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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

“ANÁLISIS DEL EFECTO DE LAS ARMÓNICAS EN LÁMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN SISTEMAS RESIDENCIALES UTILIZANDO EL SOFTWARE LABVIEW “ TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA

PRESENTA: MARIA GUADALUPE DÍAZ HERNÁNDEZ

DIRECTOR: DR. ALFREDO RAMÍREZ RAMÍREZ

XALAPA, VER.

SEPTIEMBRE 2012

Análisis del Efecto de las Armónicas de las Lámparas Fluorescentes Compactas en la Calidad de la Energía Eléctrica en Sistemas Residenciales utilizando software LabVIEW

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Análisis del Efecto de las Armónicas de las Lámparas Fluorescentes Compactas en la Calidad de la Energía Eléctrica en Sistemas Residenciales utilizando software LabVIEW

ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES......................................................................................................... 1 1.1 CONCEPTOS BÁSICOS ................................................................................................................... 1 1.2 ONDA SENOIDAL PURA .................................................................................................................. 2 1.3 CARGAS LINEALES Y NO LINEALES ................................................................................................. 3 1.3.1 Cargas Lineales .................................................................................................................. 3 1.3.2 Cargas no Lineales ............................................................................................................. 3 1.4 DEFINICIÓN DE LOS ARMÓNICOS .................................................................................................... 6 1.4.1 Tipos de armónicos ........................................................................................................... 10 1.4.2 Instrumentación de Verdadero valor eficaz. ..................................................................... 16 1.5 CALIDAD DE LA ENERGÍA............................................................................................................. 19 1.6 PARÁMETROS, ESTÁNDARES Y NORMAS ....................................................................................... 20 1.6.1 Parámetros ........................................................................................................................ 20 1.6.2 Estándares de la calidad eléctrica .................................................................................... 22 1.6.3 Normatividad ..................................................................................................................... 23 1.7 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ..................................................................................................... 28 CAPÍTULO 2 SUSTENTO MATEMÁTICO DE LOS ARMÓNICOS ................................................. 29 2.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 29 2.2 FACTOR DE POTENCIA EN CARGAS NO LINEALES ........................................................................... 30 2.2.1 Potencia en regímenes sinusoidales ................................................................................ 32 2.2.2 Potencia en regímenes no senoidales .............................................................................. 35 2.2.3 Potencia en sistemas trifásicos ......................................................................................... 37 2.3 FORMA TRIGONOMÉTRICA DEL TEOREMA DE FOURIER .................................................................. 37 2.4 ESTABLECIMIENTO DE ECUACIONES ............................................................................................ 39 2.4.1 Intervalo – ................................................................................................................... 39 2.4.2 intervalo (L, L) ................................................................................................................... 40 2.4.3 Intervalo ...................................................................................................................... 40 2.5 FUNCIONES PARES E IMPARES .................................................................................................... 41 2.5.1 Propiedades ...................................................................................................................... 41 2.6FILTRADO DE SERIES DE FOURIER ................................................................................................ 44 2.7 ESPECTRO DE LA ONDA .............................................................................................................. 46 2.8 TRANSFORMADA DE FOURIER ..................................................................................................... 46 CAPÍTULO 3 FAMILIARIZACIÓN CON LABVIEW ......................................................................... 50 3.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 50 3.2 DIAGRAMA DE BLOQUES ............................................................................................................. 53 3.3 PALETAS DE FUNCIONES ............................................................................................................. 54 3.3.1 Paleta de Herramientas .................................................................................................... 54 3.3.2 Paleta de controles ........................................................................................................... 55 3.3.3 Paleta de funciones........................................................................................................... 57 3.4 BARRAS DE LABVIEW ................................................................................................................ 59 3.4.1Barras de Menú .................................................................................................................. 59 3.4.2 Barra de herramientas del panel frontal............................................................................ 63 3.4.3 Barra de herramientas del diagrama ................................................................................ 63 3.5 TIPOS DE DATOS ........................................................................................................................ 63 3.6 TECNICAS DE UNIÓN ................................................................................................................... 65

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3.7 TÉCNICAS DE EDICIÓN ............................................................................................................... 66 3.7.1 Ubicación de los objetos ................................................................................................... 67 3.7.2 Edición del panel frontal ................................................................................................... 69 3.7.3 Edición de texto ................................................................................................................. 69 3.7.4 Guardar un VI .................................................................................................................... 69 3.8 ESTRUCTURAS ........................................................................................................................... 70 3.8.1 Estructura While Loop ....................................................................................................... 71 3.8.2 Estructura For Loop .......................................................................................................... 71 3.8.3 Estructura Sequence......................................................................................................... 72 3.8.4 Estructura Case ................................................................................................................ 73 3.8.5 Estructura Node ................................................................................................................ 73 3.9 ARREGLOS Y CLÚSTERS............................................................................................................. 74 3.9.1 Arreglos ............................................................................................................................. 74 3.9.2 Clústers ............................................................................................................................. 75 3.10 GRAFICADORES ....................................................................................................................... 77 3.10.1 Gráfica Waveform Chart ................................................................................................. 78 3.10.2 Graficador waveform graph ............................................................................................ 78 3.10.3 Gráfica xy graph .............................................................................................................. 79 3.11 SUBVI´S .................................................................................................................................. 79 3.11.1 Utilización de un SubVI ................................................................................................... 80 3.12 ADQUISICIÓN DE DATOS ............................................................................................................ 81 CAPÍTULO 4 SISTEMAS DE MEDICIÓN Y RESULTADOS ........................................................... 82 4.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 82 4.2 CIRCUITO ADAPTADOR DE VOLTAJE Y CORRIENTE ......................................................................... 84 4.3 ADQUISICIÓN DE DATOS .............................................................................................................. 86 4.4 DISEÑO Y DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA EN LABVIEW 11.0.1 ...................................................... 87 4.5 CARGAS PARA EL ESTUDIO. ......................................................................................................... 89 4.6 MÉTODO DE ANÁLISIS .......................................................................................................... 92 4.7 RESULTADOS ............................................................................................................................. 93 PRUEBA 1:3 FOCOS INCANDESCETES DE 60 W ................................................................. 97 PRUEBA 2: 1 LFC DE 13 W .................................................................................................... 100 PRUEBA 3: 1 LFC DE 18 W .................................................................................................... 103 PRUEBA 4: 1 LFC de 23 W ..................................................................................................... 106 PRUEBA 5: 1 LFC de 55 W ..................................................................................................... 109 PRUEBA 6: 3 LFC´s: 1 de 13 W, 1 de 18 W y 1 de 23 W ....................................................... 112 PRUEBA 7: 5 LFC´s de 18 W .................................................................................................. 115 PRUEBA 8: 1 LFC DE 23 W, CON 3528 HORAS DE USO .................................................... 118 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 121

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INTRODUCCIÓN En la actualidad el uso masivo de las lámparas fluorescentes compactas, impone nuevos estudios e investigaciones sobre los factores que influyen en la calidad de los mismos y en las particularidades de los análisis que se realizan con la información adquirida. Una buena calidad de la energía se entiende como un bajo nivel de disturbios en la red, es decir con el mínimo de distorsiones armónicas, variaciones de voltaje, interrupciones, sobretensiones, tanto en el suministro como en la recepción o utilización. La NOM-028-ENER-2010 “Eficiencia Energética de Lámparas para Uso General” menciona que a partir de diciembre de 2011 ya no se permitirá la venta de focos de 100 watts; a partir de diciembre de 2012 se quitarán del mercado los focos de 75 watts, y a partir de diciembre de 2013, los focos de 40 a 60 watts.1 Es así que, a partir del año 2014 ya no se venderán en México focos incandescentes. Un problema de la calidad de la energía, es cualquier fenómeno de origen eléctrico que interrumpe el correcto funcionamiento de los sistemas y equipos eléctricos, y con las medias que se tomarán de acuerdo a la norma antes mencionada. La introducción de Lámparas Fluorescentes Compactas (LFC´s) al uso residencial causará un problema grave en la calidad de la energía eléctrica, esto es, por que este tipo de iluminación introduce un gran número de corrientes armónicas a nuestra instalación eléctrica, producto del uso de un sistema de balastros electrónicos, causantes de este tipo de corrientes, por que los balastros electrónicos se alimentan en instante del tiempo donde la corriente es pico. El estudio de la distorsión armónica y la calidad de la energía en las LFC´s se basarán en la medición, digitalización y almacenamiento de datos y su descomposición en series de Fourier para determinar las componentes armónicas de las señales de tensión y de la corriente. Actualmente los instrumentos y programas de medición son de un muy alto costo, es por eso, que esta necesidad de análisis, nos ha llevado a buscar nuevas alternativas. El uso de software resulta bastante más económico que la

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Secretaria de Energía, “menciona que a partir de diciembre de 2011 ya no se permitirá la venta de focos de 100 watts”, [en línea], México, 17 de julio de 2011, Formato HTML, Disponible en: http://www.sener.gob.mx/portal/Mobil.aspx?id=1991

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adquisición de un instrumento especializado, pensando en un servicio comercial básico o educativo. Los armónicos generados por las LFC´s son capturados, con respecto a la corriente a través de la tarjeta NI 9227, antecedida por una protección de un transformador de corriente de relación de 30/1 A; y al voltaje directamente a través de la tarjeta NI 9225 y analizada en la base de datos obtenidas por el software LabVIEW. El trabajo de tesis, quedo dividido en 4 capítulos de la siguiente manera: Capítulo 1 “Antecedentes” Se hace una reseña de los conceptos principales desde la onda pura, hasta los factores que intervienen en el análisis de una onda perturbada por corrientes armónicas y cómo es que se generan. Capítulo 2 “Sustento matemático de los armónicos” Aquí se hace el análisis matemático de la naturaleza de las corrientes armónicas y deja una explicación bastante clara que nos permite relacionar la teoría con la parte experimental. Capítulo 3 “Familiarización con el software LabVIEW” En este capítulo se aborda directamente lo que es el software, se elabora una pequeña guía de funcionamiento y familiarización para que el lector pueda comprender mejor el funcionamiento del sistema. Capítulo 4 “Sistemas de medición y resultado” Describiremos los sistemas de medición, los circuitos realizados y el programa en el software como la suma de un todo, pudiendo ver de una manera más directa el resultado de cada uno de los elementos de trabajo.

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JUSTIFICACIÓN El presente trabajo de tesis está destinado a la investigación del comportamiento de la calidad de la energía, que se ve afectada por la intervención en el sistema eléctrico de corrientes armónicas, producto de la inserción de LFC´s en las instalaciones eléctricas residenciales. Al finalizar debemos tener las bases de los análisis de la presencia de armónicos; para que en un futuro, se puedan sembrar alternativas de solución que reduzcan dichos fenómenos eléctricos, además de una mejor comprensión de cómo se originan y los problemas que conllevan en un sistema eléctrico. Y aunado a que la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica se encuentra en un proceso de instalación de un Laboratorio especializado CEMCEE (Centro de Estudio y Monitoreo de la Calidad de la Energía Eléctrica) se procedió a colaborar con el diseño de un instrumento virtual que complementara la finalidad del laboratorio. Actualmente son pocas las instalaciones eléctricas que están diseñadas para trabajar correctamente con cargas no lineales provocantes de frecuencias armónicas, las normas están encargadas de estandarizar y regular la eficacia operativa y la seguridad de las instalaciones eléctricas, sin embargo hasta las mismas normas no satisfacen las necesidades actuales y comienzan a ser anticuadas. La realidad expuesta motivó la idea de desarrollar un análisis de armónicas de un caso residencial con la utilización de herramientas computacionales.

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OBJETIVO

Este trabajo de investigación tiene como objetivo general el diseño de la etapa digital de un instrumento virtual en software LabVIEW que permita el análisis de las frecuencias armónicas, y sus diferentes parámetros, así como permitir una interacción más dinámica con el usuario, para un mayor entendimiento de este fenómeno. En una ampliación de este estudio se podrá demostrar la importancia del fenómeno de distorsión armónica en la actualidad y el reconocimiento de la necesidad de la utilización de herramientas computacionales para proponer un método para el análisis de la distorsión a través de filtro de armónicas, por medio de un instrumento virtual logrando mejoras en el estudio de la eficiencia en la producción y mejor desempeño de la red eléctrica en general. Otro de los objetivos es implementar un sistema adicional con el que se pueda hacer un análisis en instalaciones eléctricas residenciales, y así aportar un nuevo sistema de control de la calidad de la energía. El alcance de este proyecto es únicamente la programación de la etapa digital y análisis de corrientes armónicas con lámparas fluorescentes compactas, implementada con LabVIEW, que se programa de acuerdo a las necesidades y cargas del sistema a estudiar. Los beneficios que se desea aportar son en primer lugar un software sencillo y práctico que nos muestre el grado de distorsión de la calidad de la energía que provocan únicamente las LFC, y además, dejar base para un futuro análisis que incluya las demás cargas no lineales de una instalación, lo cual se lograría modificando el Instrumento Virtual (VI), adaptándolo a las necesidades y requerimientos del usuario. El VI se programa en el software LabVIEW con las herramientas o subVI de la empresa National Instruments. Este software es poco aprovechado y muy necesario para la formación académica de un ingeniero mecánico electricista, ya que se puede trabajar conjuntamente con varios aparatos utilizados en las actividades cotidianas laborales, y de esto, resulta otro objetivo, hacer del conocimiento de la comunidad estudiantil de esta facultad la existencia y uso práctico de esta herramienta, invitándolo a participar en los diferentes proyectos realizados por los académicos.

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OBJETIVOS PARTICULARES

Sentar bases para un futuro análisis de armónicas ya con las cargas completas reales de un sistema residencial. Realzar la importancia del uso de normas sobre los límites permisibles de corrientes armónicos en las etapas de diseño y construcción de los sistemas eléctricos residenciales. Realizar un VI completo para un análisis detallado de los diferentes parámetros a estudiar. Hacer un dispositivo que fuera capaz de ser un equipo de medición de voltajes, corrientes, frecuencias, espectro de armónicas, etc. Comprobar con un análisis matemático los resultados obtenidos con nuestra herramienta virtual. Conjugando así perfectamente la parte teórica y práctica, muchas veces difícil de ver.

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HIPÓTESIS Demostrar que las lámparas fluorescentes compactas afectan la calidad de la energía aportando corrientes armónicas, aumentando hasta tres veces la corriente del neutro y deformando la onda de corriente, alejándola cada vez mas de la sinusoidal al aumentar la potencia de las luminarias. Obtener las graficas que demuestren lo anterior y la corriente máxima que provocan.

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CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES 1.1 CONCEPTOS BÁSICOS Hoy en día en una típica vivienda residencial puede encontrarse un número importante de cargas no lineales: televisores, computadoras personales, videograbadoras, equipos de audio, hornos a microondas, lámparas fluorescentes compactas, etc., las que introducen un elevado contenido armónico en la red de distribución Actualmente son pocas las instalaciones eléctricas que están diseñadas para trabajar correctamente con cargas no lineales provocantes de frecuencias armónicas, las normas están encargadas de estandarizar y regular la eficacia operativa y la seguridad de las instalaciones eléctricas, sin embargo hasta las mismas normas no satisfacen las necesidades actuales y comienzan a ser anticuados. Podemos esperar que haya mayor número de fallas en instalaciones anticuadas que en instalaciones que han sido diseñadas para el tipo de carga que contendrán; y las consecuencias de estos malos diseños no solo se refleja en el costo del material sino también los paros de producción de las operaciones, una mala calidad en el servicio y en la seguridad de los usuarios. Es mejor tomar medidas preventivas y consideraciones de diseño en la etapa de construcción que pueden disminuir los fallos y los efectos de los problemas de la calidad de la energía, pues son relativamente más baratos, que tomar acciones correctivas “De la década de los 90 a la fecha los usuarios han servido manifestarse por la mala calidad del suministro de energía, sin darse cuenta que la mayoría de las veces los equipos que tiene conectados a su instalación, son la causa, esto es por el incremento en el uso de aparatos electrónicos."2 Podemos decir que considerablemente.

la

vida

útil de nuestras

instalaciones

se

reduce

En los primeros años del suministro de energía eléctrica, las cargas eran puramente resistivas con una relación V-I constante y con un valor de impedancia relativamente constante. Así es que cuando se aplicaba un voltaje sinusoidal a las cargas lineales resultaba una corriente puramente sinusoidal.

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Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007

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En el Capítulo V del Reglamento de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica, del Suministro y la Venta de Energía Eléctrica, en el Art. 18 se proporcionan los límites y características de que la compañía suministradora deberá tener en cuenta para proporcionar un servicio de manera confiable. Referente a la frecuencia, ésta tendrá una tolerancia de +/- 0.8% y para los diferentes niveles de voltaje no deberá exceder en +/- 10% con tendencia a la baja.

Figura 1.1 Onda sinusoidal

La tensión suministrada debe tener un valor de 127 Vac con una variación ± 10% y una frecuencia de 60 Hz en edificios y viviendas para baja tensión, procurando una corriente sinusoidal (figura 1.1). Cuando medimos esta tensión con un multímetro o cualquier otro instrumento de medición adecuado nos da una señal de AC esto es una señal fluctúa su valor a través del tiempo entre ciclos positivos y negativos.

1.2 ONDA SENOIDAL PURA En un circuito DC el voltaje y la corriente serán constantes (con una carga constante). Sin embargo en un circuito AC el voltaje y la corriente variarán de una forma sinusoidal. Los voltajes instantáneos y las corrientes variarán sobre el tiempo basados en sus fases.

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1.3 CARGAS LINEALES Y NO LINEALES 1.3.1 CARGAS LINEALES En condiciones normales las formas de onda de voltaje suministrada por una compañía eléctrica serían sinusoidales a la frecuencia fundamental. Cuando se conecta una carga lineal a un voltaje sinusoidal solamente va a ser sinusoidal la onda de tensión a la misma frecuencia, una carga lineal no produce una onda distorsionada, cuando se conecta a una fuente de corriente sinusoidal, cuando la carga contiene elementos no lineales el circuito lleva una señal con pulsos abruptos y no en una forma usual, estos pulsos forman una onda distorsionada que contiene armónicas. Cuando se aplica un voltaje sinusoidal directamente a cargas tales como resistencias, inductancias, capacitores o una combinación de ellos, se produce una corriente proporcional que también es sinusoidal, por lo que se les denominan cargas lineales. Una señal limpia con ausencia de distorsión armónica es como lo muestra la figura 1.2.

Figura 1.2 Señal libre de distorsión

1.3.2 CARGAS NO LINEALES La empresa que suministra servicio eléctrico se mantuvo durante mucho tiempo en una época en la que se podría llamar de la navegación tranquila, ya que ésta solamente se preocupaba de satisfacer la creciente demanda de sus usuarios, ya sea, construyendo centrales de generación, o subestaciones, con mayor capacidad y por supuesto asumiendo que las cargas eléctricas eran las ya conocidas (resistivas - inductivas - capacitivas) las cuales a excepción de su tamaño no eran de preocupación técnica alguna para los profesionales. Muchos

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de los estudios en la red eléctrica de distribución eran orientados solamente con fines de protección de los equipos de la red. Hoy en día en muchas empresas eléctricas en el ámbito mundial se habla mucho de la eficiencia, de la optimización de recursos, reducción de costos y la calidad en todos los aspectos que ésta pueda estar involucrada. El tiempo donde existía la navegación tranquila para todas las empresas eléctricas ha llegado a su fin para abrir paso a una nueva época en la cual todo gira en función del cliente de la red eléctrica, y de la calidad del servicio. Para estudiar las características de los sistemas eléctricos es usual considerarlos como resultado de la conexión de diferentes bloques básicos: 1.- La fuente de alimentación, usualmente un voltaje sinusoidal. 2.- El consumo, generalmente constituido por resistencias, inductancias y condensadores de valores fijos. La electrónica puso a disposición de los hogares y las empresas productivas diversos equipos capaces de controlar el producto final: iluminación variable, velocidad ajustable, etc. Así la mayoría de la energía eléctrica pasa por un dispositivo de electrónica de potencia antes que ésta sea finalmente aprovechada. La electrónica de potencia emplea diodos, transistores y tiristores, y prácticamente todos ellos trabajan en el modo de interrupción («switching»). Las armónicas de orden elevado son pequeñas, fundamentalmente debido a que las variaciones son suavizadas por la presencia de inducción en el sistema. Por el contrario, la presencia de armónicas pares es síntoma de que las cargas tienen componentes electrónicos y que el sistema está desequilibrado y la presencia de armónicas elevadas puede ser indicio de variaciones bruscas de voltaje o corriente que pueden conducir a un deterioro del equipo bajo control.

1.3.2.1 FUENTES ARMÓNICAS - Convertidores: Son dispositivos inyectadores de armónicas al sistema de corriente alterna debido a su funcionamiento basado en elementos de switcheo (tiristores). - Hornos de inducción: Consiste en un rectificador e inversor, el cual controla la frecuencia de alimentación de una bobina. De esta manera la bobina mediante inducción hace que caliente las piezas a temperaturas muy altas.

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- Compensadores estáticos de potencia: Utilizan tiristores para el control de la potencia reactiva y así mismo para el control de voltaje en redes de transmisión principalmente. - Saturación de transformadores: Se trata de un elemento no lineal, las armónicas generadas por esta saturación son principalmente de 3er orden. La generación de estas armónicas se presenta en estado estable para cuando el transformador opere en su región no lineal. Las armónicas en los transformadores se presentan también a la hora de energizarlo, tanto pares como impares. - Lámparas fluorescentes compactas: Al aplicarles un voltaje sinusoidal, se produce una circulación de corrientes no sinusoidales a través de ellas por sus componentes electrónicos en el balastro. Ya que las lámparas se conectan a la red de distribución, estas distorsiones fluyen por los conductores hacia los transformadores en el sistema de distribución - Equipo de cómputo: Equipo de oficina en general, funcionan con una fuente de alimentación de un puente rectificador el mismo que posee la característica natural de ser generador de armónicos. - Equipo doméstico: Hoy en día la mayoría de los electrodomésticos basan su funcionamiento en una gran diversidad de dispositivos electrónicos, dispositivos no lineales.

1.3.2.2 CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA El efecto de una o más fuentes armónicas sobre un sistema de potencia dependerá principalmente de las características de respuesta en frecuencia del sistema. La carga aplicada al sistema eléctrico tiene dos factores muy importantes que afectan la respuesta del sistema: La parte resistiva de la carga ocasiona una amortiguación que afecta la impedancia del sistema acercándola a la frecuencia de resonancia, que a su vez reduce la amplitud de las ondas armónicas.

La carga de los motores pueden significar un cambio en las frecuencias a las que ocurren las resonancias. Estas cargas aparecen en paralelo con la inductancia de la carga no lineal. Aun así representan un amortiguamiento importante en la cancelación de las corrientes pico.

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1.4 DEFINICIÓN DE LOS ARMÓNICOS Una función periódica no sinusoidal puede ser descompuesta en la suma de una función sinusoidal de la frecuencia fundamental y de otras funciones sinusoidales, cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Estas funciones adicionales son conocidas como componentes armónicas o simplemente como Armónicos.3 En sistemas eléctricos la palabra Armónicos se utiliza para designar corrientes o tensiones de frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de la alimentación, debido al uso de cargas con impedancia no lineal, a materiales ferromagnéticos, y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su operación normal.

Joseph Fourier define matemáticamente el amónico como: “cualquier señal periódica por compleja que sea, se puede descomponer en suma de señales sinusoidales cuya frecuencia es múltiplo de la fundamental”.4

Donde: : es la componente de la frecuencia fundamental : Amplitud de las distintas senoidales A medida que el voltaje pasa a través de todo un ciclo completo va sacando pulsos de corriente solamente durante el pico de voltaje de línea esto produce que la corriente se distorsione y es justamente la distorsión las que contienen a las armónicas, como se observa en la figura 1.3.

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Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007 4

Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007

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Figura 1.3 Señal de corriente distorsionada

El origen del problema de armónicos son los receptores que consumen corrientes distorsionadas (no sinusoidales). A pesar de que la tensión en origen suele ser sinusoidal, las caídas de tensión provocadas por dichas corrientes no sinusoidales hacen que en los puntos de consumo se tenga una tensión distorsionada y por tanto los usuarios conectados a la red distorsionada sufren los efectos de los usuarios que generan la distorsión de corriente. Las condiciones de resonancia del sistema son los factores más importantes que afectan los niveles de armónicos del sistema. La resonancia en paralelo produce una alta impedancia al flujo de corriente cuya frecuencia corresponde a la frecuencia de resonancia. La resonancia en serie produce en cambio un circuito de baja impedancia. La condición de resonancia paralelo puede causar oscilaciones de corriente que son excitadas por la corriente de resonancia en paralelo, Estas corrientes que fluyen a través de impedancias producen voltajes armónicos, produciendo entonces formas de onda de voltaje distorsionado. “En electrónica, la resonancia eléctrica es el fenómeno que se produce al coincidir la frecuencia propia de un circuito con la frecuencia de una excitación externa”5 El comportamiento de las corrientes armónicas es que tienden a fluir desde las cargas no lineales hasta las impedancias de magnitud menor, que regularmente resulta ser la fuente de energía, sin embargo, en el camino que recorre esa

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Hayt, William, “Análisis de Circuitos en Ingeniería”. Mc Graw-Hill Interamericana, 7ª. Edición, 2007

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corriente se va dividiendo entre las impedancias de la cargas proporcionalmente, ver figura 1.4.

Figura 1.4 Diagrama unifilar del comportamiento de las corrientes de acuerdo a las cargas.

Cada armónica tiene un nombre, una frecuencia y secuencia. En la distribución de corriente alterna la porción positiva y negativa de la corriente y las formas de onda son prácticamente iguales entonces no hay componente de corriente continua, bajo estas condiciones las armónicas de número pares no se generan, el resto de las armónicas ocurren en tres secuencias en término de su rotación de fasores, mientras más alta la frecuencia, más rápida es la rotación del campo magnético, las armónicas de secuencia positiva incluyendo las fundamentales son las que giran en sentido directo. Para ejemplificar lo anterior mencionaremos un motor de inducción trifásico, un motor rota hacia adelante y el campo magnético producido por una secuencia negativa de armónicas tiende a cancelar el campo producido por la fundamental y rota en sentido inverso; este efecto puede producir que los motores de inducción trifásica se quemen. Y la secuencia cero, conocidas como frecuencias triples no rotan, ellas se agregan en el neutro de un sistema de cable trifásico de 4 hilos. La mayoría de las armónicas que se encuentran en el neutro se deben a la tercera armónica, o múltiplos de ésta los efectos de las armónicas se encuentran en los equipos de distribución de potencia que sirven tanto a los monofásicos como a las cargas no lineales trifásicas, las cargas no lineales monofásicas son típicamente receptores o toma corrientes de iluminación que se encuentran en edificios comerciales mientras que las trifásicas se encuentran en plantas industriales donde hay grandes motores con accionamiento de velocidad variable, las armónicas de las cargas lineales monofásicas entran a través de las tomas de corriente producen calentamiento en los conductores neutros.

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En los centros de carga las armónicas pueden producir un salto prematuro del interruptor debido al calentamiento y debido a frecuencias más altas que los 60 Hz. Los conductores compartidos en un sistema trifásico pueden verse afectados severamente por las cargas no lineales conectadas a los circuitos derivados de 120 volts. Bajo condiciones normales para una carga lineal equilibrada la porción fundamental de 60 Hz se cancela en un conductor compartido; sin embargo, las corrientes armónicas de frecuencias triples se suman en vez de cancelarse esto provoca una corriente neutra mayor a la corriente de fase aunque la carga en los conductores de fase estén equilibradas; esta corriente neutra puede ser hasta veces la corriente total medida en cada una de las fases individuales. La situación empeora si, el calibre de los neutros disminuyen de tamaño aquí el peligro es el sobrecalentamiento porque no hay interruptores que le quiten la corriente en el conductor neutro, además de que la norma no lo permite. La corriente excesiva en el neutro puede producir además, las caídas de voltaje más altas de lo normal entre neutro y tierra en la salida. El calor excesivo producido por las armónicas en los conductores de iluminación puede producir una falla en el aislamiento de conductores, los balastros con suministro de energía de estado sólido para ahorrar energía pueden contener armónicas. Los estándares existentes que nos dicen las normas para instalaciones eléctricas para el número de conductores en un conduit no siempre son suficientes por el calor que causan estas armónicas. Los armónicos se clasifican por la frecuencia, orden y secuencia como se observa en la tabla 1.1. Tabla 1.1 Clasificación de los armónicos

Orden

1

2

3

4

5

6

7

8

9

…

n

Frecuencia

60

120

180

240

300

360

420

480

540

…

n+60

secuencia

+

-

0

+

-

0

+

-

0

…

…

Orden: número de veces que es mayor el armónico que la fundamental. Frecuencia: Depende del orden del armónico, se obtiene multiplicando el número de orden por la frecuencia de la fundamental. Secuencia: la secuencia positiva tiene la misma rotación de fases que el voltaje aplicado, lo que ocasiona que los conductores se sobrecalienten y reduzcan su vida útil; la secuencia negativa tienen rotación de fases opuestas que también

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sobrecalientan los conductores y los de secuencia 0 ocasionan que circule corriente por el neutro, teniendo el mismo resultado que los anteriores.

Figura 1.5 Comportamiento de las armónicas de acuerdo a su orden

1.4.1 TIPOS DE ARMÓNICOS Armónicos fundamentales: también llamados armónicos de secuencia directa, son aquellos en los que su campo lleva el mismo sentido que el campo que genera la frecuencia fundamental. La figura 1.6 nos muestra el comportamiento de este tipo de armónicos fundamentales, aquí las tres corrientes de fases están desfasadas 120° entre si y la componente armónica va en sentido de las manecillas del reloj.

Figura 1.6 Armónicos fundamentales

Segundos armónicos: también son llamados de secuencia inversa, son aquellos que se oponen al campo de la frecuencia fundamental y en las máquinas rotatorias provocan el freno al oponerse al giro de las máquinas producto de la señal fundamental, éstos provocan el calentamiento de las máquinas, aunque en algunos casos se aprovechan sus características para frenar motores al inyectar una pequeña señal de corriente directa a la máquina. La figura 1.7 nos muestra el comportamiento de este tipo de segundos armónicos, aquí las tres corrientes de

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fases están desfasadas 120° entre si y la componente armónica va en sentido contrario a las manecillas del reloj.

Figura 1.7 Segundos armónicos

Terceros armónicos: también llamados de secuencia homopolar, son aquellos que circulan únicamente por el neutro (donde se suman). La figura 1.8 nos muestra el comportamiento de este tipo de estos terceros armónicos. Aquí la corriente del tercer armónico va en paralelo con el neutro aumentando la corriente que circula por éste.

Figura 1.8 Terceros armónicos

Armónico característico. Aquellos armónicos producidos por equipos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal. En un convertidor de seis pulsos, los armónicos característicos son los armónicos impares diferentes a los múltiplos de tres, por ejemplo, los 5a, 7a, 11a, 13a, etc.6 h = kq ± 1 k = algún entero q = número de pulso del convertidor Armónico no característico. Armónicos que no son producidos por equipos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal. Estos pueden

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ser el resultado de frecuencias oscilatorias; una demodulación de armónicos característicos y la fundamental; o un desbalance en los sistemas de potencia AC, el ángulo de retardo asimétrico, o el funcionamiento del ciclo convertidor.6 La tabla 1.2 muestra las máximas amplitudes de los armónicos hasta el 25 vo orden. Tabla 1.2 Amplitudes Máximas de Corrientes Armónicas en TCR

Orden de Armónico Presente

Orden de Armónico Presente

1

100

3

(13.78)

5

5 .0 5

7

2 .5 9

9

(1.57)

11

1 .0 5

13

0 .7 5

15

(0.57)

17

0 .4 4

19

0 .3 5

21

(0.29)

23

0 .2 4

25

0 .2 0

NOTA: Aquellos armónicos entre paréntesis son triples. Los armónicos se comportan como fuentes de intensidad dispuestas en paralelo (figura 1.9) y a diferentes frecuencias donde la suma de todas las intensidades es la corriente que alimenta a la carga (múltiplos enteros de una frecuencia fundamental). La frecuencia fundamental es la única que produce potencia activa.

Figura 1.9 Diagrama de fuentes puestas en paralelo

El espectro armónico muestra generalmente en un gráfico donde se representan la descomposición de la señal, donde cada barra es un armónico, proporcionando la

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información de cada uno como: orden, frecuencia, valor eficaz, magnitud y desfase. Al circular corriente a través de un conductor se produce calentamiento como resultado de las pérdidas por efecto Joule, donde R es la resistencia a corriente directa del cable y la corriente está dada por el producto de la densidad de corriente por el área transversal del conductor. A medida que aumenta la frecuencia de la corriente que transporta el cable disminuye el área efectiva por donde ésta circula puesto que la densidad de corriente crece en la periferia exterior, lo cual se refleja como un aumento en la resistencia efectiva del conductor. -La tasa de distorsión armónica Es un procedimiento para cuantificar los armónicos existentes

Donde h1, h2, hn...: es el valor eficaz de cada armónico : Distorsión total armónica con respecto a la fundamental : Distorsión total armónica con respecto a la señal total7 Cuando la tasa de distorsión armónica supera el 100% quiere decir que hay más armónicos que componente fundamental. (Figura 1.108) Por tanto se entiende que la THD debe de ser lo más baja posible. También existe una THD i que se refiere a la carga y THDv que se genera en la fuente como resultado de una corriente muy distorsionada. Regularmente damos por sentado que el factor de potencia y el cos son lo mismo, esto es cierto cuando la señal tanto de corriente como la de tensión no tiene armónicos. Entendemos como factor de potencia al cociente de la Figura 1.10 Diferencia entre onda sinusoidal y onda distorsionada 7

Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007 8 Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007

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potencia activa contra la potencia aparente.

El cos es la relación entre las componentes fundamentales de la potencia activa y la potencia aparente

Medidas de los armónicos Es importante ahora definir como medir las señales habiendo definido los conceptos principales y como se comportan con distorsión y sin ella. Podemos tener una pequeña clasificación: Instrumentación que basa su medida en el cálculo del valor medio - Multímetros y pinzas amperimétricas de valor medio Instrumentación que calcula el valor eficaz real de la señal - Multímetros y pinzas amperimétricas de verdadero valor eficaz - Equipos de visualización de tipo de onda de la señal - Equipos de medida y análisis de armónicos y otros parámetros relacionados con la calidad de la señal - Instrumentación que basa su medida en el cálculo del valor medio. Los instrumentos de valor medio de mano son los más utilizados para instalaciones eléctricas, edificios comerciales, plantas industriales, etc. Estos equipos fueron diseñados cuando las señales armónicas o bien no existían o no eran mayor problema. “cuando la señal ya no es sinusoidal, el resultado de la medida puede ser muy diferente al valor eficaz real de la señal que se está midiendo”9 la instrumentación utiliza siempre el coeficiente de 1.1 para relacionar el valor medio con el valor eficaz, siempre y cuando la señal sea sinusoidal.

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Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007, pág. 42.

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La figura 1.1110 nos muestra un puente de diodos que se encargan de rectificar la señal, un circuito que multiplica la señal por 1.1 y un circuito que calcula el valor promedio. Este resultado es independiente de la frecuencia, pero para que coincida con el valor eficaz la señal debe ser sinusoidal.

Figura 1.11 Diodo rectificador

Tabla 1.3 Especificaciones de un instrumento de valor promedio

VDC

VAC

ADC

11

FUNCIONES

MULTÍMETRO DE VALOR MEDIO

Dígitos (Cuentas)

3200 Rango

32 mV – 1000 V

Precisión

0.3%+1

Mejor resolución

100µV

Rango

32 mV – 600 V

Precisión

1.5%+2

Mejor resolución

100µV

Rango

4000 mA – 10 A

Precisión

0.5%+2

Mejor resolución

1µA

10

Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007 11 Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007, pág. 44

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Rango

4000 mA – 10 A

Precisión

1.5%+2

Mejor resolución

1µA

Rango

320 Ohm – 32 MOhm

Precisión

0.5%+1

AAC

Resistencia

Factor touch hold

SI

Seguridad

EN 61010-1 CAT III-600 V CAT II-1000V

Continuidad/Diodo

SI

Periodo de validez de la garantía

De por vida

*Otros

20 A durante 30 s.

1.4.2 INSTRUMENTACIÓN DE VERDADERO VALOR EFICAZ. Cuando se tuvo la necesidad de medir valor eficaz de señales no sinusoidales, diseñaron las herramientas de verdadero valor eficaz también llamado TRMS. Su principio de funcionamiento depende del fabricante, unos aplican la fórmula de valor eficaz y otros calculan el calentamiento efectivo, etc. Su precisión suele ser mejor. Al adquirir un instrumento de verdadero valor eficaz hay que tener en cuenta el ancho de banda del medidor que se refiere al rango de frecuencias de la señal dentro de las cuales el medido puede hacer lecturas fiables, porque deja pasar cierto rango de frecuencias y atenúa o no deja pasar otras. Para poder elegir el instrumento correcto podemos hacer uso de la tabla 1.3 Tabla 1.4 Tabla comparativa de las herramientas de medición

Tipo de instrumento

Sinusoidal (sin armónicos)

Cuadrada (con armónicos)

Pulsante (con armónicos)

Instrumento de valor medio

Medida correcta

Medida 10% superior a la real

Medida hasta 40% menor a la real

Instrumento de verdadero valor

Medida correcta

Medida correcta

Medida correcta (dentro del ancho

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eficaz (TRMS)

de banda especificado)

Podemos concluir que cuando se sospeche que hay presencia de armónicos en una instalación donde haya muchos equipos electrónicos, es recomendable utilizar equipos de verdadero valor eficaz (Tabla 1.4). Ya que utilizar un equipo de valor medio puede resulta hasta con 40% de error en la medición. Uno de estos equipos podría ser un multímetro de verdadero valor eficaz, y que podemos observar sus especificaciones en la tabla 1.5. Tabla 1.5 Especificaciones de multímetro de verdadero valor eficaz

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MULTÍMETRO DE VERDADERO VALOR EFICAZ Número de cuentas

50,000

Verdadero valor eficaz

Si Tensión AC/DC

Máxima tensión

1000 V

Exactitud básica DC

0.025%+2

Resolución

10µV

Ancho de banda de verdadero valor eficaz

100 kHz

Corriente AC/DC Máxima corriente

10A continuos, 20ª durante 30 s.

Exactitud básica DC

0.15%+2

Resolución

10 mA

Ancho de banda en verdadero valor eficaz

20kHz

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Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007, pág. 49.

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Resistencia Rango

30Mohm

Exactitud

0.05%+2

Resolución

0.01 ohm Capacidad

Rango

50 mF

Exactitud

1%+5

Resolución

1 pF Frecuencia

Rango

1 MHz

Exactitud

0.005+1

Resolución

0.01Hz Otras medidas

Temperatura

Si

dBm y Dbv

Si

Captura de picos

250 µs

Registro

1000 puntos autónomo/PC

Memoria de 100 puntos

Si

Medidas TRMS AC+DC

Si

Seguridad

CAT III 1000 V en todas las entradas

Periodo de validez de la garantía

De por vida

Los osciloscopios son herramientas que permiten visualizar la forma de la onda de la señal de corriente, pudiendo analizarla más ampliamente.

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Los primeros osciloscopios eran muy robustos, herramienta de mesa, pero las necesidades de los ingenieros han ido cambiando y las herramientas también, se han diseñado osciloscopios de mano. Los pioneros de este tipo de instrumentos son Philips y Fluke a principios de los 90. Los osciloscopios actuales cuentan con un sinfín de herramientas en un solo equipo. Los equipos de mano permiten identificar rápidamente si existen perturbaciones armónicas, sobretensiones, etc. También existen medidores de armónicos que proporcionan todos los parámetros de los armónicos que son necesarios para un buen análisis de la calidad del sistema. El adquirir un equipo de este tipo debe de ser un beneficio y no un problema más, así que se recomienda la adquisición para aplicaciones especificas. 1.5 CALIDAD DE LA ENERGÍ A Los parámetros de la tensión y la corriente pueden verse afectados por distintos factores, esto afecta la calidad de la energía, es decir, cuando alteramos alguno de estos parámetros estamos afectando la calidad de la energía. Enunciaremos las perturbaciones que afectan a cada parámetro. -Perturbaciones de amplitud: Consisten principalmente en variaciones de tensión, como: -Hueco de tensión: disminución brusca de la tensión de 90% a 1% recuperándose en un periodo de tiempo corto. -Interrupción en la alimentación: la tensión se ve disminuida llegando a ser menor del 1%. -Sobretensión: tensión eficaz superior al 10% de la tensión de alimentación. -Fluctuación de tensión: variaciones cíclicas de la tensión de ±10% del valor nominal. -Parpadeo: inestabilidad en el estimulo visual provocado por la distribución espectral. Es común, en instalaciones domiciliarias, observar un centelleo de la iluminación incandescente cuando entra en funcionamiento un equipo en forma automática, como por ejemplo, el refrigerador. También se observa un efecto similar al energizarse un calefactor o estufa eléctrica de 1,000 a 2,000 W, que también en muchos casos, tiene un mecanismo automático de conexión cuando la temperatura de la habitación es baja. UV

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El flicker o centelleo de la iluminación es una sensación visible molesta. En general, la solución consiste en alimentar estas cargas de variación rápida, mediante circuitos exclusivos o bien utilizar cables y transformadores de alimentación de mayor capacidad. -Perturbaciones de frecuencia: Son provocadas por averías en los sistemas eléctricos. Provocan el incorrecto funcionamiento de grupos electrógenos o de cogeneración. -Desequilibrio de tensión: Son las diferencias de los valore eficaces en un sistema trifásico, esto es cuando la tensión de las fases es diferente, esto provoca que la corriente por el neutro no sea cero. El resultado sobrecalentamiento en el sistema. Este desequilibrio no debe superar el 2 o 3 %. En sistemas con armónicos aunque la carga en las fases sea igual, circula corriente por el neutro. -Perturbaciones en la forma de la onda: Armónicos: es la deformación de onda con respecto a la sinodal pura. Esta forma de onda armónica es característica de las cargas no lineales, como variadores de velocidad balastros electrónicos, en general por equipos con componentes diodos, transistores y tiristores. 1.6 PARÁMETROS, ESTÁNDARES Y NORMAS 1.6.1 PARÁMETROS Los parámetros de la señal de tensión son: Forma de onda (Figura 1.12)13:

Figura 1.12 Forma de onda

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Pérez Miguel Ángel Alberto; Bravo de Medina Nicolás. “La amenaza de los armónicos y sus soluciones”, a THOMSON-PARANINFO, 1 Edición, 2007

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Se define por la expresión matemática:

Donde: 127 es la amplitud del voltaje 60 es la frecuencia en Hz π Es la constante 3.14159… t es el tiempo en segundos v (t) es el voltaje en función del tiempo La tensión y la corriente nos van a dar una forma de onda dependiendo del tipo de carga que estén alimentando Valor pico: también llamado amplitud y es el valor máximo que alcanza la señal. El valor común de el valor pico de la tensión es 120 V en instalaciones residenciales. Este valor es de suma importancia porque actualmente las computadoras personales, los variadores de velocidad y demás aparatos con implementos electrónicos se alimentan del valor pico. Valor eficaz: es la energía de una determinada señal. Es el valor de corriente alterna que produce la misma potencia sobre una resistencia que una de corriente continua. Se define matemáticamente como:

Valor medio de la señal: cuando la señal de tensión o corriente alterna es periódica, y no tiene componente continua, el valor medio es cero:

Valor medio en medio periodo: la instrumentación de valor medio utiliza el valor medio en medio periodo para calcular el valor eficaz.

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La relación entre estos dos parámetros es:

Para las señales sinodales este coeficiente tiende a ser 1.1, pero cuando la señal está muy deformada puede valer hasta 2. Frecuencia: veces que se repite un periodo de una señal en un segundo. La frecuencia para México es de 60 Hz. El periodo de la señal es el inverso de la frecuencia siendo 16.66 ms para un valor de 60 Hz. Factor de cresta: es el cociente entre el valor pico y el valor rms, siendo para una señal sinodal. Siendo comúnmente √2 =1.414. Para señales deformadas el factor de cresta puede llegar hasta 4.

Factor de diversidad: este fenómeno es producido por la diferencia en el ángulo de fase entre el sistema de distribución y la propia carga y se define como la magnitud del fasor de corriente de la red, dividido por la suma algebraica de las magnitudes de las corrientes individuales, para el mismo orden armónico Un bajo índice indica una cancelación importante del armónico en estudio. Factor de atenuación: Es producida por la impedancia del sistema. Está definido como la magnitud total del armónico de orden k cuando n cargas idénticas están conectadas en paralelo, divididas por n veces la magnitud de la corriente de una única carga. Con estos 2 últimos factores es posible determinar el error que se comete al estudiar los índices de distorsión. Los instrumentos de medición no proporcionan ni el valor pico ni el factor de cresta, por lo tanto para apreciar estor parámetros es necesario utilizar instrumentos que permitan visualizar la forma de onda. 1.6.2 ESTÁNDARES DE LA CALIDAD ELÉCTRICA Por ser un problema relativamente nuevo, organizaciones de todo el mundo trabajan arduamente para proponer normas, estándares y medidas de prevención para la distorsiona armónica.

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El objetivo de este trabajo en organizaciones, proveedores e ingenieros es poder tener una guía que una a todas las partes involucradas para trabajar juntas a fin de asegurar la compatibilidad entre los equipos de uso final y los sistemas de distribución de energía eléctrica. Hasta ahora podemos hacer uso de unas normas reconocidas como lo son:  

IEEE 519-1992 IEEE 61000 -IEC 61000-2-2 -IEC 61000-3-2 -IEC 61000-3-4 -IEC 61000-3-6

   

NRS 048-2 EN50160 CONELEC 004/01 CFE L0000-45

1.6.3 NORMATIVIDAD Debido a que el problema cada vez se ha generalizado más dentro de las instalaciones eléctricas, entonces diversos organismos nacionales e internacionales se han preocupado por trabajar en conjunto para establecer límites permisibles de armónicas que mientras sean mantenidos, entonces el problema no es severo. Entre estos organismos se encuentra el IEEE que generó la norma IEEE Std 5191992, la cual establece límites para que los usuarios contribuyan con corrientes armónicas a la red eléctrica, asimismo, indica límites para que las compañías suministradoras proporcionen un voltaje distorsionado que no afecte a los usuarios. 1.6.3.1 IEEE STANDARD 519-1992 Esta norma nos proporciona los límites de los niveles de distorsión armónica en los sistemas eléctricos de potencia y recomendaciones para mantenerlos dentro de los límites permisibles El mantener los niveles de distorsión de voltaje dentro de ciertos límites es responsabilidad tanto de la compañía suministradora de energía eléctrica como de los usuarios, por eso proporciona a detalle medidas preventivas y correctivas para diferentes escenarios. UV

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La norma nos proporciona los límites para los niveles de distorsión de corriente que puede ser aportada por parte de los usuarios, que podemos observar en la tabla 1.6.

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Tabla 1.6 Máxima Distorsión de Corriente Armónica en Porcentaje de IL

Orden Armónico Individual (Armónicos Impares) Isc / IL

h < 11

11≤h Functions Palette, o haciendo clic derecho en el diagrama. La paleta de funciones se muestra en la figura 3.11.

Figura 31 Paleta de funciones

Cada submenú de la paleta contiene funciones para distintas tareas, en estas paletas de funciones encontramos una gran gama de opciones para poder desarrollar nuestro programa. Habiendo casi cualquier función que imaginemos, según las necesidades de nuestro proyecto. Las figuras 3.12, 3.13, 3.14 y 3.15 muestran los submenús más importantes:

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Figura 32 Expresiones matématicas

Figura 33 Análisis de señal

Figura 34 Control de ejecución

Figura 35 Programación

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3.4 BARRAS DE LABVIEW 3.4.1BARRAS DE MENÚ Menú File: Contiene entre otras las opciones tradicionales del sistema operativo Windows. (Abrir, cerrar, guardar, imprimir, salir) la figura 3.16 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 36 Barra de menú

Menú Edit: Nos permite realizar las acciones de edición comunes como copiar, cortar, pegar, deshacer, rehacer, borrar, importar entre otras, la figura 3.17 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 37 Barra de edición

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Menú View: Contiene opciones que permiten observar las paletas de herramientas, ver los errores del programa, navegar, entre otros, la figura 3.18 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 38 Barra de vista

Menú Project: Permite elaborar un nuevo proyecto y manipular su información, guardarlo en un dispositivo, resolver conflictos del programa, etc., la figura 3.19 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 39 Barra de proyecto

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Menú Operate: Contiene las opciones necesarias para controlar la operación de los VI´s, como ejecutarlo, detenerlo, introducir objetos en, o sobre él, cargar datos, conectar con un panel remoto, etc., la figura 3.20 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 40 Barra de operación

Menú Tools: Contiene herramientas para la configuración de LabVIEW como instrumentación, usar nombre de usuario (tomando en nombre de la PC), analizar el programa, control de simulación conexión a internet, entre otras, de los proyectos y de los SubVI´s, la figura 3.21 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 41 Barra de instrumentos

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Menú Windows: Permite configurar la apariencia de las paletas y ventanas, como colocarlas una al lado de otra, o una abajo y otra arriba, mostrar una sola pantalla, etc., la figura 3.22 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 42 Barra de Windows

Menú Help: Presenta la ayuda en línea, una gran lista de accesos directos a los manuales de referencia, la documentación impresa, los recursos de web y enlaces en Internet, patentes, recursos y créditos del software, la figura 3.23 nos muestra como vemos esta barra en el programa.

Figura 43 Barra de ayuda

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3.4.2 BARRA DE HERRAMIENTAS DEL PANEL FRONTAL La barra de herramientas permite la ejecución, depuración y organización de los VI´s. Está localizada debajo de la barra de menús y se muestra en la figura 3.24. Esta tiene una serie de botones que permiten interactuar con el programa en desarrollo o ejecución.

Figura 44 Barra de herramientas del panel frontal

3.4.3 BARRA DE HERRAMIENTAS DEL DIAGRAMA Esta barra contiene además de los mismos botones de la barra del panel frontal, adicionándole las herramientas de depuración. La figura 3.25 muestra la barra de herramientas del diagrama de bloques.

Figura 45 Barra de herramientas del diagrama de bloques

3.5 TIPOS DE DATOS

Tipos de datos

Booleanos

Numéricos

Alfanuméricos

Figura 46 Esquema de tipos de datos

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Dependiendo de los objetivos de nuestra aplicación, utilizamos diversos tipos de datos (figura 3.26) en el diagrama de bloques existiendo un color característico para cada uno. (Booleanos: verde claro, Numéricos: azules-naranjos y los Alfanuméricos: rosados). Esto para poderlos identificar rápido y fácilmente en el diagrama de bloques y poder unir las terminales correctamente. Booleano: El bit más significativo contiene al valor booleano. Si el bit toma un valor de 1, el valor del control o indicador será: true (verdadero) y si el bit toma un valor 0, toma el valor: false (falso). Para poder acceder al menú que nos muestra los diferentes tipos de datos damos un clic con el botón derecho del mouse sobre el área de trabajo del panel frontal nos aparecerá la paleta de controles (figura 3.27) y dar un clic con el botón derecho del mouse sobre el diagrama de bloques (figura 3.28) allí podemos hallar los diferentes controles e indicadores booleanos que posee LabVIEW.

Figura 47 Datos booleanos del panel frontal

Figura 48 Datos booleanos del diagrama de bloques

Numérico: Los datos numéricos que nos ofrece LabVIEW se clasifican en 12 representaciones para los controles e indicadores señalados por su respectivo color: a) Números de tipo entero b) Números de tipo sin signo. c) Números de punto flotante d) Números de tipo complejos simples, dobles y extendidos. Colocando un control o indicador numérico en el diagrama de bloques o panel frontal (figuras 3.29 y 3.30), hacemos clic sobre él con el botón derecho del mouse y nos dirigimos a “Representación” donde podemos configurar el tipo de dato.

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Figura 49 Datos numéricos del panel frontal

Figura 50 Datos numéricos del diagrama de bloques

- Alfanuméricos: Es posible ingresar texto o números de manera alfanumérica en nuestro programa esto como la función de strings como si fuera un array unidimensional. La principal función que desempeña esta opción es mandar a pantalla mensajes de texto, o caracteres de tipo numérico, para especificar nombres o jerarquizar los elementos. Como mencionamos anteriormente, los datos alfanuméricos se visualizan en el panel frontal como etiquetas, tablas y entradas de texto (figura 3.31) mientras que en el diagrama de bloques son de color rosado (figura 3.32).

Figura 51 Alfanuméricos del panel frontal

Figura 52 Alfanuméricos del diagrama de bloques

3.6 TECNICAS DE UNIÓN La estructura básica y clave para desarrollar un programa en LabVIEW, es que es un sistema de objetos interconectados entre ellos e independientes a la vez. Estos se conectan a través de líneas que salen de sus terminales dependiendo del tipo de función que realicen y que mandan las señales que generan o a las que están destinadas entre ellos. Para poder unir dos objetos en el diagrama de bloques debemos identificar primero el tipo de terminales que tiene, es decir, si mandaran una señal o instrucción o la recibirán, se selecciona la herramienta de cableado de la tools

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palette o automáticamente aparecerá el icono para esta función al posicionar el cursos en la terminal del icono, se da clic ahí, y se arrastra sin soltar hasta la terminar que recibirá esa señal. (Figura 3.33)

Figura 53 Control e indicador unido

Para poder borrar una línea solo se selecciona posicionando el cursor sobre ella hasta que aparezca en forma de flecha y se oprime la tecla de suprimir. (Figura 3.34)

Figura 54 Línea seleccionada

3.7 TÉCNICAS DE EDICIÓN Como en cualquier otro software de programación, cada objeto en LabVIEW posee por defecto un menú de opción que permite configurar su funcionamiento ya facilitando o ajustando las tareas de edición. Este menú se puede hacer presente haciendo clic derecho sobre el objeto a editar, ya sea de una sola terminal, una estructura, un arreglo o un subVI, como se muestra en la figura 3.35 que este caso se muestra el menú característico de las funciones de adquisición de datos que es la que se ocupa en este proyecto.

Figura 55 Menú de edición de objeto

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Como en todos los casos, los errores están sujetos a emerger, para esto LabVIEW nos facilita la ubicación de los errores cometidos durante el desarrollo del VI´s en el diagrama de bloques, al seleccionar el botón List Error que aparece en la barra de menús remplazando en botón de ejecución. El saber si hay un error o no, es bastante fácil de deducir, ya que en vez de la flecha de ejecución mostrada normalmente, aparece la misma flecha pero rota, que impide la ejecución del programa hasta no haber solucionado el error. 3.7.1 UBICACIÓN DE LOS OBJETOS Se ha dejado claro que la programación de LabVIEW es bastante clara, rápida y sencilla y ahora describiremos porque; para posicionar un objeto en el panel frontal, solo basta con dar clic derecho sobre el panel, ubicar donde se encuentra esta función, seleccionarlo y automáticamente aparecerán unas líneas punteadas simulando el objeto y hasta dar nuevamente clic sobre el lugar donde lo queremos situar aparecerá. Al hacer un nuevo clic el objeto habilita automáticamente la opción de colocar una etiqueta o nombre que lo identifique. Es posible escribir una etiqueta para el objeto en cualquier etapa de desarrollo del programa o dejar que LabVIEW la asigne por defecto, figura 3.36

Figura 56 Pasos para ubicar un objeto en el panel frontal

Al control mostrado en el ejemplo de la figura 3.36 le corresponde un terminal en el diagrama de bloques como se observa en la figura 3.37

Figura 57 Control numérico en el diagrama de bloques

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La ubicación de objetos en el diagrama de bloques tomados de la paleta de funciones es igual a la del panel frontal. En el diagrama de bloques es posible crear directamente constantes, controles e indicadores a partir de las funciones que requieren entradas y salidas. Dando clic derecho sobre el elemento referente al cual queremos crear un nuevo objeto, constante o gráfica seleccionando esa opción en el sencillo menú que aparecerá. Este procedimiento se muestra en la figura 3.38.

Figura 58 Pasos para ubicar un objeto en el diagrama de bloques

El anterior procedimiento es también válido para crear controles e indicadores y así empezar a desarrollar nuestro VI´s o editarlo. El nuevo terminal tendrá su respectivo indicador en el panel frontal. Figura 3.39.

Figura 59 Vista del nuevo objeto en el panel frontal

Cuando un control o un indicador han sido creados desde el panel frontal su correspondiente aparecerá en el diagrama de bloques y viceversa si se crea un elemento en el diagrama de bloques aparecerá en el panel frontal, a excepción de funciones especiales y el nombre será la que corresponda la entrada o salida con la que se creó.

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3.7.2 EDICIÓN DEL PANEL FRONTAL Para cambiar el color del panel frontal o de cualquier objeto en él se toma la herramienta de colorear de la tools palette o aparece automáticamente y se aplica color a los objetos que se desee haciendo clic derecho sobre ellos y seleccionando el color deseado, figura 3.40.

Figura 60 Panel frontal editado

3.7.3 EDICIÓN DE TEXTO Para editar cualquier texto se debe seleccionar con la herramienta de uso directo del menú de fuentes de la barra de herramientas o dando doble clic directamente sobre él; en este menú se puede modificar el tamaño (Size), el estilo (Style), la alineación (Justify ) y el Color (Color ) de los tipos de letra a cada objeto. Como ejemplo se han modificado las fuentes para obtener la figura 3.41.

Figura 61 Modificación de fuentes

3.7.4 GUARDAR UN VI Desde cualquiera de las dos ventanas, tanto el panel frontal como el diagrama de bloques se puede seleccionar File>>Save para poder guardar nuestro archivo. Se podrá entonces ver el cuadro de dialogo de la figura 3.42, que como podemos observar tiene una interfaz ya conocida por el usuario.

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Figura 62 Cuadro de dialogo para guardar un VI

Dependiendo del sistema operativo, cambiará esta ventana y las condiciones para asignar nombre a los VI´s. No se deben guardar trabajos personales en las carpetas de instalación de LabVIEW ya que no son compatibles. Se recomienda utilizar otras carpetas para almacenar el trabajo. Si no se escribe una extensión al archivo en el momento de guardar, LabVIEW utilizará .vi como extensión por defecto. Es posible guardar varios VI´s en un solo archivo seleccionando la misma carpeta. Esto se denomina una librería de VI´s. Para crear una librería de VI se selecciona “New VI Library” de la ventana guardar; las librerías de Vis poseen extensión llb. 3.8 ESTRUCTURAS Una estructura en general es un nodo que controla el flujo de los datos de un programa y que se comporta bajo ciertas condiciones. LabVIEW cuenta, en orden, con las siguientes estructuras, siguiendo Funtions>>Programming>>Structures, figura 3.43

Figura 63 Menú estructuras desde el diagrama de bloques

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3.8.1 ESTRUCTURA WHILE LOOP La estructura While Loop es un ciclo que repite el sub diagrama que contiene en él hasta que una condición determinada se cumpla. En LabVIEW está representada de la forma que se muestra en la figura 3.44.

Figura 64Estructura While loop

Las instrucciones del ciclo se repetirán hasta que al terminal de condición llegue un valor true (verdadero). Si se desea cambiar la lógica del terminal de condición que es el icono azul en la esquina inferior izquierda, es decir, que el ciclo se repita tantas veces hasta que a éste llegue un valor false (falso), solo se deberá hacer clic derecho en la terminal deseada y seleccionar la opción Stop If True del menú mostrado. El terminal de iteración determina el número de veces que se ha ejecutado el programa dentro el ciclo y puede ser utilizado para visualización o para alguna operación dentro de la estructura que complemente a ésta. Ésta terminal varía desde 0 hasta N-1 donde N es el número de iteraciones realizadas por el ciclo. 3.8.2 ESTRUCTURA FOR LOOP La estructura For Loop es un ciclo en donde se repite el diagrama que contiene un número definido de veces por una contante que se asigna en el icono de la parte superior izquierda con una constante. En LabVIEW está representada por el marco que se muestra en la figura 3.45.

Figura 65 Estructura For loop

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La terminal de iteración indica el número de veces que se ha ejecutado el ciclo. Varía desde 0 hasta N-1 donde N es el número total de iteraciones que realiza el ciclo. El control de iteraciones contiene el número de veces que se ejecutará el sub diagrama contenido en el ciclo. Es muy frecuente que en las estructuras While Loop y For Loop se usen pasar datos entre iteraciones, es decir, que el resultado de ésta al final de un ciclo será la base para un nuevo ciclo. Para ello se utilizan los “shift registers”, están formados por un par de terminales en forma de flechas dentro de un recuadro que se adaptan a cualquier tipo de dato y que están localizados a cada lado de los bordes de la estructura como se muestra en la figura 3.46, poniéndolos, con clic derecho sobre la estructura en la opción >>add shift register. La terminal derecha almacena el dato una vez concluya la iteración y le entrega el dato a la terminal de la izquierda para que sea utilizado en la próxima iteración. En la primera iteración, el sistema podría tomar un número que no sea correcto, por tanto se debe inicializar, desde afuera, con un valor constante conveniente del mismo tipo de la variable utilizada (figura 3.47).

Figura 66 Secuencia de shift registers

Figura 67 Shift registers

3.8.3 ESTRUCTURA SEQUENCE La estructura sequence tiene la apariencia de la figura 3.48 y permite ejecutar varios su diagramas de manera ordenada, controlada y jerarquizada por el programador, establecido por la programación. Esta estructura posee varios su diagramas denominados “frames” que se ejecutan en estricto orden y sólo es visible uno a la vez, se visualiza el que se ejecuta. Hay que tener en cuenta que en LabVIEW esta estructura se ejecutará cuando se disponga de todos los datos de entrada, es decir, si falta algún dato de entrada la estructura no podrá llevar a cabo su función y por lo tanto no se podrá ejecutar.

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Figura 68Estructura sequence

3.8.4 ESTRUCTURA CASE La estructura Case (figura 3.49) posee varios sub diagramas denominados casos (cases) de los cuales sólo se ejecuta uno dependiendo de la conducción de ejecución, se emplea cuando dos o más acciones alternativas dependen de una condición.

Figura 69 Estructura case

Dependiendo del tipo de variable asociada al terminal de selección la estructura se comportará como un IF o como un CASE. Si el valor cableado es booleano la estructura tendrá dos casos FALSE y TRUE, pero si es numérico o cadena la estructura podrá tener desde 2 hasta 65535 casos. 3.8.5 ESTRUCTURA NODE Una estructura nodo es una caja donde se alojan fórmulas matemáticas y lógicas para su evaluación. Tienen la apariencia de la figura 3.50. Las terminales de entrada y salida son variables numéricas, escalares y reales que se generan adicionándolas desde el menú de la estructura. Las funciones aceptadas dentro de la estructura nodo de fórmula son: funciones trigonométricas, matemáticas, logarítmicas y exponenciales. Dentro del nodo de fórmula se pueden adicionar comentarios encerrándolos así: (/*comentario*/).

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Figura 70 Estructura node

3.9 ARREGLOS Y CLÚSTERS 3.9.1 ARREGLOS Un arreglo es una librería ordenada que contiene variables del mismo tipo (figura 3.51). Puede tener una o varias dimensiones, dependiendo del programador. Para crear un arreglo se deben seguir estos pasos: 1. Poner en el Panel Frontal o diagrama de bloques un contenedor de arreglos, desde el menú que aparece en la paleta de controles Array&Cluster >>Array, seleccionando la que mejor se adapte a las condiciones ideales de nuestro programa, figura 3.52 y 3.53. 2. Poner dentro del contenedor un control o un indicador del tipo de dato que se desee el arreglo, arrastrándolo como si se fuera a colocar de manera normal. No es posible poner dentro del contenedor gráficas.

Figura 71 Representación de un arreglo en el panel frontal

Los elementos de los arreglos están ordenados desde la posición 0 hasta la posición N-1 donde N es el tamaño del arreglo. En el menú Array de la paleta de funciones se pueden encontrar funciones necesarias para modificar los arreglos.

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todas las

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Figura 72 Menú de arreglos del panel frontal

Figura 73 Menú de arreglos del diagrama de bloques

3.9.2 CLÚSTERS Un clúster es una colección ordenada de variables que pueden ser de diferentes tipos de datos. Para crear un control o indicador tipo clústers se debe: 1) Poner en el panel frontal un clústers que se encuentra en la paleta de controles en el submenú Array&Clúster>>Clúster, éste una función en forma de caja gris donde se pueden poner otros elementos (figura 3.54).para poner clústers en el diagrama de bloques se encuentra la opción en Funtions>>Programming>>Clúster, Clays y Variant (figura 3. 55).

Figura 74 Clúster en el panel frontal

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Figura 75 Menú de clústers del diagrama de bloques

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2) Poner dentro del contenedor los controles o indicadores deseados. Sin embargo todos los elementos del clúster serán controles o indicadores de acuerdo con el primer objeto que se ponga, todos tienen que ser del mismo tipo, para su correcto funcionamiento. Los clústers pueden ser modificados dando clic derecho para ver desplegado un menú de opciones, figura 3.56

Figura 76 Menú de opciones del clúster

Figura 77 Clúster modificado

La figura 3.57 muestra el orden de cada elemento y permite modificarlo. Los números en fondo blanco muestran la posición actual de los elementos, mientras los de fondo negro muestran la nueva posición que tomarán al presionar “OK”. Para editar el índice de cada elemento se escribe el valor deseado y luego se hace un clic sobre el objeto que se desea reordenar. Al terminar se hace clic en “OK” para aceptar los cambios o en “X” para cancelar. Si un clúster contiene sólo elementos del mismo tipo puede ser convertido a un arreglo de 1D por medio de la función “Clúster To Array”, figura 3.58

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Figura 78 Ejemplo de array y clúster en el panel frontal y el diagrama de bloques

3.10 GRAFICADORES Es importante poder visualizar los resultados del programa desarrollado de una forma clara y fácil de interpretar, para esto LabVIEW cuenta con 14 diferentes tipos de graficadores que se encuentran en la paleta de controls>>modern>>graph, figura 3.59

Figura 79 Menú de graficadores

Los gráficos en LabVIEW son un tipo diferente de indicador ya sea de dos o tres dimensiones, que permiten visualizar resultados, pero así como los indicadores normales, éstos pueden ser convertidos en controles en cualquier momento.

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3.10.1 GRÁFICA WAVEFORM CHART

Figura 80 Gráfica Waveform Chart

El resultado de una gráfica tipo waveform chart mostrado en la figura 3.60 puede tomar diferentes formas al ser alambrado con diferentes tipos de variables de datos válidas para él, tales como:     

Escalares Vectores En función del tiempo Array Nodos

3.10.2 GRAFICADOR WAVEFORM GRAPH Este tipo de gráfica está diseñado especialmente para graficar señales muestreadas, los datos estarán siempre referidos al eje X de manera continua. Un ejemplo de este tipo de gráfico lo vemos en la figura 3.61.

Figura 81 Grafica Waveform graph

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Los tipos de datos que acepta son:     

Vectores WDT Array 2D Array de clúster Clústers para múltiples gráficas

3.10.3 GRÁFICA XY GRAPH El gráfico resultado de una gráfica XY Graph, es una grafica cartesiana de propósito general. La figura 3.62 muestra la grafica y sus respectivos controles e indicadores. Los tipos de datos aceptados por este graficador son: Un registro conformado por dos vectores, el vector uno con los datos de X y el vector dos con los datos de Y. Un arreglo de registros. Cada registro está conformado por un valor X escalar y un valor Y escalar. Un arreglo de clústers. Cada clúster está conformado por un arreglo de datos [X] y un arreglo de datos [Y].

Figura 82 Grafica XY Graph

3.11 SUBVI´S En LabVIEW un SubVI´s o sub-programa es un VI que está siendo utilizado dentro de otro, los subVI permiten que una aplicación sea más simple, al hacer su diagrama de bloques más sencillo, permitiendo que aplicaciones extensas puedan ser divididas en varias tareas pequeñas, las que a su vez pueden ser divididas en

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otras tareas más pequeñas y así sucesivamente, donde finalmente podríamos tener un VI compuesto de básicamente solo SubVI’s El icono que identifica un VI, está ubicado en la parte superior derecha del panel frontal. Para editarlo se debe hacer clic derecho en él y seleccionar >>Edit Icon como se observa en la figura 3.63. Y al ejecutar la edición podría verse como la figura 3.64

Figura 83 Menú de edición del VI

Figura 84 Icono modificado

Los conectores de un VI pueden enviar y recibir datos a un VI mayor cuando se esté utilizando como subVI. Para que esto sea posible primero habría que guardar el VI de manera normal pero modificando las terminales de conexión. El icono elaborado será entonces reemplazado por las terminales que LabVIEW espera que sean alambradas. Una vez asociado un conector con algún control o indicador, éste tomará el color del tipo de representación de la variable seleccionada. 3.11.1 UTILIZACIÓN DE UN SUBVI Para adicionar un subVI en el diagrama de un VI, se siguen los siguientes pasos: 1. Para empezar el VI que se quiere utilizar ya deberá de estar previamente guardado en la carpeta correspondiente. 2. En el panel de diagramas del VI seleccione el menú >>Select a VI de la paleta de funciones. 3. La opción Select a VI, abrirá un cuadro de diálogo donde se puede seleccionar el VI que se requiere utilizar como subVI, como si se fuera a abrir ese VI. 4. Se busca y selecciona el VI deseado y luego se presiona Abrir. 5. Se ubica el cursor en el lugar del diagrama donde se desea ubicar el subVI, luego se hace un clic. Se observará el icono del subVI en el diagrama del VI en desarrollo.

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3.12 ADQUISICIÓN DE DATOS National Instruments sostiene que: “La adquisición de datos es el proceso de obtener o generar información de manera automatizada desde recursos de medidas analógicas y digitales como sensores y dispositivos bajo prueba. Utiliza una combinación de hardware y software basados en PC para brindar un sistema de medida flexible y definido por el usuario.” La figura 3.65 muestra el diagrama general de la adquisición de datos basada en PC.

Figura 85 Diagrama de adquisición de datos

Adquisición

Acondicionamiento

físico

Conversión A/D

Transmisión

Procesamiento

Presentación

Figura 86 Diagrama de flujo de la adquisición de datos

En un sistema de adquisición de datos existirán elementos físicos, que suministran información acondicionada, al elemento controlador del sistema. El elemento controlador, que contiene algún microprocesador, recibirá la información de los sensores directamente. Además de la presentación de dicha información en la forma deseada (generalmente gráfica) el elemento controlador dará las órdenes para realizar las distintas tareas asignadas, ésta descripción del flujo de información la vemos en la figura 3.66.

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CAPÍTULO 4 SISTEMAS DE MEDICIÓN Y RESULTADOS 4.1 INTRODUCCIÓN En este punto ya hemos visto los conceptos fundamentales de los armónicos, la aplicación y sustento matemático y un buen manejo del software LabVIEW. La parte práctica de este proyecto se trata de un programa en el software antes mencionado y de la conexión por medio de un circuito electrónico de acondicionamiento de señal elaborado con las necesidades especificas que requiere este trabajo y adaptación de lámparas fluorescentes compactas de distintas potencias y marcas a una tarjeta de adquisición de datos NI-USB 6211. Este arreglo indica de manera digita y gráfica, en una computadora, el nivel de corriente, el espectro de frecuencia, la forma de onda de la corriente y la forma de onda del voltaje de diferentes lámparas fluorescentes y arreglos de éstas. El instrumento virtual, censa las señales de voltaje y corriente del sistema conectado, para que lleguen a la computadora a través de la tarjeta de adquisición de datos. Desde el punto de vista didáctico permite a los estudiantes identificar las variables eléctricas asociadas con la calidad de la energía bajo condiciones experimentales. La medición de la calidad de la energía eléctrica es por medio de analizadores de señal como lo es el dispositivo PDA-1252 (figura 4.1), esta es una forma muy sencilla y confiable en este tipo de estudios, pero también es muy costoso adquirir un equipo de esta magnitud. Unos de los objetivos de esta investigación fue hacer un dispositivo que fuera capaz de sustituir de manera confiable y segura al PDA, Que tuviera la capacidad de ser un equipo de medición de voltajes, corrientes, frecuencias, espectro de armónicas, etc. Por eso este proyecto resulta ser una gran ventaja, apoyado en la programación gráfica.

Figura 87 Dispositivo analizador de señal PDA 1252

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El dispositivo desarrollado es capaz de realizar mediciones residenciales en cuanto a calidad de la energía en un sistema eléctrico compuesto por lámparas fluorescentes compactas, en este caso, pero también puede utilizarse en el análisis de cualquier tipo de cargas lineales y no lineales para estudiar su impacto en la calidad de la energía en una casa-habitación. De acuerdo con el tipo de carga el circuito desarrollado y presentado en esta investigación se podrá ir modificando, pero cambiarlo no representa ningún problema ni dificultad, pues solo habría que cambiar la capacidad del TC´s y TP´s. El diseño del instrumento virtual está estructurado en etapas como se muestra de la figura 4.2 a la figura 4.6

Figura 88 Cto. acondicionador de señal

Figura 90 Tarjeta de adquisición

Figura 89 Sistema de luminarias

Figura 91 Conexión DAQ/PC

Figura 92 Programa en LabVIEW

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Ahora se prosigue a describir cada una de las partes principales de este analizador de señal, mostradas en las figuras anteriores. 4.2 CIRCUITO ADAPTADOR DE VOLTAJE Y CORRIENTE Para hacer el circuito se ocupo el siguiente material: -

1 trasformador de potencia modelo TR-1 de la marca Steren con una entrada de 127 V a 60 HZ y una salida de 9 V y 1.2 A. (figura 4.7)

-

1 transformador de corriente tipo dona con una relación de trasformación de 30:1 A, de la marca TM 2000, de 600 V y 60 HZ. (figura 4.8)

-

1 tarjeta protoboard marca Steren (figura 4.9)

-

Resistencias de 1 ohm (4 unidades) y de 10 ohm (5 unidades)

-

Cables de conexión de cable UTP

Figura 93 Transformador de potencia

Figura 94 Transformador de corriente

Figura 95 Circuito electrónico

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La manera en que vamos a saber las condiciones de calidad de energía que tiene una instalación es conocer las condiciones de los parámetros que alimentan a ésta, es decir, el monitoreo del voltaje y la corriente. Para conocer las condiciones de la corriente que alimenta las lámparas en estudio es a través del conductor de fase. La tarjeta NI 6211 no acepta los valore de voltaje y de corriente que se tienen en una instalación eléctrica por lo que debemos modificar sus condiciones y adecuarla a los valores permitidos por ésta. Para acondicionar la señal de corriente que alimenta las lámparas y que es la que nos servirá como dato de entrada en la tarjeta, se hace pasar el conductor de fase por un transformador de corriente tipo dona (conexión primaria) y la señal del devanado secundario se conectaron 5 resistencias en paralelo para obtener una caía de tensión, proporcional a la corriente del primario que nos sirviera como señal de voltaje de entrada a las terminales de la tarjeta de adquisición de datos (DAQ), ya que ésta solo acepta señales de voltaje. Estas señales analógicas las convierte en señales digitales que podrán ser procesadas por el software instalado en la computadora. Otra de las variables en el diseño es el voltaje, por lo cual se utiliza un método muy sencillo, un trasformador reductor 127/9 V. Bien ahora, las condiciones de voltaje que alimenta las lámparas y los focos en estudio a través del conductor de fase, se analizarán con ciertas condiciones, ya que la tarjeta no acepta valores de voltaje directos del sistema, y hay que adecuarlos para la fase de adquisición, para esto la fase del sistema se conecta a la terminal positiva del trasformador de potencia con una relación 127/9 V y la terminal negativo va conectada al neutro del sistema eléctrico suministrador de energía, las terminales del secundario se conectan a la tarjeta protoboard (figura 4.10) a un arreglo de 5 resistencias de 10 ohm en serie causando una caída de voltaje suficiente para poder ser introducida a la tarjeta de adquisición.

Figura 96 Arreglo del circuito acondicionador de señal

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La señal de voltaje requiere un acondicionamiento de señal, mediante un arreglo de 5 resistencias en serie de 10 ohm, y la señal de corriente ocupo un arreglo en paralelo de 5 resistencias en paralelo, que modifique la señal a condiciones adecuadas para la siguiente etapa la de la adquisición de datos. 4.3 ADQUISICIÓN DE DATOS

Figura 97Tarjeta de adquisición de datos

Una fase sumamente importante es la intermedia, que es la adquisición de datos, es decir la comunicación entre nuestro circuito y la computadora, para esta fase se ocupo una Tarjeta de Adquisición de Datos NI-USB 6211 de la empresa National Instruments vista en la figura 4.11, que cuenta con 16 entradas analógicas, con un conversor de analógico a digital de 32 bits20, de los cuales solo se utilizan tres canales (figura 4.12). A la tarjeta se le pueden conectar de 0 a 10 Volts, para este proyecto se utilizan las entradas analógicas referenciadas a 1 Volt, esto es que se utilizará la misma señal de tierra tanto para la señal de voltaje como para la de corriente, los canales que se utilizarán serán 28-AI GND (tierra), 26 AI5 (Voltaje) y 25 AI12 (Corriente). El material utilizado para esta fase es el siguiente: -

Tarjeta de Adquisición de Datos NI- USB 6211

-

Terminales de la tarjeta, que permite la conexión al circuito adaptador.

-

Cable USB que permite la conexión de la DAQ a la computadora.

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Figura 98 Canales de la DAQ

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4.4 DISEÑO Y DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA EN LABVIEW 11.0.1 Hace años el proceso de control y automatización de procesos resultaba ser una tarea muy difícil. Ya que es un proceso demasiado largo, desde la instalación mecánica y eléctrica hasta la programación y puesta en marcha de un programa en un lenguaje tradicional de programación muy largo. Hoy en día hay un sin fin de herramientas virtuales y software muy fáciles de utilizar. LabVIEW ofrece una programación tipo G, para la adquisición de datos facilita mucho el proceso de programación y adaptación de las necesidades de cada proyecto. Como todo VI, el nuestro cuenta con un panel frontal, un sencillo diagrama de bloques, controles, indicadores, gráficas, etc. El panel frontal cuenta con gráficas indicadoras del tipo Waveform Graph, una de voltaje, una de corriente y una de espectro de onda, cada una con su respectivo indicador numérico. Al introducir los datos necesarios para el análisis de la señal de las lámparas, el panel frontal solo muestra resultados de la forma de la onda, dándose las instrucciones necesarias ya sea desde la adquisición y en el diagrama de bloques. El desarrollo del panel frontal consistió las siguientes fases: 1.- Se insertaron las tres gráficas necesarias que mostrarían los análisis de onda.

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National Instruments

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2.- A cada gráfica se le asigna su indicador numérico. 3.- Se modifica la presentación del panel, para una interfaz más atractiva. 4.- Una vez obtenida la señal, se modifican las escalas para que coincidan con los valores reales. La interfaz gráfica se muestra en la figura 4.13.

Figura 99 Panel Frontal

El alma de este programa es el diagrama de bloques (figura 4.14), en el se hacen arreglos para poder adquirir y modificar señales de voltaje y corriente. En el diagrama de bloques todo empieza por la función especial de adquisición de datos llamada DAQ Assist, se configura para que adquiera la señal de los canales adecuados, la señal de salida se ramifica hacia dos indicadores gráficos, uno de voltaje y otro de corriente, antes de hacer pasar la señal por el gráfico se deberá de amplificar la señal con una constante de ampliación, ésta se obtiene sacando la relación de trasformación del transformador de corriente y el de potencia y multiplicándola por el voltaje resultante de las resistencias en paralelo y en serie respectivamente. Es así como obtenemos unas gráficas con los valores correctos y resulta más certero analizarlas, de la señal de corriente ya amplificada, sale una ramificación hacia una función especial llamada Spectral Measurements, que refleja el espectro de frecuencia de la onda de corriente.

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Figura 100 Diagrama de bloques

Para validar estos resultados obtenidos desde el software se realizaron pruebas de laboratorio usando en dispositivo PDA-1252, estos resultados a su vez se compararon con los obtenido en con el software PSCAD, resultando sumamente parecidos y por lo tanto fidedignos y confiables. En esta ocasión los resultados obtenidos en este proyecto se compararan con los obtenidos con el software PSCAD, con pruebas de las mismas características de cargas. 4.5 CARGAS PARA EL ESTUDIO. Se escogió usar las LFC´s para este estudio, por que como se mencionó en el primer capítulo estamos a menos de un año de que los sistemas de iluminación de nuestro país se vean invadidos por solamente lámparas fluorescentes, que causan distorsión en la calidad de la energía. Estas lámparas como ya sabemos utilizan un pequeño balastro electrónico, en este balastro se tiene la conversión de energía, mostrada en la figura 4.15, una conversión de AC/DC/AC y algunas tienen inductancias que controlan los picos de la corriente, sin atenuar de manera significativa esta distorsión.

Figura 101 Etapas de conversión de energía de un balastro

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Figura 102 Lámparas fluorescentes compactas bajo prueba

Se utilizan diferentes combinaciones de cargas para estas pruebas: - 3 Focos de 60 W - 1 LFC de 13 W - 1 LFC de 18 W - 1 LFC de 25 W - 1 LFC de 55 W - 1 LFC de 13 W, 1 LFC de 18 W y 1 LFC de 25 W - 5 LFC de 18 W - 1 LFC de 18 W encendida desde el 23 de marzo de 2012. Las características específicas de las lámparas son las siguientes: Para hacer las mediciones con el programa se seleccionaron lámparas fluorescentes compactas de las marcas FEIT electric y Smart Light de diferentes potencias y tres focos convencionales de 60 Watts. La tabla 4.1 muestra las características de las cargas.

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Tabla 11 Características de las cargas de estudio

Elemento Watts Voltage Corriente Frecuencia Marca

Estado

Vida útil

LFC

13

120

210

60 Hz

FEIT Nueva electric

10,000

LFC

18

120

300

60 Hz

FEIT Nueva electric

8,000

LFC

23

120

380

60 Hz

FEIT Nueva electric

10,000

LFC

55

120

740

60 Hz

Smart Light

Nueva

8,000

Focos

60

120

500

60 Hz

--

Usados 1,000

LFC

23

120

380

60 Hz

FEIT Usada electric

Figura 103 Foco incandescente 60 W

10,000

Figura 104 LFC de 13 W

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4.6 MÉTODO DE ANÁLISIS La parte práctica de este proyecto se trata de un programa en el software antes mencionado y de la conexión, por medio de un circuito electrónico de acondicionamiento de señales elaborado con las necesidades especificas de este proyecto, y conexión de lámparas fluorescentes compactas de distintas potencias y marcas a una tarjeta de adquisición de datos NI-USB 6211. Este arreglo indica de manera digita y gráfica, en el VI desarrollado previamente del software llamado LabVIEW (figura 4.19), el nivel de corriente, el espectro de frecuencia, la forma de onda de la corriente y el voltaje de diferentes lámparas fluorescentes y arreglos de éstas. El instrumento virtual, censa las señales de voltaje y corriente del sistema conectado, para que lleguen a la computadora a través de la tarjeta de adquisición de datos. Desde el punto de vista didáctico permite a los estudiantes identificar las variables eléctricas asociadas con la calidad de la energía bajo condiciones experimentales.

Figura 105 Cuadro de bienvenida de LabVIEW

Unos de los objetivos de esta investigación fue hacer un dispositivo que fuera capaz de sustituir de manera confiable y segura al dispositivo PDA-1252 (figura 1). Bajo estas condiciones este proyecto resulta ser una gran ventaja, apoyado en la programación gráfica, de acuerdo con el tipo de carga este circuito se podrá ir modificando, pero estas modificaciones no representan ningún problema ni dificultad.

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4.7 RESULTADOS Ya teniendo listo nuestro circuito, nuestra tarjeta de adquisición, nuestro programa virtual y las lámparas destinadas al estudio, se procedió a hacer las conexiones correspondientes. Mostradas en las figuras 4.20 y 4.21.

Figura 106 Circuito y Tarjeta de adquisición conectados

Figura 107 Sistema completo

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Figura 108 Diagrama general de conexión

Al hacer la primera toma de muestras, algunos errores y deficiencias salieron a la luz, y poco a poco con cada nueva muestra, se fue mejorando el VI. Como se pusieron las tres gráficas se observó al mismo tiempo el comportamiento de las tres ondas. La grafica de la corriente (figura 4.23) que cambiaba de acuerdo a la naturaleza y potencia de la carga, la onda de voltaje (figura 4.24) permanecía constante en cada medición, no importando la naturaleza de la carga ni la potencia.

Figura 109 Gráfica de corriente

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Figura 110 Gráfico de voltaje

Figura 111 Grafica de espectro de frecuencias

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Mostraremos los resultados de la adquisición en LabVIEW de las pruebas que se describen en la siguiente tabla: Tabla 12 Características de las pruebas

No. de unidades

Watts

Voltaje en V

Corriente en A

Frecuencia

Marca

Estado

3 focos

180 W

120

1.5

60 Hz

--

usadas

1 lámpara

13 W

120

.210

60 Hz

FEIT electric

Nueva

1 lámpara

18 W

120

.300

60 Hz

FEIT electric

Nueva

1 lámpara

23 W

120

.380

60 Hz

FEIT electric

Nueva

1 lámpara

55 W

120

.740

60 Hz

Smart Light

Nueva

3 lámparas

13+18+2 3

120

.890

60 Hz

FEIT electric

Nuevas

5 lámparas

18+18+1 8+18+18 = 90 W

120

1.500

60 Hz

FEIT electric

Nuevas

1 lámpara

13 W

120

.210

60 Hz

FEIT electric

Usada

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PRUEBA 1:3 FOCOS INCANDESCETES DE 60 W

Figura 112 Diagrama de conexiones

La prueba 1 se realiza con tres foco incandescentes, lo esperado sobre esta prueba, de acuerdo a la teoría es que por ser una carga puramente resistiva no se deformara la onda de corriente, por consiguiente la gráfica del espectro de frecuencia solo mostrara la fundamental y la de voltaje permanecerá contante -

Gráfica de Corriente

Figura 113 Gráfica de corriente de 3 focos incandescentes de 60 W

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-

Gráfica de voltaje

Figura 114 Grafica de voltaje de 3 focos incandescentes de 60 W

-

Gráfica de espectro de frecuencias

Figura 115 Gráfica de espectro de frecuencias de 3 focos incandescentes de 60 W

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Figura 116 Focos incandescentes de 60W

Figura 117 Sistema con focos incandescentes de 60W

Como esperábamos, la forma de la onda de corriente no tiene deformación, así se comprueba la naturaleza de la carga, y por lo tanto no tiene afectación en la calidad de la energía, sin olvidar que el uso de este tipo de luminaria causa un mayor consumo de energía eléctrica.

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PRUEBA 2: 1 LFC DE 13 W

Figura 4.31 Diagrama de conexión de 1 LFC de 13 W

La prueba 2 se realiza con una lámpara de 13 W nueva, nuestra hipótesis sobre esta prueba es que por ser una carga no lineal y tener un balastro electrónico provocará la distorsión de la onda de la señal de corriente y por consiguiente la gráfica del espectro de frecuencia nos mostrará la fundamental y las componentes armónicas importantes y la gráfica de voltaje permanecerá sin distorsión -

Gráfica de voltaje

Figura 118 Grafica de voltaje de 1 LFC de 13W

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Gráfica de corriente

Figura 119 Gráfica de corriente de 1 LFC de 13W

Figura 120 Gráfica de corriente de 1 LFC de 13W con PSCAD

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Aunque a simple vista las graficas podrían parecer diferentes, arrojan la misma información.

Figura 121 Grafica de espectro de frecuencias de 1 LFC de 13W

Figura 122 LFC de 13W

Figura 123 Sistema con 1 LFC de 13W

En la gráfica de corriente (figura 4.33) vemos como la onda ya está completamente distorsionada y llega alcanzar picos de hasta 0,5 A, cuando su consumo de corriente nominal es de 0,21 A. Desde pruebas con lámparas de bajo nivel de potencia, vemos el efecto de la lámpara en la forma de la onda En la gráfica de espectro de frecuencias observamos como las frecuencias que se hacen presentes con mayor prominencia son las impares con valores bastante considerables, mientras que de las pares tienden a valores inferiores.

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PRUEBA 3: 1 LFC DE 18 W

Figura 124 Diagrama general de conexión para 1 LFC de 18W

La prueba 3 se realiza con una lámpara de 18 W nueva, nuestra hipótesis sobre esta prueba es que por ser una carga no lineal, tener un balastro electrónico y ser de mayor potencia que la prueba anterior provocará una mayor distorsión de la onda de la señal de corriente por consiguiente la gráfica del espectro de frecuencia nos mostrará la fundamental y las componentes armónicas más importantes y la gráfica de voltaje permanecerá sin distorsión. -

Gráfica de voltaje

Figura 125 Gráfica de voltaje de 1 LFC de 18W

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Gráfica de corriente

Figura 126 Gráfica de corriente de 1 LFC de 18W

Figura 127 Gráfica de corriente de 1 LFC de 18W con PSCAD

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Gráfica de espectro de frecuencias

Figura 128 Gráfica de espectro de frecuencias de 1 LFC de 18W

Figura 129 Sistema con 1 LFC de 18W

En la gráfica de la corriente de esta lámpara de 18 W se observa como la onda está completamente distorsionada, aun más que la de 13 W y llega alcanzar picos de corriente de hasta 0,875 A, cuando su consumo de corriente nominal es de 0,3 A. También observamos menos zonas de meseta en la corriente y picos más prominentes. En la gráfica de espectro de frecuencias observamos como las frecuencias que se hacen presentes son las impares con valores bastante considerables, mientras que de las pares tienden a desaparecer.

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PRUEBA 4: 1 LFC DE 23 W

Figura 130 Diagrama general de conexión para 1 LFC de 23W

La prueba 4 se realiza con una lámpara de 23 W, de uso didáctico nueva, que es la de mayor uso comercial, de acuerdo al programa sustentable de CFE lo que se espera sobre esta prueba es que por ser una carga no lineal y tener un balastro electrónico provocará la distorsión de la onda de la señal de corriente por consiguiente la gráfica del espectro de frecuencia nos mostrará la fundamental y las componentes armónicas importantes y la gráfica de voltaje permanecerá sin distorsión -

Gráfica de voltaje

Figura 131 Gráfica de voltaje de 1 LFC de 23W

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Gráfica de corriente

Figura 132 Gráfica de corriente de 1 LFC de 23W

Figura 133 Gráfica de corriente de 1 LFC de 23W con PSCAD

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Gráfica de espectro de frecuencias

Figura 134 Gráfica de espectro de frecuencias de 1 LFC de 23W

Figura 135 Sistema con 1 LFC de 23W

En la gráfica de la corriente de esta lámpara de 23 W vemos como la onda está completamente distorsionada, aun más que la de 13 W y 18 W y llega alcanzar picos de hasta 1,0625 A, cuando su consumo de corriente nominal es de 0,380 A. También observamos cada vez picos más prominentes. En la gráfica de espectro de frecuencias observamos como las frecuencias que se hacen presentes son las impares con valores bastante considerables, mientras que de las pares no tenemos presencia. Sigue la tendencia de las pruebas anteriores

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PRUEBA 5: 1 LFC DE 55 W

Figura 136 Diagrama general de conexión para 1 LFC de 55W

La prueba 5 se realiza con una lámpara de 55 W de uso didáctico nueva, nuestra hipótesis sobre esta prueba es que por ser una carga no lineal y tener un balastro electrónico provocará la distorsión de la onda de la señal de corriente, con una corriente pico mucho mayor que las pruebas anteriores por consiguiente la gráfica del espectro de frecuencia nos mostrará la fundamental y las componentes armónicas importantes y la gráfica de voltaje permanecerá sin distorsión -

Gráfica de voltaje

Figura 137 Gráfica de voltaje de 1 LFC de 55W

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Gráfica de corriente

Figura 138 Gráfica de corriente de 1 LFC de 55W

Figura 139 Gráfica de corriente de 1 LFC de 55W con PSCAD

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Gráfica de espectro de frecuencias

Figura 140 Gráfica de espectro de frecuencias de 1 LFC de 55W

Figura 141 Sistema con 1 LFC de 55W

En la gráfica de la corriente de esta lámpara de 55 W se observa como la forma de la onda de corriente está completamente distorsionada, alcanza picos de 2,38 A, cuando su consumo de corriente nominal es de 0,740 AY como se acentúa la distorsión en comparación los las otras lámparas de menor potencia En la gráfica de espectro de frecuencias se puede apreciar como las frecuencias que se hacen presentes son las impares con valores bastante considerables, mientras que de las pares no tenemos presencia.

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PRUEBA 6: 3 LFC´S: 1 DE 13 W, 1 DE 18 W Y 1 DE 23 W

Figura 142 Diagrama general de conexión para 3 LFC´s 13, 18 y 23 W

La prueba 6 se realiza con tres lámparas: una de 13W, la segunda de 18 W y la tercera de 23 W, haciendo un total de 54 W, nuevas, nuestra hipótesis sobre esta prueba es que por ser cargas no lineales y tener un balastro electrónico provocarán la distorsión de la onda de la señal de corriente donde se esperan picos de corriente pronunciados y por consiguiente la gráfica del espectro de frecuencia nos mostrará la fundamental y las componentes armónicas importantes y la gráfica de voltaje permanecerá sin distorsión -

Gráfica de voltaje

Figura 143 Gráfica de voltaje de 3 LFC´s de 13, 16 y 23 W

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Gráfica de corriente

Figura 144 Gráfica de corriente de 3 LFC´s de 13, 18 y 23 W

Figura 145 Gráfica de corriente de 3 LFC´s de 13, 18 y 23 W con PSCAD

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Gráfica de espectro de frecuencias

Figura 146 Gráfica de espectro de frecuencias de 3 LFC´s de 13, 18 y 23 W

Figura 147 Sistema con 3 LFC´s de 13, 18 y 23 W

En la gráfica de la corriente de estas lámparas de 13 W, 18 W y 23 W vemos como la onda está sumamente distorsionada, y llega alcanzar picos de hasta 2,5 A, cuando su consumo de corriente nominal de este conjunto es de 0,890 A. También observamos menos zonas de meseta en la corriente y picos más prominentes. En la gráfica de espectro de frecuencias observamos que las frecuencias que se hacen presentes son las impares con valores bastante considerables, mientras que de las pares, no tenemos presencia.

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PRUEBA 7: 5 LFC´S DE 18 W

Figura 148 Diagrama general de conexión para 5 LFC´s de 18W

La prueba 7 se realiza con cinco LFC´s de 18 W nuevas, nuestra hipótesis sobre esta prueba es que por ser una carga no lineal y tener un balastro electrónico provocará la distorsión de la onda de la señal de corriente. Y ésta será la prueba con corrientes pico más grandes por ser la más grande bajo prueba. La gráfica del espectro de frecuencias nos mostrará la fundamental y las componentes armónicas importantes y la gráfica de voltaje permanecerá sin distorsión. -

Gráfica de voltaje

Figura 149 Gráfica de voltaje de 5 LFC´s de 18W

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Gráfica de corriente

Figura 150 Gráfica de corriente de 5 LFC´s de 18W

Figura 151 Gráfica de corriente de 5 LFC´s de 18W con PSCAD

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Gráfica de espectro de frecuencias

Figura 152 Gráfica de espectro de frecuencias de 5 LFC´s de 18W

Figura 153 Sistema con 5 LFC´s de 18W

En la gráfica de la corriente de estas cinco lámparas de 18 W vemos como la onda está completamente distorsionada, aun más que la del arreglo anterior de 54 y llega alcanzar picos de 4,4 A, cuando su consumo de corriente nominal es de 1,5 A. También observamos menos zonas de meseta en la corriente y picos más prominentes. En la gráfica de espectro de frecuencias observamos como las frecuencias que se hacen presentes en mayor medida son las impares con valores bastante considerables, mientras que de las pares no tenemos presencia.

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PRUEBA 8: 1 LFC DE 23 W, CON 3528 HORAS DE USO Como prueba especial, al principio de este proyecto se dejo en constante uso una LFC de 23 W, veremos el comportamiento de su onda de corriente, para ver el grado de distorsión. -

Gráfica de corriente

Figura 154 Gráfica de corriente de 1 LFC de 23W con 3538 horas de uso

-

Gráfica de espectro de frecuencias

Figura 155 Gráfica de espectro de frecuencias de 1 LFC de 23W con 3538 horas de uso

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Esta tabla nos muestra una comparación final entre las tres corrientes obtenidas: la corriente nominal dato tomado del fabricante, la corriente obtenida con el software LabVIEW y la corriente simulada con el software PSCAD Tabla 13 Comparición final de corrientes

Lámpara(s)

Unidades

Corriente Nominal

LabVIEW

PSCAD28

13 W

1

0.210 A

0.5 A

0.6 A

18 W

1

0.300 A

0.875 A

0.87 A

23 W

1

0.380 A

1.0625 A

1.3 A

55 W

1

0.740 A

2.38 A

2.15 A

13 W + 18 W + 23 W

3

0.980 A

2.5 A

2.7 A

18 W

5

1.5 A

4.4 A

4.4 A

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Datos obtenidos de Hernández Viveros Carlos “Análisis del efecto de las armónicas de las lámparas fluorescentes compactas en la calidad de la energía eléctrica en sistemas residenciales utilizando software PSCAD” 2012 UV

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Figura 156 Comparación de resultados de la corriente nominal VS corriente de LabVIEW

En la figura 4.69 observamos la diferencia que existe entre la corriente nominal de cada lámpara y la corriente que realmente está consumiendo, dato que se obtuvo con el software LabVIEW

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Figura 157 Comparación de resultados de la corriente de PSCAD VS corriente de LabVIEW

En la figura 4.70 observamos la similitud que existe entre la corriente obtenida de cada lámpara con el software PSCAD y la corriente que se obtuvo con el software LabVIEW, y al ver la diferencia mínima y nula en algunos casos concluimos que los datos obtenidos con el software LabVIEW son confiables.

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CONCLUSIONES Las lámparas fluorescentes compactas tienen un gran impacto en la calidad de la energía eléctrica, provocando corrientes armónicas que distorsionan la forma de onda de la corriente sinusoidal, para convertirla en una serie de picos, con corrientes pico sumamente elevadas en comparación con la corriente nominal, que debería de consumir normalmente las lámparas en estudio. En la siguiente gráfica se compara la corriente que normalmente consume de corriente nominal la lámpara y la corriente pico, siendo alarmante esta situación. Como se va a simple vista, el nivel de discrepancia aumenta conforme la potencia es mayor, y llega a haber diferencias de hasta 3 amperes, 3 amperes de mas que circularan por el neutro de nuestra instalación. También se hace la comparación resultando la gráfica siguiente, la nuestros resultados obtenidos son resultados de los dos estudios, resultados son correctos.

con las mediciones con el software PSCAD, finalidad de esta comparación es deducir si certeros, Y no hay mucha diferencia entre los por lo que podemos concluir que nuestros

Se ha logrado un dispositivo virtual, didáctico y económico para el análisis de la calidad de la energía en cuanto a corrientes armónicas se refiere. Las lámparas fluorescentes compactas tienen un alto nivel de corrientes armónicas, que afectan la calidad de la energía en una instalación eléctrica, el estudio se realizo en algunas veces con una sola lámpara, habiendo hasta 1.64 A de diferencia entre la corriente nominal y LabVIEW, si tomamos en cuenta que en una residencia hay un mínimos de lámparas de 6 lámparas, estamos hablando de un total de 9.84 A Aún con cargas no lineales de menor magnitud que las lineales (Prueba 1 - 180 W vs. Prueba 6 – 54 W) se observan corrientes pico mayores., estos se debe al uso de balastros electrónicos usados en las LFC´s El trabajar con instrumentos virtuales (VI´s) facilita mucho el trabajo de análisis, simulación de sistemas y control de aplicaciones que con instrumentos físicos tradicionales doblaría los esfuerzos. Son fáciles de llevar hasta el lugar en el que se planea o necesita hacer el trabajo, pues al tratarse de una herramienta virtual, solo hace falta una PC y un circuito acondicionador de señales junto con la tarjeta de adquisición de datos para llevar a cabo el estudio, trasportando nuestro VI en un archivo con extensión .vi y ejecutarlo al tener todo listo. Al realizar las comparaciones con el software PSCAD, se observo que el uso de herramientas virtuales es totalmente confiable y que las diferencias entre unos UV

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resultados y otros radica en el acondicionamiento de las señales, no precisamente en los cálculos realizados por el software en sí. El trabajar con un software tan completo como lo es LabVIEW me permitió tener una visión mucho más amplia de toda una gama de instrumentos y su funcionamiento, es una herramienta que pone a la mano las funciones de instrumentos reales de una manera muy clara y sencilla de vincular entre sí, para poder desarrollar aplicaciones que nos permitan hacer un trabajo eficiente y confiable; en particular pienso que el poner este software en manos de estudiantes de esta facultad beneficiaria mucho el proceso enseñanza-aprendizaje en las experiencias educativas, es pertinente desarrollar un laboratorio que permita este tipo de apoyo. Como se menciono en los objetivos, se sientan bases del uso de este software en el uso de estudios de la calidad de la energía, quedando las puertas abiertas a proyectos que tengan como producto de estudio sistemas trifásicos, siendo totalmente confiable, ya que se compararon los resultados de estudios realizados paralelamente, con dos herramientas confiables; una, un dispositivo físico como lo es el PDA-1252, y otra, el software PSCAD, observando una concordancia cercana al 100% También este dispositivo desarrollado en esta Tesis, permitirá hacer un estudio en el hilo del neutro, y demostrar, cómo nos dice la teoría, los daños causados a las instalaciones eléctricas residenciales, con cargas de distinta naturaleza.

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BIBLIOGRAFÍA 

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Hayt, William, “Análisis de Circuitos en Ingeniería”. Mc Graw-Hill Interamericana, 7ª. Edición, 2007

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Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE 519-1992, 1a Edition Comisión Federal de Electricidad, CFE L0000-45, 1a Edición

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National Instruments

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Hernández Viveros, Carlos Miguel, “Análisis del efecto de las armónicas de las lámparas fluorescentes compactas en la calidad de la energía eléctrica en sistemas residenciales utilizando software PSCAD”, 2012 http://es.scribd.com/doc/38011363/Tutorial-Generico-LabVIew

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FIGURAS CAPITULO 1 FIGURA 1.1 ONDA SINUSOIDAL .................................................................................... 2 FIGURA 1.2 SEÑAL LIBRE DE DISTORSIÓN ..................................................................... 3 FIGURA 1.3 SEÑAL DE CORRIENTE DISTORSIONADA ...................................................... 7 FIGURA 1.4 DIAGRAMA UNIFILAR DEL COMPORTAMIENTO DE LAS CORRIENTES DE ACUERDO A LAS CARGAS. .................................................................................................... 8 FIGURA 1.5 COMPORTAMIENTO DE LAS ARMÓNICAS DE ACUERDO A SU ORDEN .............. 10 FIGURA 1.6 ARMÓNICOS FUNDAMENTALES ................................................................. 10 FIGURA 1.7 SEGUNDOS ARMÓNICOS .......................................................................... 11 FIGURA 1.8 TERCEROS ARMÓNICOS .......................................................................... 11 FIGURA 1.9 DIAGRAMA DE FUENTES PUESTAS EN PARALELO ........................................ 12 FIGURA 1.10 DIFERENCIA ENTRE ONDA SINUSOIDAL Y ONDA DISTORSIONADA ................ 13 FIGURA 1.11 DIODO RECTIFICADOR ........................................................................... 15 FIGURA 1.12 FORMA DE ONDA .................................................................................. 20 FIGURAS CAPITULO 2 FIGURA 2.1 MEDIDOR DIGITAL ESTÁNDAR DE CFE ...................................................... 32 FIGURA 2.2 TRIÁNGULO DE POTENCIAS ...................................................................... 32 FIGURA 2.3 TRIANGULO DE POTENCIAS (ACTIVA) ........................................................ 33 FIGURA 2.4 TRIANGULO DE POTENCIAS (REACTIVA) .................................................... 34 FIGURA 2.5 TRIANGULO DE POTENCIAS (APARENTE) ................................................... 34 FIGURA 2.6 FACTOR DE POTENCIA ............................................................................ 35 FIGURA 2.7 SEÑAL PERIÓDICA .................................................................................. 38 FIGURA 2.8 REPRESENTACIÓN DE LA FORMA COMPLEJA DE FOURIER ........................... 43 FIGURA 2.9 FUNCIÓN DE TRASFERENCIA DE UNA ONDA SINUSOIDAL.............................. 48 FIGURAS CAPITULO 3 FIGURA 3.1 OSCILOSCOPIO ...................................................................................... 50 FIGURA 3.2 VISTA GENERAL DE PANEL FRONTAL Y DIAGRAMA DE BLOQUES ................... 52 FIGURA 3.3 PANEL FRONTAL ..................................................................................... 53 FIGURA 3.4 DIAGRAMA DE BLOQUES .......................................................................... 54 FIGURA 3.5 TOOLS PALETTE ..................................................................................... 54 FIGURA 3.6 PALETA DE CONTROLES .......................................................................... 56 FIGURA 3.7 CONTROLES MODERNOS FIGURA 3.8 BOTONES E INTERRUPTORES ................................................................................................ 56 FIGURA 3.9 INDICADORES NUMÉRICOS FIGURA 3.10 CONTROLES NUMÉRICOS ....................................................................................................... 57 FIGURA 3.11 PALETA DE FUNCIONES ......................................................................... 57 FIGURA 3.12 EXPRESIONES MATÉMATICAS................................................................. 58 FIGURA 3.13 ANÁLISIS DE SEÑAL FIGURA 3.14 CONTROL DE EJECUCIÓN.................... 58 FIGURA 3.15 PROGRAMACIÓN .................................................................................. 58 UV

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FIGURA 3.16 BARRA DE MENÚ .................................................................................. 59 FIGURA 3.17 BARRA DE EDICIÓN ............................................................................... 59 FIGURA 3.18 BARRA DE VISTA ................................................................................... 60 FIGURA 3.19 BARRA DE PROYECTO ........................................................................... 60 FIGURA 3.20 BARRA DE OPERACIÓN .......................................................................... 61 FIGURA 3.21 BARRA DE INSTRUMENTOS .................................................................... 61 FIGURA 3.22 BARRA DE WINDOWS ............................................................................ 62 FIGURA 3.23 BARRA DE AYUDA ................................................................................. 62 FIGURA 3.24 BARRA DE HERRAMIENTAS DEL PANEL FRONTAL ...................................... 63 FIGURA 3.25 BARRA DE HERRAMIENTAS DEL DIAGRAMA DE BLOQUES ........................... 63 FIGURA 3.26 ESQUEMA DE TIPOS DE DATOS ............................................................... 63 FIGURA 3.27 DATOS BOOLEANOS DEL PANEL FRONTAL FIGURA 3.28 DATOS BOOLEANOS DEL DIAGRAMA DE BLOQUES ............................................................. 64 FIGURA 3.29 DATOS NUMÉRICOS DEL PANEL FRONTAL FIGURA 3.30 DATOS NUMÉRICOS DEL DIAGRAMA DE BLOQUES ................................................................................ 65 FIGURA 3.31 ALFANUMÉRICOS DEL PANEL FRONTAL FIGURA 3.32 ALFANUMÉRICOS DEL DIAGRAMA DE BLOQUES ................................................................................ 65 FIGURA 3.33 CONTROL E INDICADOR UNIDO ............................................................... 66 FIGURA 3.34 LÍNEA SELECCIONADA ........................................................................... 66 FIGURA 3.35 MENÚ DE EDICIÓN DE OBJETO ............................................................... 66 FIGURA 3.36 PASOS PARA UBICAR UN OBJETO EN EL PANEL FRONTAL .......................... 67 FIGURA 3.37 CONTROL NUMÉRICO EN EL DIAGRAMA DE BLOQUES ................................ 67 FIGURA 3.38 PASOS PARA UBICAR UN OBJETO EN EL DIAGRAMA DE BLOQUES ............... 68 FIGURA 3.39 VISTA DEL NUEVO OBJETO EN EL PANEL FRONTAL .................................... 68 FIGURA 3.40 PANEL FRONTAL EDITADO ..................................................................... 69 FIGURA 3.41 MODIFICACIÓN DE FUENTES .................................................................. 69 FIGURA 3.42 CUADRO DE DIALOGO PARA GUARDAR UN VI ........................................... 70 FIGURA 3.43 MENÚ ESTRUCTURAS DESDE EL DIAGRAMA DE BLOQUES .......................... 70 FIGURA 3.44ESTRUCTURA W HILE LOOP .................................................................... 71 FIGURA 3.45 ESTRUCTURA FOR LOOP ....................................................................... 71 FIGURA 3.46 SECUENCIA DE SHIFT REGISTERS FIGURA 3.47 SHIFT REGISTERS ........................................................................................................ 72 FIGURA 3.48ESTRUCTURA SEQUENCE ....................................................................... 73 FIGURA 3.49 ESTRUCTURA CASE .............................................................................. 73 FIGURA 3.50 ESTRUCTURA NODE .............................................................................. 74 FIGURA 3.51 REPRESENTACIÓN DE UN ARREGLO EN EL PANEL FRONTAL....................... 74 FIGURA 3.52 MENÚ DE ARREGLOS DEL PANEL FRONTAL .............................................. 75 FIGURA 3.53 MENÚ DE ARREGLOS DEL DIAGRAMA DE BLOQUES ................................... 75 FIGURA 3.54 CLÚSTER EN EL PANEL FRONTAL FIGURA 3. 55 MENÚ DE CLÚSTERS DEL DIAGRAMA DE BLOQUES ...................................................................................... 75 FIGURA 3.56 MENÚ DE OPCIONES DEL CLÚSTER ......................................................... 76 UV

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FIGURA 3.57 CLÚSTER MODIFICADO .......................................................................... 76 FIGURA 3.58 EJEMPLO DE ARRAY Y CLÚSTER EN EL PANEL FRONTAL Y EL DIAGRAMA DE BLOQUES ........................................................................................................... 77 FIGURA 3.59 MENÚ DE GRAFICADORES ..................................................................... 77 FIGURA 3.60 GRÁFICA WAVEFORM CHART ................................................................ 78 FIGURA 3.61 GRAFICA WAVEFORM GRAPH ................................................................ 78 FIGURA 3.62 GRAFICA XY GRAPH ............................................................................ 79 FIGURA 3.63 MENÚ DE EDICIÓN DEL VI FIGURA 3.64 ICONO MODIFICADO .... 80 FIGURA 3.65 DIAGRAMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ................................................... 81 FIGURA 3.66 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA ADQUISICIÓN DE DATOS ................................. 81

FIGURAS CAPITULO 4 FIGURA 4.1 DISPOSITIVO ANALIZADOR DE SEÑAL PDA 1252 ....................................... 82 FIGURA 4.2 CTO. ACONDICIONADOR DE SEÑAL FIGURA 4.3 SISTEMA DE LUMINARIAS ........................................................................................................................ 83 FIGURA 4.4 TARJETA DE ADQUISICIÓN FIGURA 4.5 CONEXIÓN DAQ/PC .......... 83 FIGURA 4.6 PROGRAMA EN LABVIEW ....................................................................... 83 FIGURA 4.7 TRANSFORMADOR DE POTENCIA FIGURA 4.8 TRANSFORMADOR DE CORRIENTE ........................................................................................................ 84 FIGURA 4.9 CIRCUITO ELECTRÓNICO ......................................................................... 84 FIGURA 4.10 ARREGLO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL .............................. 85 FIGURA 4.11TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ....................................................... 86 FIGURA 4.12 CANALES DE LA DAQ ........................................................................... 87 FIGURA 4.13 PANEL FRONTAL .................................................................................. 88 FIGURA 4.14 DIAGRAMA DE BLOQUES ........................................................................ 89 FIGURA 4.15 ETAPAS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA DE UN BALASTRO ........................... 89 FIGURA 4.16 LÁMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS BAJO PRUEBA .......................... 90 FIGURA 4.17 FOCO INCANDESCENTE 60 W FIGURA 4.18 LFC DE 13 W ........................................................................................................... 91 FIGURA 4.19 CUADRO DE BIENVENIDA DE LABVIEW ................................................... 92 FIGURA 4.20 CIRCUITO Y TARJETA DE ADQUISICIÓN CONECTADOS ............................... 93 FIGURA 4.21 SISTEMA COMPLETO ............................................................................. 93 FIGURA 4.22 DIAGRAMA GENERAL DE CONEXIÓN ........................................................ 94 FIGURA 4.23 GRÁFICA DE CORRIENTE ....................................................................... 94 FIGURA 4.24 GRÁFICO DE VOLTAJE ........................................................................... 95 FIGURA 4.24 GRAFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS............................................... 95 FIGURA 4.25 DIAGRAMA DE CONEXIONES................................................................... 97 FIGURA 4.26 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 3 FOCOS INCANDESCENTES DE 60 W ............ 97 FIGURA 4.27 GRAFICA DE VOLTAJE DE 3 FOCOS INCANDESCENTES DE 60 W................. 98

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FIGURA 4.28 GRÁFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 3 FOCOS INCANDESCENTES DE 60 W ................................................................................................................ 98 FIGURA 4.29 FOCOS INCANDESCENTES DE 60W FIGURA 4.30 SISTEMA CON FOCOS INCANDESCENTES DE 60W ................................................................................. 99 FIGURA 4.31 GRAFICA DE VOLTAJE DE 1 LFC DE 13W ............................................. 100 FIGURA 4.32 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 13W ......................................... 101 FIGURA 4.33 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 13W CON PSCAD ..................... 101 FIGURA 4.34 GRAFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 1 LFC DE 13W ................. 102 FIGURA 4.35 LFC DE 13W FIGURA 4.36 SISTEMA CON 1 LFC DE 13W ............................................................................................................... 102 FIGURA 4.37 DIAGRAMA GENERAL DE CONEXIÓN PARA 1 LFC DE 18W ...................... 103 FIGURA 4.38 GRÁFICA DE VOLTAJE DE 1 LFC DE 18W ............................................. 103 FIGURA 4.39 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 18W ......................................... 104 FIGURA 4.40 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 18W CON PSCAD ..................... 104 FIGURA 4.41 GRÁFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 1 LFC DE 18W ................. 105 FIGURA 4.42 SISTEMA CON 1 LFC DE 18W ............................................................. 105 FIGURA 4.43 DIAGRAMA GENERAL DE CONEXIÓN PARA 1 LFC DE 23W ...................... 106 FIGURA 4.44 GRÁFICA DE VOLTAJE DE 1 LFC DE 23W ............................................. 106 FIGURA 4.45 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 23W ......................................... 107 FIGURA 4.46 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 23W CON PSCAD ..................... 107 FIGURA 4.47 GRÁFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 1 LFC DE 23W ................. 108 FIGURA 4.48 SISTEMA CON 1 LFC DE 23W ............................................................. 108 FIGURA 4.49 DIAGRAMA GENERAL DE CONEXIÓN PARA 1 LFC DE 55W ...................... 109 FIGURA 4.50 GRÁFICA DE VOLTAJE DE 1 LFC DE 55W ............................................. 109 FIGURA 4.51 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 55W ......................................... 110 FIGURA 4.52 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 55W CON PSCAD ..................... 110 FIGURA 4.53 GRÁFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 1 LFC DE 55W ................. 111 FIGURA 4.54 SISTEMA CON 1 LFC DE 55W ............................................................. 111 FIGURA 4.55 DIAGRAMA GENERAL DE CONEXIÓN PARA 3 LFC´S 13, 18 Y 23 W .......... 112 FIGURA 4.56 GRÁFICA DE VOLTAJE DE 3 LFC´S DE 13, 16 Y 23 W ............................ 112 FIGURA 4.57 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 3 LFC´S DE 13, 18 Y 23 W ........................ 113 FIGURA 4.58 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 3 LFC´S DE 13, 18 Y 23 W CON PSCAD .... 113 FIGURA 4.59 GRÁFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 3 LFC´S DE 13, 18 Y 23 W 114 FIGURA 4.60 SISTEMA CON 3 LFC´S DE 13, 18 Y 23 W ............................................ 114 FIGURA 4.61 DIAGRAMA GENERAL DE CONEXIÓN PARA 5 LFC´S DE 18W ................... 115 FIGURA 4.62 GRÁFICA DE VOLTAJE DE 5 LFC´S DE 18W .......................................... 115 FIGURA 4.63 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 5 LFC´S DE 18W ...................................... 116 FIGURA 4.64 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 5 LFC´S DE 18W CON PSCAD .................. 116 FIGURA 4.65 GRÁFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 5 LFC´S DE 18W ............. 117 FIGURA 4.66 SISTEMA CON 5 LFC´S DE 18W .......................................................... 117 FIGURA 4.67 GRÁFICA DE CORRIENTE DE 1 LFC DE 23W CON 3538 HORAS DE USO ... 118 UV

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FIGURA 4.68 GRÁFICA DE ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE 1 LFC DE 23W CON 3538 HORAS DE USO................................................................................................. 118 FIGURA 4.69 COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE LA CORRIENTE NOMINAL VS CORRIENTE DE LABVIEW ................................................................................................... 120 FIGURA 4.70 COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE LA CORRIENTE DE PSCAD VS CORRIENTE DE LABVIEW ................................................................................. 121

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ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO TABLA 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ARMÓNICOS ............................................................. 9 TABLA 1.2 AMPLITUDES MÁXIMAS DE CORRIENTES ARMÓNICAS EN TCR ..................... 12 TABLA 1.3 ESPECIFICACIONES DE UN INSTRUMENTO DE VALOR PROMEDIO .................... 15 TABLA 1.4 TABLA COMPARATIVA DE LAS HERRAMIENTAS DE MEDICIÓN .......................... 16 TABLA 1.5 ESPECIFICACIONES DE MULTÍMETRO DE VERDADERO VALOR EFICAZ ............. 17 TABLA 1.6 MÁXIMA DISTORSIÓN DE CORRIENTE ARMÓNICA EN PORCENTAJE DE IL ....... 24 TABLA 1.7 LÍMITES DE DISTORSIÓN DE VOLTAJE .......................................................... 25 TABLA 1.8 LÍMITES DE VARIACIONES DE TENSIÓN ........................................................ 26 TABLA 1.9 LÍMITES MÁXIMOS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL EN TENSIÓN Y DE CAIMT EN EL PUNTO DE ACOMETIDA ............................................................................... 27 TABLA 2.10 PARES DE TRANSFORMADAS BÁSICAS ...................................................... 48 TABLA 4.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS CARGAS DE ESTUDIO.......................................... 91 TABLA 4.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS PRUEBAS .......................................................... 96 TABLA 4.3 COMPARICIÓN FINAL DE CORRIENTES ....................................................... 119

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