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INVESTIGACIONES LOGRADAS CON UN ANALIZADOR DE CALIDAD
DE ENERGIA CONSTRUIDO EN LA UCA.
Ing. David. Torres.
Departmento de Electrónica e Informática, Universidad José Simeón Cañas, El salvador.
1
Resumen:
En La Universidad Centroamericana José Simón Cañas
(UCA) se construyó un equipo confiable de bajo costo, con
tecnología de adquisición de datos, con un software de
análisis personalizado con LabVIEW; con el objetivo
obtener una monitorización de parámetros eléctricos
directamente vinculados con la calidad de energía eléctrica
en subestaciones de baja tensión. Ante las normativas de ley
que penalizan la incidencia del usuario en la red eléctrica,
resulta ser muy útil.
Utilizando la información que puede monitorearse se
ejecutan análisis diversos tanto en la parte de distorsión
armónica, factor de potencia como análisis de voltaje que
ayudan a obtener conclusiones interesantes para la
resolución de problemas. Algunos se presentan el articulo a
continuación.
Se realiza una explicación de manera amplia del dispositivo,
mostrando las etapas de su construcción y el funcionamiento
de cada uno de los componentes. Igualmente, se ha expuesto
el hardware de National Instruments que se utilizó en este
trabajo. Se hace una pequeña introducción sobre el entorno
de trabajo de LabVIEW, además se explica cómo se ha
elaborado la lógica del software.
Luego se presentan problemas a los que se ha dado solución
utilizando el mencionado equipo como lo son:
1- Monitoreo de subestaciones.
2- Análisis de UPS pequeños medianos y
centralizados.
3- Estudio de una subestación con anomalías para
buscar soluciones correctivas.
II.
Palabras claves: SIGET, Calidad de Energía, THD,
LabVIEW, Daq.
I.
INTRODUCCIÓN
Este proyecto surge de una necesidad presentada en la
universidad, debido las normas de la SIGET sobre calidad
de energía. Para la realización de mediciones de manera
fácil y confiable, se construyó el equipo virtual como una
herramienta de adquisición y procesamiento de datos
necesarios para monitorear los parámetros eléctricos para el
análisis de la calidad de energía en una subestación en baja
tensión. Este equipo es uno de 3 etapas desarrolladas en
distintos trabajos de graduación y al que se hace mención en
este proyecto como un equipo para las investigaciones.
Para mostrar la elaboración de dicho dispositivo se
introduce primero la teoría sobre la calidad de energía y sus
parámetros más importantes. Por ello, se introduce al lector
los parámetros eléctricos básicos para la comprensión de
este problema definiéndose voltaje, corriente, factor de
potencia, armónicas etc.
Los parámetros sobresalientes e investigados son:
interrupciones de energía, armónicas, factor de potencia,
flickers, y otras más.
CONCEPTOS DE CALIDAD DE
ENERGÍA
El término de calidad de energía, de manera amplia, empezó
a aparecer en el momento en el que se desarrollaron aparatos
que funcionan a base de semiconductores como lo son los
diodos en los rectificadores de las fuentes de AC/DC, etc.
Algunos de los factores a tomar en cuenta en la calidad de
engría son:
Interrupciones de energía
Se dice que ha habido una interrupción de energía cuando
se origina una caída de voltaje mayor al 7%, para la ciudad,
del valor nominal y que ha tenido una duración mayor a un
minuto.
Las interrupciones sostenidas son aquellas que duran un
tiempo prolongado, así como días o semanas.
Factor de potencia
El factor de potencia es también uno de los parámetros que
se miden para determinar la calidad de energía de una
instalación eléctrica.
En nuestro país, se ha estipulado que el factor de potencia
no debe de ser menor a 0.9. Cuando en una instalación
eléctrica el factor de potencia es menor a dicho valor, se
aplicará una multa al usuario que esté provocando dicho
retraso o adelanto fuera de norma.
Armónicas.
Triangulo de potencia
La señal de voltaje y corriente son sinusoidales. En nuestro
país, la frecuencia es de 60 HZ. Aparatos o dispositivos que
trabajan con convertidores AC/DC que contienen diodos,
capacitores, UPS, entre otros. Todos ellos trabajan con
impulsos de corrientes para funcionar. Estos impulsos de
corriente provocan la aparición de señales a frecuencia
diferente que 60 Hz.
La representación gráfica que se utiliza para la potencia
compleja se llama triángulo de potencia.
Estas señales con frecuencias diferentes se sobreponen a la
fundamental, que es la original sinusoidal de 60 Hz y la
distorsionan. Aparecen componentes en diferentes
frecuencias y en el espectro de frecuencia se puede
distinguir la contribución porcentual de cada una de ellas.
Las armónicas más comunes son las de 3era, 5ta y 7ta
componente, siendo la más dañina la de 3er orden.
Como se muestra en le figura2 la potencia compleja S es la
suma vectorial de las potencia activa P (la potencia eléctrica
que se transforma en calor o trabajo) y la potencia reactiva
Q (potencia utilizada para la formación de campos eléctricos
y magnéticos de la carga que se presentara en entre la carga
y la fuente).
Voltajes y corrientes sinusoidales
Los sistemas de energía eléctrica con los que contamos en la
actualidad son sistemas sinusoidales. Cuando hay cargas no
lineales aparecen corrientes de otras frecuencias. Para su
estudio y representación se utiliza el análisis de series de
Fourier nombrado así en honor al matemático francés
Joseph Fourier, quien nos presenta la idea de poder
representar cualquier señal periódica como una serie de
sumas de funciones trigonométricas seno y coseno. Para el
caso de la corriente sería asi:
I = I1cos (ωt)+I2cos (2ωt)+I3cos (3ωt)+…
Figura 2: triángulo de Potencia
Distorsión Armónica total THD
Es la relación de contenido armónico de la señal y la
primera armónica o fundamental. Su valor se ubica entre 0%
e infinito. Las armónicas son múltiplos enteros de la señal
original de entrada. Esta señal original es la primera
armónica y se le llama frecuencia fundamental. El valor de
distorsión armónica es:
Su representación en tiempo y frecuencia se ven en la fig.1.
Con esta característica de la señal podemos darnos cuenta de
su nivel de deformación. Este valor se conoce como TDD
dentro las normativas de la SIGET.
III. REGULACION DE LA CALIDAD DE
NERGÍA
La regulación de la calidad de energía en El Salvador se
hace por medio del ente llamado SIGET (Superintendencia
de Electricidad y Telecomunicaciones) y dicha regulación se
basa en el ACUERDO No. 192-E-2004. Este acuerdo es la
normativa vigente en nuestro país que establece las
disposiciones de operación de los distribuidores y usuarios
para mantener una calidad de energía en la red eléctrica del
El Salvador.
Figura 1: representación en el tiempo y en frecuencia
Están relacionados con la presencia de armónicos en la red.
El vigente acuerdo denominado “NORMAS DE CALIDAD
DE
SERVICIO
DE
LOS
SISTEMAS
DE
DISTRIBUCIÓN,” el cual se identifica con el código 192E-2004, presenta los requerimientos de la señal brindada por
la distribuidora del servicio eléctrico, así como la incidencia
del usuario en la calidad del producto. En este caso se
mencionarán no a profundidad.
Y la tasa de distorsión total como:
Armónicos
Para este estudio, es de vital importancia comprender los
rangos en los cuales las corrientes armónicas son permitidas,
así como la calidad del producto que se debe recibir por
parte de la distribuidora.
Existen algunas definiciones proporcionadas para las
normas que se deben mencionar:
Período de Medición: el lapso mínimo para la medición de
los parámetros de la Calidad del Producto será de siete días
calendario, denominado Período de Medición (Art. 18).
Intervalo de Medición: Dentro del Período de Medición, la
medición de los parámetros de distorsión armónica será de
10 minutos. A estos lapsos de tiempo se le denomina
intervalos de medición (Art. 19).
Por lo tanto, la medición de distorsión armónica debe ser
realizada por un período de siete (7) días continuos en
intervalos de diez (10) minutos.
Límites Admisibles para la Distribuidora
Según el artículo 45 del acuerdo, la distribuidora no debe
pasar de los niveles contenidos en la tabla 2 presentada a
continuación.
Dónde:
VDAT%:
Distorsión Armónica Total de Voltaje
(popularmente conocida como THD, por sus siglas
en inglés).
TDI: Distorsión Armónica Individual de Voltaje.
Vi:
Componente de la intensidad de corriente de la
armónica de orden i.
V1:
Componente de la intensidad de corriente de la
frecuencia fundamental (60 Hz).
Hay que notar que Vi es el valor del voltaje en la
componente armónica i y V1 es el valor de voltaje de la
componente fundamental (60 Hz).
Incidencia del usuario en la calidad del producto.
Existen parámetros que deben ser cumplidos por el usuario
con el fin de no afectar la señal de la distribuidora. Para ello,
se introducen los valores de Distorsión Armónica Total de la
Corriente y la Distorsión Armónica Individual de la
Corriente dentro del art. 49 del acuerdo.
Distorsión Armónica Total de la Corriente:
Órdenes
impares
no
múltiplos
de 3 (n)
Tasa de
distorsión
individual
(%)
5
7
11
13
17
19
23
25
6.0
5.0
3.5
3.0
2.0
1.5
1.5
1.5
>25
Órdenes
impares
múltiplos
de 3
(n)
Tasa de
distorsión
individual
(%)
Órdenes
pares
(n)
Tasa de
distorsión
individual
(%)
3
9
15
21
>21
5.0
1.5
0.3
0.2
0.2
2
4
6
8
10
12
>12
2.0
1.0
0.5
0.5
0.5
0.2
0.2
0.2+1.3*25/n
LÍMITE DE LA TASA DE DISTORSIÓN TOTAL = 8 %
Tabla 2 – Límites de distorsión armónica de voltaje en redes
de media y baja tensión [2]
Donde la tasa de distorsión individual (TDI) % se encuentra
definida como:
Distorsión Armónica Individual de la Corriente:
DATI: Distorsión
Armónica
Total
de
Corriente
(popularmente conocida como THD, por sus siglas
en inglés).
DAII: Distorsión Armónica Individual de Corriente.
Ii:
Componente de la intensidad de corriente de la
armónica de orden i.
I1:
Componente de la intensidad de corriente de la
frecuencia fundamental (60 Hz).
Estos son requisitos para instalaciones con una demanda
mayor a 10 KW (según reforma). En el art. 50 se definen el
rango de parámetros permitidos para usuarios de energía
eléctrica conectados a una red de distribución. Dichos
rangos se encuentran en la tabla 3.
Potencia ≤
10 kW
Orden de la
armónica
(n)
Intensidad
Armónica
(amperios)
5
2.28
7
1.54
11
0.66
Órdenes
13
0.42
impares
no
17
0.26
múltiplos
19
0.24
de 3
23
0.20
25
0.18
>25
4.5/n
3
4.60
Órdenes
9
0.80
impares
15
0.60
múltiplos
21
0.21
de 3
>21
4.5/n
2
2.16
4
0.86
6
0.60
Órdenes
8
0.46
pares
10
0.37
12
0.31
>12
3.68/n
Distorsión Armónica Total de
Corriente %
Potencia >
10 kW
Distorsión
Armónica
Individual
de Corriente
(%)
12.0
8.5
4.3
3.0
2.7
1.9
1.6
1.6
0.2+0.8*25/n
16.6
2.2
0.6
0.4
0.3
10.0
2.5
1.0
0.8
0.8
0.4
0.3
20
TABLA 3. Límites de distorsión armónica de la corriente de
carga en media y baja tensión [2].
De la tabla anterior se observa que existe un rango definido
para la contribución individual de las componentes
armónicas y la contribución total de cada una (DATI o
THD).
El acuerdo es claro en definir las mediciones que son
necesarias para el estudio de calidad de energía, poniendo
como indispensables las mediciones de Corriente de Carga,
Distorsión Armónica Total de la Corriente de Carga y la
Distorsión Armónica Individual de Corriente de Carga. Por
ello, en este estudio se tomarán dichas mediciones para
cumplir con estos requerimientos.
IV.
DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE
EMPLEADO PARA LA MEDICIÓN DE
CALIDAD DE ENERGÍA
El sistema debe reunir las siguientes características:

Nivel máximo de voltaje del sistema bajo medición
será de 240V.

La máxima corriente que el sistema es capaz de
medir por fase, viene limitada por el transductor
que se utilice. Para el presente trabajo de
graduación se cuenta con transductores con
capacidades de 400A y de 1200A de corriente
alterna.

Para reducir costos, el sistema contendrá módulos
de adquisición de datos con un nivel máximo de
entrada de ± 10V, por lo que es necesario contar
con una etapa de atenuación que reduzca el voltaje
de medición hasta un valor tolerable por el módulo
de entradas analógicas.

El prototipo final debe ser lo suficientemente
pequeño para ser fácilmente transportable de un
lugar a otro.

En funcionamiento el sistema debe brindar la
posibilidad de visualizar en tiempo real, a través de
una PC, los valores y el comportamiento de las
señales.
Dispositivo de adquisición de datos NI USB-6009.
NI USB-6009 DAQ Multifunción de Bajo Costo de 14 Bits,
48 kS/s
 8 entradas analógicas (14 bits, 48 kS/s).

2salidas analógicas (12 bits a 150 S/s), 12 E/S
digitales; contador de 32 bits.

Energizado por bus para una mayor movilidad,
conectividad de señal integrada.

Compatible con LabVIEW, LabWindows/CVI y
Measurement Studio para Visual Studio .NET.
La tarjeta NI USB 6009 se conecta por medio del puerto
USB, esto le da la capacidad para trabajar con una
computadora de escritorio o bien con una portátil. Tiene 8
entradas referidas a tierra. De estas ocho se puede hace un
arreglo para utilizarlas como cuatro en forma diferencial, lo
cual concede muchas ventajas técnicas. Las entradas
analógicas tienen una resolución de trece bits, un rango de
muestreo de 48kS/s y un rango de entrada de 0 a 10 Volts.
Circuito acondicionador de señal
Los voltajes que se encuentra comúnmente en el lado de
baja tensión de las subestaciones se encuentran por debajo
de los 240 VAC y en las industrias hay subestaciones con
voltajes mayores a éstos a no ser que alimenten cargas
aisladas como motores o equipo que funcione únicamente a
ese voltaje. Es por esta razón que el equipo de medición de
la calidad de la energía que se ha implementado puede
conectarse a cualquier sistema trifásico cuyo valor sea igual
o menor a 240VAC.
nodo hasta un diagrama de bloques determina el orden de
ejecución de los programas.
Dado que las entradas del NI USB-6009 y del NI-9215
tienen un rango máximo de entrada de ± 10V, es necesario
implementar una etapa que sea capaz de reducir los voltajes
de la red hasta un valor que sea tolerable para los módulos, y
que a su vez provea de protección en caso de que se presente
una falla. En la fig. 3 se presenta el diagrama de bloques del
circuito acondicionador de señal.
Las partes en las que se divide la solución de un problema se
podían identificar como sigue:
- Adquisición de datos. Fig. 5.
- Acondicionamiento de datos. Fig. 6.
- Escalamiento.
- Cálculos de parámetros.
- Presentación de valores. Fig 7
- Características extras de programación.
Figura 3: circuito acondicionador de señal
Conexión del sistema de medición
El equipo consta de una entrada de voltaje por sus cables y
una de corriente por sus donas extensibles a tres de voltaje y
tres de corriente. En la figura se muestra midiendo una
conexión trifásica cuatro hilos.
Figura 5
Figura 6
Figura 4: conexión trifásica de 4 hilos
Descripción del software empleado para la medición de
calidad de energía
LabVIEW
(Laboratory
Virtual
Instrument
EngineeringWorkbench) es un lenguaje de programación
gráfica que usa íconos, que son programas, en lugar de
líneas de texto para crear aplicaciones. En contraste con los
lenguajes de programación basados en texto donde las
instrucciones determinan el orden de la ejecución del
programa, LabVIEW utiliza una programación mediante
flujo de datos, donde el flujo de información a través de un
Figura 7
Los datos pueden mostrarse en el panel frontal en forma
numérica o grafica como pueden ser guardados en un
archivo. En nuestro caso, además de mostrarse datos
numéricos y gráficos, se guardan en tabla de Excel.
Fase
Voltaje [V]
Corriente
[A]
%THD I
Factor de
potencia
Fase 1
120.284374
232.705028
14.034254
0.93978
Fase 2
119.685261
262.603685
11.47944
0.935918
Fase 3
120.980202
199.417893
6.367375
0.884786
Fase 1
120.164696
166.385379
18.499785
0.956176
Fase 2
119.485931
161.166097
17.532175
0.962616
Fase 3
120.877325
126.00209
7.736089
0.973515
Tabla 4
V.
MEDICIONES Y RESULTADOS
Para monitorear las subestaciones de la universidad, se han
realizado trabajo de tesis en los cuales se han construido
sistemas distintos utilizando programación LabVIEW:
1- Por medio de una interfaz con tarjetas daq y un
adaptador que supera los niveles de voltaje a medir.
2- Por medio de una interfaz con tarjetas daq y
construyéndole un acondicionador de señal para
llevarla al nivel de los voltajes a medir
3- Por medio de un compactRIO sin necesidad de una
computadora.
Para las investigaciones a realizar se utiliza el segundo caso:
Por medio de una interfaz utilizando tarjetas daq y
construyéndole un acondicionador des señal para llevarla al
nivel de los voltajes a medir.
El equipo es capaz de monitorizar subestaciones y cualquier
carga en baja tensión mostrando los resultados de los
diferentes parámetros eléctricos antes presentados.
En esta grafica podemos ver los valores de armónicos contra
tiempo y poder hacer análisis de las situaciones de carga de
la mencionada subestación. Cabe mencionar que en estas
mediciones se encontraron valores mayores a los
establecidos con el acuerdo de la SIGET, línea roja.
Resultados y análisis
Para encontrar la causa de dicho problema, basta con ver los
horarios en los cuales la distorsión se incrementa, siendo
estos en las horas de madrugada. Al observar las horas del
día, con carga de trabajo, se observa que no cae en valores
prohibidos por la SIGET. Pero al ver los valores de
madrugada, donde casi no hay carga, se observa que
sobrepasa los valores de THD de 20%. Este es el caso típico
de cargas no lineales de bajo consumo permanente en
paralelo con cargas de mayor consumo en horas de trabajo.
Al estudiar las cargas del edificio se encontró que en día
entra toda carga de trabajo, pero por la noche quedan
conectados, en su mayor parte, los UPS en vacío que son
una carga no lineal. Se concluyó que los circuitos de
conmutación dentro de los UPS, a los cuales están
conectados los ordenadores de los laboratorios, son la causa
principal de dicha distorsión armónica.
Se ha podido estudiar diferentes cargas para situaciones que
producen mayores problemas de armónicos. Esto nos ayuda
obtener una mayor información para la toma de decisiones
en el aspecto de la calidad de engría. Como medida
preventiva se desconectaron, por la noche, los UPS y se
obtuvo la medición mostrada en la gráfica 2.
1- Monitoreo de subestaciones.
Se realizaron mediciones en las subestaciones en baja
tensión del edificio de ingeniería dentro de la universidad.
En la gráfica 1 se presenta datos de THD I.
Gráfica 2
Se puede observar que el simple hecho de desconectar las
cargas de los UPS, por la noche, hace que la distorsión
armónica individual disminuya casi la mitad de su valor.
Hay que hacer notar que quedaron algunas oficinas no
apagaron sus UPS.
Gráfica 1
2- Análisis de UPS
centralizados.
pequeños
medianos
y
Como investigación, se procedió a realizar un estudio de
calidad de energía en varios UPS: Pequeños, medianos y
centralizados como lo son el de informática y del ICAS.
Al realizar los análisis se encontraron las siguientes
respuestas mostradas en las siguientes gráficas.
Grafica 4, valores de THD en la fase 2, UPS informática.
Gráfica 3 UPS pequeño en vacío.
Al analizar diferentes UPS se encontró que la mayoría tiene
la gráfica anteriormente mostrada, no así los UPS que dan
salida señorial que tiene un dato en vacío que está
ligeramente debajo de un THD de 20%.
En los UPS centralizados se encontró que tienen un THD en
vacío que está cerca de un THD de 20%. Ligeramente
arriban en el del ICAS y abajo del mencionado valor el de
Informática. Ver graficas 4, 5 y 6.
Grafica 5, valores de THD en la fase 3, UPS informática.
Resultados
Se observa que estos UPS centralizados de mayor presentan
un valor de THD bastante bajo. Es de esperarse que para un
equipo de mayor costo tenga sistemas para disminuir la
deformación armónica. El utilizar sistemas de este tipo
ayudarían a la Universidad a disminuir el THD.
3- Estudio de una subestación con anomalías para
buscar soluciones correctivas.
Grafica 3, valores de THD en la fase 1, UPS informática.
SE realizó un estudio en la subestación ICAS por presentar
un problema de perdida de voltaje en una fase. La situación
se hace crítica porque los sistema de aire acondicionado
desconecta ante esa pérdida de voltaje. El problema viene de
mucho tiempo atrás. Pero hasta hoy con el incruento de
carga se hace manifiesto. Se han realizado varios estudios
por diferentes compañías con soluciones de alto costo sin
tener resolución del problema. Se ha reparado la línea de
alta, pruebas del transformador. Todas las repuestas llevan a
la conclusión que el transformador está malo, ya no sirve y
hay que cambiarlo. Es un transformador trifásico de gran
capacidad y varios miles de dólares.
Se realizó análisis con el analizador de calidad de energía ya
mencionado. Se estudió el voltaje de salida del
transformador contra la corriente de carga y se observó que
una de las faces presenta anomalías como se muestran.
[2] SIGET. NORMAS DE CALIDAD DE SERVICIO DE
LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN, ACUERDO 320E-2011, 2011.
[3] TESIS. APLICACIONES USANDO COMPACTRIO
9074. ENERO 2011.
VII. AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo es parte de los resultados obtenidos
en la investigación realizada para optar al grado de
Ingeniero Electricista (o Licenciado en Ciencias de la
Computación) de la Universidad Centroamericana "José
Simeón Cañas" UCA.
Grafica 6, voltajes (azul) y corriente (roja) contra hora.
Resultados.
Como se puede ver, con un valor de corriente (180 A), que
está muy abajo del máximo (833 A), se tiene una gran caída
de voltaje (102 V).definitivamente el trasformador presente
problemas, se estudió bien y se vio que está malo. Pero
conociendo que hay un desbalance de voltajes en la UCA,
de parte del SUR. Se realizó un giro en las fases y se logra
obtener una ventana de caída de voltaje aceptable y los
sistemas de aire operan perfectamente. El trasformador sigue
con el problema, pero esto da tiempo para trabajar mientras
no exista un incruento considerable de nuevas cargas.
VI.
REFERENCIAS
[1] SIGET. NORMAS DE CALIDAD DE SERVICIO DE
LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN, ACUERDO 192E-2004, 2004.