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8/18/2019 Version Final Proyecto de Grado A

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉSFACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Proyecto de Grado

COMPENSADOR DINÁMICO DE ARMÓNICOS

Postulante: Ariel Vasquez Pachajaya

La Paz-Bolivia

2015


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Dedicatoria.

Dedicado a toda mi amada familia,

A mis hermanos y en particular a mis padres Ramiro y Amalia

Quienes son mis ejemplos de vida, modelos a seguir, perseverantes y decididos.


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Agradecimientos.

A Dios, porque su ayuda es fundamental en mi diario vivir.

A mi familia y todas las personas que en mi vida,

me dieron su ayuda en todo tiempo

A mi Tutor Jorge A. Nava, por trabajar

con él en este proyecto que me permitió desarrollarme

en el campo de la ingeniería y resolver problemáticas difíciles. A él, mi Admiración y más sincero agradecimiento!

A todos quedo muy agradecido y con Júbilo esta mi ser


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Resumen

En las diferentes ciudades del mundo, se cuenta con diferentes tipos de energíaspara tener un desarrollo pleno. Una energía en particular y que tiene muchoprotagonismo hoy en día es la energía eléctrica. Esta energía siempre ha sido usadapara iluminar casas y energizar maquinaria. Conforme pasa el tiempo la energíaeléctrica evoluciona en su forma de uso. Al evolucionar su uso también empieza aaparecer efectos no deseados, efectos colaterales, las cuales son conocidas comoperturbaciones y afectan la calidad de la energía eléctrica.Estos fenómenos empiezan a aparecer por que se crean nuevos equipos connuevas tecnologías que buscan aprovechar de la mejor forma la energía.Entonces es un hecho que esta tecnología va en incremento, por ende se buscamitigar, reducir estas perturbaciones a niveles imperceptibles.Nuestro País no está exento de esta problemática, pero también estamosdispuestos a afrontar el problema. Para ello, se propuso desarrollar unCompensador Dinámico de armónicos para mejorar el uso de las señales detensión e intensidad requeridas por las cargas en una red de distribución de

energía eléctrica de baja tensión en La Paz, que en base a las consideraciones delproblema enunciado y otras consideraciones técnicas, permitirán generar unequipo que se encargue de mitigar una perturbación especifica conocida comoarmónicos.En su desarrollo se consideró la aplicación de conceptos de Procesamiento Digitalde Señales y Electrónica de Potencia, estructurado bajo la metodología RUP y UML,Se consideró técnicas de adquisición de datos que hoy en día están recomendadaspor normativas y estás técnicas están presentes en otros equipos de diferentespaíses. La simulación juega un papel importante en este proyecto, puesto que seestá incurriendo del mundo de la electrónica al mundo de la electricidad, por ellose debe tomar precauciones.


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Índice General

1. Capítulo Primero.-Introducción .......................................................................................... 1

1.1.- Introducción y Generalidades ................................................................................................. 1

1.2.- Situación Actual ...................................................................................................................... 3

1.3.- Problema ................................................................................................................................. 5

1.4.- Objetivo ................................................................................................................................... 6

1.5.- Justificación ............................................................................................................................. 7

1.6.- Alcances y Límites ................................................................................................................... 7

2. Capítulo Segundo.-Marco Teórico .................................................................................... 10

2.1.- Instrumentación Electrónica. ................................................................................................ 10

2.2.- Sistemas de Adquisición de Datos. ....................................................................................... 10

2.2.1.- Sensores ......................................................................................................................... 112.2.1.1.-Transformadores de Corriente ................................................................................ 11

2.2.1.2.- Transformadores de Tensión .................................................................................. 11

2.2.2.- Acondicionamiento ........................................................................................................ 12

2.2.2.1.- Amplificación ........................................................................................................... 12

2.2.2.2.- Filtrado .................................................................................................................... 12

2.2.3.- Adquisición ..................................................................................................................... 12

2.2.3.1.-Cuantificación .......................................................................................................... 12

2.2.3.2.- Codificación ............................................................................................................. 13

2.2.4.- Tratamiento ................................................................................................................... 13

2.2.4.1.-Procesadores Digitales de Señales. .......................................................................... 13

2.2.4.1.1.- Microprocesadores. ............................................................................................. 14

2.2.4.1.2.- Micro controladores. ........................................................................................... 14

2.2.4.1.3.- Procesador Digital de Señales (DSP). ................................................................... 14

2.2.5 Visualización ..................................................................................................................... 15

2.2.5.1.- Comunicación Hombre-Maquina ............................................................................ 15

2.3.- Electrónica de Potencia ......................................................................................................... 15

2.3.1.- Clasificación de los convertidores .................................................................................. 16

2.4.- Transformadas de Fourier. .................................................................................................... 16

2.4.1.- Transformada Discreta de Fourier. ................................................................................ 17

2.4.1.1- Efectos de la Dispersión. .......................................................................................... 18


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2.4.1.2- Minimización de la dispersión. ................................................................................ 18

2.5. Metodología para el Desarrollo: RUP ..................................................................................... 18

2.5.1. El Proceso de Desarrollo.................................................................................................. 18

2.5.2. Aplicación de RUP para Sistemas Electrónicos ............................................................... 19

3. Capítulo Tercero.- Marco de Referencia. .......................................................................... 20

3.1.- Calidad de Servicio en Redes Eléctricas. ............................................................................... 20

3.2.- Definiciones Relacionadas a armónicos según Normas Internacionales .............................. 21

3.3.- Documentos de Descripción y Normas de Armónicos .......................................................... 21

3.3.1.-Limites de Armónicos Recomendados por la IEEE .......................................................... 23

3.3.2.- Normas de Armónicos En Bolivia ................................................................................... 24

3.4.- Datos de presencia de Armónicos en La ciudad de la Paz .................................................... 24

3.5.- Efectos de los Armónicos ...................................................................................................... 26

3.5.1.- Motores .......................................................................................................................... 26

3.5.2.-Transformadores ............................................................................................................. 26

3.5.3.- Conductores de Potencia ............................................................................................... 27

3.5.4.- Condensadores .............................................................................................................. 27

3.5.5.- Medidores ...................................................................................................................... 27

3.5.6.- Mecanismos de control y relés ...................................................................................... 27

3.5.7.- Interferencia Telefónica ................................................................................................. 28

3.5.8.- Convertidores de Potencia Estática ............................................................................... 28

3.6 Comportamiento de Armónicos en los sistemas de distribución ........................................... 29

3.7.-Soluciones Para atenuar los armónicos. ................................................................................ 29

3.7.1.-Filtro Pasivo ..................................................................................................................... 29

3.7.2.-Filtro Activo ..................................................................................................................... 30

4. Capítulo Cuarto.-Analisis de Requerimientos.................................................................... 32

4.1 Visión General ......................................................................................................................... 32

4 .1.1 Alcances del Sistema ....................................................................................................... 32

4.1.1.1 Funcionalidad ............................................................................................................ 32

4.1.2 Restricciones del prototipo .............................................................................................. 33

4.2. Atributos de requerimientos .................................................................................................. 33

4.2.1 Matriz de Atributos funcionales ....................................................................................... 34

4.3 Especificación de Requerimientos .......................................................................................... 39

4.3.1. Modelo de Casos de Uso ................................................................................................. 39


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4.3.1.1.- Paquetes ................................................................................................................. 39

4.3.1.2.- Actores .................................................................................................................... 39

4.3.1.3.- Adquisición de Datos .............................................................................................. 41

4.3.1.4.-Tratamiento de Datos .............................................................................................. 41

4.3.1.5.- Control .................................................................................................................... 41

4.3.1.6.- Compensación ......................................................................................................... 42

4.3.1.7.- Gestión del Sistema ................................................................................................ 42

4.3.2.- Documentación de los Casos de Uso ............................................................................. 44

4.3.2.1.- Caso de Uso: Mostrar Datos de Armónicos. ........................................................... 44

4.3.2.2.- Caso de Uso: Definir la Magnitud de Parámetros ................................................... 45

4.3.2.3.-Caso de Uso: Procesar Analógicos ........................................................................... 46

4.3.2.4.-Caso de Uso: Transformación .................................................................................. 47

4.3.2.5.- Caso de Uso: Filtrado .............................................................................................. 48

4.3.2.6.- Caso de Uso: Operación de la señal de Control ...................................................... 49

4.3.2.7.- Caso de Uso: Modulación y Generación de Pulsos ................................................. 50

4.3.2.8.- Caso de Uso: Arrancar Sistema ............................................................................... 51

4.3.2.9.- Caso de Uso: Configurar Arranque ......................................................................... 51

5. Capítulo Quinto.-Arquitectura General ............................................................................ 52

5.1.- Componentes del Compensador .......................................................................................... 52

5.1.1.- Descripción de los componentes del sistema ................................................................ 52

5.2.- Módulo de obtención de consignas ...................................................................................... 54

5.2.1.- Descripción del Módulo de obtención de consignas ..................................................... 54

5.3.- Módulo de Control ................................................................................................................ 56

5.3.1.- Descripción del Módulo de Control ............................................................................... 56

5.4.- Módulo de Modulación ......................................................................................................... 57

5.4.1.- Descripción del Módulo de Modulación ........................................................................ 57

5.5.- Módulo de Electrónica de Potencia ...................................................................................... 58

5.5.1.- Descripción del Módulo de Potencia ............................................................................. 58

6. Capítulo Sexto.-Diseño de Circuitos ................................................................................. 61

6.1.- Módulo De Obtención de Consignas .................................................................................... 61

6.1.1.-Circuito Electrónico para la Adquisición de Datos .......................................................... 61

6.1.2.- Transformación y acondicionamiento de la señal ......................................................... 62


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6.1.3.- Procesamiento de datos ................................................................................................ 64

6.1.3.1.- Hardware................................................................................................................. 64

6.1.3.2.- Software .................................................................................................................. 64

6.2.- Modulo de Control ................................................................................................................ 65

6.3.- Modulo De Modulación ........................................................................................................ 66

6.4.- Modulo de Electrónica de Potencia ...................................................................................... 67

6.4.1.- Circuito aislador de la parte electrónica y eléctrica ....................................................... 67

6.4.2.- Circuito de conmutación de potencia ............................................................................ 67

6.4.3.- Inductor de enlace a la red ............................................................................................ 69

7. Capítulo Septimo.-Simulacion .......................................................................................... 74

7.1 Simulación de la etapa de control ........................................................................................... 74

7.1.1.- Sistema a Lazo Abierto ................................................................................................... 74

7.1.2.- Sistema a lazo Cerrado ................................................................................................... 76

7.1.3.- Control PI........................................................................................................................ 77

7.2.- Simulación de la etapa de Modulación ................................................................................. 78

8. Capítulo Octavo.-Validacion E Implementación ................................................................ 82

8.1 Validación. ............................................................................................................................... 82

8.1.1 Fuentes de poder ................................................................................................................. 82

8.2 Realización de Pruebas Para la Validación .............................................................................. 83

8.3 Implementación y Realización de Prueba Final....................................................................... 86

9. Capítulo Noveno.- Conclusiones y Recomendaciones ........................................................... 89

9.1.- Conclusiones. ........................................................................................................................ 89

9.2.- Recomendaciones. ................................................................................................................ 91

Bibliografía ............................................................................................................................. 94

Glosario de Términos .............................................................................................................. 96

Acrónimos .............................................................................................................................. 98

Anexo A. Guía de Manejo de la Plataforma de Desarrollo TMS320C6713dsk ............................ 99

Anexo B. Código fuente a nivel de Hardware ......................................................................... 117 Anexo C. Referencia Técnica de la Plataforma de Desarrollo TMS320C6713DSK...................... 122

Anexo D. Hoja de Datos del Sensor de Corriente de nucleo Partido ........................................ 128

Anexo E. Datos de la Presencia de Armonicos en la Ciudad de La Paz ..................................... 130

Anexo F. Aplicación de RUP en el desarrollo de Proyectos de Sistemas Electrónicos ............... 137


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Índice de Figuras

Figura 1.1. Forma de Onda de la Energía Eléctrica .......................................................................... 1 Figura 1.2. Forma de onda de la energía eléctrica distorsionada .............................................. 2 Figura 2.1. Diagrama de Bloques de un Sistema de Adquisición de Datos .......................... 11

Figura 2.2. Cuantificador Uniforme ................................................................................................... 13 Figura 2.3. Clasificación de los dispositivos de representación de datos. ........................... 15 Figura 2.4. Ilustración del concepto de Dispersión. .................................................................... 18 Figura 2.5. Enfoque RUP de Desarrollo de Sistemas .................................................................... 19 Figura 3.1. Definición de Profundidad de la Muesca y Área de la Muesca ........................... 23 Figura 3.2. Comportamiento de Corrientes Armónicas en un Sistema de Distribución . 29 Figura 3.3. Principio de Funcionamiento de un Filtro Pasivo .................................................. 30 Figura 3.4. Principio de Funcionamiento de un Filtro Activo .................................................. 30 Figura 4.1. Organización del Sistema ................................................................................................ 39 Figura 4.2. Modelo de Actores del Sistema ...................................................................................... 40 Figura 4.3. Modelo de Casos de Uso: Adquisición de datos ....................................................... 41 Figura 4.4. Modelo de Casos de Uso: Tratamiento de datos ...................................................... 41 Figura 4.5. Modelo de Casos de Uso: Control .................................................................................. 42 Figura 4.6. Modelo de Casos de Uso: Compensación .................................................................... 42 Figura 4.7. Modelo de Casos de Uso: Gestión del Sistema .......................................................... 43 Figura 5.1. Propuesta del Compensador Dinámico ...................................................................... 54 Figura 5.2. Fotografías de Transformador de Núcleo Partido ................................................. 55 Figura 5.3. Asignación de pines del Circuito Integrado TLV320AIC23 ................................. 55 Figura 5.4. Plataforma de Desarrollo TMS320C6713dsk .......................................................... 56 Figura 5.5. Controlador PI ..................................................................................................................... 57 Figura 5.6. Circuito Generador de Onda Triangular Simétrica de Alta Frecuencia .......... 58

Figura 5.7. Circuito Comparador ........................................................................................................ 58 Figura 5.8. Condenadores de Alta Potencia .................................................................................... 59 Figura 5.9. Configuración Puente Completo de un inversor ..................................................... 59 Figura 6.1. Circuito de Adquisición de Datos del Módulo Obtención de Consignas ......... 61 Figura 6.2. Circuito de Transformación y Acondicionamiento de señal .............................. 62 Figura 6.3. Circuito de Filtro Pasa Bajos Sallen Key..................................................................... 63 Figura 6.4. Ancho de banda del filtro Pasa Bajos .......................................................................... 64 Figura 6.5. Disposición de módulo de Control del Compensador ........................................... 65 Figura 6.6. Forma de control PI ........................................................................................................... 65 Figura 6.7. Generador de onda Triangular simétrica .................................................................. 66

Figura 6.8. Circuito Comparador ........................................................................................................ 67 Figura 6.9. Circuito Opto acoplador ................................................................................................... 67 Figura 6.10. Circuito Puente completo con Mosfets ..................................................................... 68 Figura 6.11. Características de Mosfet P10NK80Z ....................................................................... 69 Figura 6.12. Inductor de Enlace (Reactor) ...................................................................................... 69 Figura 6.13. Tabla de Propiedades Magnéticas y de Operación de Materiales de Núcleos......................................................................................................................................................................... 70

Figura 6.14. Tabla de Dimensiones Geométricas de Núcleos ................................................... 71


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Figura 7.1. Controlador por modulación de ancho de pulso .................................................... 74 Figura 7.2. Señal de compensación y señal triangular simétrica de alta frecuencia ....... 75 Figura 7.3. Señal de pulsos que imita la señal de Compensación ........................................... 75 Figura 7.4. Señal de Compensación y Señal de pulsos en el dominio de la frecuencia .... 76 Figura 7.5. Controlador por Modulación de Ancho de Pulso realimentado ........................ 76

Figura 7.6. Señales con ganancia unitaria y ganancia de 0.1 .................................................... 77 Figura 7.7. Controlador por Modulación de Ancho de Pulso realimentado con control PI......................................................................................................................................................................... 77

Figura 7.8. Señales con Controlador PI ............................................................................................. 78 Figura 7.9. Simulación del Compensador Dinámico de armónicos ........................................ 79 Figura 7.10. Señal de compensación y señal de modulación .................................................... 80 Figura 8.1. Onda de Corriente de la Fuente de Poder en el Modo de Cambio ..................... 83 Figura 8.2. Espectro Fuente de Poder ............................................................................................... 83 Figura 8.3. Esquema de la medición de armónicos de dos computadores .......................... 84 Figura 8.4. Visualización en Osciloscopio de la señal de Corriente ....................................... 84

Figura 8.5. Visualización en Osciloscopio de Espectro de frecuencias ................................. 85 Figura 8.6. Esquema de la medición de armónicos de dos computadores .......................... 86 Figura 8.7. Visualización en Osciloscopio, de la señal de compensación y señalcompensada................................................................................................................................................ 86


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Índice de Tablas

Tabla 1.1. Distorsión armónica por aplicación................................................................................. 4 Tabla 1.2. Límites de Distorsión de Corriente para Sistemas De Distribución en General(desde 120V hasta 69.000V) ................................................................................................................... 4

Tabla 3.1. Límites de Distorsión por Aplicación ........................................................................... 23 Tabla 3.2. Límites de Distorsión de Corriente para Sistemas de Distribución en General(desde 120 V hasta 69.000 V) .............................................................................................................. 24 Tabla 3.3. Presencia de Armónicos de tensión en un transformador de La Paz ............... 25 Tabla 3.4. Presencia de Armónicos de corriente en un transformador de La Paz ............ 25 Tabla 4.1. Atributos de Requerimientos .......................................................................................... 34 Tabla 4.2. Adquisición de datos: Procesamiento .......................................................................... 35 Tabla 4.3. Adquisición de datos: Configuración ............................................................................ 35 Tabla 4.4. Adquisición de datos: Operación ................................................................................... 35 Tabla 4.5. Tratamiento de datos: Procesamiento ......................................................................... 36 Tabla 4.6. Tratamiento de datos: Operación .................................................................................. 36 Tabla 4.7. Control: Procesamiento ..................................................................................................... 37 Tabla 4.8. Compensación: Procesamiento ....................................................................................... 37 Tabla 4.9. Compensación: Operación ................................................................................................ 37 Tabla 4.10. Gestión del Sistema: Arranque ..................................................................................... 38 Tabla 4.11. Gestión del Sistema: Arranque ..................................................................................... 38 Tabla 4.12. Actores .................................................................................................................................. 40 Tabla 4.13. Documentación del Caso de Uso: Mostrar Datos de Armónicos ....................... 44 Tabla 4.14. Documentación del Caso de Uso: Definir la Magnitud de Parámetros ........... 45 Tabla 4.15. Documentación del Caso de Uso: Procesar Analógicos ....................................... 46 Tabla 4.16. Documentación del Caso de Uso: Transformación ................................................ 47

Tabla 4.17. Documentación del Caso de Uso: Filtrado ................................................................ 48 Tabla 4.18. Documentación del Caso de Uso: Operación de la señal de Control ............... 49 Tabla 4.19. Documentación del Caso de Uso: Modulación y Generación de Pulsos ......... 50 Tabla 4.20. Documentación del caso de Uso: Arrancar Sistema .............................................. 51 Tabla 4.21. Documentación del Caso de Uso: Configurar Arranque ...................................... 51 Tabla 6.1. Amplitud en % de armónicos de una fuente conmutada ...................................... 68 Tabla 6.2. Tabla AWG de Cables, Valores Normalizados ............................................................ 72 Tabla 8.1. Datos de las cargas Utilizadas para su medición de Armónicos ......................... 84 Tabla 8.2. Datos de los Armónicos presentes en la señal de Corriente ................................ 85


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PARTE I. INTRODUCCION Y GENERALIDADES


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Parte I. Introducción y Generalidades Capítulo 1. Marco Teórico

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1. C APÍTULO PRIMERO.-INTRODUCCIÓN

1.1.- INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES La energía eléctrica es un recurso muy importante para el ser humano, puesto que suconsumo presenta grandes beneficios. Los distintos usos que se le da a esta energía van desdela iluminación de recintos hasta manejo de maquinaria en el campo industrial. El hombrebusca aprovechar la energía eléctrica, para alimentar aparatos y máquinas eléctricas-electrónicas, estos aparatos cumplen tareas determinadas, como ser trabajos mecánicos,térmicos y una variedad de tareas.La energía eléctrica puede presentar la siguiente forma:

Figura 1.1. Forma de Onda de la Energía EléctricaFuente: Elaboración Propia

Durante bastante tiempo atrás, los aparatos domésticos y las máquinas industriales queutilizan energía eléctrica eran de gran tamaño respecto a los que existen en la actualidad.Hace tiempo los equipos estaban elaborados en base a componentes eléctricos-electrónicosde característica lineal (Dispositivo Lineal). Con el avance de la tecnología los equipos seelaboran con dispositivos electrónicos de característica lineal y no lineal. Los dispositivos nolineales presentan un tamaño reducido y su funcionamiento puede ser controlado,presentando mejores prestaciones y usos.

El manejo de equipos de característica no lineal es muy ventajoso, pero a consecuencia delmanejo de estos equipos, la forma de la energía eléctrica sufre distorsión, se presenta acontinuación una forma de energía eléctrica distorsionada:


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Figura 1.2. Forma de onda de la energía eléctrica distorsionadaFuente: Elaboración Propia

En la energía eléctrica debido a diferentes causas, se ven afectadas por perturbaciones comolo son los Armónicos, Ínter armónico, Fluctuaciones de tensión de baja frecuencia,Desviaciones de la frecuencia fundamental y Desequilibrio de fases. Cada una de lasperturbaciones mencionadas tiene sus características que provocan en la energía eléctrica

una deformidad en relación con la forma de onda estándar. La perturbación que produce unadistorsión en la forma de onda de la energía eléctrica son los armónicos.

Armónico: El termino armónico está presente en varios campos de la ingeniería, en este casose hace referencia al campo eléctrico. Los armónicos tienen relación con la frecuenciafundamental de la señal de alimentación, con la diferencia que la frecuencia de un armónico esun múltiplo entero de la frecuencia fundamental y además que la magnitud de la amplitud decada componente armónica es menor. Los Armónicos se producen debido a la conexión decargas no lineales en los sistemas de Alimentación de Energía Eléctrica, como serconvertidores, hornos de inducción, soldadoras.

Los armónicos se presentan en la red eléctrica desde hace mucho tiempo y siempre se habuscado todo tipo de soluciones para mitigar esta perturbación que no hace más queconsumir energía innecesaria, provocar sobrecargas en los equipos eléctricos, malosfuncionamientos en dispositivos electrónicos y producir disparos intempestivos dedispositivos de protección. Las posibles soluciones de esta perturbación son: Instalarinductancias para atenuar la corriente, para los variadores de velocidad. Instalar Filtros dearmónicos que pueden ser pasivos, activos e híbridos.

En Bolivia, en el reglamento de calidad de distribución de energía eléctrica estáncontempladas las perturbaciones y más propiamente contempla oscilaciones rápidas detensión y distorsión de armónicas. El reglamento dictamina los límites de corriente armónica

que un dispositivo puede inyectar en la red eléctrica. Los límites son propuestos por laempresa distribuidora al ente Regulador1.

1 Ente Regulador: Es la entidad que se encarga de controlar todo lo relacionado a su competencia, en el caso del sector

eléctrico en Bolivia el encargado es la AE (Autoridad de Fiscalización y control Social de Electricidad)


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En el presente proyecto se propone desarrollar un filtro activo, al que se denominaracompensador activo que posee los módulos de Obtención de Consignas, módulo de Control,Modulación y un módulo de Electrónica de Potencia.

1.2.- SITUACIÓN ACTUAL

A manera de evaluación del escenario actual, tanto a nivel de producción de sistemas yequipos, técnicas de control, tendencias tecnológicas, desarrollos académicos y proyectos deinvestigación, y normativa en lo que se refiere al tratamiento de armónicos, se tiene:

Equipos:

Filtro activo: La empresa Schneider Electric tiene en el mercado el producto conocidocomo Filtro Activo de armónicos AccuSine [8]. Este equipo se encarga de medir lacorriente fundamental, aislándola y midiendo las corrientes armónicas para sucorrespondiente eliminación inyectando una corriente con una fase opuesta alarmónico a ser eliminado de la red eléctrica. De este filtro activo se tomara la

arquitectura que presenta, como lo son la etapa de obtención de consignas, control,modulación y electrónica de potencia.

Técnicas de Adquisición de Datos

Primera técnica: Se utiliza la Transformada Rápida de Fourier (FFT) para calcular elángulo de fase y amplitud de cada orden de armónico y posteriormente la electrónicade potencia está dirigida a producir una corriente de igual amplitud pero en ángulo defase opuesto para órdenes de armónicos específicos [8].

Segunda técnica: es llamado sistema completo cancelador de espectro. Los algoritmos

de control son analógicos. La lógica adquiere una muestra de corriente desde eltransformador, remueve la componente de la frecuencia fundamental e inyecta lacorrección en algunos cientos de microsegundos. De esta manera, todos los “ruidos”

no-fundamentales se retiran de la red eléctrica [8].

Tercer técnica: Es la técnica conocida como el Filtro de Kalman, esta técnica esrecursiva. El Filtro de Kalman necesita datos de entrada, pero conforme pasa eltiempo va estimando los valores de las magnitudes eléctricas siempre y cuando se leprovea de datos estadísticos, además de filtrar el posible ruido a la hora de realizar lasmediciones. Esta técnica es útil para el seguimiento en línea, es decir que en todomomento se tiene datos para ser procesados [4].

Normativa para la evaluación de calidad:

Los armónicos son motivo de estudios, que han derivado en la emisión derecomendaciones y normativa técnica, orientada a minimizar la presencia dearmónicos en los sistemas de alimentación eléctrica:En la normativa IEEE 519-1992 [3] presenta el siguiente límite de la total distorsiónArmónica para distintos casos:


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Tabla 1.1. Distorsión armónica por aplicación Fuente: Recomendación normativa IEEE 519-1992 [3]

Las aplicaciones especiales incluyen hospitales y aeropuertos. Un Sistema dedicado es

exclusivamente dedicado a la carga del convertidor.

Para el caso de la corriente se tiene la siguiente limitación:

Orden Armónico Individual (Armónicos Impares)

n 11THD

(Corriente)


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procesamiento de datos en el dominio de la frecuencia, en este proyecto no se realizala compensación propuesta, pero en las conclusiones está justificado. Realiza ladescripción y manejo de una tarjeta de adquisición de datos que contienen un DSP, elmanejo de esta herramienta será de gran utilidad para la adquisición yprocesamiento de datos.

1.3.- PROBLEMA Los armónicos son la manifestación de la tecnología en electrónica de potencia, dedispositivos de característica no lineal; a continuación se citan ejemplos de cargas no lineales:

En los domicilios podemos contar con distintos electrodomésticos como sertelevisores, hornos de microondas, iluminación fluorescente.En las oficinas existen ordenadores, fotocopiadoras, faxes.En la industria tenemos equipos como ser soldadoras, hornos de arco, hornos deinducción, rectificadores, SAI, Variadores de velocidad para motores asíncronos.

Los armónicos son causantes de sobrecarga en los equipos eléctricos, causan malosfuncionamientos de dispositivos electrónicos y produce disparos intempestivos de equipos de

protección. Cuando se producen disparos intempestivos de equipos de protección, el efecto seobserva en un proceso que realice una industria, el equipo de protección efectuara su acciónparando dicho proceso y hay casos en los que arrancar de nuevo un proceso o simplemente laparada tienen un gran costo.

Los armónicos producidos por equipos son inyectados en la red eléctrica aguas arriba de unainstalación, es decir que los armónicos repercute en instalaciones vecinas, contaminando asíun determinado sector.

En el reglamento boliviano están contemplado los armónicos como una perturbación nodeseable, a la que el distribuidor propone los límites de emisión que un dispositivo puedeinyectar en la red, Esta propuesta se la hace al ente regulador, además a través de un contratose limita la emisión para consumidores no regulados. En Bolivia al estar en constante

crecimiento tecnológico es inminente la utilización de equipos que contaminen la redeléctrica. Podemos mencionar que muchos hogares se va incrementando la necesidad de tenerequipos de característica no lineal, como son los televisores, cocinas eléctricas, computadoras,así también en el ámbito industrial se hace necesario para mejorar la producción un variadorde velocidad, SAI y muchos otros elementos que se irán implementando a lo largo del tiempo.

Existen dos tipos de sistemas para eliminar los armónicos:

Compensadores de característica pasiva. Este tipo de compensadores estándiseñados para mitigar armónicos existentes, pero ante la aparición de diferentesarmónicos conforme pasa el tiempo, el compensador pasivo está limitado en suaccionar, entonces surge la necesidad de la investigación y utilización decompensadores activos.

El Compensador activo es un sistema que puede eliminar armónicos que vanapareciendo a lo largo del tiempo, sin la necesidad de hacer un reemplazo en laparte física del sistema, los requerimientos son modificados a través deprogramación.

Para ello, un requerimiento necesario es disponer del conocimiento y capacidad suficiente enmanejar todo lo relacionado con el compensador activo.


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En el presente proyecto se plantea el desarrollo de un compensador dinámico referido a lossistemas de control, puesto que el sistema estará tomando datos todo el tiempo y modificandociertas características debido a los datos de entrada.Entonces será necesario investigar los métodos de adquisición y procesamiento de datos,también será necesario aprender acerca de la electrónica de potencia, que involucraaprendizaje sobre los elementos, diseño con los mismos y manejo físico (manejo y

experimentación de los elementos).

La idea de mitigar esta perturbación con lleva a plantear los siguientes puntos:

Contar con datos sobre armónicos existentes en la ciudad de La Paz para poderutilizar la información.Se necesitara de adecuación, adquisición, procesamiento de datos y generación deseñales de control para que con la electrónica de potencia se pueda inyectar unacorriente de compensación a baja tensión.El conseguir una medición de forma de onda lo más rápida y confiable posible (esdecir poder contar con una buena instrumentación).Conseguir información práctica que muestre cual es el aporte de los distintosarmónicos (orden de los mismos) sobre los diferentes equipos para así definircuáles serán los armónicos que deben tener mayor prioridad para sucorrespondiente compensación.Conseguir el material eléctrico adecuado para cumplir el cometido trazado.Surge la problemática a la hora de establecer la técnica de control que es el filtrode Kalman que conlleva a una serie de requerimientos estadísticos de losarmónicos.

1.4.- OBJETIVODiseñar un sistema de compensación dinámica de armónicos presentes en la red dedistribución de energía eléctrica de baja tensión, en base a técnicas de ingeniería de control yprocesamiento de señales, para permitir un mejor uso de las señales de tensión e intensidad

por las cargas, reduciendo los posibles inconvenientes que pudieran presentarse en losequipos, componentes y sistemas que estuvieran conectados como cargas a la red interna delcliente.

Para lograr ello será necesario:

Evaluar las técnicas de procesamiento de señales que más se adecuen a lascaracterísticas de las señales de la red comercial de distribución.Investigar acerca de la presencia de armónicos en las redes de distribuciónexistentes en las ciudades de La Paz y/o El Alto de Bolivia, identificando susefectos y aquellas que son más frecuentes.Analizar la normativa, recomendaciones y estándares que han sido desarrolladospara evaluar, analizar y mitigar la presencia de contaminantes como los

armónicos en las redes de distribución de energía eléctrica.Obtener destrezas y capacidades con un sistema de desarrollo de procesamientode señales para implementar las técnicas más adecuadas de adquisición yprocesamiento.Evaluar las condiciones de operación, en cuanto a alimentación de energíaeléctricas, que requieren los equipos y sistemas que están frecuentementeoperando en las redes internas de las industrias en Bolivia, y de las que seanalizara un caso en particular.


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Evaluar los componentes y circuitos de electrónica de potencia que más seajusten a los requerimientos de adaptación de señales y a la inyección de señalesen la red de distribución de energía eléctrica.Estudiar cuál será el lugar más adecuado para realizar la inyección de señales quepermitan corregir la presencia de determinados armónicos en la red dedistribución interna de los clientes.

Evaluar y priorizar todos los requerimientos a nivel de instrumentación y controlque se vayan a aplicar en la compensación de armónicos, así como el número dearmónicos a evaluar y los lugares de operación.Diseñar la arquitectura del sistema, a nivel de hardware y software, considerandoque el procesamiento y actuación del sistema debe producirse de manera rápida ycon requerimientos de tiempo real estricto.Diseñar un módulo acondicionador y otro de transducción y/o actuación para lainyección de señales de compensación en la red de energía eléctrica del cliente.Implementar un prototipo en base a un sistema de desarrollo de procesamientode señales, que permita demostrar parcialmente la funcionalidad del sistemadiseñado.

1.5.- JUSTIFICACIÓN

Técnica: Se aprovecharía la energía eléctrica de tal forma que evite un innecesarioconsumo, además que una mejor onda eléctrica (señal) consumida, evita loscalentamientos excesivos de los equipos eléctricos y un correcto funcionamiento de losequipos eléctricos-electrónicos.

Económica: La reducción de perturbaciones en la alimentación eléctrica tiene efectos alargo plazo, ya que permitirá que el tiempo de vida útil de los equipos eléctricos,electrónicos se prolongue haciendo que una empresa no recurra a desechar los equiposde manera mediata y puedan esperar en la compra de nuevos equipos. Así también evitarfuturas multas y sanciones económicas por el ente regulador.

Académica: El presente proyecto aporta de gran manera en el conocimiento de equipos,con el que cuenta la carrera de Ingeniería Electrónica, el manejo de un Sistema deDesarrollo que contiene un procesador digital de señales (DSP), para su uso en diversasaplicaciones incluidas las industriales.

1.6.- ALCANCES Y LÍMITES

La realización del proyecto tiene los siguientes límites y alcances:

El proyecto fue realizado con el Sistema de Desarrollo de Texas InstrumentsTMS320c6713dsk con la que se dispone en la carrera de Ingeniería Electrónica.El sistema al que se llegó, tiene validez dentro de un recinto dado. No seconsiguió un ambiente netamente industrial, el sistema fue simulado.Lo que delimito totalmente el proyecto es la parte de la electrónica de potencia,puesto que la experimentación fue más compleja de lo previsto, pero, si se realizósimulación del funcionamiento de estos componentes.Se cuenta con la medición de Corriente Eléctrica, pues se consiguió el sensor decorriente eléctrica que responde de manera rápida y no filtra los armónicos.


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El desarrollo del sistema está basado en un DSP, que tiene como fin, cumplir con la técnica deAdquisición y Generación de datos, es decir, que con mayor rigurosidad se implementó elalgoritmo para el desempeño de la Transformada Discreta de Fourier. En lo que se refiere a laelectrónica de potencia se realizó la parte de simulación.


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PARTE II. ASPECTOS REFERENCIALES DEL PROYECTO


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Parte II. Aspectos Referenciales del Proyecto Capítulo 2. Marco Teórico

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2. C APÍTULO SEGUNDO.-M ARCO TEÓRICO

Algunos de los aspectos metodológicos, técnicos y tecnológicos en los que se apoya el trabajo,han sido compilados en este capítulo con la finalidad de disponer de una referencia rápida delos mismos, y de requerir abundar en los contenidos de tales aspectos, se dispone de lasentradas existentes en la sección de Bibliografía o de forma in-extensa en algunos Anexos.

Entre los aspectos que se incluyen, se encuentran los referidos a: la instrumentaciónelectrónica, conceptos de Sistemas de Adquisición de datos, conceptos de electrónica de

potencia y finalmente se describe la Metodología RUP aplicada al desarrollo del proyecto.

2.1.- INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA.

La instrumentación electrónica es la parte de la electrónica, que se encarga del diseño ymanejo de los aparatos electrónicos y eléctricos, para su uso en mediciones. Lainstrumentación electrónica se aplica en el proceso de medición, realizando el muestreo,acondicionamiento y procesamiento de la información proveniente de variables físicas oquímicas o de otra naturaleza, a partir de las cuales se realiza el monitoreo y control deprocesos industriales de producción y/o servicios, empleando dispositivos y tecnologíaselectrónicas.

2.2.- SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS.

En cualquier actividad relacionada con la ciencia y la tecnología surge la necesidad de medirvariables físicas. Un sistema de adquisición de datos es el instrumento para obtenerinformación de un determinado proceso o del estado de una planta. En general, los sistemasde adquisición de datos constan de cinco elementos básicos:

1. Los sensores que convierten un fenómeno físico en una magnitud eléctrica.2. Un bloque acondicionador que realiza el acondicionamiento para aislar, filtrar,

convertir y/o amplificar la señal.3. Un sistema de adquisición que convierte la señal del dominio analógico al digital.4. Un sistema de tratamiento que realiza operaciones con los datos (información digital)

con objeto de transformarlos en información útil.5. Un sistema de representación cuyo objeto es comunicar los resultados al usuario.


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Figura 2.1. Diagrama de Bloques de un Sistema de Adquisición de DatosFuente: Elaboración Propia

2.2.1.- SENSORES

2.2.1.1.-T RANSFORMADORES DE C ORRIENTE

Un transformador de corriente (TC) es un dispositivo que convierte una intensidad decorriente alta en otra proporcionalmente más baja, para poder ser medida.

El devanado primario del transformador se conecta en serie con el circuito cuya intensidad de

corriente se desea medir, en el devanado secundario se presenta en sus bornes una señalreducida de la original, la cual puede alimentar un circuito capaz de interpretar y realizar lamedición.

Según su construcción existen estos tipos de transformadores:

a. Tipo Devanado Primario: tiene más de una vuelta el devanado primario, losdevanados primario y secundario están completamente aislados y ensambladospermanentemente al núcleo.

b. Tipo barra: los devanados primario y secundario están completamente aislados yensamblado permanentemente al núcleo, el devanado primario consiste en un

conductor tipo barra que pasa por la ventana de un núcleo.c. Tipo boquilla o Bushing: el devanado secundario está completamente aislado y

ensamblado permanentemente al núcleo, el conductor primario pasa a través delnúcleo y actúa como devanado primario.

2.2.1.2.- T RANSFORMADORES DE T ENSIÓN

Un transformador de tensión funciona para tomar una señal de voltaje de alto valor y reducirsu valor, para poder ser tratada a un más bajo nivel de potencia.

El devanado primario del transformador se conecta en paralelo con el circuito cuyo voltaje se

desea medir, al conectar el devanado primario en paralelo con el circuito, se toma unapequeña corriente de excitación que produce el flujo magnético común, el cual esta acopladomagnéticamente al devanado secundario, este devanado secundario presenta en sus bornesuna señal más pequeña que la original, pero proporcionalmente similar.

Sensor

Acondicionamiento Adquisición Tratamiento Visualización


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2.2.2.- ACONDICIONAMIENTO

2.2.2.1.- AMPLIFICACIÓN

La amplificación en un sistema electrónico consiste en un bloque con una entrada y una salida

que se encarga de tomar la señal presente de esa entrada y situarla en la salida con un nivelmayor de potencia.

Las señales eléctricas pueden ser corrientes o tensiones por lo que tendremos cuatro tipos deamplificadores según su entrada y su salida:

a) Amplificadores con entrada y salida en tensión.b) Amplificadores con entrada y salida en corriente.c) Amplificadores con entrada en tensión y salida en corriented) Amplificadores con entrada en corriente y salida en tensión.

2.2.2.2.- F

ILTRADO

Todo circuito electrónico posee un determinado comportamiento en frecuencia, en ciertasocasiones se busca limitar el paso de determinadas frecuencias, mas propiamente dicho, sebusca limitar la banda.

Para lo cual se diseña un circuito conocido como filtro, que deja pasar determinadasfrecuencias y otras son atenuadas.

La necesidad del filtrado de una determinada señal contempla el hecho de la existencia deruido que suele tener un espectro de frecuencias muy amplio.

2.2.3.- ADQUISICIÓN

Las variables analógicas (señales eléctricas) requieren de una transformación a un formatodigital para ser tratadas por un procesador digital. Esto significa que cada valor de la señaltiene que estar representado por un código diferente y para ello, el sistema de medidanecesita una interfaz capaz de realizar esa función, llamado Convertidor Analógico Digital(CA/D)

2.2.3.1.-C UANTIFICACIÓN

Cuantificar una señal eléctrica continua consiste en representar sus valores en forma de unaserie finita de N niveles de tensión o corriente.

El sistema que realiza esta función recibe el nombre de Cuantificador.


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Figura 2.2. Cuantificador Uniforme Fuente: Elaboración Propia

El intervalo de cuantificación se representa por h.El cuantificador de alcance unitario en el que el número de estados o niveles diferentes desalida sea N, tiene por resolución:

Resolución=1/(N-1) (2.1)

Si expresamos N en forma de una potencia de base 2, es decir, N= (donde n es el número de

bits del código binario con que se representa a N), la resolución toma la siguiente forma:

Resolución=1/( -1) (2.2)

2.2.3.2.- C ODIFICACIÓN

Codificar es representar mediante varios dígitos los diferentes estados o niveles finitos de uncuantificador.

La generalidad de los procesadores digitales interpretan códigos binarios en los que lascifras utilizadas sólo son dos, el cero (0) y el uno (1) y a la cifra se le denomina bit ( BinaryDigit )

2.2.4.- TRATAMIENTO

Para el tratamiento de señales digitales se utiliza los Procesadores digitales de señales.

2.2.4.1.-P ROCESADORES DIGITALES DE S EÑALES .

Se presentan las diferentes tecnologías que permitirían el procesamiento digital de señales.

1

2

3

I

J

N-1

N

0 h 2h Hh lh (N-2)h (N-1)h

SALIDA

ENTRADA


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2.2.4.1.1.- M ICROPROCESADORES .

Un microprocesador (µP) es un circuito programable integrado en una única pastilla de silicioque realiza las funciones encomendadas a un procesador digital.

Un microprocesador no se utiliza de forma aislada y necesita de otros circuitos de apoyo paraconformar un sistema computador. Entre los dispositivos externos están la unidad dememoria donde se almacena el programa y los datos y la unidad de entrada/salida quepermite la transferencia de información con el exterior desde y hacia el computador.

2.2.4.1.2.- M ICRO CONTROLADORES .

Un micro controlador (µC) está basado, como el µP, en un circuito integrado, pero incluye enuna misma pastilla de silicio gran parte de la funcionalidad que le permite actuar como unsistema computador autónomo adaptado a tareas de control y con una capacidad especialpara conectarse directamente con el proceso.

Un micro controlador puede integrar en un mismo chip: memoria, circuitos temporizadoresque permiten medir intervalos de tiempos o contar sucesos, convertidores A/D y D/A para lalectura y control de las variables del proceso, puertos de comunicación serie y paralelo,salidas y entradas digitales para el control de dispositivos discretos.

2.2.4.1.3.- P ROCESADOR DIGITAL DE S EÑALES (DSP).

Un DSP es un procesador digital cuyo hardware y conjunto de instrucciones está optimizadopara la implementación eficiente de aplicaciones de procesamiento numérico intensivo a altavelocidad. Este tipo de procesadores ejecutan, generalmente, los algoritmos típicos de

procesamiento digital de señal, como el filtrado digital y el análisis espectral, entre otros. Estetipo de algoritmos se requieren a menudo en sistemas que procesan señales analógicas entiempo real. El tiempo real indica que un sistema debe dar una respuesta en un tiempoestablecido y predecible.

En numerosos algoritmos de procesamiento digital de señal, se realizan operacionesmatemáticas de gran complejidad y sofisticación a través de operaciones sencillas,básicamente multiplicaciones y sumas acumuladas. El DSP está especialmente acondicionadopara realizar este tipo de operaciones y repetirlas sistemáticamente de forma inteligente,generalmente utilizando un solo ciclo de reloj. Comparado con un microprocesador genérico ocon un microcontrolador, el DSP presenta unas diferencias relacionadas básicamente con su

capacidad numérica de computación. Los µP tienen un carácter más universal, no estánpensados para ninguna aplicación específica y menos para el procesamiento numéricointensivo; los µC están más dirigidos hacia el control. Ambos requieren varios ciclos de relojpara completar el tipo de operaciones que se mencionan lo que puede resultar muy costoso entiempo, sobre todo cuando el proceso se hace muy repetitivo, algo habitual en los algoritmosde procesamiento digital de señal.


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A las capacidades de cálculo del DSP debe añadirse además su capacidad para realizartransferencias eficientes de los datos procedentes del exterior, en general, disponiendo depuertos de alta velocidad y procesadores especializados en transferencias de E/S de tipo DMA(Direct Memory Access).

2.2.5 VISUALIZACIÓN

2.2.5.1.- C OMUNICACIÓN H OMBRE -M AQUINA

Un sistema de adquisición requiere, en última instancia, comunicar la información a unoperador humano.

En todo sistema de presentación de información es deseable que esta se realice siempre de laforma más clara y simple posible.

Existen los siguientes dispositivos capaces de representar la información.

Figura 2.3. Clasificación de los dispositivos de representación de datos. Fuente: Elaboración Propia

2.3.- ELECTRÓNICA DE POTENCIA

La electrónica de potencia se encarga del estudio de como procesar y controlar el flujo de

energía eléctrica. Los circuitos electrónicos de potencia funcionan utilizando dispositivossemiconductores como interruptores, para controlar o modificar una tensión o una corriente.Las aplicaciones de los circuitos electrónicos de potencia abarcan desde los equipos deconversión de alta potencia, como los sistemas de transmisión de corriente continua (cc),hasta aparatos de uso común, como por ejemplo destornilladores eléctricos sin cable o lasfuentes de alimentación de los ordenadores portátiles. Las aplicaciones típicas de laelectrónica de potencia son: La conversión de corriente continua en alterna (cc en ca), la

DISPOSITIVOS DEREPRESENTACIÓN DE DATOS

INDICADORES REGISTRADORES

DIGITALESANALOGICOS

AGUJA DISPLAYS

PASIVOSACTIVOS


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conversión de corriente alterna en corriente continua (ca en cc), la conversión de una tensióncontinua no regulada en una tensión continua regulada y la conversión de una señal alterna dedeterminada amplitud y frecuencia en otra señal de amplitud y frecuencias distintas.

El diseño de los equipos de electrónica de potencia precisa de numerosas disciplinas de la

ingeniería eléctrica. La electrónica de potencia incluye la aplicación de la teoría de circuitos, lateoría de control, electrónica, electromagnetismo, microprocesadores y transferencia de calor.

2.3.1.- CLASIFICACIÓN DE LOS CONVERTIDORES

El objetivo de los circuitos electrónicos de potencia consiste en modificar las señales detensión y corriente de la carga, para que dicha carga pueda ser utilizada de forma óptima. Loscircuitos electrónicos de potencia convierten una forma de onda de corriente o de tensión deun cierto tipo o nivel en otro; por esto se denominan convertidores . Los convertidores seclasifican según la relación existente entre la entrada y la salida:

Entrada CA/salida CCLos convertidores ca-cc producen una salida continua a partir de una entrada alterna. A losconvertidores ca-cc se les denomina, específicamente, como rectificadores .

Entrada CC/salida ca

El convertidor cc-ca se denomina, específicamente, como inversor.

Entrada CC/salida cc

El convertidor cc-cc resulta útil cuando la carga requiere una corriente o una tensión continua

especifica (normalmente regulada).

Entrada ca/salida ca

El convertidor ca-ca puede utilizarse para cambiar la amplitud y/o frecuencia de una señalalterna.

2.4.- TRANSFORMADAS DE FOURIER.

El propósito del análisis de Fourier es calcular las componentes de frecuencia múltiples de lafundamental de una onda periódica. El matemático Jean Babtiste Josep Fourier descubrió que

toda función repetitiva y continua en un intervalo de tiempo, puede ser representada por lasuma de una componente sinusoidal fundamental y una serie de componentes armónicas queson múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.

Esta suma llamada serie da lugar a la serie de Fourier, esta serie establece una relación entrela función expresada en el dominio del tiempo y su expresión correspondiente en el dominiode la frecuencia.


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La serie de Fourier es un caso particular de la transformada de Fourier, tanto la serie como latransformada tratan con funciones continuas.

En la vida real, no siempre se trabajan con funciones continuas, por eso, se necesita que lainformación tenga forma de muestras caracterizadas por una serie de valores de la amplitud

de la función a intervalos fijos.La transformada de Fourier es más apropiada para el análisis de señales, mientras que latransformada de Laplace es más apropiada para el análisis de sistemas.

A continuación se describe la Transformada Discreta de Fourier.

2.4.1.- Transformada Discreta de Fourier.

La transformada discreta de Fourier (DFT) con N puntos, de una señal con Nmuestras x[n] y la transformada Inversa discreta de Fourier (IDFT), que transformaen x[n], se definen como:

Cada relación es un conjunto de N ecuaciones. Cada muestra de la DFT se obtiene através de la suma ponderada de todas las muestras de x[n]. Una de las propiedades

más importantes de la DFT y su inversa es la periodicidad implícita. El exponenteexp(±j2πnk /N) que aparece en las definiciones es periódico tanto en N como en k, conperiodo N:

(2.5)

Consideramos la función sinusoidal de la forma

(2.6)

La DFT de N puntos de una sinusoidal con periodo N y un F= tiene dos muestras distintas

de cero

(2.7)


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2.4.1.1- E FECTOS DE LA DISPERSIÓN .

Si una señal x(t) se muestrea en número no entero de periodos, la DFT presentará los efectosde la dispersión, que son componentes distintas de cero en las frecuencias diferentes a ± ,debido a que la extensión periódica de una señal con periodos no enteros no coincide con la

señal original, como se ilustra en la figura:

Figura 2.4. Ilustración del concepto de Dispersión.Fuente: Procesamiento de Señales Analógicas y Digitales, Ashok Ambarad

2.4.1.2- M INIMIZACIÓN DE LA DISPERSIÓN .

En condiciones ideales, las señales periódicas deben muestrearse en un número entero deperiodos para evitar la dispersión, pero en la práctica puede no ser tan fácil identificar conanticipación el periodo de una señal. En tales casos, es mejor muestrear la mayor duraciónposible de la señal (para disminuir la falta de coincidencia entre la extensión periódica de lasseñales analógica y muestreada). El muestreo durante más tiempo (mayor duración) no sóloreduce los efectos de la dispersión, también produce un espectro con un espaciamiento más

próximo y una estimación más exacta de la señal original. Otra manera de reducir ladispersión es multiplicando las muestras de la señal por una función de ventana.

2.5. METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO: RUP

Se ha establecido que una metodología para desarrollar sistemas consta de dos elementosfundamentales, un proceso y una notación. El proceso es el conjunto de pasos ordenados pararealizar las actividades de desarrollo y la notación representa las reglas para realizarActividades de desarrollo y la notación representa las reglas para especificar y modelas losresultados del proceso. En este apartado se describe el proceso de desarrollo del proyectosiguiendo las guías RUP, particularizándolo para sistemas integrales hardware y software.

2.5.1. EL PROCESO DE DESARROLLO

RUP proporcionan una disciplina para gestionar tareas y responsabilidades en un proyecto.Su objetivo es asegurar la alta calidad de sistemas para satisfacer las necesidades de losusuarios finales, con una planificación predecible.


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Las actividades RUP crean y mantienen modelos. Esto debido a que se enfoca en la producciónuna gran cantidad de documentos y a que enfatiza el mantenimiento y desarrollo de modelos.En efecto, el RUP es una guía para usar efectivamente el UML [19].

a) Enfoque RUP del desarrollo de sistemas. El RUP plantea su desarrollo en dosdimensiones:

1. A través del tiempo, expresada en términos de ciclos, faces interacciones e hitos.

2. a través de componentes del proceso, descrito en actividades, flujos de trabajo,artefactos (resultados) y participantes.

Cada dimensión genera guías específicas para llevar adelante un proyecto (ver figura 2.5)

.Figura 2.5. Enfoque RUP de Desarrollo de Sistemas

Fuente: Aplicación de RUP [19]

2.5.2. APLICACIÓN DE RUP PARA SISTEMAS ELECTRÓNICOS

La aplicación de la metodología RUP en sistemas electrónicos ha sido incorporada en losproyectos que integran hardware y software y que fueron realizados en la carrera deIngeniería Electrónica en la mansión Control. La misma que se fundamenta bajo los siguientesaspectos:

Si bien RUP permite gran flexibilidad para muchos sistemas, requiere de gran esfuerzoa la hora de aplicarlos a otros de menor complejidad, debido a que se lo debecomprender en profundidad a fin de discriminar los elementos a utilizar.

Las guías RUP han sido concebidas para sistemas de software. En el enfoque de estetrabajo se han integrado los aspectos hardware y software del sistema


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Parte II. Aspectos Referenciales del Proyecto Capítulo 3. Marco de Referencia

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3. C APÍTULO TERCERO.- M ARCO DE

REFERENCIA.

El escenario en el que se desarrolla el proyecto es un recinto puntual, en el que existen fuentesgeneradoras de armónicos, a baja tensión, por lo que las referencias debe estar enmarcadaspara lo que puede hacer el Usuario.

3.1.- CALIDAD DE SERVICIO EN REDES ELÉCTRICAS.

La calidad del suministro de energía eléctrica se puede definir como: “la ausencia relativa de

variaciones de la señal de tensión". Esta definición corresponde al punto de vista del nivel decalidad que suministran las compañías eléctricas a sus clientes. Un cliente cualquiera tiene lapercepción de que la calidad del servicio eléctrico es simplemente la ausencia relativa devariaciones de la señal de tensión en el punto de servicio.

Las perturbaciones producidas por otros usuarios, o incluso por el equipo del propio usuario,afectan la calidad del servicio.

Las compañías eléctricas diseñan sus sistemas distribución de electricidad para proporcionarenergía de una forma segura. Sin embargo no es posible proporcionar una energía de lacalidad requerida para asegurar el funcionamiento sin perturbación de cualquier carga. Unabuena calidad de servicio no implica un servicio perfecto. La utilización normal de la energíaeléctrica genera perturbaciones y se pueden producir problemas en las redes eléctricas, tantodebido a fenómenos naturales como a su propio uso.

Entonces, para tener niveles de calidad buenos de la energía eléctrica suministrada serápreciso limitar las perturbaciones que generan los equipos conectados al sistema eléctrico.

Una perturbación en particular, son los armónicos, que son los responsables de deformar laforma de onda de la energía eléctrica.


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3.2.- DEFINICIONES RELACIONADAS A ARMÓNICOS SEGÚN NORMAS INTERNACIONALES

La norma IEEE 519-1992 Recomendaciones Prácticas y Requerimientos de la IEEE paracontrol de Armónicos en Sistemas Eléctricos de Potencia, tiene por definición de Armónico “Una componente sinusoidal de una onda periódica que posee una frecuencia múltiplo de la

frecuencia fundamental”

La Norma IEC 61000-4-7 Guía general sobre armónicos e interarmónicos define la frecuenciaarmónica como “Una frecuencia la cual es múltiplo entero de la frecuencia de la fuente depoder (fundamental)” ( ).

La Distorsión Armónica Total (THD) según la norma IEEE 519-1992 es la relación del valorde la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados (r.m.s.) de todos los armónicos al valorefectivo (r.m.s.) de la fundamental.

(3.1)

(3.2)

Estas definiciones son necesarias para entender las normas internacionales y nacionales conrespecto a los armónicos.

La Total Distorsión Demandada (TDD) según la norma IEEE 519-1992 es la distorsión decorriente armónica en % de la máxima corriente de carga demandada, durante 15 o 30minutos de demanda.

3.3.- DOCUMENTOS DE DESCRIPCIÓN Y NORMAS DE ARMÓNICOS Los armónicos son perturbaciones no deseadas, pero existentes, si su presencia no escontrolada o limitada, puede causar diversos problemas.Según el IEEE, Working Group Power System Harmonics existen once áreas donde losarmónicos causan problemas.

1. Fallos en los bancos de condensadores debido a ruptura dieléctrica o sobrecarga en lapotencia reactiva.

2. Deficiencia en los sistemas de telemando de conmutación remota, control de carga ymedida que emplean portadora de RF por la línea de potencia.

3. Perdidas excesivas producidas por calentamiento en máquinas de inducción y enmáquinas síncronas.

4. Sobretensiones y sobre corrientes producidas por resonancias a las tensiones ycorrientes armónicas en la red.

5. Ruptura dieléctrica de cables aislados producida por sobretensiones armónicas.6. Interferencia inductiva con sistemas de comunicaciones.


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7. Errores en medidas. Se han encontrado errores en los aparatos trifásicos de medida deenergía del 2 %, y hasta del 35 %en los medidores de demanda de KVA, cuando actúancon voltajes y corrientes no sinusoidales,

8. Interferencia y mal funcionamiento de los equipos de protección, particularmente enlos de estado sólido y en los sistemas controlados por microprocesador.

9. Interferencia con controladores de grandes motores y sistemas de excitación deplantas de energía.

10. Oscilaciones mecánicas en máquinas de inducción y en máquinas síncronas.11. Funcionamiento inestable de circuitos de disparo basados en detección de cruce por

cero.Además también se han identificado problemas en las siguientes áreas adicionales:

12. Calentamiento excesivo en los transformadores debido a la dependencia del núcleocon la frecuencia.

13. Cambio en el tamaño y brillo de la pantalla de televisión si los armónicos afectan alvoltaje de pico.

14. Efectos en los computadores y en la producción automática computarizada.El principal objetivo de la normalización en cuanto al contenido de armónicos es establecerlímites de sus niveles con el fin de proteger a otros usuarios y a la red en sí misma, de susefectos negativos y permitir el funcionamiento correcto de los equipos sensibles a ellos.

Una norma representa el resultado de un acuerdo o compromiso entre diferentes partesimplicadas en la resolución de un determinado problema. En el caso de la limitación dearmónicos, estas partes son las empresas eléctricas suministradoras y distribuidoras,fabricantes de equipos con generación de armónicos, fabricantes de equipos sensibles a losarmónicos, representantes de las organizaciones de normalización nacionales y expertos de

universidades o institutos de investigación. Debido a la contraposición de los requerimientoses preciso alcanzar un compromiso en cuanto a la limitación de los niveles de armónicos:

Se deben limitar los niveles de voltaje y corriente armónica a valores que el sistema depotencia y sus componentes puedan tolerar.

Otros sistemas (red telefónica, redes informáticas), no deben ser perturbados por losarmónicos.

El consumidor debe recibir una energía eléctrica de buena calidad. Los fabricantes de convertidores de potencia electrónicos y equipos de ahorro de

energía no deben estar limitados en sus desarrollos por estrictos límites del nivel dearmónicos.

El consumidor de energía normalmente está implicado en la distorsión de la forma de onda detensión. Por esto, en la totalidad de las normativas o recomendaciones, los límites se refieren alos niveles de tensión armónica. Sin embargo, debido a la propagación de las corrientesarmónicas, pueden darse casos de resonancias en la red. En este caso la distorsión de latensión puede variar y la misma carga perturbadora puede causar una alta “contaminación”

en un momento del día y prácticamente ninguna en otros. Por esta razón en algunasnormativas también se limitan los niveles de las corrientes armónicas.


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3.3.1.-LIMITES DE ARMÓNICOS RECOMENDADOS POR LA IEEE

El grupo de trabajo “IEEE-PES Power System Harmonics” en el documento IEEE-519 describelos límites recomendados para la distorsión de tensión y de corriente.

El documento IEEE Project 519 se emplea dos criterios para evaluar la distorsión armónica:1. Calidad de voltaje.2. Limitación de la corriente armónica que un usuario puede transmitir al sistema.

En lo que se refiere a calidad de voltaje la distorsión total armónica de voltaje se recomiendaque no se excedan los siguientes niveles

Tabla 3.1. Límites de Distorsión por AplicaciónFuente: Recomendación normativa IEEE 519-1992 [3]

Las aplicaciones especiales incluyen hospitales y aeropuertos. Un Sistema dedicado esexclusivamente dedicado a la carga del convertidor.

Una explicación de profundidad de muesca se explica gráficamente con la siguiente figura:

Figura 3.1. Definición de Profundidad de la Muesca y Área de la MuescaFuente: Recomendación normativa IEEE 519-1992 [3]

Ahora para la limitación de corriente Armónica se tiene la siguiente tabla donde serecomienda no exceder la distorsión total armónica de corriente.

Aplicaciones Especiales Sistema en general Sistema dedicado

Profundidadde la muesca

10% 20% 50%

THD (Voltaje) 3% 5% 10%Área de laMuesca ( )

16400 22800 36500


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Orden Armónico Individual (Armónicos Impares)

n 11 TDD


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OrdenTensión de

Armónicos (V) Orden

Tensión deArmónicos (V)

2 0,442 17 0,078

3 0,096 18 0,132

4 0,051 19 0,135 3,106 20 0,147

6 0,46 21 0,125

7 3,963 22 0,483

8 0,126 23 0,575

9 0,402 24 0,153

10 0,183 25 0,166

11 0,028 26 0,189

12 0,053 27 0,129

13 0,107 28 0,028

14 0,271 29 0,049

15 0,058 30 0,079

16 0,239

Tabla 3.3. Presencia de Armónicos de tensión en un transformador de La PazFuente: Elaboración Propia

Fecha: 25/01/2013Tiempo: 15:43:11

=224 VEl THD de voltaje es de 5.2 %.

A continuación se muestra datos de armónicos de corriente:

OrdenIntensidad deArmónicos (A) Orden

Intensidad deArmónicos (A)

2 0,514 17 0,24

3 15,267 18 0,379

4 0,318 19 0,118

5 13,793 20 0,154

6 0,254 21 0,19

7 27,912 22 1,794

8 0,097 23 1,396

9 2,875 24 0,72

10 0,016 25 0,285

11 0,409 26 0,212

12 0,139 27 0,359

13 0,644 28 0,249

14 0,339 29 0,293

15 0,613 30 0,104

16 0,362

Tabla 3.4. Presencia de Armónicos de corriente en un transformador de La PazFuente: Elaboración Propia


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Fecha: 25/01/2013Tiempo: 15:43:11

=132.669 AEl THD de Corriente es de 33%

3.5.- EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS

El tipo de carga menos susceptible a los armónicos son aquellas cargas que tienen por función,elevar la temperatura, podemos hablar de cargas como hornos.

Las cargas más susceptibles a los armónicos son los equipos de comunicación y equipos deprocesamiento de datos. A continuación se mencionara los efectos armónicos para distintascargas.

3.5.1.- MOTORES

Los motores son cargas relativamente tolerantes de armónicos, pero, debido al incremento

del calentamiento a causa de pérdidas en el cobre y en el hierro, llega a afectar la eficiencia dela máquina, y puede afectar el par desarrollado por el motor.

Los armónicos impares, tal como el quinto y el séptimo armónico, tienen el potencial paracrear oscilaciones mecánicas en una combinación turbina-generador o un sistema motor-carga.

Las oscilaciones mecánicas resultan cuando el par del motor oscilante, causado por lainteracción entre las corrientes armónicas y el campo magnético de la frecuenciafundamental, excita una frecuencia de resonancia mecánica, por ejemplo, el quinto y elséptimo armónico pueden combinarse para producir una estimulación de torsión sobre un

rotor generador en la frecuencia armónica sexta. Si la frecuencia de una resonancia mecánica,existe cerca de la frecuencia de excitación eléctrica, pueden desarrollarse grandes esfuerzosmecánicos.

La resultante de las oscilaciones mecánicas puede causar fatiga y envejecimiento en el eje y enpartes mecánicas conectadas.

3.5.2.-TRANSFORMADORES

El efecto de los armónicos en transformadores es doble: las corrientes armónicas causan unincremento de las pérdidas en el cobre y pérdidas de flujos dispersos, y los voltajes armónicos

causan un incremento de las pérdidas en el hierro. El efecto total es un incremento en elcalentamiento del transformador.

Las pérdidas del Transformador pueden dividirse en pérdidas con cargas y pérdidas sin carga.Las pérdidas con carga pueden subdividirse en pérdidas en el devanado y pérdidas dedispersión.


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Estas pérdidas de dispersión son corriente de Eddy debido al flujo electromagnético dispersoen el devanado, núcleo, abrazadera del núcleo, protector magnético, pared del tanque y otraspartes estructurales del transformador.

3.5.3.- CONDUCTORES DE POTENCIA

El flujo de una corriente no sinusoidal en un conductor causara un calentamiento adicionalpor encima de lo que se esperaría para el valor rms de la forma de onda. Esto es debido a dosfenómenos conocidos como “efecto piel” y “efecto proximidad”, que varían en función de lafrecuencia así como también del tamaño y el calibre del conductor. Como resultado de estosdos efectos la resistencia efectiva AC, , es elevada con respecto a la resistencia DC, ,especialmente para conductores largos. Cuando una forma de onda de corriente que esabundante en armónicos de alta frecuencia circula por un conductor, la resistenciaequivalente para este conductor es elevada, que se traduce en un aumento de las pérdidas

3.5.4.- CONDENSADORES

Un mayor inconveniente se presenta con el uso de condensadores en un sistema de potencia,debido a la posibilidad de resonancia del sistema. Este efecto emplea voltajes y corrientes queson considerablemente superiores a lo que sería el caso sin resonancia.

La reactancia de un banco de condensadores disminuye con la frecuencia, y el banco, actúacomo una carga para corrientes armónicas altas. Este efecto incrementa el calentamiento y elesfuerzo dieléctrico.

El resultado del incremento en el calentamiento y esfuerzo de voltaje provocado por los

armónicos es un acortamiento en la vida del condensador.

3.5.5.- MEDIDORES

Los medidores e instrumentos son afectados por componentes armónicas, particularmente sila existencia de condiciones de resonancia puede resultar en altos voltajes y corrientesarmónicas en los circuitos. Los dispositivos con disco de inducción, tal como vatímetros,normalmente ven solo la corriente fundamental; sin embargo, el desbalance de faseocasionado por las distorsiones armónicas puede causar operaciones erróneas en estosdispositivos.

3.5.6.- MECANISMOS DE CONTROL Y RELÉS

Las corrientes armónicas pueden incrementar el calentamiento y las pérdidas en mecanismosde control, por lo tanto reducen la capacidad de carga de la corriente de estado sólido yacortan la vida de algunos componentes aislantes.

Los fusibles sufren una reducción en su capacidad nominal debido al calentamiento generadopor los armónicos durante la operación “normal”.


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Un estudio canadiense ha establecido los efectos de los armónicos en operaciones de relés talcomo sigue:

Los relés muestran una tendencia a operar más lentamente y/o con valores pico muyaltos, es preferible que opere con más rapidez y/o con valores pico muy bajos.

Los relés de baja frecuencia estática son susceptibles a sustanciales cambios en lascaracterísticas de operación. Para diferentes fabricantes, los relés de sobre corriente o sobre voltaje muestran

diferentes cambios en las características de operación. Dependiendo del contenido armónico, la operación de torsión de los relés es a veces

inversa. A veces los armónicos dañan la operación de alta velocidad de los relés diferenciales

3.5.7.- INTERFERENCIA TELEFÓNICA

La presencia de voltajes o corrientes armónicas en los circuitos asociados con aparatos

convertidores de potencia pueden producir campos magnéticos y campos eléctricos quedañaran el funcionamiento satisfactorio de los sistemas de comunicación que, por virtud o porsu proximidad y susceptibilidad, pueden ser distorsionadas. Para un arreglo físico dado, esaparente que la distorsión es una función de la amplitud y la frecuencia de la componentedistorsionada en el equipo de conversión.

3.5.8.- CONVERTIDORES DE POTENCIA ESTÁTICA

Los dispos

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