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Abstract— This paper describes constitution, design and operation of a passive unbalance compensator for variable loads in three-phase industrial installations. Compensator is integrated by three-phase connections of variable coils and capacitors. Values of those elements, and thus unbalance power delivered by the compensator, can be changed by switches commanded by an electronic control circuit. An important compensator design parameter introduced in this paper is the power of the unbalance step since it defines composition and values of the elements of the unbalance step, which is the basic three-phase connection of inductances and capacitances in the compensator. Because unbalances in power systems are caused by active and reactive loads, two unbalance steps have been defined: active and reactive, however, power of the unbalance compensator does not depend on the total active and reactive powers, but the differences between their values in each phase of the load. Keywordss— Compensation, electric utilities, power distribution, power quality, unbalance power control. I. INTRODUCCIÓN OS DESEQUILIBRIOS de cargas de las instalaciones eléctricas constituyen una de las ineficiencias más importantes en la distribución de energía eléctrica en baja tensión y, sin embargo, no existen dispositivos industriales encargados de la compensación de desequilibrios, a semejanza de las baterías automáticas de condensadores para la compensación de la potencia reactiva. El procedimiento tradicionalmente utilizado en la industria para la compensación de los desequilibrios ha consistido en el reparto equitativo de las cargas entre las tres fases de la red eléctrica, pero no siempre este reparto puede ser llevado a la práctica o es efectivo, sobre todo si hay cargas variables. Desde hace más de 20 años L.S. Czarnecki ha desarrollado compensadores de desequilibrios pasivos, variables, controlados por interruptores estáticos [1]-[3], [5],[8]. De estos dispositivos cabe destacar la elevada distorsión armónica que originaban, aspecto que se ha mejorado con los filtros activos basados en los algoritmos de Czarnecki [12], [13], [18]. No obstante, la mayoría de los filtros activos han sido desarrollados para instalaciones sin Este trabajo ha sido apoyado por el Centro de Transferencia de Tecnología de la UPV y por Eléctrica de Vinalesa, S. Coop. V., a través del proyecto INNOVA 2008, nº 1830. V. L. Martínez, Universidad Politécnica de Valencia (UPV), Valencia, España, [email protected] J. M. Romeu, Universidad Politécnica de Valencia (UPV), Valencia, España, [email protected] J. M. Palazón, Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UPV, Valencia, España, [email protected] conductor neutro, lo que limita considerablemente su aplicación en las instalaciones de distribución en baja tensión, y tampoco se utilizan en compensar desequilibrios, sino para reducir reactiva y armónicos [19]. Una solución alternativa a los filtros activos son los compensadores de desequilibrios pasivos, semejantes en su funcionamiento a las baterías de compensación automática de reactiva. Estos dispositivos son más económicos y robustos que los filtros activos y pueden ser aplicados sin dificultad en redes trifásicas con neutro. Los compensadores de desequilibrio pasivos, que se describen en este artículo, están formados por bobinas y condensadores, fundamentalmente, por lo que no modifican sustancialmente la potencia activa consumida por las instalaciones en donde se conectan. Estos dispositivos son capaces de proporcionar potencia de desequilibrio de forma variable, con valores discretos, iguales o próximos a los demandados por las instalaciones [17]. Análogamente a las baterías de compensación de reactiva, se establece un parámetro de diseño fundamental de estos dispositivos, llamado “potencia del escalón de desequilibrio”, que es el menor valor de la potencia de desequilibrio que puede suministrar el compensador. Todas las demás potencias del compensador de desequilibrios son proporcionales a la potencia del escalón. Asimismo, se define el “escalón de desequilibrio” como aquella conexión trifásica de bobinas y condensadores capaz de suministrar la potencia del escalón. El escalón de desequilibrio es la base constitutiva del compensador variable. Dado que los desequilibrios pueden ser producidos por cargas activas y por cargas reactivas, hay escalones de desequilibrio de activa y escalones de desequilibrio de reactiva. El escalón de desequilibrio de activa compensa el escalón de potencia de desequilibrio provocado por las cargas activas (A esc,p ) y está formado por cuatro elementos, dos bobinas y dos condensadores, cuyos valores dependen de A esc,p . Para el escalón de desequilibrio de reactiva existen dos opciones constructivas. Una de ellas proporciona sólo la potencia del escalón de desequilibrio debido a las cargas reactivas (A esc,q ); la segunda opción proporciona tanto la potencia del escalón, A esc,q como la potencia reactiva (ΔQ esc ) causante de dicho desequilibrio. Esta última opción es más adecuada, puesto que reduce el escalón de reactiva a un solo condensador, cuyo valor depende de A esc,q . Los valores de los elementos constitutivos de los escalones de desequilibrio se obtienen por aplicación de la ley de Ohm, tras considerar que: 1) las tensiones de suministro son de secuencia positiva; 2) el fenómeno del desequilibrio ocurre a la frecuencia fundamental, tal como se recoge en la IEEE Standard 1459- V. L. Martínez, Senior Member, IEEE, J. M. Romeu, Senior Member, IEEE and J. M. P. García Unbalance Compensator for Three-Phase Industrial Installations L

Unbalance Compensator for Three-Phase Industrial …³n de la fase del sistema en donde se produce el desequilibrio. Por tanto, se define el escalón de desequilibrio de activa como

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Abstract— This paper describes constitution, design and

operation of a passive unbalance compensator for variable loads in three-phase industrial installations. Compensator is integrated by three-phase connections of variable coils and capacitors. Values of those elements, and thus unbalance power delivered by the compensator, can be changed by switches commanded by an electronic control circuit. An important compensator design parameter introduced in this paper is the power of the unbalance step since it defines composition and values of the elements of the unbalance step, which is the basic three-phase connection of inductances and capacitances in the compensator. Because unbalances in power systems are caused by active and reactive loads, two unbalance steps have been defined: active and reactive, however, power of the unbalance compensator does not depend on the total active and reactive powers, but the differences between their values in each phase of the load.

Keywordss— Compensation, electric utilities, power distribution, power quality, unbalance power control.

I. INTRODUCCIÓN

OS DESEQUILIBRIOS de cargas de las instalaciones eléctricas constituyen una de las ineficiencias más

importantes en la distribución de energía eléctrica en baja tensión y, sin embargo, no existen dispositivos industriales encargados de la compensación de desequilibrios, a semejanza de las baterías automáticas de condensadores para la compensación de la potencia reactiva. El procedimiento tradicionalmente utilizado en la industria para la compensación de los desequilibrios ha consistido en el reparto equitativo de las cargas entre las tres fases de la red eléctrica, pero no siempre este reparto puede ser llevado a la práctica o es efectivo, sobre todo si hay cargas variables. Desde hace más de 20 años L.S. Czarnecki ha desarrollado compensadores de desequilibrios pasivos, variables, controlados por interruptores estáticos [1]-[3], [5],[8]. De estos dispositivos cabe destacar la elevada distorsión armónica que originaban, aspecto que se ha mejorado con los filtros activos basados en los algoritmos de Czarnecki [12], [13], [18]. No obstante, la mayoría de los filtros activos han sido desarrollados para instalaciones sin

Este trabajo ha sido apoyado por el Centro de Transferencia de Tecnología

de la UPV y por Eléctrica de Vinalesa, S. Coop. V., a través del proyecto INNOVA 2008, nº 1830.

V. L. Martínez, Universidad Politécnica de Valencia (UPV), Valencia, España, [email protected]

J. M. Romeu, Universidad Politécnica de Valencia (UPV), Valencia, España, [email protected]

J. M. Palazón, Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UPV, Valencia, España, [email protected]

conductor neutro, lo que limita considerablemente su aplicación en las instalaciones de distribución en baja tensión, y tampoco se utilizan en compensar desequilibrios, sino para reducir reactiva y armónicos [19]. Una solución alternativa a los filtros activos son los compensadores de desequilibrios pasivos, semejantes en su funcionamiento a las baterías de compensación automática de reactiva. Estos dispositivos son más económicos y robustos que los filtros activos y pueden ser aplicados sin dificultad en redes trifásicas con neutro. Los compensadores de desequilibrio pasivos, que se describen en este artículo, están formados por bobinas y condensadores, fundamentalmente, por lo que no modifican sustancialmente la potencia activa consumida por las instalaciones en donde se conectan. Estos dispositivos son capaces de proporcionar potencia de desequilibrio de forma variable, con valores discretos, iguales o próximos a los demandados por las instalaciones [17]. Análogamente a las baterías de compensación de reactiva, se establece un parámetro de diseño fundamental de estos dispositivos, llamado “potencia del escalón de desequilibrio”, que es el menor valor de la potencia de desequilibrio que puede suministrar el compensador. Todas las demás potencias del compensador de desequilibrios son proporcionales a la potencia del escalón. Asimismo, se define el “escalón de desequilibrio” como aquella conexión trifásica de bobinas y condensadores capaz de suministrar la potencia del escalón. El escalón de desequilibrio es la base constitutiva del compensador variable. Dado que los desequilibrios pueden ser producidos por cargas activas y por cargas reactivas, hay escalones de desequilibrio de activa y escalones de desequilibrio de reactiva. El escalón de desequilibrio de activa compensa el escalón de potencia de desequilibrio provocado por las cargas activas (Aesc,p) y está formado por cuatro elementos, dos bobinas y dos condensadores, cuyos valores dependen de Aesc,p. Para el escalón de desequilibrio de reactiva existen dos opciones constructivas. Una de ellas proporciona sólo la potencia del escalón de desequilibrio debido a las cargas reactivas (Aesc,q); la segunda opción proporciona tanto la potencia del escalón, Aesc,q como la potencia reactiva (ΔQesc) causante de dicho desequilibrio. Esta última opción es más adecuada, puesto que reduce el escalón de reactiva a un solo condensador, cuyo valor depende de Aesc,q. Los valores de los elementos constitutivos de los escalones de desequilibrio se obtienen por aplicación de la ley de Ohm, tras considerar que: 1) las tensiones de suministro son de secuencia positiva; 2) el fenómeno del desequilibrio ocurre a la frecuencia fundamental, tal como se recoge en la IEEE Standard 1459-

V. L. Martínez, Senior Member, IEEE, J. M. Romeu, Senior Member, IEEE and J. M. P. García

Unbalance Compensator for Three-Phase Industrial Installations

L

2010 [15] y en otras referencias [4], [6], [7], [9], [11], [16] y 3) los escalones de activa y de reactiva deben de suministrar las corrientes de secuencia negativa y cero, de frecuencia fundamental, correspondientes a la potencia del escalón de activa y de reactiva, respectivamente. Asimismo se describe en este artículo un procedimiento para la selección de compensadores variables de potencia de desequilibrio. Finalmente, todo ello se aplica al diseño de un compensador de desequilibrios para una instalación real.

II. CONSTITUCIÓN DE UN DISPOSITIVO DE COMPENSACIÓN

DE DESEQUILIBRIOS VARIABLE

La Fig. 1 muestra esquemáticamente la constitución básica de un compensador de desequilibrios variable. Consta de escalones de desequilibrio de activa (a), escalones de desequilibrio de reactiva (b), un circuito de control (c) y unos elementos de conmutación (d), que son gobernados por el circuito de control atendiendo a la secuencia indicada en el procedimiento.

A. Escalón de desequilibrio de activa. Es una conexión trifásica de bobinas y condensadores que

proporciona la menor potencia de desequilibrio de activa del compensador (potencia del escalón de desequilibrio de activa). Para su diseño, se considera un circuito trifásico equilibrado en cuya primera fase se produce un incremento de potencia activa (ΔP), representado por un incremento de resistencia (ΔR) en dicha fase (Fig. 2). Esto da lugar a un desequilibrio de las corrientes activas (no de las reactivas), debido a un incremento de la corriente activa de la primera fase:

ΔΔ Δ

I VR

VPa1

2= = (1)

siendo el valor de la potencia de desequilibrio originada:

A V I I V I Pp o a= ⋅ + = ⋅ ⋅ = ⋅−3 2 22 21Δ Δ (2)

El dispositivo capaz de compensar esta potencia de desequilibrio debe suministrar las componentes de secuencia negativa ( I− ) y secuencia cero ( Io ) de las corrientes de línea:

I I Io a− = = 13 1Δ (3)

Este dispositivo es el mostrado en la Fig. 3. Está formado por dos bobinas y dos condensadores, cuyas impedancias, tal como se demostró en [10], [16], [17] dependen del valor de la potencia de desequilibrio (AP):

Z j R j VI

j VA

Z j R j VI

j VA

Z j R j VA

Z j R j VA

ha p

ha p

ip

ip

21

2

31

2

1

2

3

2

3 3 6

3 3 6

3 32

3 62

3 32

3 62

= ⋅ = =

= − ⋅ = − = −

= − = −

= =

ΔΔ

ΔΔ

Δ

Δ

(4)

Si el incremento de potencia activa (ΔP) se hubiera producido en la segunda fase de un circuito trifásico equilibrado, es fácil deducir que el valor de la potencia de desequilibrio es el mismo, indicado por (2) y, procediendo análogamente, el dispositivo de compensación de desequilibrios tiene los mismos elementos mostrados en la Fig. 3, con los mismos valores expresados en (4), pero las fases (no el neutro) de dicho dispositivo habrían girado un paso en sentido directo (1 a 2, 2 a 3 y 3 a 1). Asimismo, si el incremento de potencia activa (ΔP) se hubiera producido en la tercera fase de un circuito trifásico equilibrado, la potencia tendría el mismo valor que en los casos anteriores y los elementos del dispositivo compensador de desequilibrios serían los mismos y con los mismos valores que los arriba indicados, aunque sus fases habrían girado dos pasos en sentido directo (1 a 3, 2 a 1 y 3 a 2).

Se deduce de lo anterior que los desequilibrios provocados por un incremento de potencia activa en una fase de un sistema trifásico pueden ser compensados mediante una conexión trifásica formada siempre por dos bobinas y dos condensadores, cuyos valores dependen del valor del incremento de potencia (ΔP) o de la potencia de desequilibrio (Ap = √2·ΔP), según se indica en (4), cuyas fases cambian en

Figura 1. Constitución básica del compensador automático de desequilibrios: (a) escalón de activa; (b) escalón de reactiva; (c) circuito de control; (d) dispositivos de conmutación.

Figura 3. Constitución del escalón de desequilibrios de activa.

Figura 2. Desequilibrios debidos a las cargas activas.

función de la fase del sistema en donde se produce el desequilibrio. Por tanto, se define el escalón de desequilibrio de activa como un dispositivo igual al mostrado en la Fig. 3, cuyos elementos tienen los valores indicados por (4), correspondientes al menor valor de la componente activa de la potencia de desequilibrio (Ap,min) que deba suministrar el compensador de desequilibrios y que tiene la capacidad de cambiar su topología atendiendo a la fase en donde se produzca el desequilibrio. Este valor:

A Pp,min min= ⋅2 Δ (5)

es el escalón potencia de desequilibrio de activa (Aesc,p).

B. Escalón de desequilibrio de reactiva. Es una conexión trifásica de bobinas y/o condensadores que

proporciona la mínima potencia de desequilibrio de reactiva del compensador (potencia del escalón de desequilibrio de reactiva). La Fig. 4 muestra un circuito trifásico equilibrado en el que se ha producido un incremento de potencia reactiva inductiva (ΔQ) en la primera fase, representado por un incremento de reactancia (ΔX). Como consecuencia, hay un desequilibrio sólo de las corrientes reactivas, debido a un incremento de la corriente reactiva de la primera fase:

ΔΔ Δ

I VX

VQr1

2= = (6)

dando lugar a una potencia de desequilibrio:

A V I I V I Qq o r= ⋅ + = ⋅ ⋅ = ⋅−3 2 22 21Δ Δ (7)

Para diseñar el escalón potencia de desequilibrio, existen ahora dos posibilidades: 1) que compense sólo el desequilibrio provocado por el incremento de potencia reactiva y 2) que compense tanto la potencia de desequilibrio (Aq) como el incremento de potencia reactiva (ΔQ), causante de ese desequilibrio. En el primer caso, el dispositivo de compensación de la potencia de desequilibrio debe suministrar las componentes de secuencia negativa y de secuencia cero:

I I Io r− = = 13 1Δ (8)

de las corrientes de línea del circuito de la Fig. 4.

El dispositivo compensador de la potencia de desequilibrio expresada por (7) es el representado por la Fig. 5 y los valores de sus elementos (dos bobinas y un condensador) se obtienen de las siguientes expresiones:

ZV

I Ij V

Ij V

A

Z VI I

j VI

j VA

ZV

I Ij V

Ij V

A

hN

i h r q

hN

i h r q

hN

i h r q

11

1 1

2

22

2 2

2

33

3 3

2

32

3 22

3 3 2

3 3 2

=−

+= − = −

=−

+= =

=−

+= =

Δ

Δ

Δ

(9)

tal como se desarrolló en [17 ]. La segunda opción [14], [17], consiste en compensar tanto

las corrientes de desequilibrio (de secuencias negativa y cero) anteriores como las corrientes reactivas (de secuencia directa) producidas por el incremento de potencia reactiva, es decir, que el dispositivo de compensación debe suministrar la corriente reactiva de la fase en donde se produce el desequilibrio, expresada por (6). En este caso, el dispositivo compensador se reduce a un solo condensador, de reactancia:

X X j VI

j VQ

j VAh

r q= = − = − = −Δ

Δ Δ1

2 22 (10)

conectado a la fase (z=1,2,3) donde se produce el desequilibrio (Fig. 6).

Esta segunda opción es la más adecuada para llevar a la práctica el compensador de los desequilibrios causados por las cargas reactivas, por su sencillez tanto en su constitución como en la simplicidad de los dispositivos de conmutación. Se define el escalón de desequilibrio de reactiva como un dispositivo igual al mostrado en la Fig. 6, de valor indicado por (10), correspondiente al menor valor de la componente reactiva de la potencia de desequilibrio (Aq,min) y que tiene la capacidad de cambiar su topología atendiendo a la fase donde se produce el desequilibrio. Este valor:

A Qq,min min= ⋅2 Δ (11)

es la potencia del escalón de desequilibrio de reactiva (Aesc,q).

C. Circuito de control y dispositivos de conmutación.

La conexión y desconexión de los distintos escalones del compensador de desequilibrios, así como la modificación de la topología de dichos escalones, atendiendo a la fase o fases en dónde se producen los desequilibrios, es misión del circuito de control, que actúa sobre los elementos de conmutación.

El circuito de control está formado por:

Figura 4. Desequilibrio causado por cargas reactivas.

Figura 5. Compensador desequilibrios de reactiva.

Figura 6. Escalón de desequilibrios de reactiva.

- Sensores de medida (transformadores) de tensiones y corrientes de las fases del sistema.

- Acondicionadores de señal, para adaptar las señales de los sensores a las tensiones admisibles en las entradas de la tarjeta de adquisición de datos.

- Tarjeta de adquisición, encargada de convertir las señales analógicas de tensiones y corrientes registradas en muestras discretas aplicables al programa.

- Sistema procesador, formado por una placa base, que sirve de enlace entre la tarjeta de adquisición y el programa.

El programa de medida de los desequilibrios consta de los siguientes módulos:

- Módulo de adquisición, que recoge las muestras de tensiones y corrientes de las fases.

- Módulo de análisis, encargado de crear las matrices de valores CRMS de tensiones y corrientes de frecuencia fundamental, por integración numérica de las muestras procedentes del módulo de adquisición.

- Módulo de potencias activas y reactivas de las fases, obtenidas a partir de los valores del módulo anterior.

- Módulo de potencia de desequilibrio, que calcula en cada instante las potencias de desequilibrio de cada fase en base a los incrementos de potencia activa (ΔP) y de potencia reactiva (ΔQ) respecto de las fases con menor valor de potencia activa y reactiva.

- Módulo de escalón de desequilibrio, que determina tanto el número de escalones de activa y de reactiva, que deben ser utilizados en cada momento, como la topología del escalón, actuando sobre los elementos de conmutación.

Los dispositivos de conmutación están formados por un máximo de seis interruptores trifásicos dispuestos con todas las combinaciones posibles de las tres fases.

III. FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DEL COMPENSADOR DE

DESEQUILIBRIOS VARIABLE

El compensador de desequilibrios variable basa su funcionamiento en eliminar los desequilibrios causados por la diferencia de valores de potencia activa y reactiva de dos fases de la instalación respecto de una tercera fase, cuyas potencias activa y reactiva tienen el menor valor en cada momento. Esta fase de referencia no es necesariamente la misma para las potencias activas y reactivas. Esta forma de proceder reduce en 1/3 el número de escalones del compensador. El proceso de funcionamiento del compensador es el siguiente:

1) Cálculo de los incrementos de potencia activa y reactiva (ΔPz , ΔQz). Una vez registradas las tensiones y corrientes de las tres fases del sistema desequilibrado, y obtenidos los valores CMRS de su componentes de frecuencia fundamental, se determinan los incrementos de corriente activa (ΔIaz) y de corriente reactiva (ΔIrz) respecto de la fase (z=1,2,3) o fases en que dichas corrientes tienen menor valor en cada instante:

Δ ΔI I I I I Iaz az az rz rz rz= − = −min min (12)

De donde los incrementos de potencia activa y de potencia reactiva son, respectivamente: Δ Δ Δ ΔP V I Q V Iz az z rz= ⋅ = ⋅ (13)

2) Cálculo de las potencias de desequilibrio de cada fase (Apz , Aqz). Los desequilibrios de potencia activa y de potencia reactiva respecto de la fase o fases en las que la potencia activa y la potencia reactiva tienen valor mínimo se miden por las potencias de desequilibrio de activa y de reactiva, expresadas por (2) y (7), respectivamente.

3) Determinación del número de escalones de activa y de reactiva que deben ser utilizados en cada fase (Npz , Nqz). Se obtienen como la parte entera del cociente entre las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas (Apz , Aqz), medidas en cualquier instante y la potencia del escalón (Aesc,p , Aesc,q):

N entA

AN ent

AApz

pz

esc pqz

qz

esc q=

=

, , (14)

La conexión y desconexión de los escalones no es inmediata. Se ha establecido un retardo para evitar funcionamientos incorrectos ante variaciones bruscas, de corta duración, en la carga.

El diseño de un compensador de desequilibrios variable para una instalación eléctrica desequilibrada se realiza según el orden siguiente:

- Elección de las potencias de los escalones de activa y de reactiva (Aesc,p , Aesc,q), en base a los valores mínimos de las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas.

- Determinación de los elementos del escalón, según (4) y (10), respectivamente.

- Cálculo del número de escalones de activa y de reactiva del compensador, obtenidos como la parte entera de las siguientes relaciones:

N entAA

N entAAp

p

esc pq

q

esc q=

=

max,

,

max,

, (15)

en donde Amax,p y Amax,q son el mayor valor de las potencias de desequilibrio de activa y de las potencias de desequilibrio de reactiva que pueden presentarse en las fases de la instalación.

- Elección de las potencias del compensador de desequilibrios como el mayor valor de la potencia de desequilibrio de activa (AP) y de reactiva (AQ) que se puede obtener en dicho dispositivo: A N A A N AP p esc p Q q esc q= ⋅ = ⋅, , (16)

IV. APLICACIÓN PRÁCTICA.

Actualmente, no se dispone de un dispositivo físico de compensación de desequilibrios variable. No obstante, como paso previo a la fabricación de un prototipo, se han efectuado simulaciones de funcionamiento de compensadores variables sobre datos reales obtenidos en los centros de transformación de la Cooperativa Eléctrica de Vinalesa, encargada del suministro de energía eléctrica a la localidad de Vinalesa (Valencia, España). El programa de simulación utilizado para

estas experiencias ha sido el ORCAD-PSPICE y las medidas se han efectuado con el vatímetro digital SIMPELEC [16].

Los gráficos de las Fig. 7 y 8 muestran, respectivamente, los desequilibrios debidos a las cargas activas y a las cargas reactivas a lo largo del día 29 de mayo de 2009 en el centro de transformación de una industria de la localidad de Vinalesa. Los registros son similares en los demás días en que se efectuó la medición. Se aprecia que esos desequilibrios se producen principalmente en las fases B y C, y son especialmente intensos en horario laboral.

De acuerdo con estos valores medidos de las potencias de desequilibrio, se ha elegido un compensador automático de cuatro escalones dobles de activa, de potencia Aesc,p = 2 kVAa,

y cuatro escalones dobles de reactiva, de Aesc,q = 2 kVAa. La Fig. 9 muestra uno de los dos módulos del compensador de desequilibrios; en concreto, el encargado de equilibrar los suministros de activa y de reactiva de la fase B. El módulo correspondiente a la fase C es igual al mostrado en la Fig. 9, haciendo el siguiente cambio en las fases A→B, B→C y C→A. Para esta experiencia en concreto, no es necesario el empleo de dispositivos de conmutación para el cambio de fase de estos módulos (indicados por (4) en la Fig. 1), ya que no es necesario compensar los desequilibrios en la fase A, por su pequeño valor (Fig. 7 y 8). Las bobinas y condensadores de los escalones de activa y de reactiva (Fig. 9) tienen los siguientes valores, obtenidos de (4) y (10), con V = 230 (V) y w = 100π (Hz):

L Vw A

H CA

wVF

CA

wVF

esc pesc p

esc pesc p

esc qesc q

,,

,,

,,

, ,

,

=⋅

= = =

= =

6 0 2066

49 13

285 1

2

2

2

μ

μ

La Tabla I muestra los interruptores que se activan y las potencias de desequilibrio para las diferentes salidas del compensador. En total, este compensador puede proporcionar una potencia máxima de desequilibrio de activa de 8 kVAa y otros tantos de potencia máxima de desequilibrio de reactiva, por cada uno de los dos módulos.

TABLA I. POTENCIAS EN LAS SALIDAS DEL COMPENSADOR

Salida Interruptores activos Ap

(kVAa) Aq

(kVAa) 1 (esc) S1, S1’ 2 -

2 S2, S1’, S2’ 4 - 3 S3, S1’, S2’, S3’ 6 - 4 S4, S1’, S2’, S3’, S4’ 8 -

5 (esc) S5 - 2 6 S5, S6 - 4 7 S5, S6, S7 - 6 8 S5, S6, S7, S8 - 8

Se aprecia en las Fig. 10 y 11 la disminución de las potencias de desequilibrio de activa y de reactiva tras el

funcionamiento del compensador de desequilibrios. En los casos más desfavorables, se han reducido las puntas de potencia de desequilibrio de activa en la fase C desde 10,5 kVAa hasta sólo 2,5 kVAa y las puntas de potencia de desequilibrio de reactiva en la fase C han disminuido hasta 3,6

Figura 10. Potencias de desequilibrio de activa de cada fase tras la compensación.

Figura 9. Módulo del compensador automático de desequilibrios.

Figura 7. Desequilibrios debidos a las cargas activas.

Figura 8. Desequilibrios debidos a las cargas reactivas.

kVAa después de la compensación, frente a los 11,6 kVAa sin compensación, pero, en general, la disminución de los desequilibrios es muy acusada en la mayor parte del día, como puede observarse en la Fig. 12. El área rayada de la Fig. 12 refleja la disminución sufrida por la energía de desequilibrio tras la compensación. Por supuesto, es posible reducir aún más los desequilibrios, utilizando un compensador con más escalones, de menor potencia, pero esto último implica aumentar la complejidad y el precio del compensador de desequilibrios.

V. CONCLUSIONES.

En este artículo se ha descrito la constitución y características de los compensadores de desequilibrios pasivos, variables. Los consumos de energía activa de estos dispositivos son pequeños, ya que están formados por bobinas y condensadores, y dependen del factor de calidad de las bobinas, principalmente. Se ha establecido el concepto de escalón de desequilibrio como el dispositivo básico de funcionamiento y de diseño del compensador. Hay dos tipos de escalones de desequilibrio: de activa y de reactiva, atendiendo al tipo de cargas que causan el desequilibrio. Los escalones de activa compensan desequilibrios, únicamente; los escalones de reactiva elegidos en este artículo compensan, a la vez, reactiva y desequilibrios. La separación entre los desequilibrios causados por las cargas activas y por las cargas

reactivas confiere una mayor versatilidad al compensador de desequilibrios, permitiendo actuar de forma independiente y más ajustada sobre la causa de desequilibrio. Los resultados obtenidos por simulación con ORCAD-PSPICE sobre una instalación industrial real muestran la viabilidad del compensador de desequilibrios y los beneficios de su empleo en la práctica industrial.

AGRADECIMIENTOS

Deseamos mostrar nuestro agradecimiento a la empresa “Eléctrica de Vinalesa, Sociedad Cooperativa Valenciana”, a todo su equipo directivo y personal técnico y, en particular, a su Ingeniero, D. Javier Puchol, por el apoyo y las facilidades de acceso a sus instalaciones eléctricas.

REFERENCIAS [1] L.S. Czarnecki, “Reactive and Unbalanced Currents Compensation in

Three-Phase Asymmetrical Circuits Under Nonsinusoidal Conditions”. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 38, No. 3, June 1989, pp. 754-759.

[2] L.S. Czarnecki, S.M. Hsu. “Thyristor controlled susceptances for balancing compensators operated under nonsinusoidal conditions”. IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 141, No. 4, July 1994, pp. 177-185.

[3] L.S. Czarnecki, S.M. Hsu, G. Chen. “Adaptive Unbalance Compensator” IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 10, nº 3, July 1995, pp. 1663-1669.

[4] A.E. Emanuel. “Apparent Powers Definitions for Three-Phase Systems”. IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 14, nº 3, July 1999, pp. 767-772.

[5] S.M. Hsu. Discussion of “Using a Static Var Compensator to Balance a Distribution System”. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 35, No. 5, September/October 1999, pp. 1174-1176.

[6] V. León-Martínez, J. Giner-García, J. Montañana-Romeu, A. Cazorla-Navarro. “Compensación de reactiva en instalaciones desequilibradas. Optimización de las prestaciones de los dispositivos de compensación”. Revista Mundo Electrónico, No. 317, pp. 54-57, Febrero 2001.

[7] V. León-Martínez, J. Giner-García, J. Montañana-Romeu, A. Cazorla-Navarro. “Eficiencia en las instalaciones eléctricas: Nuevas definiciones de potencia”. Revista Mundo Electrónico, nº 322, pp. 28-32, Julio 2001.

[8] S.M. Hsu, L.S. Czarnecki. “Adaptive Blocking Harmonic Compensator”. IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 18, No. 3, July 2003, pp. 895-902.

[9] J.L. Willems, J.A. Ghijselen, A.E. Emanuel. “The Apparent Power Concept and the IEEE Standard 1459-2000”. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 20, nº 2, pp.876-884, April 2005.

[10] V. León-Martínez, J. Giner-García, J. Montañana-Romeu, A. Cazorla-Navarro.“Ineficiencias de los sistemas eléctricos. Efectos, cuantificación y dispositivos de mejora de la eficiencia”. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2001-4292., 2001, pp. 115-194.

[11] V. León-Martínez, J. Montañana-Romeu, A. Cazorla-Navarro, J. Giner-García, J. Roger-Folch. “Phasor Total Unbalance Power: Formulation and some Properties”. IMTC 2007. Warsaw, 1-3 May 2007.

[12] H.L. Ginn III. “A Hybrid Reference Signal Generator for Active Compensators”. Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol. XIII, No. 1, 2007, pp. 51-58.

[13] A. Firlit. “Current’s Physical Components Theory and p-q Power Theory in the Control of the Three-phase Shunt Active Power Filter”. Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol. XIII, No. 1, 2007, pp. 59-66.

[14] V. León-Martínez, J. Montañana-Romeu, J. Roger-Folch, A. Cazorla-Navarro. “Why reactive compensators do not improve the efficiency correctly in unbalanced circuits”. IMEKO World Congress. XIX Edition. Lisbon, Portugal, September 2009.

[15] IEEE Standard 1459-2010. “IEEE Trial-Use Standard for the Measurement of Electrical Power Quantities under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced and Unbalanced Conditions”. 2010.

[16] A. Cazorla-Navarro, J. Giner-García, V. León-Martínez, J. Montañana-Romeu. “Procedimiento y sistema de puesta en práctica para la medida de la potencia de desequilibrio en instalaciones eléctricas, así como el dispositivo para su calibración”. Patente PCT/ES2008/00029, fecha de concesión internacional 23 de mayo de 2008.

Figura 11. Potencias de desequilibrio de reactiva de cada fase tras la compensación.

Figura 12. Potencias de desequilibrio totales de la instalación, sin compensación y con compensación.

[17] V. León-Martínez, J. Montañana-Romeu. “Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, así como el dispositivo compensador para su puesta en práctica”. Patente española nº 200901611, fecha de registro 9 de julio de 2009.

[18] L.S. Czarnecki, S.S. Pierce. “CPC-based comparison of compensation goals in systems with nonsinusoidal voltages and currents”. International School on Nonsinusoidal Currents and Compensation, June 15-18, 2010, Lagów, Poland, pp. 27-36.

[19] K. Schipman, F. Delincé. “Una mejora activa de la calidad”. Revista de ABB, No 4, 2010, pp. 51-55.

Vicente León Martínez (M’96, SM’11). Es Ingeniero Industrial y Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica de Valencia (España). En la actualidad es Catedrático de E.U. del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UPV y realiza sus labores de investigación en el Instituto de Ingeniería Energética de la UPV sobre instrumentación y mejora de la eficiencia en instalaciones eléctricas.

Joaquín Montañana Romeu (M’96, SM’11). Es Ingeniero en Electrónica por la Universidad de Valencia y Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica de Valencia (España). En la actualidad es Catedrático de E.U. del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UPV y realiza sus labores de investigación en el Instituto de Ingeniería Energética de la UPV sobre instrumentación y mejora de la eficiencia en instalaciones eléctricas.

José María Palazón García. Es Ingeniero Aeronáutico por la Universidad Politécnica de Madrid (España). En la actualidad trabaja como Técnico de Ingeniería de Infraestructuras y Mantenimiento Aeroportuario en el aeropuerto de Alicante y es profesor asociado de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV).