuitos secundarios de redes e distribución tienen la conexión delta en el primario y estrella con conexión a tierra en el lado secundario. Si se observa en muchos de los espectros de frecuencia armónica de las figuras mostradas anteriormente se puede notar que las armónicas que más incidencia tienen en la forma de onda característica, además de la componente fundamental, son la tercera, quinta y séptima armónica. Si consideramos que la conexión delta tiene la particularidad de cancelar la tercera armónica de corriente, entonces como consecuencia directa de este fenómeno se puede presumir que en los alimentadores primarios existirá un alto grado de quintas, séptimas y otro orden superior de armónicas presentes en el espectro de la corriente que llega a las subestaciones de distribución. Experimentalmente se ha comprobado que efectivamente así sucede. La figura siguiente es un ejemplo de esta tendencia, estas curvas se han encontrado en una subestación que alimenta a un sector comercial y donde existen también edificios de oficinas. Ilustración 4. Curva característica de voltaje encontrado en la subestación de sector comercial Las corrientes en un primario conteniendo quintas, séptimas y otras armónicas a la larga producen distorsión en el voltaje, es decir se degrada la calidad de energía que se suministra al cliente. 7 En casi toda red de distribución la presencia de la quinta armónica es un factor común. La contaminación armónica en el voltaje es una gran preocupación por parte de las empresas eléctricas y es por ello que en la actualidad se recomienda realizan estudios de flujos de potencia considerando cargas no lineales, pues al existir frecuencias superiores a la fundamental se produce un caldo de cultivo para que se den nuevos problemas de orden técnico como la resonancia entre capacitores de las subestaciones, transformadores de potencia, el sistema de subtransmision y distribución. Es preocupante también que las armónicas producidas desde el sistema de distribución lleguen a las centrales de generación eléctrica cercanas al sistema. La siguiente figura muestra un ejemplo de lo anterior. Tabla 7: Distorsión armónica individual y total (THD) en porcentaje de la figura 8 - generador THD(%) individuales figura a (i) Armónicas Figura b (v) Impares figura a (i) Figura b (v) 3 0.6 0.2 5 3.5 0.7 7 0.1 0.2 THD%: 3.6 1 5. FACTOR DE POTENCIA EN CARGAS NO LINEALES Durante mucho tiempo se han fabricado equipos que consideraban que todas las cargas eléctricas entregaban ondas sinusoidales similares a las del voltaje aplicado, bajo este supuesto el calcular el factor de potencia se constituía en una simple operación matemática. Si se observan las corrientes generadas por varios equipos modernos, se puede apreciar que la forma de onda de la corriente en muchos de los casos se diferencian sustancialmente de la sinusoide, por lo que el concepto de factor de potencia se muestra conflictivo con las consideraciones anteriores. Considérese un voltaje y corriente armónica representadas por las series de Fourier siguientes [1]: (1) 8  (2) El factor de distorsión armónica total (THD - total harmonic distorsión) esta definido por: (3) de donde se puede relacionar el valor rms de la corriente y el voltaje con el THD correspondiente como: (4) El conocido factor de potencia (verdadero) se lo define como la relación entre la potencia promedio y la potencia aparente o: (5) antes de proceder a hacer los reemplazos, se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:  En muchos casos las potencias promedios de las componentes armónicas son muy pequeñas en comparación a la de la fundamental por lo que: Cuando no existe una relación matemática lineal entre la corriente y la tensión aplicada a un circuito, esto quiere decir que si se alimenta al circuito con una tensión sinusoidal y por el mismo circulan corrientes no senoidales. Por ello las fórmulas antes mencionadas deben ser ampliadas de esta manera: 9 Se obtiene entonces que Donde:  FP dist = Factor de potencia incluyendo al contenido armónico.  THDi = Distorsión armónica total. Se define como desplazamiento del factor de potencia al aporte de la componente fundamental y como factor de potencia de la distorsión armónica al segundo termino de la relación propuesta. Se puede ver que al anteriormente conocido "factor de potencia" se ha transformado en el desplazamiento del factor de potencia (FPDesplazamiento) y al factor de potencia total ahora se le denomina simplemente factor de potencia (FP) o también verdadero factor de potencia (TPF - True power factor). Experimentalmente se ha podido comprobar que en muchos de los casos el factor de potencia (FP) de cargas no lineales es menor al desplazamiento del factor de potencia (FPDesplazamiento). Muchos equipos de medición entre los cuales se encuentran medidores de KWh o KVARh y relés de protección de disco de inducción son utilizados en alto grado en sistemas de distribución tradicionales. Muchos de estos equipos de medición solamente registran la presencia de la componente fundamental (FPDesplazamiento) dejando de lado las componentes armónicas, por lo que de existir corrientes armónicas generadas desde cargas no lineales se estaría incurriendo en registros erróneos del verdadero factor de potencia (FP), magnitudes de corriente y/o voltaje y los KWh o KVARh que consume el cliente. Factor de potencia: Indica el grado de eficiencia de un sistema con respecto al trabajo útil. Para el caso no senoidal: 10 Distorsión Armónica MODELOS PROPUESTOS: En 1927 Bundeanu sugiere: potencia ficticia , sugerida por Frize en 1931: La siguiente tabla muestra un resumen sobre los efectos observados por los armónicos en la vida de los equipos. 11 Ilustración 1. Efectos de la distorsión armónica1. ANORMALIDADES DENTRO DE UN SISTEMA DE POTENCIA Una clasificación sencilla de las anormalidades de acuerdo a su severidad con que afectan al sistema de potencia es: – Perturbaciones. – Fallas. Perturbaciones ? @? AB* C? )DB)EF ABG7 @C)@ ! "#$%&'%( )* +), ( $- #./ - 01( $2#334)52.( $2#336 &/ / / +( "2 C$( "H#.&I #I / ' )/ $)? &'3/ H#' )I / )E( 3/ $%& #)@ 7 ( 89"& 2: 3); )<==> Las perturbaciones son condiciones que permiten continuar la operación de un sistema pero que pueden ocasionar el daño de ciertos equipos si su duración es prolongada. • Las perturbaciones pueden ser causadas por: 1 38 Ministerio de Energía y Minas, “Eficiencia energética electricidad” del, pág. 174 12  – Sobretensiones. – Sobrecarga. – Oscilaciones de potencia. SOBREVOLTAJES Las sobretensiones son cualquier valor de tensión entre fase y tierra, cuyo valor pico, es mayor que la tensión máxima del sistema. La tensión en el sistema eléctrico de potencia es variable, dependiendo de las condiciones del sistema, estas variaciones están limitadas por las características de los equipos, tensión nominal, tensión máxima. – Voltaje Nominal: Es el valor de la tensión para el cual se proyectó el sistema y se fabricó y probaron los equipos. Ejemplo: En Venezuela el sistema de proyecto para las siguientes voltajes nominales: 115, 230, 400 y 765 kV. – Voltaje Máxima: comprende un aumento de 5% a 10% por encima de la tensión nominal del sistema. Ejemplo: En Venezuela las máximas tensiones de operación son respectivamente: 115/123; 230/242; 400/440; 765/800 kV. Una sobretensión temporal es una tensión oscilatoria en fases o entre fases y tierra de larga duración no amortiguadas o en su defecto ligeramente amortiguado. Las sobretensiones temporales consisten en cambios en la amplitud de la componente de 60Hz de la tensión o sus armónicas por efecto de operaciones de maniobra, cambios den el flujo de potencia reactiva, fallas o bien por Ferroresonancia. La sobretensión, si es superior al 20% de la tensión nominal y de acuerdo a la ubicación del codo de la curva de magnetización de los transformadores puede ocasionar una fuerte saturación del núcleo magnético, vibraciones en el núcleo, etc., además se genera corrientes armónicas que pueden producir resonancia en el sistema dando origen a sobretensiones adicionales. CAUSAS DE UN SOBREVOLTAJE Los orígenes de las sobretensiones temporales pueden ser: – Energización de líneas (Efecto Ferranti). – Cambios bruscos de carga – Sobretensiones por falla:Ferroresonancia – Conductores en abierto. SOBRETENSIONES DE MANIOBRA – Las sobretensiones de maniobra son tensiones transitorias que se producen por cambios bruscos en el sistema, son de corta duración (mili- microsegundos) y que son altamente amortiguadas. – Las posibles causas se sobretensiones de maniobra son: 13  o Apertura de corrientes de falla, o Falla kilométrica (falla en una línea a una distancia de algunos kilómetros del interruptor), o Apertura de transformadores en vacío y reactores, Aperturas de circuitos capacitivos. o SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS Las sobretensiones atmosféricas son elevaciones de la tensión causadas por descargas eléctricas atmosféricas entre nube y tierra, que impactan en las instalaciones y líneas de transmisión, estas sobretensiones son unidireccionales y de muy corta duración y su valor no depende de la tensión del sistema. • Las descargas pueden ser: – Directas: La descarga alcanza directamente alguno de los conductores de fase, es la más grave, debido a que la magnitud de estas sobretensiones son independientes de la tensión del sistema y por lo general sumamente elevadas. – Indirectas: Cuando la descarga se produce sobre los cables de guarda, las torres o a los elementos de apantallamiento o blindaje. – Inducidas: Corresponde cuando la descarga tiene lugar en las cercanías ! "#"#"$"% de la líneas &' ( ) *+*, - .' , *- % o instalaciones. / *% 0 +1 ' - 23) .45 &H&I J 7 0 &% KJ % LMI J N@H0 % H 6 ) 5, 4.- 4' % 7 "% 8 ' , 95:*9;<' , =5++>% 2=:' , =5++? .***"' ) = 0 , ' ) 1 5:./ 5/ *- % *, % &.- +*1 5- % / *% L' +*, 4.5% H @' AB) .=C+% D%EFFG EQUIPOS PARA DETECTAR FALLAS Y LIMITAR SUS EFECTOS En el objetivo de eliminar las anormalidades o fallas de un sistema eléctrico, se incorporan una serie de componentes e instalaciones asociadas con el fin de eliminar completamente los efectos de estas anormalidades, esto no es posible y aproximarse a esta solución es muy caro, en la práctica se reduce en lo posible los efectos de las anormalidades. Los equipos utilizados para la detección de las fallas son: 1. Relés. Son dispositivos que reciben información del sistema, y pueden discriminar condiciones normales y anormales de operación; es básicamente un equipo de detección. Los relés pueden ser de dos tipos: a. Relés electromecánicos (Antiguos). b. Relés electrónicos. 14  2. –Fusibles. Son elementos cuya función es detectar sobrecorrientes, su funcionamiento se basa en el hecho que un materia atravesado por una corriente suficientemente grande puede fundir el dispositivo conductor interrumpiendo el paso de la corriente. Los fusibles e interruptores son elementos utilizados para despejar cortocircuitos o sobrecorrientes. 3. Pararrayos. Son dispositivos limitadores de sobretensión, se basan en el hecho de a partir de un nivel de tensión de ruptura fijado, el pararrayo se ! "#"$%&' ( ) *+, , -. &$/ $0) 1$2-1' 34 / 1$*3$ hace conductor a tierra, a medida que la sobretensión es mayor a la tensión de ruptura la resistencia que presenta disminuye eliminando 5 ( ) ' 3, , -. & rápidamente las sobretensiones. Los fusibles, interruptores y pararrayos constituyen los llamados equipos • Un sistema de protecciones es un conjunto de limitadores. elementos y de circuitos de control unidos entre sí SISTEMAS DE PROTECCIÓN cuya función • Un sistema es detectar de protecciones cualquier es un conjunto falla yy proteger de elementos de circuitos ade control unidos entre sí cuya función es detectar cualquier falla y proteger a uno o másuno o más equipos equipos del sistema. del sistema. 2%2HI 7 J 2$KI $5 L HI M@%J $% 6 ( / &, -1, ) $7 "$8 ) &9/ 039:; ) &</ ' ' =$><0) &</ ' ' ? -333") ( < J &) ( 4 / 0-*/ *31$3&$2-1' 34 / 1$*3$5 ) ' 3&, -/ $% @) AB( -<C' $D$EFFG – Transformadores de medida. (Transformadores de corriente T.C, Transformadores de potencial T.P.) son dispositivos que permiten obtener información del sistema en forma de tensiones y corrientes. – Relés. Es un dispositivo capas de discriminar condiciones normales y anormales de operación, que cierran y abren contactos que habilitan en forma de detector directa o indirectamente los circuitos de apertura del interruptor. – Interruptor. Este elemento accionado por el relé (automáticamente) o por el operador (manualmente) cumplen la función de aislar los equipos en carga. Un interruptor puede interrumpir un circuito en condiciones normales en cambio un seccionador que solo permite aislar desde el punto de vista dieléctrico dos puntos del circuito y no pueden trabajar con carga. – Equipos de Control. son los elementos y dispositivos que conectan a los anteriores. Ejemplo. el alambrado, comunicadores de información de ondas portadoras y dispositivos auxiliares (suiches, lámparas, alarmas, relés eléctricos). 15  ! "#"$%&' ( ) *+, , -. &$/ $0) 1$2-1' 34 / 1$*3$ 5 ( ) ' 3, , -. & 2%2HI 7 J 2$KI $5 L HI M@%J $% 6 ( / &, -1, ) $7 "$8 ) &9/ 039:; ) &</ ' ' =$><0) &</ ' ' ? -333") ( < J &) ( 4 / 0-*/ *31$3&$2-1' 34 / 1$*3$5 ) ' 3&, -/ $% @) AB( -<C' $D$EFFG SELECCIÓN DEL ESQUEMA DE PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO Es usual conectar a tierra los neutros de un sistema para tensiones mayores a 35.4 kV. La puesta atierra de los neutros de un sistema de potencia juega un papel importante en las sobretensiones por fallas y corrientes de cortocircuitos. Un sistema puede estar puesto a tierra de diferentes modos, siendo los casos extremos: – Neutro aislado de tierra. – Neutro sólidamente aterrado. – En el proceso de selección del esquema de aterramiento se deben tener en cuenta los siguientes factores: o Las magnitudes de las corrientes que resultan de fallas a tierra. o Las magnitudes posibles de sobretensiones transitorias. o Las magnitudes de sobretensiones temporales o Localización de las posibles fallas. o La seguridad de los operadores, tensión de paso y toque. – Para limitar las sobretensiones en situación de falla se aterran los sistemas de potencia, existen muchas y variadas formas de conectar los neutros a tierra, las diferencia entre los distintos esquemas son los valores de la corriente de falla y las sobretensiones que se presentan. – En los casos extremos, neutro aislado, las sobretensiones son grandes mientras que las corrientes de falla son pequeñas, caso contrario de la conexión sólidamente aterrado, donde la corrientes de fallas son intensas y las sobretensiones pequeñas. – Para equilibrar las condiciones de corriente de cortocircuito y sobretensiones, se suele colocar una impedancia entre el neutro y tierra. – Sistema efectivamente aterrado. Se dice que un sistema se encuentra efectivamente aterrado cuando la tensión en las fases sanas, en régimen permanente, para el caso de una falla línea a tierra no excede del 80% de la tensión de la línea. – Existen varias formas de conectar el neutro de un sistema de potencia a tierra, desde los casos extremos en los que no hay conexión alguna (neutro aislado), hasta llegar el neutro sólidamente puesto a tierra. 16