DISPOSITIVO Y METODO DE MEDIDA DE MAGNITUDES ELECTRICAS CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se enmarca dentro del campo tecnico correspondiente a dispositivos y metodos de medida de magnitudes electricas.
Mas concretamente, la invencion se refiere a un dispositivo y a un metodo de cuantificacion de distorsion introducida por una carga en un circuito.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
En el mercado de dispositivos de medidas electricas se encuentran numerosos analizadores de calidad de la potencia electrica, que proporcionan datos de tensiones e intensidades como valores instantaneos, eficaces, armonicos o distorsion armonica total (Total Harmonic Distortion, THD) de cada una. Tambien suelen proporcionar datos de potencias activa, reactiva y aparente y de factor de potencia. Y tambien suelen identificar no conformidades de calidad de onda como transitorios, flicker, sobretensiones o huecos de tension, entre otras. Sin embargo, aunque la mayoría de ellos mide la distorsion en tension y en intensidad en el punto de medida, ninguno trata el aspecto de la responsabilidad de cada agente del sistema sobre esa distorsion. Es mas, la medida de la distorsion se efectua en la practica totalidad de los casos mediante el THD, aunque son conocidos varios indices con el mismo proposito.
Por otro lado, respecto de la responsabilidad de cada agente sobre la distorsion del sistema, pueden citarse [1]-[7]. En estos documentos se presentan distintos metodos de cuantificacion de la responsabilidad de las cargas en la distorsion presente en un punto de la red. Algunos de los principios teoricos en los que estan basados estos metodos son los siguientes:
- Algunos de ellos estan basados en las potencias activas armonicas, [1].
- Otros representan la carga aguas abajo del punto de medida mediante su circuito equivalente Thevenin o Norton y de la misma forma el circuito aguas arriba, [2]-[3].
- Otros modelan la carga mediante un circuito electrico con dos partes diferenciadas: una lineal (formada por elementos lineales, basicamente resistencias y bobinas) y otra no lineal que es la verdadera fuente de armonicos, [4].
- Tambien hay metodos que se basan en los referenciados y aplican en base a ellos formulas de reparto de la responsabilidad de la distorsion global del sistema, [5]-[6].
[1] C. Muscas, Assessment of electrical power quality: indices for identifying disturbing loads, ETEP 8.4 (1998).
[2] W. Xu, X. Liu y Y. Liu. An Investigation on the Validity of Power-Direction Method for Harmonic Source Determination. IEEE Transactions on Power Deliver y , 18.1 (2003) 214219.
[3] Ch. Chen, X. Liu, D. Koval, W. Xu y T. Tayjasanant. Critical Impedance Method- A New Detecting Harmonic Sources Method in Distribution Systems. IEEE Transactions on Power Deliver y 19.1 (2004) 288-297.
[4] DelLAquila, M. Marinelli, V. G. Monopoli y P. Zanchetta. New Power-Quality Assessment Criteria for Supply Under Unbalanced and Nonsinusoidal Conditions. IEEE Transactions on Power Deliver y 19.3 (2004) 1284-1290.
[5] C. Muscas, L. Peretto, S. Sulis, R. Tinarelli, Investigation on Multipoint Measurement Techniques for PQ Monitoring, IEEE Trans. Instrum. Meas. 51, (2006) 1684-1690.
[6] E.J. Davis, A.E. Emanuel, D.J. Pileggi, Evaluation of single-point measurements method for harmonic pollution cost allocation, Power Deliver y , IEEE Transactions on, 15.1 (2000) 14-18.
[7] R. Herrera. P. Salmeron, Harmonic Disturbance Identification in Electrical Systems with Capacitor Banks. Electric Power System Research 82.1 (2012) 18-26.
Como se ha indicado, en el mercado de equipos de medidas electricas existen numerosos multfmetros y analizadores de red. Son aparatos que, entre otras aplicaciones, presentan el espectro armonico de tensiones e intensidades y proporcionan valores de THD en el punto de medida.
Por otro lado, el problema de la cuantificacion de la distorsion originada por las distintas cargas conectadas a un nudo de la red o a una micro-red tampoco es nuevo. Pero este ha sido tratado unicamente a nivel de investigacion y desarrollo. Como se ha comentado, se han publicado distintos metodos de calculo, pero ninguno se ha implementado en equipos físicos de medida.
La calidad del suministro electrico y, en concreto, la calidad de la onda electrica es un tema con una importancia creciente en el ambito de la Ingenierfa Electrica. En efecto, hasta hace unas decadas, el mayor problema del Regulador del Sistema era garantizar el suministro. Hoy día, una vez solucionado este problema, en un porcentaje alto en los pafses desarrollados, estan apareciendo otras muchas cuestiones con efectos negativos.
En este sentido, el uso creciente en instalaciones comerciales e industriales de cargas cuyo funcionamiento se basa en la electronica de potencia, ha tenido como consecuencia directa el aumento de la distorsion armonica en los sistemas de corriente alterna. Esta distorsion es uno de los problemas que conforman el conjunto de alteraciones o perturbaciones del suministro de energfa electrica que pueden producir fallos de funcionamiento o deterioro de
los equipos que dependan de ella.
Entre otros, uno de los efectos de la proliferacion de cargas no lineales que consumen una intensidad no sinusoidal puede ser el funcionamiento incorrecto de los sistemas de proteccion, las sobrecargas, o el aumento de la temperatura en conductores y en generadores. Estas corrientes distorsionadas pueden propagarse por todo el sistema de energfa electrica en la forma de armonicos de tension e intensidad.
La normativa UNE-EN 61440 indica que el índice a utilizar para medir esa distorsion es el THD, tanto de tension como de intensidad. Ademas, la normativa senala valores límite para estos indices y para el valor de los armonicos mas comunes en cualquier punto de la red. Sin embargo, no indica nada sobre los metodos a emplear para disminuir esos niveles ni sobre la determinacion de la responsabilidad de cada agente del sistema sobre esa distorsion.
Efectivamente, la mera medida de los niveles de distorsion en una red puede poner de manifiesto la necesidad de tomar medidas para su control. Dentro de esas medidas estan el uso de filtros de potencia (activos, pasivos o hfbridos) en sus distintas configuraciones. Sin embargo, la determinacion de los puntos en que es mas conveniente la disposicion de estos dispositivos es un tema que requiere un analisis mas profundo de la micro-red (un subconjunto de nudos de la red con distintas cargas conectadas a cada uno). En efecto, es necesario un estudio de las distintas cargas y de la determinacion de la responsabilidad de cada una en los niveles de distorsion globales. Asimismo, la configuracion del dispositivo de mitigacion mas apropiado requiere de la caracterizacion de esas cargas mas responsables de las no conformidades. Y esta informacion la suministra el dispositivo de la invencion que, ademas de distribuir la responsabilidad sobre los niveles globales de distorsion entre cada agente, informa de si las cargas responsables son del tipo fuente de armonicos de tension o fuente de armonicos de intensidad. Esta informacion es la mas relevante a la hora de determinar la configuracion del filtro de potencia mas adecuado para mitigar la distorsion que produce cada una.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La invencion se refiere a un dispositivo de medida como el definido en la reivindicacion 1. La invencion tambien se refiere a un metodo de medida como el definido en la reivindicacion 4. Realizaciones preferidas de la invencion se definen en reivindicaciones dependientes.
El dispositivo de la invencion efectua la medida de la tension y la intensidad instantaneas en los bornes de una carga o conjunto de cargas y los analiza realizando un estudio completo de calidad de la potencia electrica. Ademas, cuantifica la distorsion que la carga o conjunto
de cargas introduce en el circuito o sistema de potencia.
Por tanto, con respecto a los analizadores de red, tiene la ventaja de que, no solo evalua la distorsion existente, sino que cuantifica la distorsion introducida por la carga o conjunto de cargas en el circuito o sistema de potencia. Se obtiene un valor nulo en la medida en el caso de cargas lineales, y uno positivo en el caso de cargas no lineales, tanto mayor cuanto mayor sea la distorsion introducida por la carga en el sistema.
Asimismo, el metodo de la invencion introduce la ventaja de distinguir entre cargas que producen armonicos (cargas no lineales) , cargas que no producen armonicos pero amplifican los existentes en la red (cargas tipo condensadores) y cargas que ni producen armonicos ni los amplifican (cargas lineales).
En el dispositivo de la invencion, la responsabilidad de una carga o conjunto de cargas sobre la distorsion del sistema se calcula a partir de una combinacion de dos metodos distintos.
- El signo de la potencia activa armonica mediante el índice armonico global (Harmonic Global Index, HGI) , [1]. Este índice se calcula como la relacion entre los valores eficaces de dos intensidades trifasicas. La primera es una intensidad ficticia definida de la siguiente forma: en cada fase y cada orden armonico se evalua la potencia activa consumida por la carga o grupo de cargas que se esta evaluando. Si esta potencia activa fluye de la red a la carga, la componente correspondiente de la intensidad ficticia es nula. En otro caso la componente correspondiente de la intensidad ficticia toma el valor de la componente de la intensidad real a la entrada de la carga o grupo de cargas que se esta evaluando. La otra intensidad es la intensidad real a la entrada de la carga o grupo de cargas que se esta evaluando.
- El índice de caracterizacion de cargas (Load Characterization Index, LCI) , [7]. Para calcular este índice, la carga, o grupo de cargas en evaluacion, se modelan mediante dos circuitos. El primero esta formado por una fuente de intensidad (que modela la produccion de armonicos de intensidad) y un circuito lineal en paralelo con ella. Se estudia este circuito dandole diferentes valores a los elementos que lo componen y se establece la intensidad de la fuente. El segundo circuito esta formado por una fuente de tension (que modela la produccion de armonicos de tension) en serie con un circuito lineal. Se estudia este segundo circuito dandole diferentes valores a los elementos que lo componen y se establece la cafda de tension en la fuente. Si alguno de los dos parametros establecidos (intensidad de la fuente o cafda de tension en la fuente) es nulo, el LCI toma tambien un valor nulo. En otro caso el LCI toma el valor de la relacion entre los valores eficaces de la intensidad de la fuente y
el de la intensidad real a la entrada de la carga o grupo de cargas que se esta evaluando.
Estos mdices requieren unicamente para su calculo la transformada rapida de Fourier de la forma de onda de tension y de la forma de onda de la intensidad en la carga o grupo de cargas que se esta evaluando. La transformada rapida de Fourier se calcula a partir de los valores instantaneos de tension e intensidad, pero esas medidas instantaneas (de tension e intensidad) deben estar sincronizadas para que los mdices HGI y LCI proporcionen valores fiables. La sincronizacion de las medidas de tension e intensidad es un problema cntico para el calculo de los mdices de responsabilidad de cada agente en la distorsion del sistema (no solo de los usados en esta invencion sino de otros muchos publicados en la Literatura Tecnica). Asimismo, los analizadores de onda comerciales (que son los equipos que mas se asemejan a la presente invencion) no tienen implementados mecanismos fiables de sincronizacion, porque en la mayona de los casos no es necesario que las medidas que toman esten sincronizadas. Por el contrario, en la presente invencion este es un problema cntico y ha sido resuelto a partir de un circuito nuevo basado en el paso por cero de la onda de tension de la red electrica que garantiza que las medidas instantaneas de tension e intensidad se obtienen en el mismo instante, y por tanto se refieren al mismo periodo de tiempo de las ondas.
En definitiva, el mdice HGI presenta un funcionamiento correcto en la evaluacion de un conjunto de cargas (todas las conectadas a un mismo punto de conexion comun dentro de un sistema mayor) , pero no logra caracterizar las cargas lineales cuando en el sistema hay cargas capacitivas. El mdice LCI identifica de forma correcta las cargas lineales (proporciona un valor nulo del mdice) distinguiendo entre cargas lineales de tipo inductivo y cargas lineales de tipo capacitivo (que aunque no producen armonicos amplifican los existentes en la red). El uso conjunto de ambos mdices garantiza el funcionamiento correcto del dispositivo para todo tipo de cargas o conjunto de cargas y distingue las cargas lineales entre inductivas y capacitivas (amplifican los armonicos existentes en la red aunque no los generen).
Por tanto, aunque un dispositivo que evalua la distorsion armonica en un circuito (sistema de potencia) no es nuevo, sí es nuevo un dispositivo que cuantifique en que medida participa cada carga o conjunto de cargas conectado en un nudo, en la distorsion existente en dicho nudo. Asimismo, tambien es una novedad la utilizacion de los mdices HGI y LCI en un dispositivo como el propuesto.
El dispositivo de la invencion, a partir de la medida simultanea de la tension y la intensidad en los terminales de una carga electrica o conjunto de cargas que forma parte de cualquier
red electrica, puede presentar las respectivas formas de onda, hacer un estudio estandar de la calidad de la potencia electrica (espectros, mdice global de distorsion y estudio completo de potencias y factor de potencia) y determinar en que cuantfa dicha carga o conjunto de cargas es responsable de la distorsion armonica existente en ese punto. Es un dispositivo monofasico.
El dispositivo puede comprender:
- un sensor de tension;
- un sensor de intensidad;
- un circuito electronico para la lectura de cada una de esas medidas, que puede estar constituido por:
- una tarjeta de adquisicion de datos de tension;
- una tarjeta de adquisicion de datos de intensidad;
- un circuito de sincronizacion, que puede estar constituido por una tarjeta microcontroladora, para sincronizar la tarjeta de adquisicion de datos de tension y la tarjeta de adquisicion de datos de intensidad;
- un procesador, que puede estar constituido por una tarjeta microprocesadora donde se reciben las lecturas y donde se ejecuta el analisis de calidad de las ondas de tension e intensidad y donde se cuantifica la distorsion producida por la carga. En el procesador tambien se ejecuta la interfaz de usuario.
Los resultados del analisis se muestran en una pantalla, que puede o no ser tactil.
Las medidas tomadas y los valores de los parametros calculados pueden quedar almacenados en el dispositivo y/o enviados por red a un puesto que se desee para proceder a su analisis.
En esencia, el analisis de calidad de la onda electrica de tension e intensidad efectuado por el dispositivo consiste en el calculo del espectro y el mdice de distorsion armonica total (Total Harmonic Distortion, THD) de tension e intensidad, de las potencias activa y reactiva fundamentales, armonicas y totales y del factor de potencia.
Ademas, el dispositivo de la invencion puede aportar un mdice que mide la responsabilidad de la carga o grupo de cargas analizadas en la distorsion armonica presentes en el punto de medida.
Por tanto, este dispositivo, a partir de la tension y la intensidad medidas en los terminales de una carga electrica o grupo de cargas, cuantifica la responsabilidad de esa carga o grupo de cargas en la distorsion existente en ese punto de la red electrica. Esto abre un abanico de posibilidades, algunas de las cuales se enumeran a continuacion:
- El dispositivo establece si la carga o conjunto de cargas introduce distorsion en el 5
sistema o no. En caso afirmativo, habrfa que considerar la instalacion de un sistema de compensacion de la distorsion en sus terminales. En caso negativo, la instalacion de ese sistema no es conveniente en ese punto porque la carga no produce la distorsion, sino que es afectada por la existente en el sistema, provocada por otras cargas.
- El dispositivo puede usarse para tomar medidas en distintos puntos de una micro-red (que podría ser una industria, un edificio o un polfgono industrial, entre otros) y determinar la carga o conjunto de cargas que mas distorsion introduzca en el sistema (que sera aquella a la que le corresponda un mayor valor). Sera ese el lugar mas indicado para instalar el equipo de compensacion de la distorsion.
- Las dos opciones anteriores son factibles tomando medidas puntuales o efectuando campanas de medidas durante un periodo de tiempo suficientemente grande. De esta forma se podrían establecer patrones de comportamiento de las distintas cargas de una micro-red.
- Por ultimo, la medida proporcionada por el dispositivo, puede ser tomada como base para calcular los recargos correspondientes a los generadores de armonicos en la red electrica, de forma analoga a los recargos por reactiva en las facturas actuales.
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra un esquema general del dispositivo de la invencion.
La Figura 2 muestra un esquema general del metodo de la invencion.
Se indican a continuacion las referencias numericas de los elementos de la invencion:
Sensor de tension (1)
Sensor de intensidad (2)
Medida de tension (1 A)
Medida de intensidad (2A)
Tarjeta de tension (3)
Adquisicion de datos de tension (6A)
Tarjeta de intensidad (4)
Adquisicion de datos de intensidad (5A)
Circuito de acondicionamiento (5)
Medida de tension acondicionada (3A)
Medida de intensidad acondicionada (4A)
Procesador (7)
Indice HGI (7B)
Indice LCI (7C)
Resultado de la medida (7D)
Circuito de sincronizacion (6)
Orden de envfo (7A)
Medios de trasmision de datos (7E)
Forma de onda de tension (7F)
Forma de onda de intensidad (7G)
Valor eficaz de tension (7H)
Valor eficaz de intensidad (7I)
Espectro de tension (7J)
Espectro de intensidad (7K)
Indice de distorsion armonica total de tension (7L)
Indice de distorsion armonica total de intensidad (7M)
Potencia activa fundamental (7N)
Potencia reactiva fundamental (7O)
Potencia activa armonica (7P)
Potencia reactiva armonica (7Q)
Potencia activa total (7R)
Potencia reactiva total (7S)
Factor de potencia (7T)
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Un primer aspecto de la invencion se refiere a un dispositivo de medida de magnitudes electricas en un punto de medida de una carga de un circuito que comprende:
la) un sensor de tension (1) configurado para obtener una medida de tension (1A) en la carga;
lb) un sensor de intensidad (2) configurado para obtener una medida de intensidad (2A) de entrada a la carga.
El dispositivo de medida tambien comprende:
lc) una tarjeta de tension (3) configurada para obtener una adquisicion de datos de tension (6A) ;
ld) una tarjeta de intensidad (4) configurada para obtener una adquisicion de datos de intensidad (5A). Las tarjetas toman los datos, los almacenan, teniendo en cuenta la capacidad de almacenamiento maxima con la que cuentan, y los envfan al procesador.
El dispositivo de medida ademas comprende:
le) un circuito de acondicionamiento (5) :
conectado con:
1e1) el sensor de tension (1) para recibir una medida de tension (1 A) en la carga;
1e2) el sensor de intensidad (2) para recibir una medida de intensidad (2A) de entrada a la carga; configurado para:
1e3) generar una medida de tension acondicionada (3A) a partir de la medida de tension (1A) en la carga;
1e4) generar una medida de intensidad acondicionada (4A) a partir de la medida de intensidad (2A) de entrada a la carga; los acondicionamientos de medidas adaptan los rangos de tensiones que proporcionan los sensores a los soportados por las tarjetas; conectado con:
e5) la tarjeta de tension (3) para enviar la medida de tension acondicionada (3A) ;
1e6) la tarjeta de intensidad (4) para enviar la medida de intensidad acondicionada (4A) ;
lf) un procesador (7) : que comprende:
1f1) medios de calculo para generar un índice HGI (7B) y un índice LCI (7C) a partir de las medidas de tension (1A) e intensidad (2A) ; conectado con:
1f2) la tarjeta de tension (3) para recibir la adquisicion de datos de tension (6A) ;
1f3) la tarjeta de intensidad (4) para recibir la adquisicion de datos de intensidad (5A) ; configurado para:
1f4) cuantificar una distorsion introducida por la carga en el circuito, a partir de la adquisicion de datos de tension (6A) y de la adquisicion de datos de intensidad (5A) y generar un resultado de la medida (7D) a partir de los indices HGI (7B) y LCI (7C) ;
lg) un circuito de sincronizacion (6) : configurado para:
1g1) generar una orden de envfo (7A) de la adquisicion de datos de tension (6A) desde el procesador (7) a la tarjeta de tension (3) ;
1g2) generar una orden de envfo (7A) de la adquisicion de datos de intensidad (5A) desde el procesador (7) a la tarjeta de intensidad (4) ; conectado con:
1g3) la tarjeta de tension (3) para emitir la orden de envfo de la adquisicion de datos de
tension (6A) ;
1g4) la tarjeta de intensidad (4) para emitir la orden de envfo de la adquisicion de datos de intensidad (5A) ;
1g5) el procesador (7) para recibir la orden de envfo de la adquisicion de datos (7A) de tension e intensidad.
Conforme a otras caracterfsticas de la invencion:
2. El procesador (7) puede comprender medios de trasmision de datos (7E) configurados para enviar el resultado de la medida generado en el procesador (7) ;
3. El dispositivo de medida puede comprender una pantalla (8) configurada para presentar el resultado de la medida generado en el procesador (7).
Un segundo aspecto de la invencion se refiere a un metodo de medida de magnitudes
electricas que comprende el dispositivo descrito anteriormente y que comprende calcular a
partir de la adquisicion de datos de tension (6A) y a partir de la adquisicion de datos de
intensidad (5A) un parametro seleccionado entre:
4a) una forma de onda de tension (7F) partiendo de valores medidos de tension;
4b) una forma de onda de intensidad (7G) partiendo de valores medidos de intensidad;
4c) un valor eficaz de tension (7H) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension;
4d) un valor eficaz de intensidad (7I) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4e) un espectro de tension (7J) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension;
4f) un espectro de intensidad (7K) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4g) un índice de distorsion armonica total de tension (7L) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension;
4h) un índice de distorsion armonica total de intensidad (7M) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4i) una potencia activa fundamental (7N) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension y de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4j) una potencia reactiva fundamental (7O) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension y de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4k) una potencia activa armonica (7P) a partir de una transformada rapida de Fourier de
una onda de tension y de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4l) una potencia reactiva armonica (7Q) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension y de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4m) una potencia activa total (7R) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension y de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4n) una potencia reactiva total (7S) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension y de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad;
4º) un factor de potencia (7T) a partir de una transformada rapida de Fourier de una onda de tension y de una transformada rapida de Fourier de una onda de intensidad; y combinaciones de los mismos.
Conforme a otras caracterfsticas de la invencion:
5. El resultado de la medida (7D) comprende generar un índice de responsabilidad que cuantifica una responsabilidad de la carga en la distorsion armonica de tension y/o de intensidad presente en el punto de medida a partir de los indices HGI (7B) y LCI (7C).
El metodo de medida de magnitudes electricas comprende:
6a) clasificar la carga en funcion del índice de responsabilidad en un tipo de carga seleccionada entre:
6a1) carga que introduce armonicos en el sistema (no lineal) ;
6a2) carga que no introduce armonicos pero amplifica los existentes (lineal capacitiva) ; 6a3) carga que ni introduce armonicos en el sistema ni amplifica los existentes (lineales inductiva).
