Energía Eléctrica Calidad — Una descripción técnica
Desviaciones de tensión, distorsión de forma de onda, y continuidad del suministro: El espectro completo de los fenómenos PQ explicados desde una perspectiva de ingeniería de servicios públicos..
01 ¿Qué es la calidad de la energía??
El término calidad de la energía (PQ) es, estrictamente hablando, un nombre inapropiado. Lo que la disciplina realmente describe es la calidad del voltaje entregado a una carga — no poder en el sentido termodinámico. La potencia activa es simplemente la tasa de transferencia de energía.; La corriente consumida por una carga está determinada en gran medida por la propia impedancia de la carga y, por lo tanto, está fuera del control directo de la empresa de servicios públicos.. El voltaje, por el contrario, es lo que proporciona el sistema de suministro, y es el voltaje que los estándares IEC e IEEE miden y regulan. Como Dugan et al.. nota, es la calidad del voltaje — en lugar de energía o corriente eléctrica — que el término calidad de energía realmente describe. [1]
Una definición de trabajo proviene de IEC 61000-4-30, que enmarca PQ como un conjunto de parámetros de voltaje medibles — magnitud, frecuencia, forma de onda, y simetría trifásica — evaluado contra límites especificados en un punto de medición definido. [2] EN 50160 adopta un enfoque complementario: Caracteriza el voltaje en los terminales de suministro del cliente en condiciones normales de operación y establece los límites estadísticos dentro de los cuales se espera que permanezcan esas características.. [3] Ambos marcos reflejan la misma realidad de ingeniería subyacente.: La calidad se define en relación con una especificación., no en abstracto.
El suministro ideal es una sinusoide pura a la frecuencia nominal., con impedancia de fuente cero en todas las frecuencias y simetría trifásica perfecta. En la práctica, ninguna de estas condiciones se cumple plenamente. La disciplina de la ingeniería de calidad de la energía es el estudio sistemático de las desviaciones de este ideal y sus consecuencias para los equipos y procesos industriales..
02 El fenómeno de la calidad de la energía
Las perturbaciones de PQ se clasifican convencionalmente por su escala de tiempo., su contenido espectral, y si son continuos (estado estable) o impulsado por eventos. El IEEE Std. 1159 estructura [4] y la CEI 61000-2-5 clasificación del entorno electromagnético [5] organizar los fenómenos a lo largo de estos ejes. Las tarjetas siguientes ofrecen un mapa de orientación antes de examinar cada fenómeno en detalle..
Armonía
Múltiplos enteros de la fundamental inyectada por cargas no lineales. Causar sobrecalentamiento, resonancia, y errores de medición. Caracterizado por THD y órdenes armónicos individuales h = 2, 3, 5, 7…
Huecos de tensión & Se hincha
Reducciones de corta duración (hundimiento) o aumenta (mar de fondo) en voltaje rms. Las caídas son el evento de PQ más frecuente y económicamente significativo para los procesos industriales..
Parpadeo
Fluctuaciones repetitivas de voltaje que causan variaciones perceptibles en la luminancia de la lámpara.. Cuantificado por la gravedad a corto plazo Pst y P a largo plazolt índices según IEC 61000-4-15.
Transitorios & Impulsos
Picos de voltaje de subciclo causados por rayos, operaciones de conmutación, o activación del condensador. Las amplitudes máximas pueden alcanzar varias veces el voltaje de cresta nominal..
Desbalance Voltaje
Desigualdad de las magnitudes o ángulos de la tensión trifásica. La 2% El desequilibrio de secuencia negativa puede producir 8% o más aumento adicional de la temperatura del devanado en motores de inducción.
Desviación de Frecuencia
Salida del nominal 50 o 60 Hz. Raro en grandes redes interconectadas; Cada vez más relevante con alta penetración renovable y en microrredes isleñas con baja inercia..
Interrupciones
Pérdida completa de voltaje., clasificado como momentáneo (<3 s), temporal (3 s–1 minutos), o sostenido (>1 minutos) Por norma IEEE 1159. Provocar paradas de procesos y problemas de reinicio de equipos..
supraarmónicos
Disturbios en el 2–150 rango de kHz emitido por convertidores electrónicos de potencia de alta frecuencia de conmutación. Una preocupación emergente bajo IEC TR 63227 y estándares CISPR.
Las secciones siguientes tratan cada categoría en detalle.: origen fisico, límites estándar principales, y consecuencias prácticas para equipos y procesos..
03 Armonía
La distorsión armónica surge siempre que una carga extrae una corriente no sinusoidal de un suministro sinusoidal.. Por el teorema de Fourier, cualquier forma de onda periódica se puede descomponer en un componente fundamental a la frecuencia del sistema más múltiplos enteros — armonía — en 2f, 3F, 4F, etcétera. [6] En sistemas trifásicos, armónicos triples (3rd, 9ª, 15ª…) circulan en secuencia cero y se suman aritméticamente en el conductor neutro; el 5 y el 7 dominan lo negativo- y espectros de secuencia positiva respectivamente y son la principal preocupación en la mayoría de las redes industriales..
Fuentes
Las fuentes dominantes en las redes de distribución actuales son los convertidores electrónicos de potencia.: rectificadores de seis pulsos en variadores de frecuencia (VFD) y sistemas de alimentación ininterrumpida, fuentes de alimentación conmutadas en equipos informáticos, hornos de arco, e iluminación fluorescente con balastros electrónicos. Un rectificador clásico de seis pulsos genera armónicos de corriente característicos en el orden de 6k ± 1 (5ª, 7ª, 11ª, 13ª…) con magnitudes que caen aproximadamente como 1/h para una carga de fuente de corriente ideal. [7] Interarmónicos — en múltiplos no enteros de la fundamental — son producidos por cicloconvertidores, equipo de calentamiento por inducción, y hornos de arco durante la caótica fase de fusión.
Consecuencias para el equipamiento.
Las corrientes armónicas que fluyen a través de las impedancias de la red producen caídas de voltaje armónicos que distorsionan el voltaje de suministro de todos los equipos conectados.. Los bancos de capacitores presentan baja impedancia en frecuencias armónicas y son vulnerables a sobrecargas y fallas.; en combinación con la inductancia de línea, pueden formar circuitos resonantes paralelos que amplifican un armónico particular por un factor de 10 o más a la frecuencia de resonancia. Los motores de inducción experimentan pérdidas adicionales de hierro y cobre proporcionales al cuadrado de la corriente armónica. Los transformadores pueden requerir una reducción de potencia cuando suministran cargas no lineales — el sistema de calificación del factor K (ANSI/IEEE C57.110) proporciona una base cuantitativa para esta evaluación. [8] Los medidores de energía electrónicos que utilizan algoritmos de cruce de voltaje pueden registrar errores de medición significativos en condiciones de voltaje distorsionadas..
Límites y estándares
IEEE Std 519-2022 establece límites de corriente armónica en el punto de acoplamiento común (PCC) en función de la relación de cortocircuito ISC/YoLa. Un cliente con una conexión de suministro débil (baja proporción) enfrenta límites más estrictos porque su inyección armónica produce una distorsión de voltaje proporcionalmente mayor en la red compartida. [9] EN 50160 limita los armónicos de tensión individuales a 5–6% para componentes de bajo orden y establece un THD generalEn techo de 8% en los terminales de alimentación de BT en condiciones normales de funcionamiento. [3] La CEI 61000-4-7 El estándar especifica el método de medición basado en DFT., incluyendo reglas de agrupación y agregación, que los instrumentos deben implementar para producir resultados comparables. [10]
04 Huecos de tensión, Se hincha, e interrupciones
Un hueco de tensión (IEC: caída de voltaje) es una reducción de corta duración en el voltaje rms a entre 10% y 90% del valor nominal, Duración de medio ciclo a un minuto.. [4] Las caídas de voltaje son la perturbación de PQ más significativa desde el punto de vista económico para las industrias manufactureras y de procesos.. Un estudio realizado por EPRI y CEIDS estimó el costo anual de las perturbaciones en la calidad de la energía para la industria estadounidense en entre $119 y $188 mil millones, con caídas de tensión responsables de la mayor parte. [11]
Orígenes de las caídas de tensión
La mayoría de las caídas de tensión se originan por fallos de cortocircuito en la red de distribución o transmisión.. Una sola falla línea a tierra reduce el voltaje de fase en todas las barras eléctricamente cercanas a la falla. — incluidos los clientes alimentados desde alimentadores adyacentes en la misma subestación. El voltaje retenido visto por un cliente determinado depende de la relación de impedancia entre la ubicación de la falla y el punto de medición.: clientes eléctricamente cerca de una barra colectora fuerte (MVA de cortocircuito grande) ver hundimientos menos profundos para detectar fallas en los alimentadores conectados. Los grandes arranques de motores y la energización de transformadores también producen hundimientos., aunque normalmente de menor magnitud y menor duración.
Caracterización y tolerancia del equipo.
Una caída se caracteriza por su voltaje retenido. (como porcentaje del valor nominal) y su duracion. La curva ITIC (anteriormente CBEMA), desarrollado por el Consejo de la Industria de Tecnología de la Información, y el estándar SEMI F47 definen las envolventes de tolerancia de voltaje del equipo: Tensiones mínimas retenidas en función de la duración que el equipo debe soportar sin interrupción del proceso.. [12] Las caídas trifásicas se clasifican además por tipo. — Tipo A a Tipo G en la clasificación de Bollen [13] — dependiendo de cómo se propaga la falla a través de las conexiones del transformador y qué fases se ven afectadas en el punto de medición. Un hundimiento tipo A (las tres fases igualmente deprimidas) Resulta de una falla trifásica o de una falla monofásica vista a través de un devanado en triángulo.; muchos otros tipos afectan solo una o dos fases.
Se hincha
Un aumento de voltaje es un aumento de corta duración en el voltaje rms por encima 110% de nominal. Las sobretensiones ocurren en las fases sin fallas durante fallas monofásicas en sistemas con alta impedancia o neutros sin conexión a tierra., donde la depresión de la fase fallada va acompañada de un desplazamiento neutro que eleva las fases del sonido. En sistemas sólidamente puestos a tierra, El aumento de voltaje fase a tierra durante fallas monofásicas está limitado por la red de secuencia cero y rara vez es significativo para equipos conectados de línea a neutro..
Interrupciones
Una pérdida completa de voltaje se clasifica como una interrupción.. IEEE Std 1159 distingue instantáneo (<0.5 ciclo), momentáneo (0.5 ciclo a 3 s), temporal (3 s a 1 minutos), y sostenido (>1 minutos) interrupciones. Las interrupciones momentáneas generalmente resultan de operaciones de recierre automático en los alimentadores de distribución.; En la mayoría de los casos, la falla de arco desaparece en el primer recierre y el suministro se restablece dentro de 0.5 a 1.5 s. Las interrupciones sostenidas requieren una operación de conmutación o restauración del personal y se rastrean a través de índices de confiabilidad de los servicios públicos. (EL SITIO, SEGURO, CAIDÍ).
05 Las fluctuaciones de tensión y flicker
Las fluctuaciones de voltaje son rápidas., variaciones repetitivas en el voltaje rms que — cuando modulan el flujo luminoso de las lámparas incandescentes — producir un fenómeno perceptible y fisiológicamente irritante conocido como parpadeo. El sistema visual humano es más sensible a las variaciones de luminancia a aproximadamente 8.8 Hz; una fluctuación de voltaje sinusoidal de sólo 0.3% a esta frecuencia es suficiente para causar un parpadeo perceptible en un estándar 60 Lámpara incandescente W en condiciones de laboratorio.. [14]
Fuentes
Los hornos de arco son la clásica fuente de parpadeo industrial. Durante la fase de fusión, La impedancia del arco fluctúa aleatoria y rápidamente a medida que varía la posición del electrodo., dibujando ráfagas de corriente reactiva que producen las correspondientes depresiones de voltaje en el PCC. La naturaleza aleatoria del comportamiento del arco significa que el espectro de fluctuación de voltaje resultante es de banda ancha en lugar de estar concentrado en una única frecuencia., haciéndolo particularmente efectivo para estimular el rango de frecuencia sensible del sistema visual. Otras fuentes incluyen arranques de motores grandes., soldadores de arco, Laminadores con demanda de par fluctuante., y — en alimentadores de distribución — Turbinas eólicas de velocidad fija donde la sombra de la torre y el viento turbulento producen una fluctuación periódica en la frecuencia de paso de las palas..
Medición: Pst y Plt
El estándar IEC para medidores de parpadeo (IEC 61000-4-15) define una cadena de procesamiento de señales que modela la lámpara–ojo–función de transferencia cerebral y ofrece dos índices. [14] La gravedad del parpadeo a corto plazo Pst se evalúa durante una ventana de observación de 10 minutos; la gravedad a largo plazo Plt se deriva de doce P consecutivasst valores usando la media cúbica, dando una evaluación de 2 horas. EN 50160 establece Pst ≤ 1.0 y Plt ≤ 0.8 como límites normales en las terminales de suministro. [3] apst de 1.0 se define como el umbral de perceptibilidad para 50% de observadores bajo las condiciones de referencia de la norma.
06 Transitorios e Impulsos
Las sobretensiones transitorias son perturbaciones de tensión de subciclo cuya amplitud puede exceder la tensión de cresta nominal por un amplio margen.. A diferencia de los fenómenos de estado estacionario y de corta duración discutidos anteriormente, Los transitorios no se caracterizan de manera útil por valores rms.: su energía se concentra en duraciones que van desde microsegundos hasta unos pocos milisegundos, y es la amplitud máxima y la tasa de aumento (dV/dt) que determinan el estrés del equipo y el potencial de daño. [4]
Transitorios impulsivos — relámpago
Los rayos directos o indirectos acoplan energía impulsiva a las líneas de distribución, ya sea por conexión directa o por inducción electromagnética de rayos cercanos.. La forma de onda estándar del impulso del rayo utilizada en la coordinación del aislamiento. — definido en IEC 60060 como el 1.2/50 µonda de voltaje — representa la envolvente de los transitorios típicos inducidos por rayos. Descargadores de sobretensiones de distribución (tipo varistor de óxido metálico) se aplican para limitar el pico de voltaje transitorio en los terminales del equipo al nivel de protección del descargador., que en un 25 El sistema kV suele estar en el rango de 75–95 kV, o aproximadamente 2–3 veces el voltaje de cresta del sistema.
Transitorios oscilatorios — la conmutación de condensadores
La energización de un banco de capacitores en derivación produce un voltaje oscilatorio transitorio cuya frecuencia está establecida por la capacitancia del banco y la inductancia de Thevenin en el punto de conmutación.: Fosc = 1 / (2π √LC). En los sistemas de distribución, esto normalmente cae en el rango de 300–1000 Hz. En un escenario de cambio consecutivo — energizar un banco con otro banco que ya está en el mismo autobús — el pico inicial puede alcanzar 2.0 pu. del voltaje de cresta nominal porque los capacitores ya cargados proporcionan una ruta de descarga de impedancia cercana a cero. [15] Los variadores de velocidad ajustable con condensadores de bus de CC grandes son particularmente susceptibles, ya que el transitorio oscilatorio puede activar la protección contra sobretensión del bus de CC del variador y provocar disparos molestos incluso cuando el transitorio es demasiado corto como para dañar el aislamiento..
07 Desbalance Voltaje
En un sistema trifásico ideal, los tres fasores de la tensión de alimentación son iguales en magnitud y están separados exactamente por 120°. El desequilibrio de voltaje describe cualquier desviación de esta simetría.. La definición de ingeniería estándar utiliza el método de componentes simétricos.: el voltaje de secuencia negativa V2 expresado como porcentaje de la tensión de secuencia positiva V1 da el factor de desequilibrio de voltaje (VUF). [2] Una aproximación simplificada — Se utiliza con frecuencia en el campo porque solo requiere magnitudes fasoriales. — es la definición de NEMA: la desviación máxima de cualquier voltaje de fase de la media trifásica, dividido por la media, expresado como un porcentaje. Las dos definiciones dan resultados numéricos similares para desequilibrios pequeños, pero divergen para la asimetría del ángulo de fase..
Fuentes
Las cargas monofásicas distribuidas de manera desigual en las tres fases son la principal fuente de desequilibrio en las redes de distribución de BT y MT.: carga residencial en alimentadores rurales, cargadores de vehículos eléctricos, y soldadoras de arco monofásicas. En los sistemas de transmisión, Las subestaciones de tracción monofásicas son una fuente antigua de desequilibrio de secuencia negativa..
Las redes de distribución introducen varios mecanismos adicionales que se discuten con menos frecuencia.. Las líneas de distribución largas que no se transponen acumulan impedancias mutuas desiguales entre fases, produciendo un desequilibrio que crece con la longitud de la línea. Las líneas de transmisión generalmente están bien transpuestas por diseño., pero los alimentadores de subtransmisión y distribución no transpuestos son comunes. Un fusible fundido en una fase de un banco de condensadores en derivación deja las dos fases restantes con exceso de compensación reactiva., creando un desequilibrio local y un riesgo de resonancia. En partes del mundo donde los laterales monofásicos se derivan de alimentadores troncales trifásicos, El desequilibrio puede ser aceptable en la barra de la subestación pero severo a lo largo de secciones de línea individuales donde se concentra la carga monofásica.. Del mismo modo, Los transformadores de distribución monofásicos que no están distribuidos uniformemente entre las tres fases a lo largo de un alimentador producen un desequilibrio que varía según la ubicación y el perfil de carga de los clientes individuales..
Efectos sobre las máquinas rotativas.
El voltaje de secuencia negativa impulsa un campo magnético que gira en sentido contrario al rotor.. Desde el marco de referencia del rotor, el deslizamiento para el campo de secuencia negativa es:
NEMA MG-1 expresa la consecuencia práctica: un 2% El desequilibrio de voltaje produce aproximadamente 8% aumento adicional de temperatura del devanado. [16] EN 50160 limita el factor de desequilibrio de secuencia negativa a 2% en los terminales de alimentación de BT en condiciones normales de funcionamiento; valores hasta 3% están permitidos en algunas áreas escasamente pobladas. [3]
08 Desviación de Frecuencia
La frecuencia del sistema refleja el equilibrio instantáneo entre la generación total y la carga total a través de la interconexión síncrona.. En grandes sistemas interconectados — Europa continental en 50 Hz, las interconexiones oriental y occidental de América del Norte en 60 Hz — La inercia rotacional combinada de todos los generadores síncronos limita las excursiones de frecuencia a muy por debajo. 1 Hz en condiciones normales de funcionamiento. EN 50160 cuantifica esto: La frecuencia se mantendrá dentro de 50 ± 1 Hz para 99.5% del año en las redes europeas interconectadas, y dentro 50 ± 4 Hz en todo momento. [3]
Efectos en el equipo
Los motores síncronos y de inducción funcionan a velocidades proporcionales a la frecuencia de suministro.; una desviación sostenida de frecuencia produce un error de velocidad proporcional en cualquier máquina de proceso sin control de velocidad de bucle cerrado. La 1% La caída de frecuencia se traduce en una 1% reducción de velocidad — Consecuente para el mecanizado de precisión., fábricas de papel, o cualquier proceso donde la tensión de la web dependa de la velocidad sincronizada. Los transformadores que funcionan significativamente por debajo de la frecuencia nominal experimentan una mayor densidad de flujo en el núcleo.; si el core ya está operando cerca de la rodilla de saturación, Incluso una modesta reducción de frecuencia puede causar un aumento sustancial en la corriente de magnetización y pérdidas sin carga.. Relés de protección sensibles a la frecuencia (81Elementos fuera/después) debe coordinarse con el rango de frecuencia normal esperado para evitar disparos durante oscilaciones legítimas de frecuencia del sistema..
Frecuencia en redes dominadas por inversores
La creciente proporción de generación interconectada por convertidores — turbinas eólicas, plantas fotovoltaicas, y almacenamiento de batería — Reduce la inercia síncrona de la red.. En microrredes aisladas o tras la separación del sistema en una red grande, La frecuencia puede cambiar a velocidades de varios Hz por segundo. (tasa de cambio de frecuencia, rocof) — mucho más rápido que la respuesta de frecuencia convencional basada en la inercia. Esta es un área activa de desarrollo de estándares y códigos de red.. IEEE Std 2030.8 aborda las pruebas de controladores de microrredes; Los requisitos emergentes de ENTSO-E exigen que las grandes plantas basadas en inversores proporcionen inercia sintética para compensar parcialmente la pérdida de inercia física.. [17]
09 El panorama de las normas
La calidad de la energía se rige por un conjunto entrelazado de estándares de IEC, IEEE, CENELEC, y organismos nacionales. Los principales marcos se resumen a continuación.. Un ingeniero en activo necesita, como mínimo, comprender la distinción entre niveles de compatibilidad. (IEC 61000-2 serie), límites de emisión (IEC 61000-3 serie), requisitos de inmunidad (IEC 61000-4 serie), y características de la tensión de alimentación (EN 50160).
| Estándar | Alcance | Contenido clave |
|---|---|---|
| IEC 61000 Serie — Comisión Electrotécnica Internacional | ||
| IEC 61000-2-2 | Redes públicas de BT | Niveles de compatibilidad para perturbaciones conducidas de baja frecuencia. (armonía, parpadeo, desequilibrar, huecos de tensión) |
| IEC 61000-2-4 | Entornos industriales | Niveles de compatibilidad para la clase 2 y clase 3 sitios industriales; generalmente menos estrictos que los límites de la red pública |
| IEC 61000-3-2 | Equipos de BT ≤ 16 A/fase | Límites de emisión de corrientes armónicas para equipos conectados a redes públicas de BT |
| IEC 61000-3-3 | Equipos de BT ≤ 16 A/fase | Límites de fluctuación de tensión y emisión de parpadeos para equipos conectados a redes públicas de BT |
| IEC 61000-4-7 | Medición | Método de medición de armónicos e interarmónicos.: ventana DFT, agrupamiento, 10/12-ciclo y agregación de 150/180 ciclos |
| IEC 61000-4-15 | Medición | Especificación del medidor de parpadeo: lámpara–ojo–cadena de procesamiento de señales cerebrales, Pst y Plt cálculo |
| IEC 61000-4-30 | Medición | Métodos de medición de PQ: Clase A (vinculante/contractual) y clase S (estudio) requisitos del instrumento, intervalos de agregación, flojo |
| CENELEC — Comité Europeo de Normalización Electrotécnica | ||
| EN 50160 | Características de la tensión de alimentación | Límites estadísticos para los parámetros de tensión en terminales de clientes de BT y MT en redes públicas europeas en condiciones normales de funcionamiento |
| IEEE - Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos | ||
| IEEE Std 519-2022 | Armonía (América del norte) | Límites de corriente armónica en el PCC en función de la relación de cortocircuito; Límites de distorsión de voltaje en transmisión y distribución. |
| IEEE Std 1159-2019 | Monitoreo | Clasificación y caracterización de los fenómenos PQ.; práctica de seguimiento recomendada |
| IEEE Std 1250 | Equipos sensibles | Guía para servicio a equipos sensibles a perturbaciones momentáneas de voltaje.; metodología de evaluación de compatibilidad |
| Estándares nacionales canadienses (Grupo CSA) | ||
| CSA C235:19 | Tensión de alimentación: Canadá | Rangos operativos de voltaje en estado estacionario en el punto de conexión para sistemas de CA hasta 50 kV en Canadá; Cubre condiciones de funcionamiento normales y extremas.. La contraparte canadiense de EN 50160; referenciado por Hydro-Québec, Hidroeléctrica Ottawa, y la mayoría de las empresas de servicios públicos canadienses en sus condiciones de servicio.. |
| CAN/CSA-C61000-2-2 | Niveles de compatibilidad de BT: Canadá | adopción canadiense (con desviaciones) de IEC 61000-2-2: Niveles de compatibilidad para perturbaciones conducidas de baja frecuencia en redes públicas de BT.. Armonía, parpadeo, desequilibrar, y niveles de caída de voltaje aplicables a los sistemas de distribución canadienses. |
| CAN/CSA-C61000-3-7 | Cargas fluctuantes: Canadá | Adopción canadiense de IEC 61000-3-7: Evaluación de los límites de emisión de flicker y fluctuaciones de tensión para la conexión de instalaciones fluctuantes a MT., alto voltaje, y sistemas EHV. Utilizado por empresas de servicios públicos canadienses para evaluar conexiones de hornos de arco y turbinas eólicas.. |
| CSA C22.3 No. 9:20 | Recursos distribuidos: Canadá | Interconexión de recursos energéticos distribuidos y sistemas de distribución hasta 50 kV. Incluye requisitos de PQ en el PCC: armónicos, fluctuación de voltaje, y límites de parpadeo para conexiones DER basadas en inversor y generador. |
10 Medición y Monitoreo
Una medición significativa de la PQ no es simplemente una cuestión de conectar un instrumento y recopilar datos. La ubicación de la medición., la clase de instrumento, la duración de la encuesta, la metodología de agregación, y el tratamiento estadístico de los resultados determinan si los datos respaldan conclusiones de ingeniería válidas.. IEC 61000-4-30 Proporciona el marco autorizado para estas elecciones.. [2]
El punto de medición
Los resultados dependen fundamentalmente de dónde esté conectado el instrumento.. La punto de acoplamiento común (PCC) — el punto de la red pública más cercano al cliente donde otros usuarios están o podrían estar conectados — es la referencia estándar para evaluaciones de emisiones y cumplimiento. Mediciones en terminales de equipos., en la barra secundaria de un transformador industrial, o aguas abajo de un UPS producirán resultados diferentes y cumplirán diferentes propósitos de ingeniería: resolución de problemas de equipos versus evaluación del cumplimiento de las empresas de servicios públicos versus caracterización de la red. Confundir estos puntos de medición es una fuente frecuente de disputas técnicas e informes mal interpretados..
Duración de la encuesta y estadísticas.
EN 50160 e IEC 61000-4-30 especificar que las evaluaciones de cumplimiento para la mayoría de los parámetros de voltaje utilizan una semana de medición continua, con un criterio del percentil 95: el parámetro debe permanecer dentro de los límites especificados para 95% de los intervalos de medición de 10 minutos durante el período de observación. Las caídas e interrupciones de tensión no están sujetas a esta regla percentil. — se informan como recuentos de eventos clasificados por gravedad utilizando clases de gravedad UNIPEDE DISDIP o índices SARFI. Una encuesta de una semana captura una muestra representativa de las condiciones operativas de la red, pero puede pasar por alto los efectos estacionales; El monitoreo de la calidad de la energía durante varias semanas o permanente es apropiado para instalaciones críticas y para programas de caracterización de toda la red..
Figura: The EN 50160 / IEC 61000-4-30 95Criterio de cumplimiento del percentil 1. Una semana de medición continua produce aproximadamente 1008 intervalos de diez minutos. El valor del parámetro se calcula para cada intervalo y se clasifica. El cumplimiento exige que el valor del percentil 95 (el umbral por debajo del cual 95% de intervalos caen — no excede el límite especificado. la cola naranja (5% de intervalos) se permite exceder el límite sin que constituya incumplimiento.
Clases de instrumentos
IEC 61000-4-30 define dos clases de instrumentos principales. La clase A especifica la mayor precisión de medición y es necesaria para aplicaciones de encuadernación.: verificación de cumplimiento contractual, presentaciones regulatorias, y mediciones técnicas expertas utilizadas en la resolución de disputas.. La clase S se especifica para instrumentos de encuestas estadísticas donde se acepta una precisión algo menor.. El cumplimiento de Clase A requiere incertidumbre de medición demostrada dentro de presupuestos definidos para cada parámetro, calibración trazable a estándares nacionales, y la correcta implementación de todos los requisitos de agregación y señalización.. [2] Un instrumento etiquetado simplemente como “analizador de calidad de energía”.” Sin una certificación explícita de Clase A no se puede asumir que cumple con estos requisitos..
11 Descripción general de la mitigación
La mitigación de la PQ se puede aplicar en tres puntos de la cadena de suministro.: en el origen de la perturbación (reducción de emisiones), en la red entre fuente y víctima (atenuación o desacoplamiento), o en la carga sensible (mejora de la inmunidad). La estrategia óptima depende de la naturaleza y ubicación de la perturbación., la viabilidad técnica de cada opción, y los costos relativos — que varían sustancialmente con la escala de la instalación y las características de la red. Las técnicas enumeradas en las siguientes tablas representan las soluciones más prácticas y probadas en el campo disponibles para ingenieros y empresas de servicios públicos en la actualidad.. No son exhaustivos — Más allá de este alcance existen enfoques en etapa de investigación y altamente específicos de aplicaciones. — pero cubren las soluciones que un profesional probablemente encontrará y especificará en proyectos reales..
Mitigación armónica
Las soluciones de mitigación de armónicos van desde simples elementos de impedancia pasiva que cuestan unos pocos dólares por kilovatio hasta sistemas activos totalmente adaptativos un orden de magnitud más caros.. La elección correcta depende de la reducción de THD requerida, la estabilidad de la carga, la impedancia de la red, y si IEEE 519 o ES 50160 El cumplimiento debe demostrarse en el PCC.. La siguiente tabla cubre las principales técnicas en orden de costo y rendimiento crecientes..
| Técnica | THD de salidaYo | Ventajas | Contras | Adecuado para | Costo (USD$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Reactor de línea de CA (3–5%) | 35–40% | Costo muy bajo; protección transitoria; prolonga la vida útil del condensador de accionamiento | Reducción limitada del 5º/7º; caída de voltaje bajo carga | Unidades individuales, modernización, sitios con presupuesto limitado | $10–25/kW |
| Choque de enlace CC | 32–35% | Ligeramente mejor 5º/7º que el reactor de CA; sin caída de voltaje; compacto | Requiere provisión de montaje de unidad interna; Menos protección transitoria que el reactor de CA. | Unidades con provisión de estrangulador interno | $8–20/kW |
| reactor de CA + Estrangulador CC combinado | ~28–32% | El mejor resultado pasivo a bajo coste; 6% impedancia combinada; protección transitoria retenida | Dos componentes; caída de voltaje adicional menor | Unidades donde se necesita el mejor rendimiento pasivo sin coste de filtro | $15–35/kW |
| Filtro de derivación pasivo (LC sintonizado) | 70–85% | Bajo costo a escala; mejora PF simultáneamente; sin componentes activos | Sintonización fija; riesgo de resonancia si la red cambia; Se requiere estudio de ingenieria | A nivel de planta, 100 kilovatios+, mezcla de carga estable | $30–80/kVA filtrado |
| 12-rectificador de pulso (autotransformador) | ~85 % frente a 6 pulsos; Distorsión armónica total 10–15% | Elimina el 5.º y el 7.º en origen.; robusto; sin riesgo de resonancia | Se requiere transformador de cambio de fase; 11Quedan el 13 y el 13; sensible al desequilibrio de la oferta | Nuevas instalaciones, 75 kilovatios+, procesos críticos | $50–120/kW |
| 18-rectificador de pulso (autotransformador) | Distorsión armónica total 5–8% | Elimina del 5 al 13; corriente de entrada casi sinusoidal | Transformador más voluminoso; mayor costo; más sensible al desequilibrio de voltaje que el de 12 pulsos | Unidades grandes, IEEE 519 Se requiere cumplimiento en PCC | $80–160/kW |
| Filtro híbrido (pasivo + activo) | THD < 5% | Menor costo que el AHF puro; manijas pasivas de bajo orden, activo maneja alto orden y dinámica | Dos sistemas para mantener; complejidad de la ingeniería; riesgo de interacción | Industrial de alta potencia, 500 kilovatios+, Aplicaciones de MT | $80–180/kVA |
| Filtro de armónicos activo (AHF) | THD < 5% | Totalmente adaptable; sin riesgo de resonancia; una unidad sirve múltiples cargas en un autobús compartido; Corrección PF combinada | Alto costo de capital; Pérdidas continuas ~1–2%; mantenimiento; menos rentable a muy alta potencia | Autobús de carga mixta, cargas variables, donde también se necesita corrección de PF | $150–300/kVA |
| Frente activo (AFE) drive | THD < 3% | Casi sinusoidal; regenerador (4-cuadrante); unidad PF; la mejor distorsión de su clase | Costo de la prima; complejo; requiere limpieza, tensión de alimentación estable | Unidades de alta potencia, aplicaciones regenerativas (grúas, ascensores, bancos de pruebas) | $200–400/kW |
| Transformador con clasificación K | Protege únicamente el transformador; no reduce la distorsión de la red. | Simple; protege el activo existente; sin componentes activos; reemplazo directo | No reduce la inyección de armónicos a la red.; sólo una medida de mitigación térmica | Protección de transformador existente donde las cargas armónicas no se pueden cambiar | $20–60/kVA premium sobre estándar |
| Transformador en zigzag | Cancela triplen (secuencia cero) armónicos en neutro | Elimina 3º, 9ª, 15º desde neutral; simple; sin componentes activos | Solo aborda armónicos de secuencia cero; no reduce 5to, 7ª; añade un punto neutro de conexión a tierra | Sistemas trifásicos con grandes cargas de conmutación monofásicas. (Informática, iluminación) | $25–70/kVA |
Mitigación de caídas de voltaje
La mitigación de caídas de voltaje se puede aplicar a nivel de red. (Reducir la frecuencia y profundidad del hundimiento para todos los clientes.) o a nivel de carga individual (recorrido para el proceso sensible específico). Las medidas a nivel de red benefician a muchos clientes pero no pueden eliminar las caídas causadas por fallas en el mismo autobús; Las medidas a nivel de carga son más específicas, pero deben dimensionarse y mantenerse en cada instalación..
| Técnica | Profundidad / cobertura de duración | Ventajas | Contras | Adecuado para | Costo (USD$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Mejora del recorrido (controles) | hundimientos poco profundos, <0.5 s | Costo mínimo; sin hardware a nivel de potencia; inmediato | Profundidad y duración limitadas; Se requiere ingeniería específica para la carga. | contactores de motor, fuentes de alimentación de control de accionamiento, PLCs, bobinas de relé | $1–10/kW (solo controles) |
| Ferrorresonante (CVT) transformar | ~50% de voltaje retenido; regulación continua | Simple; sin electrónica de potencia; regulación de voltaje continuo; larga vida | Altas pérdidas continuas; debe ser de gran tamaño para una protección total; monofásico <15 kVA solamente | Pequeñas cargas sensibles monofásicas: controles, PLCs, instrumentos medicos | $20–80/kVA |
| Interruptor de transferencia estática (STS) | Depende de la calidad del alimentador alternativo | Transferencia rápida (<¼ de ciclo); bajas pérdidas; beneficia a todas las cargas en el autobús | Requiere un alimentador alternativo saludable: el hundimiento simultáneo en ambos alimentadores no proporciona ningún beneficio | parques industriales, campus, centros de datos con alimentación de servicios públicos duales | $100–250/kVA |
| Restaurador de Tensión Dinámica (DVR) | Hasta ~25–50% de voltaje retenido; segundo | Respuesta rápida (1–2 ciclos); bajas pérdidas en funcionamiento normal; Rentable frente a UPS solo para caídas | No puedo manejar interrupciones completas; almacenamiento de energía limitado; La profundidad y duración del hundimiento están limitadas por el almacenamiento. | fábricas de semiconductores, procesamiento de alimentos, fábricas de papel, industria de proceso continuo | $150–350/kVA |
| Almacenamiento de energía en supercondensadores (con convertidor de potencia) | cualquier profundidad; 1–10 segundos | Respuesta rápida; ciclo de vida muy largo; sin degradación de la batería; salva hundimientos cortos limpiamente | Densidad de energía limitada; duración limitada por el tamaño del banco de supercondensadores; alto coste por kWh almacenado | Potencia del puente para caídas cortas; híbrido con DVR o UPS para extender la duración | $300–600/kW almacenado |
| Grupo motogenerador + volante | ~80% de voltaje retenido; 10–30 s de recorrido | Robusto; larga vida; sin pilas; aislamiento eléctrico completo; inercia inherente | Pesado; gran huella; pérdidas rotacionales continuas; comienzo lento después del viaje | Utilidades, tratamiento de agua, petroquímico, defensa | $200–400/kVA |
| UPS (doble conversión) | 100% profundidad; minutos a horas dependiendo de la batería | Protección total incluyendo interrupciones sostenidas; salida limpia y aislada; estándar de la industria para cargas críticas | 5–10% pérdidas continuas; mantenimiento y reemplazo de baterias; duración limitada sin batería extendida | Centros de datos, médico, telecomunicaciones, controles de procesos críticos | $200–500/kVA |
| Automatización del alimentador / seccionamiento rápido | Reduce la duración de la interrupción; no reduce la profundidad del hundimiento | Beneficio a nivel de red para todos los clientes; sin hardware del lado del cliente | No se puede evitar el hundimiento inicial.; inversión de capital de servicios públicos; largo plazo de implementación | Redes de distribución de servicios públicos, comederos rurales, programas de mejora de la confiabilidad | Gasto de capital en servicios públicos: varía |
Mitigación de parpadeo
La mitigación del parpadeo abarca desde cambios operativos sin costo hasta instalaciones de electrónica de potencia a gran escala.. La solución adecuada depende del tipo de fuente., la tasa de repetición de la fluctuación de carga, la P requeridast reducción, y si también es necesaria una compensación armónica simultáneamente.
| Técnica | Pst reducción | Ventajas | Contras | Adecuado para | Costo (USD$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Programación de carga / operación fuera de horas pico | Turnos Plt carga | Costo de capital cero; inmediato; sin hardware | Requiere flexibilidad de proceso; no es una solución de cumplimiento para Pst límites | Hornos de arco y grandes soldadoras en polígonos industriales compartidos | $0 — operativo |
| Soldadora de rejilla/malla: corriente reducida, tiempo de arco extendido | 15–25% | Costo de capital cero; inmediato; sin hardware; impacto marginal en la productividad | P limitadost reducción; no es eficaz para fuentes de parpadeo graves | Soldadoras de rejilla por resistencia con varilla de menor diámetro | $0 — operativo |
| Soldadora de rejilla/malla: soldadura secuencial | ~50% (factor de ~2) | Importante reducción del parpadeo con coste de capital cero. Se suelda una rejilla de N varillas en dos pasadas secuenciales. (v.g.. 7 entonces 8 de 15) — la demanda reactiva por disparo se reduce a la mitad, reducir a la mitad la magnitud del impulso de voltaje | Reduce el rendimiento entre un 15 % y un 20 % en las ejecuciones afectadas; necesita reprogramación del proceso. Solo se requiere para varillas de gran diámetro: la producción más liviana que no causa parpadeos no necesita cambios | Soldadores de rejilla de resistencia con varilla de gran diámetro donde la corriente de soldadura individual provoca un parpadeo significativo | $0 — operativo |
| Mejora del control de electrodos. (EAF) | 20–40% | Reduce la fluctuación reactiva en la fuente sin hardware externo; Controladores digitales modernos disponibles | Dependiente del proceso; rango limitado; requiere la participación del proveedor del horno de arco | Proyectos de modernización de hornos de arco eléctrico. | Incluido en los controles del horno. |
| Condensador en serie en alimentador de distribución. | 60–80% | Pasivo; sin componentes activos; bajo costo; beneficio permanente; Reduce la impedancia de la fuente vista por la carga fluctuante. | Efectivo sólo en alimentadores largos con cargas retrasadas; Se requiere un estudio de diseño detallado.; Se necesita coordinación de protección | Comederos rurales con cargas fluctuantes (desmotadoras de algodon, pozos de agua, aserraderos) | $15–40/izquierda |
| Filtro de derivación pasivo / condensador fijo en PCC | Parcial: dependiente de la carga | Beneficio simultáneo de potencia armónica y reactiva.; bajo costo; sin componentes activos | Compensación fija; puede interactuar con la impedancia de la red; respuesta dinámica limitada | EAF o soldadoras ya equipadas con baterías de condensadores fijas | $20–50/izquierda |
| Banco de capacitores conmutados (TSC) | 30–50% | Más rápido que la compensación fija; menor costo que el SVC completo; mejora PF en pasos | Sólo compensación de cambio de paso, no continua; menos efectivo para fluctuaciones de alta frecuencia | Soldadores de mediana escala, el motor arranca, fuentes de parpadeo moderadas y predecibles | $30–80/izquierda |
| SVC (TCR + condensadores fijos) | 50–70% | Tecnología madura; escalable a cientos de Mvar; costo moderado; base larga instalada | ½ a 1 retraso de respuesta del ciclo; hundimiento residual en el borde anterior y aumento en el borde posterior de cada pulso compensado; requiere filtros armónicos. Ver nota a continuación. | Los hornos de arco, soldadores de gran resistencia, Redes MT/AT | $80–200/izquierda |
| CVS híbrido + filtro pasivo | 65–80% | Costo optimizado para EAF grandes; Maneja armónicos y parpadeos simultáneamente.; probado a potencia ultra alta | Se requiere un estudio de ingeniería complejo; dos sistemas para coordinar y mantener | EAF de potencia ultraalta (>100 megavatio) | $60-150/cada uno combinado |
| STATCOM (Basado en VSC) | 60–80% | Respuesta ~2–5 ms: evita en gran medida la limitación del hundimiento del borde de ataque y del oleaje del borde de salida del SVC; huella más pequeña; Puede suministrar fluctuaciones de potencia tanto real como reactiva desde el condensador de CC. | Mayor costo por metro cuadrado que SVC a gran escala; electrónica de potencia más compleja | Soldadores de alta repetición y EAF donde el retraso del tiristor SVC es una limitación demostrable | $120–300/izquierda |
Ingeniería de calidad de energía., visto desde el lado de la red, es en última instancia la gestión de la infraestructura compartida. Cada carga conectada es simultáneamente una víctima potencial de perturbaciones en el suministro y una fuente potencial de perturbaciones para sus vecinas.. Entendiendo esta relación bilateral — cuantitativamente, y con referencia a las normas aplicables — es la base de una buena práctica de PQ.
Serie de artículos técnicos de IPQDF
Los siguientes artículos tratan temas individuales de esta descripción general con toda su profundidad de ingeniería. — con ejemplos numéricos trabajados, modelos de circuito, cálculos por unidad, y resultados calibrados en campo.
6-Armónicos del VFD de pulso: Espectro, Límites, e impacto en la red
Espectro de corriente armónico completo del extremo frontal del rectificador de seis pulsos. descomposición de Fourier, magnitudes por unidad, IEEE 519-2022 evaluación de cumplimiento en el PCC, y distorsión del voltaje de la red.
Leer artículo →Armónicos y condensadores de factor de potencia: El riesgo de resonancia
Cómo interactúan las corrientes armónicas de los VFD con los bancos de condensadores en derivación para formar circuitos resonantes paralelos. frecuencia resonante, factor de amplificación Q, y mitigación con reactores de desafinación.
Leer artículo →Efectos armónicos en motores de inducción: Contaminación de la red, Estrés del VFD, y mitigación
Tratamiento de dos partes: Armónicos inyectados por los motores a la red de suministro., y armónicos recibidos por los motores debido a un suministro distorsionado — incluidos motores sin VFD propios.
Leer artículo →El rectificador de 6 pulsos como víctima: Distorsión del suministro y confiabilidad de la unidad
La paradoja del cumplimiento examinada en detalle: una unidad que cumple con IEEE 519 Los límites de emisión aún pueden sufrir daños internos cuando la tensión de alimentación se distorsiona.. Cuantificado para escenarios de redes débiles y fuertes.
Muy prontoReferencias
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- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilidad electromagnética (EMC) — Parte 4-30: Técnicas de ensayo y medición — Métodos de medición de calidad de potencia. IEC, Ginebra.
- EN 50160:2010+A3:2019. Características de tensión de la electricidad suministrada por las redes eléctricas públicas.. CENELEC, Bruselas.
- IEEE Std 1159-2019. Práctica recomendada por IEEE para monitorear la calidad de la energía eléctrica. IEEE, Nueva York.
- IEC 61000-2-5:2017. Compatibilidad electromagnética (EMC) — Parte 2-5: Medio ambiente — Clasificación de los entornos electromagnéticos. IEC, Ginebra.
- Arrillaga, J., Watson, N.R. Armónicos de Planta, 2ed. John Wiley & Sons, 2003. ISBN 978-0-470-85129-6.
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- EPRI / CEIDS. El coste de las perturbaciones eléctricas para las empresas industriales y de la economía digital. EPRI, Palo Alto, California, 2001. Informe no. 1006274.
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