Valores_Calculados_Simulados

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Factor Armónico de Distorsión Total de Focos
Ahorrador y Normal
John Pesántez D, Mateo Rengel R, Armando Dominguez.
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Politécnica Salesiana.
Cuenca, Ecuador.
jpesantezd@est.ups.edu.ec
mrengelr@est.ups.edu.ec
adominguez@est.ups.edu.ec
Resumen—El estudio de los armónicos en las redes eléctricas
tiene una gran importancia ya que con un control correcto de la
distorsión de armónicos permite evitar el deterioro de los equipos
electrónicos de precisión.El siguiente trabajo presenta datos
obtenidos del laboratorio para el analisis del factor armónico de
distorsión total, así como del voltaje rms y voltajes fundamentales
de dos tipos de focos, tanto de un ahorrador como de uno
normal para la red eléctrica. Para dicho análisis, podemos utilizar
una herramienta importante dentro de la ingeniería como es el
MATLAB para el procesamiento de datos obtenidos, que permite
llevar a cabo un análisis completo de la señal.
Abstract — The study of harmonics in electrical networks
is very important because with proper control of harmonic
distortion can prevent damage to electronic equipment following
precision.The paper presents data obtained from the laboratory
for analysis harmonic distortion factor of the total, and the rms
voltage and core voltages of two types of bulbs, saving as much
of a regular one for the mains. For this analysis, we use an
important tool in engineering such as MATLAB for processing
data, which allows you to perform a complete analysis of the
signal
Index Terms—armónicos, voltaje fundamental, señal.
I. INTRODUCCIÓN
En tiempos pasados se creía que la aparición de armónicos
en la red, se daba precisamente, por zonas dónde se encon-
traban los parques industriales, donde era posible encontrar
cargas con comprotamiento alineal, lo que queire decir que
su impedancia en éstas cargas, no son constantes y están en
función de la tensión, éstas cargas apesar de ser alimentadas
por un tensiñon sinusoidal, pueden absorber una intensidad
que no sea del tipo sinusoidal, y asi desfasando el angulo de
la corriente respecto con la tensión [5].
El rápido desarrollo de la electrónica de potencia en la
actualidad, asi como del aumento de confiabilidad en sus com-
ponentes, y de la aparición de las lámparas de alto rendimiento
luminico, es decir, focos ahorradores, han mejorado la eficien-
cia, pero así mismo, éstos elementos presentan características
alineales las cuales afectan a la red de distribución [3].
En los sectores residencial, comercial y público es también
notable el aumento de la contaminación armónica en las
redes de distribución debido a la cada vez mayor difusión de
equipamiento con respuesta alineal. Las fuentes conmutadas
para aparatos de televisión y equipos de computación, los
balastos electrónicos sin filtros, los cargadores de baterías para
centrales telefónicas o las fuentes ininterrumpibles son sólo
algunos de los ejemplos que podemos mencionar [1].
Las cargas no lineales se cargan en la red de distribución
y alimentación, afectando la calidad del suministro lo cual
podria dañar equipos sensibles.
La intención de este trabajo es analizar los armónicos en
la red que se producen, al colocar focos ahorradores en las
residencias y sectores comerciales y publicos, comparando con
la afeeción de los focos normales a la misma red [5].
II. DISTORSIÓN ARMÓNICA Y THD
Muchos estudios se han realizado con respecto a la in-
fluencia de las armónicas de corriente y voltaje en aparatos
eléctricos y electrónicos, los mismos que han mostrado que si
existen efectos secundarios sobre el desempeño de muchos de
estos equipos [5].
Uno de los factores que hemos utilizado para cuantificar la
distorsión de armónicos en la red ha sido el factor armónico
de distorsión total, o como sus siglas en inglés THD ( Total
Harmonic Distortion), el cual puede ser aplicable tanto para
corriente como para tensión [6].
Este factor se define como la relacion entre valor eficaz
del total de las componentes armónica para el valor eficaz
correspondiente a la componente fundamental.
THD=
√
V rms2 − V 12
V 1
∗ 100 (1)
Donde:
Vrms: Valor Eficaz.
V1: Valor eficaz de la onda fundamental de voltaje.
El valor rms, tanto en tensión como en corriente se refiere
que produce la misma disipación de calor tanto en alterna
como en continua.
V rms =
√
V 2CA + V
2
CD (2)
O también:
V rms=
V p√
2
(3)
2
Por serie de Fourier:
V rms =
√
V 2o + V
2
1 + V
2
2 + V
2
3 ..... (4)
III. ANÁLISIS DEL FACTOR ARMÓNICO DE DISTORSIÓN
TOTAL (THD) DE LOS FOCOS.
Para poder comprobar la distorsión de armónicos que se
producen por las cargas no lineales, se realizaron ensayos en
el laboratorio y con la ayuda de un osciloscopio digital con
memoria y sondas atenuadas diferenciadas, se registraron las
corrientes de consumo y tensiones, tanto del foco ahorrador
como del foco normal.
La identificación se realizará de dos formas:
Los parámetros son estimados basados en un registro de
datos de entrada - salida obtenidos de la implementación.
Los parámetros estimados estan basados en el registro de
datos procesados a partir de herramientas computaciona-
les.
A partir de las señales obtenidas se aplicó, con la ayuda
del m-file de la herramienta computacional MATLAB, la
transformada rápida de Fourier de los datos de dichas señales
para obtener la distorsión total de los armónicos en la red de
los focos ahorrador y normal, así como del uso de SIMULINK,
que es la otra herramienta de MATLAB para poder realizar
simulaciones de nuestros sistemas.
De los datos obtenidos de los ensayos en el laboratorio,
se hizo las simulaciones para la obtención del factor total de
distorsión de armónicos o THD, combinando cargas resistivas,
en éste caso; y fuentes de corrientes alternas para obtener su
espectro de armónicos correspondientes.
Los resultados de los análisis realizados se resumen en la
Tabla 1 y Tabla 2, los datos calculados de las tablas se obtienen
de (1) y (3).
En la Tabla 1 se muestran los valores obtenidos del análisis
de THD del foco ahorrador apartir de la forma ya explicada,
los resultados obtenidos del procesamiento de datos, y el
impacto de su efecto no lineal en la red.
Cuadro I: TABLA 1 DE DATOS DE FOCO AHORRADOR
DE 605 Ω
Tabla de datos 1
Valores
Medidos Calculados Simulados Procesados
Vrms(V) 128 120.20 120.20 118.79
V1(V) 104 114.47 115.25 108.15
V3(V) 2 36.65 34.12 49.12
THD( %) 8 5 4.29 9.83
Irms(mA) 246 141 135 115.96
I1(mA) 140 122.609 129.44 63.05
I3(mA) 20 69.62 38.32 97.31
THD( %) - 15 4.29 83.923
Comparando los datos, podemos observar que notables di-
ferencias se encuentran entre los valores simulados y medidos,
debido a que la simulación, brinda la información parecida a la
real, mientras que los medidos son los valores reales tomados
de la implementación de los circuitos.
El THD de voltaje, que produce el foco ahorrador sobrepasa
los parámetros ideales que son hasta un 5 %, como se muestra
en la Figura 1b, mientras que el THD de corriente se encuentra
fuera de los parámetros normales debido a la respuesta alineal
que presenta el foco ahorrador, el cual sobrepasa los pará-
metros normales en un 70 %, como se muestra en la Figura
2b.
(a) Forma de onda del voltaje.
(b) Análisis de THD de voltaje.
Figura 1: Análisis en foco ahorrador.
(a) Forma de onda de la Corriente
(b) Análisis del THD de voltaje
Figura 2: Análisis en foco ahorrador
En la Tabla 2 se muestran los valores obtenidos del análisis
3
de THD que produce el foco normal a la red y los resultados
obtenidos del procesamiento de datos que nos dio el oscilos-
copio digital en la práctica.
Cuadro II: TABLA 2 DE DATOS DE FOCO NORMAL DE
605 OHM
Tabla de datos 2
Valores
Medidos Calculados Simulados Procesados
Vrms(V) 129 120.20 120.20 121.62
V1(V) 96 114.476 115.25 111.31
V3(V) 4 36.65 34.12 48.99
THD( %) 8 5 4.29 9.62
Irms(mA) 536 141 135 104.65
I1(mA) 260 122.69 129.44 148
I3(mA) 20 69.62 38.32 94.53
THD( %) - 15 4.29 10.07
El THD de voltaje, que produce el foco normal se encuentradentro de los parámetros normales como se muestra en la
Figura 3b, así mismo el THD de corriente que se presenta
se ubica entre 10 % lo cual está dentro de lo establecido para
una distorsión de armónicos normales, como se ve en la Figura
4b.
(a) Forma de onda del Voltaje
(b) Análisis de THD de voltaje.
Figura 3: Análisis en foco normal.
(a) Forma de onda de corriente
(b) Análisis de THD de corriente
Figura 4: Análisis en foco normal
En la Figura 5, se muestra la simulación del THD con una
fuente de CA que representan el primer armónico.
Figura 5: THD con 1 fuente CA.
En la Figura 6, se observa la simulación del THD con tres
fuentes de CA que representan el tercer armónico.
4
Figura 6: THD con 3 fuentes CA.
IV. CONCLUSIONES
El uso del Simulink y el Mfile de MATLAB, son her-
ramientas muy amplias al igual que sus aplicaciones,
es necesario seguir con el estudio y práctica de estas
herramientas.
El estudio de los armónicos y sus efectos en las redes
eléctricas es de suma importancia puesto que existen
normas que regulan cuál es el valor de armónicos
permitidos en la red. Una vez que estos valores sean
superados es preciso tomar algún tipo de medidas para
evitar contratiempos.
Los armónicos pueden provocar que aparatos electróni-
cos sensibles fallen en su operación y lleguen a de-
teriorarse y allí radica la importancia de saber cómo
reducirlos.
Es importante notar las formas de onda de la corriente y
el voltaje al igual que el THD cuando se varía la carga.
Como podemos notar, al colocar la carga R (carga lineal),
la tensión y la corriente tienen la misma forma de onda
aunque con diferente amplitud.
La forma de onda de la red eléctrica no es totalmente
sinusoidal como la mayoría se podría imaginar. Presenta
una notable distorsión debida a los armónicos presentes
en la red y las diferentes cargas que se conectan a dicha
red.
REFERENCES
[1] M. Brugnoni. Los componentes armónicos de la demanda y sus
efectos sobre las redes de distribución eléctricas. Dpto. Electrotecnia–
Universidad de Bs. As, pages 1 – 7, 2004.
[2] O. Castañeda and W. Castañeda. Análisis de Calidad de Energía acerca
de la Calidad del Producto e Influencia de Armónicos de Corriente dentro
del Área de Concesión de CNEL-Milagro. 2010.
[3] A. Medina. Metodologías Avanzadas para el Modelado y Análisis de
Armónicos y su Impacto en la Calidad de la Energía. Bienal CIGRE,
2001.
[4] G. E. A. Santillán and L. J. V. Molina. Análisis residencial de armónicos
para usuarios tipo A (Plan Piloto) de la ciudad de Latacunga y diseño e
implementación de filtros atenuadores. 2010.
[5] J. Suárez, G. Mauro, D. Anault, and C. Agüero. Análisis de la distorsión
armónica y los efectos de atenuación y diversidad en áreas residenciales.
Revista del IEEE América Latina, 3(5):71 – 77, 2005.
[6] C. G. Tanides, M. Brugnoni, and G. S. Dutt. Characterization of
residential electricity use in Argentine and implications for energy conser-
vation programmes. TECHNOLOGICAL EDUCATIONAL INSTITUTE,
IRAKLIO,(GREECE)., 1:252 – 255, 1996.