Investigación y Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Medición, Análisis y Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica

JHONI ESIM 25 de septiembre de 2013

Prof. Iñigo J. Oleagordia Aguirre

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

Índice

1. Currículum Vitae 2. Introducción…………………………………………………………………. 3. Normativa……………………..………………………………………. 4. Descripción del hardware……………………………………… 5. Desarrollo del Software………………………………………… 6. Resultados Experimentales ……………………………………. 7. Conclusiones…………………………………………………………..

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

2

1. Currículum Vitae 1. Formación - Licenciado en Informática Aplicada en el Instituto Superior de Informática, Programación y Análitica (R.D. Congo). “Automatización y seguridad del sistema de gestión de datos caso del GIGA BYTE (R.D. C)”, 1997 2. Conferencias - Métodos de enseñanza tradicionales y pragmático: la computadora una herramienta de Participación para los alumnos. Organizada por LIVING VALUES ONG Británica (Bujumbura, Burundi enero 2006) - Informática y la enseñanza primaria y secundaria: Organizada por Voir Plus Loin una ONG Suiza (Uagadugu, Burkina faso marso de 2007) 2. Sesiones ONG Caentic (2006-2007) - Sesiones de formación para profesores de primaria y secundario. “El método de introducir la informática en su curso” - Sesiones de formación para estudiantes de informática de varias escuelas superiores. “Técnico de montaje, desmontaje y reparar una computadora”

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

3

1. Currículum Vitae 3. Publicaciones derivadas de este trabajo . - Jhoni Esim , Iñigo J. Oleagordia Aguirre, Sergio Loureiro Sánchez “Research and development of a virtual instrument for measurement, analysis and monitoring of the Power Quality”, ICREPQ 2013, International Conference on Renewable Energy and Power Quality Journal, RE&PQJ-11 ISSN 2172-038X, No.11, March 2013, Ref. 221, Bilbao. - Jhoni Esim , Iñigo J. Oleagordia Aguirre, S. Loureiro Sánchez, “Investigación y Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Medición, Análisis y Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica.”, SAAEI'13, XX Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación 2013, ISBN: 978-84-15302-60-5, Julio 2013, Ref. REN22, Madrid.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

4

Capítulo 2. Introducción Debido al uso intensivo de los convertidores de potencia y otras cargas no lineales en la industria y por los consumidores se puede observar un creciente deterioro tanto de la forma de onda de la tensión de alimentación como de la corriente, la presencia de armónicos en las líneas, los problemas de interferencia en sistemas de comunicación y, a veces, fallos de funcionamiento en los equipos electrónicos. Con armónicos

Sin armónicos Tetraedro de potencia

Triangulo de potencia

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

5

Capítulo 2. Introducción La circulación de corrientes armónicas generadas por cargas lineales a través de las impedancias internas de la red genera una distorsión en la onda de tensión. Relación de corriente y tensión armónicas

Una instalación eléctrica con distinta cargas donde de ve donde genera los armónicos

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

6

Capítulo 2. Introducción Por estos razones y otros, el análisis de la calidad de la energía eléctrica suministrada a los consumidores es, hoy en día, un aspecto funcional de gran interés. Las normas sobre la calidad de la energía eléctrica EN 50160 y el estándar IEEE 1459-2010, entre otros, imponen que los equipos e instalaciones eléctricas no deben generar armónicos superiores a ciertos valores especificados, así como también especifican los límites de distorsión de la corriente y tensión de alimentación Estas normativas son las bases de esta trabajo. La energía eléctrica es un producto y, como cualquier otro producto, debe satisfacer unos requisitos de calidad adecuados

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

7

Capítulo 3. Normativa A. Norma EN 50160 En la Norma EN 50160 (en España UNE-EN 50160) se definen varios parámetros asociados a la tensión. Los más representativos están relacionados con las componentes armónicas de la tensiones. 40 ∑ (U h )2 A modo de ejemplo la tasa de distorsión armónica total THDU : THDu = h=2 U1

(1)

B. IEEE Standard 1459 - 2010 La IEEE Standard 1459-2010 es la normativa sobre la energía eléctrica desarrollada por la sociedad IEEE y en ella se encuentran las definiciones para la medida de las diferentes magnitudes eléctricas bajo condiciones lineales, no lineales, equilibradas y no equilibradas. Los parámetros eléctricos correspondientes a un sistema trifásico se modelan por las siguientes ecuaciones:

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

8

Capítulo 3. Normativa B. IEEE Standard Definitions 1459 - 2010 Ve = Voltaje efectivo Ve1= Voltaje efectivo fundamental

De1 = 3Ve1 I eH

(3)

Ie1= Voltaje efectivo fundamental

(5)

Ie1= Voltaje efectivo fundamental

(6)

De1: Potencia debida a la distorsión de corriente

DeV = 3VeH I e1

(2)

(7)

DeV : Potencia debida a la distorsión armónica de voltaje (8)

Para Lograr el objetivo, la instrumento Virtual tiene dos aspectos : Hardware y software

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

9

Capítulo 4. Descripción del Hardware Diagrama general del sistema. 3 transformadores de voltaje

3 Sensores de LEM LA 55-P/SP1 efect Hall

2 Alimentación

Cargas

1 Circuito acondicionador 3 de señales

PC Portatil

5

NI USB 6211 O 4 sbRIO 9631

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

10

Capítulo 4. Descripción del Hardware El sistema de medida y monitorización de la Calidad de la energía eléctrica desarrollada utiliza: Alimentación

NI USB 6211

Circuito de acondicionamiento de señales

PC Portatil

Entorno de Windows Cargas

TCP/IP

Los componentes del Instrumento Virtual con NI UBS 6211

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

11

Capítulo 4. Descripción del Hardware El sistema de medida y monitorización de la Calidad de la energía eléctrica desarrollada utiliza: NI sbRIO 9631

Alimentación

PC Portatil

Target

Circuito de acondicionamiento de señales

Entorno de RT de National Instruments Cargas

TCP/IP

Los componentes del Instrumento Virtual con NI sbRio 9631

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

12

Capítulo 5. Desarrollo del Software LabVIEW LabVIEW es una plataforma y entorno de desarrollo de programación virtual de National Instruments. Módulo: Electrical Power. Instrumento Virtual (VI) Cada VI tiene dos componentes importante: un diagrama de bloques, un panel frontal y un icono.

Panel Frontal

Diagrama de bloques

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

13

Capítulo 5. Desarrollo del Software Fundamental Vector.VI

Diagrama de Bloques Calcula el vector fundamental de una señal de voltaje y/o corriente.

Root Mean Squared.VI

Calcula la RMS de un señal de voltaje y/o de corriente. 2 + Vbc2 + Vca2 Vab Ve = 9

Ie =

I a2 + I b2 + I c2 3

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

14

Capítulo 5. Desarrollo del Software Diagrama de Bloques

Calculo de Potencia Activa P, Aparente Se y No activa N

S = VI

N = S 2 − P2

P = V I cosθ

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

15

Capítulo 5. Desarrollo del Software

Diagrama de bloque para calcular de VeH, THDeV, DeV, IeH, THDeI, DeI.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

16

Capítulo 5. Desarrollo del Software VI FPGA

VI RT

VI Host

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

17

Capítulo 5. Desarrollo del Software El Panel Frontal general esta dividido en dos secciones 1. Mediciones

2. Analisis

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

18

Capítulo 5. Desarrollo del Software Magnitud de voltaje y corriente

Componentes del panel Frontal

Diagramas de fasores de voltaje y corriente Frecuencia Fundamental

Selección Tarea

Grado, seno, coseno voltaje y corriente

Diferente voltaje

Diferentes tipos de corriente

Distorsión de voltaje y corriente

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

19

Capítulo 5. Desarrollo del Software Panel Frontal de análisis conforma a la norma IEEE Standard 1459-2010 Trifásico.

Desequilibrio de cargas

Nivel de contaminación de armónicos

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

20

Capítulo 5. Desarrollo del Software Panal frontal cuantificación de los armónicos de tensión y corriente.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

21

Capítulo 5. Desarrollo del Software Panel Frontal análisis grafica de armónicos en el domino de frecuencia de las señales de voltaje y corriente.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

22

Capítulo 5. Desarrollo del Software Panel Frontal análisis frecuencial (FFT) de las señales de voltaje y corriente

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

23

Capítulo 6. Resultados Experiméntales El instrumento virtual desarrollado, a través del panel frontal, interfaz gráfica de usuario (GUI), proporciona información textual y gráfica sobre los parámetros de la red eléctrica analizada conforme a la normativa anteriormente especificada. El sistema fue probado y calibrado en el laboratorio proporciona una monitorización continua de un sistema trifásico con las cargas resistivo, inductivo y capacitivo, lineales y no lineales, equilibradas y desequilibradas .

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

24

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Paneles frontales del ensayo con carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado.

Carga trifásica resistiva lineal equilibrada

tensión y la corriente están en fase

Carga trifásica inductiva lineal equilibrada.

la intensidad retrasada respecto a la tensión la intensidad adelantada respecto a la tensión Carga trifásica capacitiva lineal equilibrada.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

25

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Paneles frontales del ensayo con carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado.

Carga trifásica resistiva lineal equilibrada

tensión y la corriente están en fase

Carga trifásica inductiva lineal equilibrada.

la intensidad retrasada respecto a la tensión la intensidad adelantada respecto a la tensión Carga trifásica capacitiva lineal equilibrada.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

26

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Paneles frontales del ensayo con carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado.

Carga trifásica resistiva lineal equilibrada

tensión y la corriente están en fase

Carga trifásica inductiva lineal equilibrada.

la intensidad retrasada respecto a la tensión la intensidad adelantada respecto a la tensión Carga trifásica capacitiva lineal equilibrada.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

27

Capítulo 6. Resultados Experiméntales

carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado.

1

2

3 Los valores de potencias Aparente, activas, no Activa y el factor de potencias De la pruebas con 1. Resistiva 2. Inductiva 3. Capacitiva

Grafico de valores de factor de potencia de las tres primeras pruebas.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

28

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga trifásica resistiva lineal desequilibrada.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

29

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga trifásica resistiva lineal desequilibrada.

Se observa que la potencia de desequilibrio S1U es casi el doble de la prueba (1) una de la carga resistiva equilibrada. Y también desequilibrio de cargas

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

30

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con un transformador trifásico en vacío.

Forma de onda de corriente en el caso del ferro-resonancia Ferro-resonancia: es un caso especial de resonancia repentina en la cual la no linearidad esta en la magnetización del núcleo de hierro.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

31

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga trifásico inductiva lineal equilibrada con componentes capacitiva

2

1

carga trifásico inductiva con componentes capacitiva

carga trifásico inductiva

3

carga trifásico inductiva con componentes capacita

Grafica comparativa de corrección del factor de potencia

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

32

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga resistiva equilibrada no lineal (rectificada media onda con diodos)

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

33

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga resistiva equilibrada no lineal (rectificada media onda con diodos)

Cuantificación de los armónicos de tensión y corriente

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

34

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga resistiva equilibrada no lineal (rectificada media onda con diodos) Conexión carga resistiva Con diodos

Cálculo de armónicos fundamentales para las señales de tensión y corriente

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

35

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con tensión trifásico no lineal y con carga resistiva no lineal equilibrada Rectificada media onda con diodos.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

36

Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con tensión trifásico no lineal y con carga resistiva no lineal equilibrada Rectificada media onda con diodos.

Cuantificación de los armónicos de tensión y corriente

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

37

Capítulo 6. Resultados Experiméntales

Grafico comparativa de los datos adquiridos de las pruebas con cargas desequilibradas con las dos tarjetas de adquisición NI USB 6211 y sbRIO 9631.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

38

Capítulo 6. Resultados Experiméntales

Grafico comparativa de los datos de las pruebas con cargas no lineales con las dos tarjetas de adquisición NI USB 6211 y sbRIO 9631.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

39

Capítulo 6. Resultados Experiméntales

Grafico comparativa de los datos de las pruebas con cargas y voltaje no lineales de las dos tarjetas de adquisición NI USB 6211 y sbRIO 9631.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

40

Capítulo 7. Conclusiones A. Resumen de los resultados -Se han analizado los requerimientos de las normas UNE-EN 50160 y IEEE Std. 1459 (2010) sobre calidad en las redes eléctricas. - Identificados los parámetros de que cuantifican los indicadores de calidad de una red eléctrica se ha diseñado e implementado tanto desde la perspectiva hardware como software un sistema portátil basado en instrumentación virtual y soportado en un PC portátil para la medición, análisis y monitorización de dichos parámetros. -El entorno LabVIEW con el módulo LabVIEW Electrical Power junto a la metodología de diseño top-down se han mostrado especialmente eficaces a la hora de diseñar, desarrollar, depurar e implementar el instrumento virtual para la medición, análisis y monitorización de la calidad de una red eléctrica. -De las múltiples pruebas experimentales realizadas en el laboratorio de medidas eléctricas de la EUITI de Bilbao se deduce la adecuación del sistema implementado a las especificaciones de diseño.

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

41

Presupuesto „ „ „ „ „ „ „

LabVIEW Completo NI USB 6211 3 Transformador de voltaje 3 Transformador de Corriente Ordenador Portátil Otras materiales Mano de obra

Precio venta

3500 Euros 1000 Euros 21 Euros 75 Euros 1000 Euros 150 Euros 2000 Euros 7745 Euros

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

42

Capítulo 7. Conclusiones B. Implicaciones para el futuro. - Crear un módulo de control, para hacer un diagnostico del comportamiento de la red eléctrica y reaccionar en caso de sobrecarga, sobre tensión, tasa elevada de armónicos, etc. - Implementar el sistema mediante redes inalámbricas.

C. Relaciones con las Asignaturas del Máster . - Desarrollo de sistemas de control en entornos de programación de alto nivel - Sistemas de control basados en PC - Entorno de programación de National Instruments - Arquitectura de FPGAs

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

43

MUCHAS GRACIAS POR VUESTRA ATENCION Jhoni ESIM

Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

44