Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Un archivo con información de control y calidad
Tipo: Apuntes
1 / 192
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
ASESORES ING. JOSÉ ANTONIO MARTÍNEZ HERNÁNDEZ LIC. BLANCA MARINA FEREGRINO LEYVA
MÉXICO, D. F. 2013
A mi familia , por formar en mí los valores de honestidad, responsabilidad y conciencia, por su amor y dedicación para hacer de mí un hombre de bien. Por la fé que siempre tuvieron en mí para alcanzar mis sueños y objetivos, por la paciencia, el apoyo y sobre todo, por estar conmigo en todo momento. Por la entrega y el sacrificio que juntos nos harán crecer siempre, como familia, gracias por todo.
Al Instituto Politécnico Nacional , por darme la oportunidad de tener una educación de excelencia, porque además de brindarme las bases y conocimientos necesarios para triunfar, fue una maravillosa oportunidad para conocer a magníficos seres humanos que en algún momento sirvieron de inspiración, apoyo y compañía para alcanzar ésta meta.
A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por guiar de manera correcta mi camino y otorgarme las aptitudes necesarias para ser un Profesionista de bien, por formar en mí valores como la excelencia, la perseverancia, la tolerancia y sobre todo el amor a servir a mi Patria con orgullo, convicción y dedicación, sólo me queda agradecerle infinitamente, comprometiéndome a poner muy en alto su nombre, su prestigio.
Al CECyT 11 “Wilfrido Massieu Pérez” , por orientar mi camino y formar en mi un inmenso sentido de responsabilidad, entrega y amor al estudio, por cambiar radicalmente mi vida, enamorándome con conocimientos cada vez más de la electricidad, llenándome de oportunidades, virtudes y valores para darme las bases necesarias del éxito.
Al Instituto Mexicano del Petróleo , por confiar en mi formación como Ingeniero Eléctrico y cambiar mis aspiraciones y estilo de vida. Por brindarme la oportunidad de crecer como Ingeniero y como persona, dándome una gran visión de lo mucho que puedo y debo hacer para servir arduamente a mi país y enaltecer a la Patria.
A los Honorables Miembros del Jurado , Ing. César David Ramírez Ortiz , M. en C. Jesús Alberto Flores Cruz y con afecto a mis también Asesores el Ing. José Antonio Martínez Hernández y la Lic. Blanca Marina Feregrino Leyva por el apoyo, la paciencia y los conocimientos otorgados. Por compartir su tiempo, energía, dedicación y entusiasmo.
A mis profesores , Dr. Árgeo Vázquez Martínez, M. en C. Manuel Alejandro López Zepeda, Manuel Rosas Yáñez, M. en C. Oscar Miranda Uriostegui, M. en C. Obed Zarate Cruz, Ing. Ricardo Espinosa Y Patiño, Ing. Domingo Almendares Amador, Dr. David Sebastián Baltazar, Ing. Daniel Avelino Mata, Ing. Andrés Daniel Chávez Sañudo, Ing. Valentina Castillo López, M. en C. Armando Rodríguez Castorena, M. en C. Emilio Carranza II, M. en C. Baldomero Guevara Cortés y el Ing. Evaristo Velázquez Cazares , todos y cada uno por su entrega y arduo amor a la enseñanza, por ser profesores de convicción y excelencia, por brindarme parte valiosa de su tiempo, por su amistad y por compartir sus valiosas experiencias y conocimientos.
A mis amigos y compañeros de la Generación 2008-2012 , por las experiencias vividas, por el contagiable entusiasmo de aprender y mejor nuestras vidas, por el trabajo en equipo y porque a todos y cada uno nos espera una vida mucho mejor, éxito en sus vidas y por favor hay que poner muy en alto el nombre de mi amada Escuela.
I Índice
i
OBJETIVO...................................................................................................................... xii
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... xiii
Instituto Politécnico Nacional I I Índice
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica I I Índice
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica I I Índice de Figuras
vi
Capítulo I “Fundamentos de la Calidad de la Energía” ..................................................... 1
Fig. 1.1. Fluctuaciones de voltaje causadas por condiciones de fallas remotas y efecto en la implementación de grandes cargas. ...................................................................... 13 Fig. 1.2. Transitorio de desconexión de un banco de capacitores. ................................ 14 Fig. 1.3. Interrupción temporal. ..................................................................................... 15 Fig. 1.4. Ruido eléctrico_._ ............................................................................................... 16 Fig. 1.5. Distorsión de la señal eléctrica. ...................................................................... 18 Fig. 1.6. Diferencia entre una carga lineal y una no lineal_._ ........................................... 19 Fig. 1.7. Distorsión de corriente causada por una carga no lineal_._ ............................... 19 Fig. 1.8. Flujo de corriente armónica a través de la red de impedancia causando una distorsión de voltaje en la carga_._ .................................................................................. 20 Fig. 1.9. Flujo de corriente armónica a través de la red de impedancia causando una distorsión de voltaje en la carga_._ .................................................................................. 23 Fig. 1.10. Esquema del convertidor de potencia monofásico_._ ...................................... 28 Fig. 1.11. Forma de onda de corriente y su espectro armónico_._ .................................. 28 Fig. 1.12. Forma de onda de corriente y espectro armónico para un convertidor trifásico. ....................................................................................................................................... 29 Fig. 1.13. Convertidor de frecuencia variable_._ .............................................................. 30 Fig. 1.14. Circuitos esquemáticos de convertidores de frecuencia variable_._ ................ 31 Fig. 1.15. Corriente en lámpara fluorescente con balasto magnético_._ .......................... 32 Fig. 1.16. Formas de onda de voltaje y corriente y espectro armónico en la rama magnética de un transformador saturado_._ .................................................................... 33 Fig. 1.17. Resonancia paralelo de condensadores con la impedancia de corto-circuito_._ ....................................................................................................................................... 34 Fig. 1.18. Circuito con resonancia serie. ...................................................................... 36 Fig. 1.19. Onda compuesta. ......................................................................................... 39 Fig. 1.20. Gráfico de corriente no lineal_._ ....................................................................... 40 Fig. 1.21. Onda de corriente de computadora. ............................................................. 40 Fig. 1.22. Primario delta, corriente circulante_._ .............................................................. 42 Fig. 1.23. Aumento en las perdidas I^2 Rac por el efecto piel en conductores_._ .............. 43
I Índice de Figuras
Instituto Politécnico Nacional I I Índice de Figuras
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica I I Índice de Tablas
x
Capítulo I “Fundamentos de la Calidad de la Energía” ..................................................... 1
Tabla 1.1. Limites de distorsión de tensión. ................................................................. 63 Tabla 1.2. Límites de distorsión de corriente para Sistemas de Distribución (120 V a 69 000 V). .......................................................................................................................... 65 Tabla 1.3. Límites de distorsión armónica total en tensión y de CAIMT en el punto de acometida ...................................................................................................................... 67 Tabla 1.4. Distorsión armónica permitida en corriente para baja, media y alta tensión hasta 69 kV. .................................................................................................................. 67 Tabla 1.5. Desbalance permitido en la tensión en el punto de acometida. ................... 68 Tabla 1.6. Desbalance permitido en la corriente en el punto de acometida. ................. 68
Capítulo II “Proceso de Medición” .................................................................................. 70
Tabla 2.1. Parámetros nominales de la PC Dell, modelo GX620. .................................. 74 Tabla 2.2. Parámetros nominales del aire acondicionado Carrier, tipo ventana de 2200 frigorias........................................................................................................................... 76 Tabla 2.3. Parámetros nominales del UPS Powerware, modelo 5125. .......................... 79 Fig. 2.14. Descripción gráfica del PowerPad® Modelo 3945-B. .................................... 84 Tabla 2.4. Especificaciones del PowerPad® Modelo 3945-B. ....................................... 85
Capítulo III “Respuesta Experimental” ............................................................................ 99
Tabla 3.1. Cálculo de distribución de cargas en condiciones nominales de operación, caso A. ......................................................................................................................... 100 Tabla 3.2. Resultados obtenidos por las mediciones en tiempo real, caso A. .............. 111 Tabla 3.3. Cálculo de distribución de cargas en condiciones nominales de operación, caso B. ......................................................................................................................... 112 Tabla 3.4. Resultados obtenidos por las mediciones en tiempo real, caso B. .............. 118 Tabla 3.5. Resultados obtenidos por las mediciones en tiempo real, caso C. ............. 128 Tabla 3.6. Cálculo de distribución de cargas en condiciones nominales de operación, caso D. ......................................................................................................................... 129
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica I I Objetivo
xii
Realizar un estudio experimental de la calidad de la energía al Laboratorio de Análisis de Circuitos Eléctricos Polifásicos, perteneciente a la carrera de Ingeniería Eléctrica de la ESIME Zacatenco, IPN, de conformidad a la normatividad internacional IEEE-Std. 519-1992 y a la Especificación CFE L0000-45, para determinar la distorsión armónica, su impacto en la operación y consumo de energía.
IInstituto Politécnico Nacional I Introducción
xiii
En la actualidad la calidad de la energía es un requisito para la operación de los sistemas eléctricos. De manera sobresaliente los equipos electrónicos que desde un enfoque eléctrico, se clasifican como cargas no lineales, producen altos niveles de distorsión de las señales de tensión y corriente; mismas que a la vez, están relacionadas con las frecuencias y magnitudes de las armónicas.
Existen diversos parámetros a considerar en los sistemas eléctricos con enfoque de calidad, como son: la continuidad en el servicio, la frecuencia fundamental, variaciones mínimas de tensión, adecuado factor de potencia, regulación de tensión, balanceo de cargas, control de flickers (parpadeo), ruido eléctrico, interrupciones, transitorios, factor de cresta y la distorsión armónica, entre otros. En éste contexto, el parámetro de calidad sobresaliente es el producido por las cargas no lineales; es decir, la distorsión armónica y la incidencia de todas las frecuencias armónicas a la señal fundamental de corriente o tensión denominada Distorsión Armónica Total THD (Total Harmonic Distortion).
Considerando la problemática de la calidad de la energía, ésta tesis se enfoca a la realización de un estudio experimental a nivel laboratorio, correspondiente al Laboratorio de Circuitos Eléctricos Polifásicos de la Academia de Electrotecnia de la carrera de Ingeniería Eléctrica de la ESIME Unidad Zacatenco del IPN; toda vez que se encuentre en operación; éste laboratorio cuenta con trece PC, dos aires acondicionados, siete UPS (Uninterruptible Power Supply), sistema de alimentación de energía trifásico, cargas pasivas resistivas, Inductivas y capacitivas, permitiendo ampliar el estudio con diferentes escenarios de operación de carga eléctrica. En el Capítulo I de ésta tesis, se describe la problemática existente en los sistemas eléctricos por falta de calidad de la energía, sus fuentes de disturbios, sus efectos, los parámetros de calidad, las mediciones de armónicas y el marco regulatorio pertinente.
IInstituto Politécnico Nacional I Justificación
xv
Los estudios profesionales de quienes nos formamos como ingenieros siempre es de nuestro interés relacionar las actividades prácticas que se realizan en los laboratorios con el ejercicio de nuestra profesión.
En este sentido, en la formación del Ingeniero Electricista de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional, contamos con diversos laboratorios tanto de ingeniería como especialidad, por cierto algunos más equipados que otros pero por fortuna todos con profesores preocupados por enseñarnos sus conocimientos y experiencias. Así, en los laboratorios de Electrotecnia, recibimos los conocimientos generales para el estudio de las redes eléctricas desde los circuitos básicos pasando por la metrología eléctrica hasta los sistemas polifásicos.
En el laboratorio de Circuitos Eléctricos III (circuitos polifásicos) se desarrollan las actividades prácticas principalmente con sistemas de cargas trifásicas balanceadas y desbalanceadas, en estrella o en delta a cuatro y tres hilos, en baja tensión a 127 y 220 volts, en sistemas monofásicos y trifásicos respectivamente. Estas magnitudes ya nos permiten relacionar y comprobar el comportamiento de cargas muy aproximadas a las que se usan en los sistemas de utilización de la energía eléctrica en baja tensión a nivel comercial y habitacional.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica I I Justificación
xvi
El Laboratorio cuenta con diferentes tipos de cargas pasivas y electrónicas para los experimentos, y buenos equipos de medición, dentro de los que se destaca del medidor de calidad identificado con el PowerPad que nos permite realizar mediciones en tiempo real prácticamente de todos los parámetros eléctricos como son: potencia aparente, potencia activa, potencia reactiva, factor de potencia, defasamiento, intensidad de corriente eléctrica, tensión de fase y de línea, distorsión armónica, factor de cresta y transitorios, entre otros.
Dado lo anterior y considerando las facilidades brindadas, se consideró importante realizar un estudio de calidad de la energía eléctrica, al Laboratorio de Electrotecnia III (Circuitos Polifásicos), con la finalidad de determinar el comportamiento eléctrico, en estado estacionario, cuando dicho laboratorio opera con todas las cargas pasivas (resistivas, capacitivas e inductivas); esto es, cuando se activan cargas resistivas R, capacitivas C e inductivas L, mínimo en cuatro equipos para tener cargas RLC en paralelo balanceadas y desbalanceadas, asimismo, cuando se combinan cargas no lineales y pasivas y que están alimentadas por el mismo sistema, en este caso poniendo en operación las cargas pasivas y las electrónicas, estas últimas compuestas por trece PC y siete UPS, se complementa el estudio activando los dos aires acondicionados con que cuenta el citado laboratorio.
Este estudio además tiene el propósito de prever, en base a los principios, leyes experimentales y a estudios específicos de mediciones en tiempo real de los parámetros o variables eléctricas, cual es el comportamiento eléctrico esperado de la utilización de la energía en cargas lineales (pasivas) y no lineales (electrónicas) y su incidencia en el sistema de distribución.
