Acople electromagnético en sistemas de distribución de baja tensión

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(1)ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN. CARLOS FERNANDO GÓMEZ ARBELÁEZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTA D.C. 2004. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

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(3) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN. CARLOS FERNANDO GÓMEZ ARBELÁEZ. Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico. Director Maria Teresa Rueda de Torres. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTA D.C. 2004. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(4) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Tabla de contenido. 1.. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES.....................................................................................7. 2.. OBJETIVOS ...............................................................................................................................11. 3.. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA ........................................................................11. 3.1. DIRECTIVA 89/336 EEC....................................................................................................11. 3.2. ESTÁNDAR IEC61000 ........................................................................................................13. 4.. PERTURBACIONES ELECTROMAGNÉTICAS .....................................................................28. 5.. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS RECTIFICADORES EN LOS SISTEMAS. DE DISTRIBUCIÓN ........................................................................................................................31 6.. EFECTOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS SOBRE LA COMPATIBILIDAD. ELECTROMAGNÉTICA....................................................................................................................47 6.1. SIMULACIÓN DE UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA EN BAJA TENSIÓN .................48. 6.2. SIMULACIÓN DE UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA EN MEDIA TENSIÓN..............55. 7.. OBTENCIÓN DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN SISTEMAS DE. DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN...........................................................................................59 8.. CONCLUSIONES ......................................................................................................................61. 9.. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................63. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(5) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Índice de Figuras Figura 1.1 Problemas de la compatibilidad electromagnética ................................................10 Figura 3.2.1 Nivel de perturbación y margen de diseño .......................................................15 Figura 3.2.2 Nivel de compatibilidad..................................................................................15 Figura 3.2.3 Circuitos de medida para equipos monofásicos.................................................19 Figura 3.2.4 Circuitos de medida para equipos trifásicos......................................................20 Figura 3.2.5 Diagrama de bloques para las clases de equipos ..............................................21 Figura 3.2.6 Circuitos de medida para equipos monofásicos y trifásicos.................................24 Figura 4.1 Descargas electrostáticas .................................................................................30 Figura 4.2 Descargas atmosféricas....................................................................................30 Figura 4.3 Pulsos electromagnéticos (EMP) ........................................................................31 Figura 5.1 Rectificador de media onda ..............................................................................32 Figura 5.2 Simulación del rectificador de media onda ..........................................................32 Figura 5.3 Rectificador de onda completa ..........................................................................33 Figura 5.4 Simulación del rectificador de onda completa......................................................33 Figura 5.5 Rectificador trifásico ........................................................................................34 Figura 5.6 Voltaje de entrada del rectificador .....................................................................34 Figura 5.7 Voltaje en la carga...........................................................................................35 Figura 5.8 Corriente en la carga .......................................................................................35 Figura 5.9 Línea de distribución ........................................................................................36 Figura 5.10 Rectificador trifásico en un sistema de distribución [1] .......................................38 Figura 5.11 Analizador de armónicos.................................................................................39 Figura 5.12 Distorsión armónica total ................................................................................39 Figura 5.13 Corriente de la fase A [1]................................................................................39 Figura 5.14 Voltaje en la carga .........................................................................................40 Figura 5.15 Corriente de la carga......................................................................................40 Figura 5.16 Armónicos de corriente con ángulo de disparo 20º ............................................40 Figura 5.17 Armónicos de corriente con ángulo de disparo 5º ..............................................41 Figura 5.18 Relación de armónicos (In/I1), ángulo de disparo 20º .........................................41 Figura 5.19 Relación de armónicos (In/I1), ángulo de disparo 5º...........................................42 Figura 5.20 THD, ángulo de disparo 20º............................................................................42 Figura 5.21 THD, ángulo de disparo 5º..............................................................................42 Figura 5.22 Rectificador trifásico en un sistema de distribución [2] .......................................43 Figura 5.23 Corriente de la fase A [2]................................................................................44 Figura 5.24 Rectificador trifásico en un sistema de distribución [3] .......................................45. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(6) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 5.25 Armónicos de corriente con ángulo de disparo 20º ............................................45 Figura 5.26 Relación de armónicos (I1/In), ángulo de disparo 20º .........................................46 Figura 5.27 Relación de armónicos (I1/In), ángulo de disparo 5º...........................................46 Figura 5.28 Armónicos de corriente con ángulo de disparo 20º ............................................47 Figura 5.29 Relación de armónicos (I1/In), ángulo de disparo 20º .........................................47 Figura 6.1.1 Descarga atmosférica en la fase A ..................................................................49 Figura 6.1.2 Sistema eléctrico ..........................................................................................49 Figura 6.1.3 Nivel de alta tensión 115kV............................................................................49 Figura 6.1.4 Nivel de media tensión 11.4kV .......................................................................50 Figura 6.1.5 Nivel de baja tensión 120V.............................................................................50 Figura 6.1.6 Corriente en baja tensión...............................................................................50 Figura 6.1.7 Descarga atmosférica ....................................................................................51 Figura 6.1.8 Voltaje Fase A, B y C, baja tensión..................................................................51 Figura 6.1.9 Corriente en las 3 fases, baja tensión ..............................................................52 Figura 6.1.10 Descarga atmosférica eliminada en 1ms ........................................................52 Figura 6.1.11 Corriente Fase A, baja tensión ......................................................................53 Figura 6.1.12 Corriente Fase B y C, baja tensión ................................................................53 Figura 6.1.13 Descarga atmosférica eliminada en 0.5ms......................................................54 Figura 6.1.14 Corriente Fase A, baja tensión ......................................................................54 Figura 6.1.15 Corriente Fase B y C, baja tensión ................................................................54 Figura 6.1.16 Corriente Fase A, B y C, baja tensión.............................................................55 Figura 6.2.1 Descarga atmosférica en media tensión...........................................................56 Figura 6.2.2 Voltaje Fase A, B y C, baja tensión..................................................................56 Figura 6.2.3 Corriente Fase A, B y C, baja tensión ..............................................................57 Figura 6.2.4 Voltaje Fase A, B y C, baja tensión..................................................................57 Figura 6.2.5 Corriente Fase A, B y C, baja tensión ..............................................................58 Figura 6.2.6 Voltaje Fase A, B y C, baja tensión..................................................................58 Figura 6.2.7 Corriente Fase A, B y C, baja tensión ..............................................................58 Figura 6.2.8 Voltaje Fase A, B y C, baja tensión..................................................................59 Figura 6.2.9 Corriente Fase A, B y C, baja tensión ..............................................................59. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(7) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES A lo largo de la historia se han presentado problemas de interferencia debido a señales que viajan por el medio ambiente cuya frecuencia hace que se distorsionen otras señales. A finales de 1800’s el físico e inventor italiano Guglielmo Marconi (Bolonia 1874 – Roma 1937) inició los estudios de la interferencia y su corrección, logrando la primera transmisión transatlántica usando cables de cobre y radios como receptores y los primeros artículos técnicos sobre el tema de radio interferencia. Los problemas de interferencia empiezan a aumentar, de modo que con la segunda guerra mundial el uso de equipos electrónicos, tales como: radios, radares, equipos de navegación, etc. aumentó desmedidamente. El principal problema se tenía con la interferencia entre los radios y los equipos de navegación. Este problema se solucionó cambiando la frecuencia de transmisión y con el movimiento los cables para reducir la recepción de energía electromagnética. Con el invento del transistor (1950’s), circuitos (1960’s) integrados y microprocesador (1970’s) se aumentaron los. problemas de interferencia. Debido al aumento de la demanda de voz. (teléfono) y datos (telegrafía) el espectro de frecuencia aumentó. Los computadores de la década de 1960’s eran hechos de tubos de vacío que funcionaban como interruptores, su procesamiento era lento y su consumo de potencia era alto, luego en la década de 1970’s los computadores eran hechos de circuitos integrados, por lo tanto su consumo de potencia se redujo considerablemente y el procesamiento de las señales que hacían estos computadores pasó de ser análogo a digital. La compatibilidad electromagnética (EMC) comenzó con la introducción del procesamiento de señales digitales, es por esto que en 1979 la FCC (Federal Communications Comission) publicó una regulación la cual estipula que la emisión electromagnética de equipos debería tener un límite, la venta de equipos solo se podía realizar si se cumplían los requisitos impuestos en la regulación. Compatibilidad Electromagnética (EMC): La compatibilidad electromagnética es la habilidad de cualquier dispositivo, equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente sin introducir disturbancias intolerables al sistema en el cual opera.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(8) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Un ejemplo de compatibilidad electromagnética es lo que sucede con los televisores cuando se encienden equipos como secadores, aspiradoras o en general equipos con motores. La inductancia del motor se interrumpe causando un voltaje Ldi/dt, alto, emitiendo interferencia. La antena del televisor y la red eléctrica captan este comportamiento y puede ocasionar un mal funcionamiento de estos elementos. Al entrar en el análisis de la compatibilidad electromagnética se debe tener en cuenta que cuando se hablé de interferencia va a existir un emisor y un receptor, estos son clasificados como voluntarios o involuntarios. Asimismo, se presenta el caso en que tanto el emisor como el receptor pueden ser catalogados como voluntario e involuntario; esta clasificación depende en el camino y tipo de acople. Una estación de radio AM se toma como voluntaria cuando un radio receptor sintoniza su frecuencia; cuando el radio receptor no la sintoniza la estación se define como involuntaria porque el camino de acople no es voluntario. Existen tres formas de prevenir la interferencia electromagnética, la primera es suprimir la emisión desde la fuente o emisor, la segunda es hacer el camino de acople tan ineficiente como se pueda y la tercera es hacer que el receptor sea menos susceptible a la emisión. Suprimir la emisión desde la fuente o emisor: Las señales que emite la fuente son trenes de pulsos digitales, mientras menor sea su duración (∆t pequeño) mayor es el contenido de espectro de alta frecuencia y mientras este contenido sea mayor, el camino de acople es más eficiente, entonces lo que se hace para reducir la emisión es aumentar la duración del pulso (∆t) hasta el límite de funcionamiento del equipo, al reducirse la frecuencia el camino de acople se hace menos eficiente. Hacer el camino de acople tan ineficiente como se pueda: Usualmente es una solución muy costosa pero basta con colocar al receptor en un protector metálico. El hecho de colocar los equipos electrónicos en cajas metálicas no es aceptable por los consumidores por problemas en apariencia, utilidad y costo. Hacer que el receptor sea menos susceptible a la emisión: Es una solución difícil, al reducir la susceptibilidad del receptor se requiere un corrector de errores en el receptor.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(9) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. La operación de equipos electrónicos requiere tanto fuentes AC como fuentes DC, dependiendo del equipo, como estos dos tipos de fuentes provienen de la red eléctrica, se necesitan cables para comunicar la red eléctrica con el equipo y cables para permitir la comunicación de subsistemas dentro de los equipos. Todo tipo de cable tiene un alto potencial de emitir o tomar energía electromagnética y mientras mayor sea su longitud su potencial es mayor. Dado que los cables comunican subsistemas dentro de un mismo equipo estos conducen toda la interferencia electromagnética que captan a todo el equipo. Si los equipos electrónicos se encuentran en una caja metálica, se induce una corriente interna que radia al interior o exterior, generalmente las cajas son de plástico para reducir costos pero el camino de acople es eficiente, todos los dispositivos están expuestos a toda la radiación electromagnética del ambiente en que se encuentra ubicado el equipo. Son cuatro los aspectos de los problemas de la compatibilidad electromagnética: 1) emisiones radiadas, 2) susceptibilidad radiada, 3) emisiones conducidas y 4) susceptibilidad conducida. Componentes con ruido componente potencialmente susceptible. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(10) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 1.1 Problemas de la compatibilidad electromagnética1 La red eléctrica contiene la señal de potencia a 60Hz y señales de alta frecuencia que son acopladas por los subsistemas de los equipos, cuando esta señal viaja por el cable éstos comienzan a radiar energía electromagnética causando ruido en los componentes de los equipos. Como se dijo anteriormente los cables pueden tomar energía electromagnética del entorno en que se encuentran instalados, es por esto que los cables actúan como antenas, las señales internas y externas o del entorno pasan por los cables causando interferencia en los equipos electrónicos. La emisión y susceptibilidad electromagnética no solo ocurre en el aire sino también por conducción directa en los conductores, para reducir los inconvenientes se instalan filtros para evitar que la interferencia llegué al equipo.. 1. Clayton R. Paul, Introduction to electromagnetic compatibility, Wiley series in microwave and. optical engineering.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(11) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. 2. OBJETIVOS ¾ Revisar los estándares internacionales de compatibilidad electromagnética para su aplicación en el entorno colombiano. ¾ Estudio y análisis de fenómenos electromagnéticos (descargas atmosféricas) en los sistemas de distribución de baja tensón. ¾ Análisis de compatibilidad electromagnética en rectificadores trifásicos.. 3. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA Principalmente existen dos directrices que analizan la compatibilidad electromagnética el primero de ellos es la Directiva 89/336 EEC mejorada por 91/263 EEC, 92/31 EEC, 93/68 EEC, 93/98 EEC y el estándar IEC61000 adoptado por la Comisión Internacional Electrotécnica. La. definición. de. compatibilidad. electromagnética. según. el. estándar. IEC61000. es,. “Compatibilidad electromagnética, es la capacidad de un equipo, dispositivo o sistema para funcionar satisfactoriamente en su ambiente electromagnético sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables a lo demás elementos que se encuentren en su entorno.”2 A continuación se presentan unos de los aspectos más importantes de la compatibilidad electromagnética consignados en las dos directrices mencionadas anteriormente, primero se presentará la Directiva 89/336 EEC y luego el estándar IEC61000.. 3.1. Directiva 89/336 EEC. El objetivo de la directiva es garantizar el movimiento libre de equipos eléctricos y electrónicos con dispositivos e instalaciones que contienen equipos eléctricos y/o electrónicos y crear un entorno electromagnético aceptable en el EEA (European Economic Área).. 2. Estándar IEC61000, Sección 1 - Parte 1, Aplicación e interpretación de definiciones y. términos fundamentales. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(12) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Niveles de protección de la compatibilidad electromagnética: Asegurar que las disturbancias electromagnéticas producidas por equipos eléctricos y electrónicos no afecte el correcto funcionamiento de otros equipos, al igual que el de redes de radio y telecomunicaciones relacionado con equipos y redes de distribución eléctricas. Asegurar que los equipos tengan un adecuado nivel intrínseco de inmunidad a disturbancias electromagnéticas para permitir su operación adecuada. Los objetivos se logran con la adecuada fabricación de los equipos en el momento de su construcción por parte de la industria. No es necesario, mejor aún, no se debe garantizar la protección absoluta como la inmunidad total y el nivel de emisión nulo. Los niveles de protección dependen del entorno en que los equipos vayan a operar. Las disturbancias electromagnéticas son definidas como cualquier fenómeno que pueda degradar el desempeño de los equipos, dos ejemplos pueden ser, el ruido electromagnético y las señales no deseadas. El correcto uso de los equipos no debe desmejorar el desempeño de los demás equipos de su entorno, para cumplir la directiva europea. Las señales consideradas por la directiva no incluyen las señales necesarias y requeridas por los equipos para su correcto funcionamiento, los equipos tienen el derecho de producirlas. En el caso de emisiones de radio, la emisión dentro del ancho de banda y la potencia admisible radiada no tiene problema, pero si las señales producidas están fuera del límite, estas deben ser eliminadas en la etapa de diseño y fabricación. La inmunidad es definida como la habilidad de los quipos a trabajar satisfactoriamente contra el desempeño especifico del equipo con la presencia de disturbancias electromagnéticas. Los niveles esperados de protección deben ser proporcionales al costo de adquisición de los equipos. Nadie esta dispuesto a pagar un alto costo por un equipo inmune a disturbancias electromagnéticas, usualmente el costo normal de un equipo tiene relacionado un muy buen desempeño en su funcionamiento.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(13) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. 3.2. IEL2-I-04-14. Estándar IEC61000. El objetivo fundamental de éste estándar es asegurar el funcionamiento adecuado de cualquier equipo, dispositivo o sistema en un ambiente electromagnético y asegurar la disponibilidad de los equipos en cualquier instante para lograr los objetivos se realiza un balance controlado entre las posibles emisiones y la inmunidad. El estándar IEC61000 se dividió en 9 partes para así realizar un estudio más detallado de la compatibilidad electromagnética. 1. Consideraciones generales 2. Ambiente EM 3. Límites (emisiones e inmunidad) 4. Técnicas de medición y pruebas 5. Guías de instalación y mitigación. 6. Normas 7 - 8. Pendientes 9. Misceláneos A continuación se presenta un resumen de las secciones del estándar estudiadas y analizadas. IEC 61000-1-1:. Aplicación e interpretación de definiciones y términos fundamentales.. La sección 1 de la parte 1 del estándar tiene como objeto presentar las definiciones de los principales términos de la compatibilidad electromagnética. En esta sección describen dos tipos de ensayos los normalizados realizados en un laboratorio y los que se realizan en cualquier lugar donde se conectan los equipos, dispositivos o sistemas, este tipo de ensayos se denominan in situs. A continuación se realiza una presentación de los términos principales de esta sección: Ambiente electromagnético, es la totalidad de fenómenos electromagnéticos existentes en un sitio dado. Perturbación electromagnética, se define como cualquier fenómeno electromagnético que pueda degradar el desempeño de un dispositivo, equipo o sistema, o afectar adversamente a los seres vivos o a los equipos, ejemplos de perturbaciones electromagnéticas son el ruido electromagnético, señales no deseadas o cambios en el medio de propagación.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(14) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Interferencia electromagnética, degradación del desempeño de un equipo, causado por una perturbación electromagnética. La perturbación es la causa y la interferencia es el efecto. Compatibilidad. electromagnética,. satisfactoriamente. en. su. es. ambiente. la. capacidad. de. electromagnético. un sin. equipo. para. introducir. funcionar. perturbaciones. electromagnéticas intolerables a lo demás elementos que se encuentre en su entorno. Emisión electromagnética, es el fenómeno por le cual se emite energía electromagnética desde una fuente. Degradación del desempeño, es la divergencia indeseada o adversa en el funcionamiento operativo de cualquier equipo con respecto a su funcionamiento específico. Inmunidad, es la capacidad de un dispositivo para funcionar sin degradación en presencia de una perturbación electromagnética. Susceptibilidad, es la incapacidad de un dispositivo para funcionar sin degradación en presencia de una perturbación electromagnética. La susceptibilidad es una falta de inmunidad. Nivel de perturbación, es la magnitud de una perturbación electromagnética. Nivel de emisión, es la magnitud de una perturbación electromagnética dada, emitida desde un equipo particular. Es medida de una forma especificada. Límite emisión, es el máximo nivel de emisión admisible. Nivel de inmunidad, es la máxima magnitud de una perturbación electromagnética dada que incide en una manera especificada sobre un equipo en el cual no ocurre degradación en la operación normal. Límite de inmunidad, nivel de inmunidad requerido. Nivel de compatibilidad electromagnética, magnitud de una perturbación a la cual debe existir una aceptable y alta probabilidad de compatibilidad electromagnética. Margen de emisión, es la relación entre el nivel de compatibilidad electromagnética y el límite de emisión. Margen de inmunidad, relación entre el límite de inmunidad y el nivel de compatibilidad electromagnética. Margen de compatibilidad electromagnética, relación entre el límite de inmunidad y el límite de emisión. Este margen es la multiplicación entre el margen de emisión y el de inmunidad. Generalidades: Existen dos agentes en el estudio de la compatibilidad electromagnética, el primero son los emisores que son los equipos que emiten tensiones, corrientes o campos potencialmente perturbadores, el segundo son los receptores susceptibles que son los equipos cuya operación puede degradarse por las emisiones. Relación entre el nivel y el límite de emisión e inmunidad, el análisis se realiza con un solo emisor y un solo receptor, usualmente la variable independiente es la frecuencia.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(15) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Nivel de perturbación. Nivel inmunidad Límite inmunidad Límite emisión Nivel emisión. Figura 3.2.1 Nivel de perturbación y margen de diseño De la Figura 3.2.1 se puede conocer el margen de diseño de un equipo específico, este margen no está definido en el estándar porque lo referente a diseño de equipos es decisión exclusiva del fabricante. Si un equipo tiene la propiedad de ser compatible electromagnéticamente, no es necesario que lo sea en todos los ambientes, porque no todos los equipos están construidos para funcionar en cualquier lugar, debido a las condiciones del espacio y del tiempo. Como se observa en la Figura 3.2.1 el nivel de emisión es siempre menor que el límite de emisión porque este es definido como el máximo nivel de emisión, ahora bien, el nivel de inmunidad es estrictamente mayor que el límite de inmunidad siendo este último el mínimo. Al cumplirse estas dos condiciones se asegura que el emisor y el receptor cumplen con los límites prescritos. Nivel de compatibilidad:. Nivel de perturbación Nivel inmunidad Límite inmunidad Margen inmunidad Margen Emisión. Límite emisión Nivel emisión Nivel compatibilidad. Figura 3.2.2 Nivel de compatibilidad. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(16) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. El margen de compatibilidad esta dado por la suma del margen de inmunidad con el margen de emisión. Si el ambiente electromagnético es controlable, primero se elige el nivel de compatibilidad, seguido por los límites de emisión e inmunidad, para poder asegurar una alta probabilidad de compatibilidad electromagnética. En los ambientes incontrolables que son los más comunes, el nivel de compatibilidad se elige a partir de los niveles de perturbación existentes o esperados, aunque se deben evaluar los límites de de emisión e inmunidad para asegurar que los niveles de perturbación no aumenten con la instalación de equipos nuevos. El nivel real de perturbación depende del número de fuentes de perturbación, existentes y funcionando en la red. En redes de distribución eléctricas (BT) el número de fuentes que contribuye significativamente es mayor en baja frecuencia que en alta frecuencia, por lo tanto el nivel de incertidumbre es menor en baja frecuencia. Anexo A: El creciente número de de aplicaciones de equipos eléctricos y electrónicos causa mayor número de dificultades operativas, porque todos los equipos interactúan con los demás. Si todos los equipos coexistieran en armonía el mundo sería compatible desde el punto de vista electromagnético. Las interferencias electromagnéticas necesitan los dos agentes descritos anteriormente más el camino de acople que existe entre los mismos.. Emisor de energía electromagnética. Equipo susceptible Camino de acople. Los estudios de compatibilidad electromagnética tienen su base en la emisión y susceptibilidad electromagnética de los equipos. Compatibilidad electromagnética. Emisión electromagnética. Susceptibilidad electromagnética. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(17) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Ensayos: Normalizados: Solo se considera un tipo de perturbaciones electromagnéticas a la vez. Emisión: el equipo sensible y el indicador para determinar la perturbación deben estar bien definidos, asimismo, la inmunidad debe estar bien definida. Las condiciones de medición son definidas y normalizadas. En este tipo de ensayos el ambiente es controlado. In situ: Se puede presentar el caso en que solo se considera un tipo de perturbaciones electromagnéticas a la vez, y el equipo sensible puede ser definido, en el lugar en el que se quiere realizar el análisis. La inmunidad no es necesario que esté definida. El ambiente no es controlado, surgen muchos problemas por motivo del mutuo funcionamiento de los demás equipos. IEC 61000-1-2:. Metodología para el alcance de la seguridad funcional de equipos. eléctricos y electrónicos con respecto a fenómenos electromagnéticos. Falta: terminación de la habilidad de un equipo de desempeñar una función requerida. Falla: estado de un aparto caracterizado por la inhabilidad de despeñar su función, excluyendo la inhabilidad durante el mantenimiento preventivo. Daño: herida física y/o daños a la salud o a los equipos. Peligro: fuente potencial de los daños. Riesgo: Tasa probable de ocurrencia de un peligro causando daños y el grado de severidad de los mismos. La correcta y segura operación de los equipos depende del entorno electromagnético en el que se encuentra, los niveles de emisión de las fuentes de energía electromagnética y la inmunidad de los equipos influenciados. Anexo C, Consideraciones en el diseño y las instalaciones Cualquier equipo se instala en un entorno electromagnético específico bien sea en baja o alta frecuencia, las perturbaciones generadas por los equipos no deben superar los valores determinados por el estándar. La viabilidad de las perturbaciones generadas es posible, por lo tanto se requieren protecciones para que no se conviertan en un problema grave, dentro de las cuales se caracterizan el blindaje, filtros, protección de sobrevoltajes contra transientes, cableado apropiado, conexiones a tierra, enlaces, inmunidad en el diseño de circuitos impresos, circuitos redundantes, uso de técnicas digitales, etc.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(18) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Blindaje: esta hecho con barreras metálicas que son usadas para prevenir la propagación de campos electromagnéticos de una región a otra, canalizar la energía transportada por otros tipos de perturbaciones. Es usado para capturar campos electromagnéticos de una fuente o para mantener externos los campos electromagnéticos de una región donde hay equipos sensibles. Este tipo de protección puede ser parcial o totalmente inefectiva en la entrada y salida de cables de un sistema por no ser protegidos con blindajes o equipados con filtros de penetración. La eficiencia de esta protección es afectada por las aperturas de los blindajes, por su continuidad ineficiente. Filtros: reducir cualquier perturbación electromagnética, estas son conducidas hasta un nivel permisible. Son construidos por un circuito diseñado, se ubican en el lugar donde la perturbación pretende pasar, los filtros actúan para las señales entrantes y salientes del punto donde se instala, generalmente se ubican en las líneas de distribución o en las cables de los circuitos que forman los equipos. Conexiones a tierra y enlaces: el propósito de la conexión a tierra es mantener el potencial de estructuras metálicas en un valor constante. Los enlaces proveen homogeneidad eléctrica en las estructuras metálicas para reducir la diferencia de potencial, la impedancia de estos enlaces debe ser baja sobre un amplio rango de frecuencias, si son susceptibles a la corrosión su mantenimiento debe ser sencillo. Cableado apropiado: para prevenir la inducción de voltaje y corriente de los campos de las perturbaciones electromagnéticas. Si el cableado es diseñado con cuidado, el efecto de las perturbaciones electromagnéticas se puede reducir con blindajes en los cables, cables coaxiales, doble blindaje, pares de alambre y la separación de cables que transportan señales de diferentes tipos y/o niveles. Diseño de inmunidad PCB: el layout de los caminos y componentes de los diferentes circuitos impresos tiene un rol importante en el análisis de la compatibilidad electromagnética, tanto en el área de la emisión como el de la inmunidad. Un buen circuito layout consiste de una buena red de puesta a tierra y de conexión al voltaje de la fuente, generalmente se deben usar multicapas, la primera debe tener la puesta a tierra y la última debe estar conectada a la fuente. Deben existir condensadores de desacople instalados cerca de los elementos del circuito. Circuitos redundantes: los elementos importantes o circuitos de seguridad deben ser duplicados y conectados en paralelo para asegurar el correcto desempeño del equipo. En caso de falla se recomienda que el segundo circuito sea construido en otra tecnología para prevenir la posible falla conjunta. Este principio de redundancia debe ser aplicado tanto en software como en hardware. Técnicas digitales: técnicas de software son usadas para prevenir y asegurar la operación, codificación digital de la información, algoritmos de detección de errores y algoritmos de. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(19) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. corrección, la corrección se usa cuando exista una perturbación transitoria, entonces el sistema puede resumir la normal operación porque los errores se detectaron y se corrigieron. Mantenimiento: como regla, el diseñador tiene la obligación de proveer las instrucciones relativas al propio mantenimiento de un sistema en el manual general de mantenimiento, asimismo, debe asegurar que si se puede realizar. El mantenimiento puede requerir que los componentes instalados para asegurar la compatibilidad electromagnética deben ser desinstalados. Los que realizan el mantenimiento deben conocer y estar prevenidos de los posibles cambios electromagnéticos que existan en el entorno. IEC 61000-3-2:. Límites de emisión de armónicos de corriente (corrientes de entrada de. equipos <= 16A por fase) Estándar de Baja-Frecuencia. Objetivo: limitar componentes armónicos de corriente de entrada en sistemas de distribución de baja tensión, para equipos con corriente de entrada <= 16 A por fase. • Equipos a ser conectados a 220/380 V, 230/400 V y 240/415 V, sistemas operando a 50 Hz o 60 Hz. • Sin limites para sistemas con voltaje nominal menor a 220 V (línea-neutro). • Cuatro categorías de equipos. • Límites absolutos y/o relativos (límites relativos basados en potencia de entrada). Circuitos de medida Equipos monofásicos. Figura 3.2.3 Circuitos de medida para equipos monofásicos. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(20) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Equipos trifásicos. Figura 3.2.4 Circuitos de medida para equipos trifásicos. Requerimientos de las Fuentes de suministro: Voltaje de prueba U en la terminal EUT: • Voltaje dentro del rango ± 2 % del valor nominal. • Frecuencia dentro del rango ± 0.5 % del valor nominal. • Desplazamiento entre fases de sistemas trifásicos dentro del rango del ± 1.5°. • Valor pico del voltaje prueba dentro del rango 1.40 - 1.42 veces su valor RMS. Con la terminal EUT conectada, los componentes armónicos del voltaje de prueba no deben exceder: Límites. Orden Armónico. 0.9%. 3. 0.4%. 5. 0.3%. 7. 0.2%. 9. 0.2%. pares, de 2 a 10. 0.1%. desde 11 hasta 40. La caída de voltaje en la impedancia de entrada ZM no debe exceder 0.15 Vpico. • Cualquier tipo de analizador de onda puede ser usado, (Instrumentos en el dominio de la frecuencia que usen amplificadores selectivos, filtros pasivos múltiples, analizador de espectro ajustado a la frecuencia a ser medida, o equipos que operen en el dominio del tiempo usando filtros digitales o Discrete- Fourier-Transform DFT).. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(21) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Clasificación de los equipos • Clase A: equipos trifasicos balanceados (Corrientes de línea RMS menor al 20%) y todos los otros equipos, excepto los de las siguientes categorías • Clase B: herramientas portátiles. • Clase C: equipos de iluminación incluyendo dispositivos amortiguados con potencia activa de entrada sobre 25 W. • Clase D: equipos que tengan una corriente de entrada con formas de onda especiales y potencia activa fundamental entre 75 y 600 W.. Figura 3.2.5 Diagrama de bloques para las clases de equipos. Límites de componentes de armónicos Clase A y Clase B Orden Armónico. Clase A max permisible. Clase B max permisible. n. corriente armónica [A]. corriente armónica [A]. Armónicos Impares 3. 2.3. 3.45. 5. 1.14. 1.71. 7. 0.77. 1.155. 9. 0.4. 0.60. 11. 0.33. 0.495. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(22) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. 13. 0.21. 0.315. 15 <= n <= 39. 2.25/n. 3.375/n. 2. 1.08. 1.62. 4. 0.43. 0.645. 6. 0.3. 0.45. 8 <= n <= 40. 1.84/n. 2.76/n. Armónicos pares. Clase C > 25 W Orden Armónico. Máximo valor expresado como porcentaje de. N. la corriente fundamental de entrada de luminarias. 2. 2. 3. 30 * FP. 5. 10. 7. 7. 9. 5. 11 <= n <= 39. 3. • Dispositivos independientes amortiguados, conformes con la clase A. Donde el control de la fase se utiliza en las lámparas incandescentes, el ángulo de disparo no excederá 145°. Límites de armónicos no aplican para equipos con potencia de entrada menor a. 75 W.. Clase D (Condición de carga clasificada) Orden Armónico. 75 W < P < 600 W. P > 600 W. n. mA/W. A. 3. 3.4. 2.30. 5. 1.9. 1.14. 7. 1.0. 0.77. 9. 0.5. 0.40. 11. 0.35. 0.22. 13. 0.296. 0.21. 15 <= n <= 391. 3.85/n. 2.25/n. Medición de corrientes armónicas • No hay límite para quipos de alta potencia (> 1 kW) para uso profesional (equipos para uso en especial, industrias, no previstos para la venta al público en general).. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(23) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. • Para armónicos de orden superior al 19, si el espectro de corriente demuestra una disminución monotónica de los armónicos de mayor orden, la medida se puede restringir a los primeros 19 armónicos. • Corrientes armónicas menores al 0.6% de la corriente de entrada medida bajo condiciones de prueba, o menores de 5 mA, cualquiera sea mayor, no son tenidas en cuenta. • Los límites son aplicables a estado estacionario de las corrientes armónicas • Para transitorios se aplica: – Corrientes que no tengan duración mayor a 10 s cuando equipo entra en operación, manualmente o automáticamente, se desatienden. – Los límites aplican a todas las corrientes armónicas transitorias que ocurran durante la prueba parcial o total del equipo. • Formas de onda con factor de cresta alto son penalizas (Clase D) para reducir el efecto del truncamiento de picos. Si la distorsión del voltaje línea no mejora en el futuro, el límite inferior de potencia de clase D se reduce de 75 W a 50 W. • Armónicos pares son penalizados para reducir la asimetría. • Límites de Equipos de clase A por debajo de 600 W son menos severos que los de clase D. Por considerar el cambio de forma de onda de la corriente de entrada. • Requerimientos para lámparas mayores a 25 W son severos, debajo de 25 W no hay límite. Condiciones de prueba • Condiciones de prueba particulares para los siguientes equipos: – Televisión (TV) (color y monocromáticos) – Amplificadores de audio – Video grabadoras y radiograbadoras – Equipo de iluminación – Lámparas incandescentes amortiguadas – Aspiradoras – Lavadoras – Hornos microondas IEC 61000-3-4:. Límites de emisión de armónicos de corriente en sistemas de baja. tensión para equipos con corriente de entrada > 16A por fase. La sección 3-4 extiende el campo de aplicación de la sección 3-2 del estándar IEC61000, para quipos eléctricos y electrónicos cuya corriente de entrada es superior a 16A por fase. Equipos a ser conectados la red de baja tensión a.c. de los siguientes tipos: Voltaje nominal hasta 240 V, monofásicos (2 o 3 conductores) Voltaje nominal hasta 600 V, trifásicos (3 o 4 conductores). Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(24) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Frecuencia nominal 50 Hz o 60 Hz. Dos métodos para los tipos de pruebas son permitidos, medición directa de emisión y cálculo de emisión por simulaciones validadas Circuitos de medida Equipos monofásicos. Equipos trifásicos. Figura 3.2.6 Circuitos de medida para equipos monofásicos y trifásicos Requerimientos de las Fuentes de suministro: Voltaje de prueba U en la terminal EUT: • Monofásico 230 V, trifásico 400 V línea-línea • Voltaje dentro del rango ± 2 % del valor nominal. • Frecuencia dentro del rango ± 0.5 % del valor nominal. • Desplazamiento entre fases de sistemas trifásicos dentro del rango del ± 1.5°. • Valor pico del voltaje prueba dentro del rango 1.40 - 1.42 veces su valor RMS. Con la terminal EUT conectada, los componentes armónicos del voltaje de prueba no deben exceder: Límites. Orden Armónico. 0.9%. 3. 0.4%. 5. 0.3%. 7. 0.2%. 9. 0.2%. pares, de 2 a 10. 0.1%. desde 11 hasta 40. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(25) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Definiciones: Punto de acople común, es el punto en la red pública más cercano al cliente en cuestión y al que otros clientes pueden estar conectados. Distorsión armónica parcial PWHD:. ⎡I ⎤ PWHD = ∑ n ⎢ n ⎥ n =14 ⎣ I1 ⎦ 40. 2. Potencia de corto circuito, calculado con el voltaje nominal (Unom) y la impedancia (Z) en el punto de acople común. 2 U nom S sc = Z. Potencia aparente, calculada por la corriente rms de línea (Iequ) del equipo y el voltaje monofásico Up, y el voltaje entre fases Ui.. Para equipos monofásicos:. S equ = U p I equ. Para equipos entre fase:. S equ = U i I equ. Para equipos trifásicos balanceados:. S equ = 3U i I equ. Para equipos trifásicos desbalanceados, (Iequ_max ie la máxima corriente rms que fluye por cualquier fase). S equ = 3U i I equ _ max Corto circuito, Rsce:. Rsce =. S sc 3S equ. Rsce =. S sc 2S equ. Para equipos monofásicos:. Para equipos entre fase:. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(26) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Para equipos trifásicos:. Rsce =. IEL2-I-04-14. S sc S equ. Procedimiento de conexión • Etapa 1 – Conexión simplificada: el equipo que se conforma con límites de la etapa 1 se puede conectar en cualquier punto del sistema de baja tensión proporcionado, Rsce del cortocircuito es > = 33. • Etapa 2 – Conexión basada en la datos de red y de quipos: para el equipo que no se conforma con límites de la etapa 1, valores más altos de la emisión se pueden permitir, Rsce del cortocircuito es > = 33. • Etapa 3 – La conexión basada en los convenios de energía de los consumidores: si las condiciones ni de la etapa 1 ni de la etapa 2 se satisfacen, o si la corriente de la entrada del equipo excede de 75 A, la autoridad de la fuente puede aceptar la conexión del equipo en base de la energía activa convenida de la instalación de los consumidores. Los requisitos locales de la autoridad de la fuente de alimentación se aplican en este caso. Etapa 1, valores de emisiones de corriente para conexiones simplificadas de equipos (Sequ <= Ssc / 33) Número de armónico. Corriente admisible por armónico. N. In/I1 %. 3. 21.6. 5. 10.7. 7. 7.2. 9. 3.8. 11. 3.1. 13. 2. 15. 0.7. 17. 1.2. 19. 1.1. 21. <= 0.6. 23. 0.9. 25. 0.8. 27. <= 0.6. 29. 0.7. 31. 0.7. >= 33. <= 0.6. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(27) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Par. IEL2-I-04-14. <= 8/n o <= 0.6. * I1 = Corriente fundamental, In = componente armónico de corriente. Etapa 2, valores de emisión de corriente de equipos monofásicos, entre fases y trifásicos desbalanceados. Mínimo Factor de distorsión. Corriente armónica admisible individual In/I1 %. armónica de corriente admisible Rsce. THD. PWHD. I3. I5. I7. I9. I11. I13. 66. 25. 25. 23. 11. 8. 6. 5. 4. 120. 29. 29. 25. 12. 10. 7. 6. 5. 175. 33. 33. 29. 14. 11. 8. 7. 6. 250. 39. 39. 34. 18. 12. 10. 350. 46. 46. 40. 24. 15. 12. 9. 8. 450. 51. 51. 40. 30. 20. 14. 12. 10. 600. 57. 57. 40. 30. 20. 14. 12. 10. 8. 7. NOTA 1 – El valor relativo de armónicos pares no debe exceder 16/n % NOTA 2 – Interpolación lineal entre valores sucesivos de Rsce es permitido NOTA 3 – En el caso de equipos trifásicos desbalanceados, los valores aplican a cada fase * I1 = Corriente fundamental, In = componente armónico de corriente. Etapa 2, valores de emisión de corriente de equipos trifásicos balanceados. Mínimo. Factor de distorsión. Corriente armónica admisible individual In/I1 %. armónica de corriente admisible Rsce. THD. PWHD. I5. I7. I11. I13. 66. 16. 25. 14. 11. 10. 8. 120. 18. 29. 16. 12. 11. 8. 33. 20. 14. 12. 8. 175. 25. 250. 35. 39. 30. 18. 13. 8. 350. 48. 46. 40. 25. 15. 10. 450. 58. 51. 50. 35. 20. 15. 600. 70. 57. 60. 40. 25. 18. Mediciones de corriente de armónicos. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(28) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. • Los límites para el equipo como especificado se aplican a corrientes de línea para todos los tipos de conexiones de potencia y carga. • Las corrientes armónicas debajo de 0.6 % de la corriente fundamental de la entrada, se desatienden. – La duración armónica de corriente no puede durar más de 10 s cuando una parte del equipo se trae en operación o sale de operación, manualmente o automáticamente, no excederá 1.5 veces los valores límites dados para la etapa relevante. – los límites se aplican a el resto de las corrientes armónicas transitorias que ocurren durante la evaluación del equipo o partes del mismo. Incluso para las corrientes armónicas de orden 2 al 10 y las corrientes armónicas impares de orden 3 al 19, los valores hasta 1.5 veces los límites se permiten para cada armónico durante un máximo de el 10% de cualquier período de la observación de 2.5 minutos.. 4. PERTURBACIONES ELECTROMAGNÉTICAS Las perturbaciones electromagnéticas son fenómenos electromagnéticos que pueden degradar el funcionamiento de un dispositivo, equipo o sistema, o de afectar desfavorablemente la materia viva o la inerte, existen varios tipos de perturbaciones, las denominadas de baja frecuencia (<9 kHz), las de alta frecuencia (>9 kHz), las descargas electrostáticas, las descargas atmosféricas y por último los pulsos electromagnéticos. 1. BAJA FRECUENCIA (<9 kHz) Conducidas •. Armónicos.. •. Variaciones lentas de la tensión en la fuente de alimentación.. •. Fluctuaciones de tensión.. •. Bajas e interrupciones de tensión.. •. Desbalance de tensión.. •. Variaciones de frecuencia en la fuente de tensión.. •. Tensiones de baja frecuencia inducidas.. •. Corriente o tensión de c.c. en redes de c.a.. Radiadas •. Campos magnéticos continuos. •. Campos magnéticos transitorios. •. Campos eléctricos continuos. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(29) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. •. IEL2-I-04-14. Campos eléctricos transitorios. 2. ALTA FRECUENCIA (>9 kHz) Conducidas •. Tensiones o corrientes inducidas o acopladas directamente: >. Señales continuas. >. Señales moduladas. >. Tensiones o corrientes inducidas o acopladas. •. Transitorios unidireccionales (únicos o repetitivos). •. Transitorios oscilantes (únicos o repetitivos). Radiadas •. Campos magnéticos. •. Campos eléctricos. •. Campos electromagnéticos: b de señales continuas b de señales moduladas b transitorios. 3. DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS El hecho de caminar sobre alfombra con zapatos de caucho puede hacer que se presente un aumento en carga estática en el cuerpo, si un dispositivo electrónico es tocado la carga estática puede ser transferida al equipo, se forma una arco entre los dedos y los dispositivos electrónicos. La transferencia de carga puede causar desde el mal funcionamiento del equipo hasta su destrucción.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(30) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 4.1 Descargas electrostáticas3. 4. DESCARGAS ATMOSFERICAS Descargas atmosféricas directas e indirectas pueden llegar a tener igual repercusión en cualquier tipo de sistema incluido los sistemas eléctricos. El canal de la descarga puede llegar a tener corrientes superiores a 10 kA por un corto intervalo de tiempo. El campo electromagnético de la descarga se puede acoplar a cualquier sistema bien sea por radiación directa o por el acople con la red eléctrica seguida por una conducción entre las redes de baja tensión y los equipos o dispositivos conectados a la red eléctrica. Por la posible ocurrencia de esta perturbación, los desarrolladores y constructores de equipos deben realizar pruebas transitorias, se inyecta un SURGE en la red eléctrica para revisar el funcionamiento del equipo en todo instante, asimismo, los diseñadores de la red eléctrica tienen la tarea de impedir el paso de altas corrientes a las tomas eléctricas instaladas en todos los establecimientos, por medio de pararrayos o cualquier otro dispositivo que impida el flujo de la descarga.. Figura 4.2 Descargas atmosféricas4. 3. Clayton R. Paul, Introduction to electromagnetic compatibility, Wiley series in microwave and. optical engineering. 4. Clayton R. Paul, Introduction to electromagnetic compatibility, Wiley series in microwave and. optical engineering. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(31) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. 5. PULSO ELECTROMAGNÉTICO NUCLEAR DE ALTA INTENSIDAD Después de la detonación la primera bomba nuclear se descubrió que los dispositivos semiconductores encargados del análisis de los efectos de la bomba fueron destruidos por la intensa onda electromagnética creada por la separación de la carga. Las comunidades militares tienen gran interés en el estudio de este tipo de perturbaciones electromagnéticas debido a la necesidad de comunicación en cualquier ambiente hostil. Los pulsos electromagnéticos son un tipo de susceptibilidad radiada.. Figura 4.3 Pulsos electromagnéticos (EMP)5. 5. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS RECTIFICADORES EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN Los rectificadores son convertidores de corriente alterna a corriente directa, están compuestos en su forma más básica de un conjunto (puente) de diodos que permiten entregar a la salida del rectificador un potencial fijo de corriente directa. Dentro de los rectificadores el tipo más sencillo es el de media onda, que no es muy utilizado en aplicaciones industriales. Rectificador de media onda: El rectificador de media onda esta constituido básicamente constituido por un diodo, durante el ciclo positivo del voltaje de entrada, el diodo D conduce y el voltaje de entrada aparece en la carga, durante el ciclo negativo el diodo esta en condición de bloqueo por lo tanto el voltaje en la salida es aproximadamente cero, dependiendo de las características del diodo utilizado, el comportamiento de este tipo de rectificador se observa en la Figura 5.2.. 5. Clayton R. Paul, Introduction to electromagnetic compatibility, Wiley series in microwave and. optical engineering. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(32) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 5.1 Rectificador de media onda. 20V. 0V. SEL>> -20V V(V1:+) 20V. 0V. -20V 0s. 10ms. 20ms. 30ms. 40ms. 50ms. 60ms. V(R1:2) Time. Figura 5.2 Simulación del rectificador de media onda. Rectificador de onda completa: Los rectificadores de onda completa están constituidos por diodos con una conexión específica que permite la conducción durante los dos ciclos del voltaje de entrada. Durante el ciclo positivo del voltaje de entrada la carga recibe el voltaje de entrada por medio de los diodos D1 y D2, durante el ciclo negativo los diodos que entran en funcionamiento (conducción) son los diodos D3 y D4, este tipo de rectificadores es comúnmente utilizado en aplicaciones industriales, en la Figura 5.4 se observa su comportamiento.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(33) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 5.3 Rectificador de onda completa. 20V. 0V. SEL>> -20V V(V1:+) 20V. 0V. -20V 0s. 10ms. 20ms. 30ms. 40ms. 50ms. 60ms. V(R2:2,0) Time. Figura 5.4 Simulación del rectificador de onda completa. Rectificador trifásico: Son utilizados comúnmente en aplicaciones industriales y en cualquier otro donde la conexión a la red eléctrica sea trifásica, la conexión que presenta este tipo de rectificadores es muy parecida a la de los rectificadores de onda completa. Cada par de diodos conduce durante 120º.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(34) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 5.5 Rectificador trifásico El voltaje de entrada del rectificador para la simulación es una toma de baja tensión (120 V - 60 Hz) y la carga es de 100 Ohmios. 120 [V] 80. 40. 0. -40. -80. -120 0. 5. 10. (file RectificadorBajaTension.pl4; x-var t) v:S1A. 15 v:S1B. 20. [m s]. 25. v:S1C. Figura 5.6 Voltaje de entrada del rectificador. El voltaje en la carga es entonces:. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(35) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. 250 [V] 200. 150. 100. 50. 0 0. 5. 10. 15. 20. [m s]. 25. 20. [m s]. 25. (file RectificadorBajaTension.pl4; x-var t) v:CARGA -XX0037. Figura 5.7 Voltaje en la carga La corriente de la carga es: 2.5 [A] 2.0. 1.5. 1.0. 0.5. 0.0 0. 5. 10. 15. (file RectificadorBajaTension.pl4; x-var t) c:CARGA -XX0037. Figura 5.8 Corriente en la carga. Rectificadores trifásicos en sistemas de baja tensión: Para realizar las simulaciones de rectificadores trifásicos en sistemas de baja tensión es necesario realizar el cálculo de la impedancia total de la línea de distribución, para así poder. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(36) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. simular todo el sistema de baja tensión y observar el comportamiento más aproximado del mismo, de esta forma, se podrán analizar los armónicos del sistema eléctrico con los límites establecidos en el estándar IEC61000.. Figura 5.9 Línea de distribución Distancias entre fases (ft): dabft := dab ⋅ cmtoFeet. dacft := dac ⋅ cmtoFeet. dbcft := dbc ⋅ cmtoFeet. dabft = 0.0348. dacft = 0.0348. dbcft = 0.0492. daxft := dax ⋅ cmtoFeet. dbxft := dbx⋅ cmtoFeet. dcxft := dcx ⋅ cmtoFeet. daxft = 0.0492. dbxft = 0.0348. dcxft = 0.0348. Utilizanado las aproximaciones de Lewis Zpii( Ri , Re , Xai , Xe ) := Ri + Re. Re 3. ⎛ ⎝. + i⎜ Xai +. ⎛ Xe − Xdij ⎞ ⎝ 3 ⎠. Xe ⎞ 3. ⎠. (1.). + i⎜. (2.). Xa ( GMR) := 0.12134 ⋅ ln ⎜. ⎛ 1 ⎞ ⎝ GMR ⎠. (3.). Xdij ( dij) := 0.12134 ⋅ ln ( dij). (4.). Zpij ( Re , Xe , Xdij ) :=. 3. ⎛. ρ. ⎞. ⎝. f. ⎠. Xe ( ρ , f ) := .01397 ⋅ 60 ⋅ log ⎜ 2162 ⋅ −3. Re ( f ) := 4.765 ⋅ 10. ⋅f. (5.) (6.). Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(37) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Conductor de cada Fase, (Aluminium-Clad-Steel Conductor ALUMOWELD) Código: 7 No. 10. Características: Sección Transversal:72.7kcmil = 36.8 mm^2 Diametro: 0.306 in = 0.77724 cm Resistencia [75ºC]: 4.73 Ω/mile GMR: 0.00166 ft 6 Xa: 0.777 Ω/mile. ZiiFase := Zpii ( R , Re , Xa , Xe ). ZiiFase = 4.8253 + 1.7394i. Zguarda := Zpii( R , Re , Xa , Xe ). Zguarda = 4.8253 + 1.7394i. Zab := Zpij ( Re , Xe , Xab). Zab = 0.0953 + 1.3702i. Zac := Zpij ( Re , Xe , Xac ). Zac = 0.0953 + 1.3702i. Zbc := Zpij ( Re , Xe , Xbc). Zbc = 0.0953 + 1.3282i. Zax := Zpij ( Re , Xe , Xax). Zax = 0.0953 + 1.3282i. Zbx := Zpij ( Re , Xe , Xbx). Zbx = 0.0953 + 1.3702i. Zcx := Zpij ( Re , Xe , Xcx). Zcx = 0.095 + 1.37i. La matriz de impedancia (R + j X) es entonces:. Zac Zax ⎞ ⎛ ZiiFase Zab ⎜ Zbx ⎟ ⎜ Zab ZiiFase Zbc Z := ⎜ Zac Zbc ZiiFase Zcx ⎟ ⎜ Zbx Zcx Zguarda ⎠ ⎝ Zax. ⎛ 4.8253 + ⎜ ⎜ 0.0953 + Z= ⎜ 0.0953 + ⎜ ⎝ 0.0953 +. 1.7394i 0.0953 + 1.3702i 0.0953 + 1.3702i 0.0953 + 1.3282i ⎞ 1.3702i 4.8253 + 1.7394i 0.0953 + 1.3282i 0.0953 + 1.3702i ⎟ 1.3702i 0.0953 + 1.3282i 4.8253 + 1.7394i 0.0953 + 1.3702i ⎟. Ω mi. 1.3282i 0.0953 + 1.3702i 0.0953 + 1.3702i 4.8253 + 1.7394i ⎠. Después de conocer la matriz de impedancia incluyendo las tres fases y el cable de guardia, se elimina el cable de guardia. Reducción de Kron −1. Z := A − B⋅ D. ⋅C. ⎛⎜ 5.13 + 1.577i 0.41 + 1.203i 0.41 + 1.203i ⎞ Z = ⎜ 0.41 + 1.203i 5.151 + 1.568i 0.421 + 1.157i ⎟ ⎜ 0.41 + 1.203i 0.421 + 1.157i 5.151 + 1.568i ⎝ ⎠. Ω mi. La impedancia de secuencia positiva es:. 6. Datos proporcionados por Copperweld Steel Co., publicación ED3015. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(38) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Z1 := Z0 , 0 − Z0 , 1. IEL2-I-04-14. Ω. Z1 = 4.72 + 0.374i. mi. Cambio de la impedancia a metros. Z1 :=. Z0 , 0 − Z0 , 1 1609.3. −3. Z1 = 2.933 × 10. −4. + 2.322i × 10. Ω m. Si la longitud de la línea son 100 m dist := 100 Z1 := Z1 ⋅ dist Z1 = 0.2933 + 0.0232i. Ω. L1 :=. Im( Z1) 2 ⋅π ⋅ f. 3. ⋅ 10. L1 = 0.06159. mH. Al tener la matriz de impedancias se puede realizar la simulación de un sistema de distribución completo, utilizando la herramienta PSCAD, el circuito de simulación adoptado es:. Figura 5.10 Rectificador trifásico en un sistema de distribución [1] La Figura 5.10 muestra la línea de distribución seguida de un rectificador trifásico de 6 pulsos, este rectificador es controlado por un habilitador y por el ángulo de disparo. El rectificador mostrado en la Figura 5.10 es un elemento de la librería HVDC & FACTS de la herramienta PSCAD, es una representación compacta de un conversor DC. Los rectificadores son una fuente de generación de armónicos por lo tanto es indispensable analizar los armónicos que estos inyectan al sistema, la herramienta PSCAD permite realizar el análisis de armónicos deseado. En la Figura 5.11 se encuentra el bloque encargado del análisis, el bloque consiste simplemente en realizar la transformada de Fourier de la señal requerida, en este caso la corriente de la fase A. La transformada de Fourier que se aplica es solo para la magnitud.. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(39) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 5.11 Analizador de armónicos Los armónicos evaluados y analizados son los 31 primeros. También es indispensable realizar el cálculo de la distorsión armónica total, con el bloque mostrado en la Figura 5.12.. Figura 5.12 Distorsión armónica total. Los resultados de la simulación realizada del circuito de la Figura 5.10 son las unidades de la corriente y el voltaje son [kA] y [kV]:. Figura 5.13 Corriente de la fase A [1]. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(40) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 5.14 Voltaje en la carga. Figura 5.15 Corriente de la carga. Al realizar el análisis de armónicos con la sección 3 - 4 del estándar IEC61000 (Capitulo 3.2), los resultados son:. Armónicos de corriente 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 17. 19. 21. 23. 25. 27. 29. 31. Armónico. Figura 5.16 Armónicos de corriente con ángulo de disparo 20º. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(41) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Armónicos de corriente 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 17. 19. 21. 23. 25. 27. 29. 31. Armónico. Figura 5.17 Armónicos de corriente con ángulo de disparo 5º. Las Figura 5.16 y Figura 5.17 muestran los armónicos de corriente (fase A) del circuito de la Figura 5.10, ahora se mostrarán los resultados del análisis del estándar IEC61000, se observa que los niveles máximos no son excedidos cuando el ángulo de disparo es 5º, para el de 20º el armónico 5 es excedido 2.8%.. Análisis de armónicos del estándar IEC61000 100.00% 80.00% 60.00% 40.00% 20.00% 0.00% 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 17. 19. 21. 23. 25. 27. 29. 31. Armónico. Figura 5.18 Relación de armónicos (In/I1), ángulo de disparo 20º. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(42) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Análisis de armónicos del estándar IEC61000 100.000% 80.000% 60.000% 40.000% 20.000% 0.000% 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 17. 19. 21. 23. 25. 27. 29. 31. Armónico. Figura 5.19 Relación de armónicos (In/I1), ángulo de disparo 5º. También se revisa el factor de distorsión armónica, que está en el límite del estándar.. Figura 5.20 THD, ángulo de disparo 20º. Figura 5.21 THD, ángulo de disparo 5º. Después de haber realizado las simulaciones de la matriz de impedancia se analiza el circuito incluyendo la matriz de capacitancia porque el efecto capacitivo es considerable en líneas subterráneas. Las distancias entre las fases y las imágenes de las mismas son entonces:. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(43) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Distancias entre fases. Distancias entre imagenes. ⎛ 0.389 1.061 1.061 1.5 ⎞ ⎜ ⎜ 1.061 0.389 1.5 1.061 ⎟ cm d= ⎜ 1.061 1.5 0.389 1.061 ⎟ ⎜ ⎝ 1.5 1.061 1.061 0.389 ⎠. ⎛ 4 3.335 3.335 2.5 ⎞ ⎜ ⎜ 3.335 2.5 2.915 1.904 ⎟ cm D= ⎜ 3.335 2.915 2.5 1.904 ⎟ ⎜ ⎝ 2.5 1.904 1.904 1 ⎠. P :=. for i ∈ 0 .. 3. ⎛ 41.966 ⎜ ⎜ 20.623 P= ⎜ 20.623 ⎜ ⎝ 9.195. for j ∈ 0 .. 3 −9. ⎛ Di , j ⎞ ⋅ ln ⎜ Pi , j ← 2 ⋅ π ⋅ εo ⎝ di , j ⎠ 10. P. 20.623 20.623. 9.195. ⎞. 33.506 11.962 10.531 ⎟ km 11.962 33.506 10.531 ⎟ µF 10.531 10.531 17.013 ⎠. Reducción de Kron −1. Pabc := Pa − Pb ⋅ Pd. ⋅ Pc. ⎛⎜ 36.997 14.931 14.931 ⎞ Pabc = ⎜ 14.931 26.988 5.444 ⎟ ⎜ 14.931 5.444 26.988 ⎝ ⎠ −1. Cabc := Pabc. km µF. −0.02 −0.02 ⎞ ⎛ 0.043 ⎜ −3 Cabc = ⎜ −0.02 0.048 1.326 × 10 ⎟ ⎜ −3 0.048 ⎝ −0.02 1.326 × 10 ⎠. µF km. Tomando ahora la distancia de 100 metros, la matriz de capacitancia es:. Cabc := Cabc ⋅. dist 1000. ⎛⎜ 4.301 × 10− 3 −1.98 × 10− 3 −1.98 × 10− 3 ⎞ ⎜ ⎟ µF Cabc = −1.98 × 10− 3 4.774 × 10− 3 1.326 × 10− 4 ⎜ ⎟ ⎜ −1.98 × 10− 3 1.326 × 10− 4 4.774 × 10− 3 ⎝ ⎠. Al incluir la matriz de capacitancia en el circuito de la Figura 5.10, el circuito queda:. Figura 5.22 Rectificador trifásico en un sistema de distribución [2] Carlos Fernando Gómez Arbeláez.

(44) ACOPLE ELECTROMAGNÉTICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN Departamento Ingeniería Eléctrica y Electrónica. IEL2-I-04-14. Figura 5.23 Corriente de la fase A [2] Las simulaciones que se realizaron arrojaron los mismos resultados debido a la longitud que se tuvo en cuenta (100 m), por consiguiente a cortas distancias no es necesario analizar el circuito con la matriz de impedancia (resistiva y reactiva) y la matriz de capacitancia, tan solo basta con realizar el calculo de la matriz de impedancia con la aproximación de Carson y/o Lewis. Después de realizar el anterior análisis de armónicos se cambiarán los conductores de las fases del circuito de la Figura 5.10, para observar su comportamiento. Conductor de cada Fase, (Aluminium-Clad-Steel Conductor ALUMOWELD) Código: 7 No. 5. Características: Sección Transversal: 231.6kcmil = 117.4 mm^2 Diametro: 0.546 in = 1.3868 cm Resistencia [75ºC]: 1.669 Ω/mile GMR: 0.00296 ft 7 Xa: 0.707 Ω/mile. Z1 := Z1 ⋅ dist Z1 = 0.1027 + 0.0196i. 7. Ω. L1 :=. Im( Z1) 2 ⋅π ⋅ f. 3. ⋅ 10. L1 = 0.05209. mH. Datos proporcionados por Copperweld Steel Co., publicación ED3015. Carlos Fernando Gómez Arbeláez.