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¡Energía contada en cuatro cuadrantes! Efectos, medidas, análisis

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¡Energía contada en cuatro cuadrantes! Efectos, medidas, análisis

 

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¿Cuáles son realmente las energías de los cuatro cuadrantes?

 

Las mediciones de tensiones y corrientes son la posibilidad básica para analizar los fenómenos que ocurren en una instalación eléctrica. Se trata principalmente de cambios en los valores instantáneos observados como formas de onda, sus valores RMS representan las propiedades energéticas de estas señales, así como los parámetros de potencia de los pares de tensión y corriente asociados, que representan flujos de energía instantáneos. Sin embargo, para poder determinar el balance de estos caudales es necesario acumular los resultados de caudales individuales, lo cual se realiza en los contadores de energía. El asunto sería simple y obvio, si no fuera por algunas cuestiones aparentemente menores relacionadas con el hecho de que la energía es un producto costoso, y el registro de su flujo entre el proveedor y el destinatario debería ser inequívoco.

 

Dado que la potencia activa P y la potencia reactiva Q tienen un signo que indica en qué dirección fluyen actualmente las energías individuales, solo uno de los cuatro estados de energía que se muestran en la figura 1 puede ocurrir en cualquier momento. La potencia aparente resultante S puede estar en el área de uno de los cuatro cuartos de círculo, también conocidos como cuadrantes, como se ilustra en la Fig. 1. Dividir el área del círculo verticalmente, en el lado derecho indica el consumo de energía activa P> 0 (vector verde). El área en el lado izquierdo del eje vertical indica la entrega de potencia activa P <0, es decir, la generación. Para cada una de las dos direcciones (signos) de la potencia activa, podemos, según el signo de la potencia reactiva, dividir aún más las mitades individuales en cuartos. El cuadrante Q> 0 (vector violeta) representa la potencia reactiva inductiva durante el consumo de potencia activa (P> 0). Entonces, el vector resultante de potencia aparente S (vector marrón) está en el cuadrante I. Por analogía con la potencia activa, se ha aceptado ampliamente distinguir las direcciones del flujo de energía reactiva según el signo de la potencia reactiva. Según este principio, los contadores apropiados cuentan los flujos individuales según la dirección y la naturaleza de la potencia.

 

 

 

Fig. 1. Energías de cuatro cuadrantes

 

Históricamente, los medidores de energía activa inductiva usaban un mecanismo simple para hacer que el medidor de energía girara solo en una dirección, contando los flujos de energía en una sola dirección. Por tanto, para determinar el consumo y la generación de energía activa bastaba con utilizar dos contadores simultáneamente. Lo mismo se hizo con la energía reactiva durante el consumo, por lo que el receptor de energía era responsable de los asentamientos. Bastaba instalar dos contadores adicionales al consumo: uno para energía reactiva inductiva y otro para energía reactiva capacitiva. Actualmente, los flujos de energía se miden de manera inequívoca en medidores de energía electrónicos integrados con contadores para todos los estados de flujo posibles. Sin embargo, también existen soluciones simplificadas que utilizan la convención injustificada mencionada anteriormente para determinar las direcciones de los flujos de potencia reactiva, como se muestra en la Fig. 2. Dado que esta solución todavía es bastante común, incluso en analizadores electrónicos avanzados, también se describirá brevemente por el bien de la explicación. Para la potencia Q> 0, hay un índice de energía reactiva marcado EQ+, llamado energía reactiva, y para la potencia Q <0, un índice marcado con EQ-, llamado energía reactiva devuelta (generada). Puede ver inmediatamente que la convención adoptada es ambigua, porque un ábaco pasivo cuenta para dos direcciones de flujo de energía activa, por lo que no está claro qué representan los ábacos EQ+ y EQ-. El único caso en el que se conserva la singularidad del método simplificado es el estado de solo consumo de energía activa, entonces EP- = 0, o solo generación, cuando EP + = 0. Porque es cada vez más difícil encontrar casos tan inequívocos en redes eléctricas, la solución simplificada no siempre será efectiva y, por lo tanto, se debe prestar especial atención al seleccionar equipos de medición para aplicaciones específicas.

 

 

 

Fig. 2. Análisis simplificado de flujos de energía

 

Esta limitación no está presente en un medidor de cuatro cuadrantes completos. Para garantizar la capacidad inequívoca del contador para distinguir todos los casos, el recuento debe realizarse en áreas individuales representadas por cuartos de círculo (Fig.3), con la separación de pares de contadores de energía reactiva para el consumo de energía activa y para la generación. Esto crea un total de 6 contadores de energía asociados inequívocamente en pares con cuadrantes individuales del área del círculo (cuadrantes).

 

 

 

Fig. 3. Análisis completo de flujos de energía en cuatro cuadrantes

 

La importancia de un análisis completo de cuatro cuadrantes es tanto mayor que en algunos países, las regulaciones definen la calidad de la energía, siempre que se cumplan el factor tg (φ) y la potencia máxima (por ejemplo, 15 o 30 minutos). Solo teniendo flujos inequívocos de energía reactiva inductiva durante el consumo de energía activa, es posible determinar claramente los parámetros apropiados.

 

Queda el último problema en el análisis de cuatro cuadrantes de los flujos de energía. Se aplica a redes con carga desequilibrada y generación de energía desequilibrada. Estos casos se están volviendo cada vez más comunes ante la rápida expansión de las energías renovables y las instalaciones fotovoltaicas prosumidores (productoras y consumidoras). Resulta que los análisis de cuatro cuadrantes válidos para potencias de fase tienen un sentido físico, pero el análisis del balance trifásico de energía reactiva, calculado mediante el método vectorial, puede dar resultados ambiguos para flujos trifásicos

 

¡Tres ejemplos de resultados energéticos inadecuados!

 

Ejemplo I

El ejemplo de una instalación de RES presentado en la Fig. 4 contiene las siguientes inexactitudes debido a la selección incorrecta del analizador, que no tenía medidores de 4 cuadrantes:

a.)    La potencia máxima de 15 min se determinó sobre la base de la potencia activa promedio, lo que podría resultar en un valor subestimado causado por la ocurrencia simultánea de consumo P> 0 y generación P <0, afectando un valor de potencia promedio dentro 15 minutos,

b.)    Un valor muy alto del coeficiente tg (φ) causado por la ocurrencia de la potencia activa media cercana a 0 en los momentos de transición, que como resultado de dividir Q> 0 por P≈0 dio los resultados de la tg (φ) coeficiente, que era matemáticamente correcto, pero no tenía importancia práctica.

Fue causado por el algoritmo de análisis de cuadrante incompleto, y la única solución a este problema es utilizar el registro y análisis completos de cuatro cuadrantes de los flujos de energía, y determinar el valor de tg (φ) basado en el flujo de energía total durante el consumo.

 

 

Fig. 4. Análisis de las condiciones tg (φ) y potencia media máxima de 15 minutos

La solución a este problema es muy simple: en el caso de instalaciones de energía renovable, micro fuentes de energía renovable o instalaciones que permitan la recuperación temporal de energía, es suficiente utilizar analizadores que permitan un análisis completo de cuatro cuadrantes con la actualización de los contadores cada 10 períodos de red,por ejemplo los analizadores SONEL clase A: PQM-702/703/710/711. El uso de analizadores de parámetros de energía típicos y comunes, sin un análisis completo y rápido de cuatro cuadrantes, es posible solo con fines de diagnóstico, siempre que los cambios de dirección de energía ocurran mucho más lentamente que el tiempo promedio aplicado. Sin embargo, esto requiere atención adicional, tamaños de archivo de datos más grandes y puede que no siempre sea completamente efectivo en casos especiales.

Ejemplo II

El problema ocurre especialmente con los dispositivos cada vez más populares con consumo de energía optimizado. Utilizando tiempos promedio típicos del orden de 10 s en el caso de que los dispositivos puedan recuperar energía brevemente y devolverla a la red, un análisis típico de potencia reactiva basado en potencias promedio, o incluso contadores de energía con análisis de cuadrante incompleto, dará como resultado conclusiones erróneas. De manera similar, cuando la naturaleza de la potencia reactiva como resultado de una perturbación de la carga cambiará muchas veces durante un período de promediado. Entonces, las potencias activas y reactivas promedio determinadas por los algoritmos y los flujos de energía típicamente calculados al final del período promedio serán falsos. La solución a este problema es un contador de energía completo de cuatro cuadrantes actualizado cada 10 períodos de red, como es el caso de los analizadores PQM.

Ejemplo III

 

Está asociado con la cada vez más común micro energía renovable. La figura 5 muestra la potencia activa trifásica media (rojo) y la potencia activa generada trifásica media (verde).

 

En aras de la claridad, la figura muestra solo la potencia media consumida en cada fase. El área a.) Muestra la potencia activa media P + 15min Σpromedio = 0 a pesar de que se consumen las potencias de fase visible (P> 0). En el área b.) Las potencias trifásicas, tanto consumidas (rojo) como generadas (verde), ya son visibles como P <> 0. El algoritmo de cuantificación de potencia trifásica de acuerdo con el balance vectorial provocó el cálculo de energías trifásicas solo cuando las potencias trifásicas son diferentes de 0. Como resultado, la potencia de generación dominante enmascaró la proporción de potencias de fase de entrada distintas de cero en el área a), por lo que la imagen trifásica observada es ambigua.

 

Fig. 5. La imagen de las potencias activas medias trifásicas desglosadas en consumidas (rojo) y generadas (verde)

 

Algunos pasos simples para realizar diagnósticos y medición de energía

 

 

Lo más importante es registrar la energía de forma fiable. Con el analizador PQM-701xx, es posible registrar casos de flujos de energía activa y reactiva para cargas no ambiguas o generaciones no ambiguas (sin la ocurrencia de estados de consumo). Para generación y consumo se deben utilizar los analizadores clase S (PQM-700, PQM-707) o clase A (PQM-702/703/710/711). Para registrar de forma inequívoca los flujos de energía:

      1. En la configuración de grabación, en la pestaña Potencias y energías, habilite la grabación de acuerdo con IEEE 1459 y la grabación de las potencias activas P y las potencias reactivas Q1
      2. En la pestaña de energías, habilite el registro de todas las energías
      3. Después de conectarse al analizador, envíe la configuración modificada.
      4. Registre el momento de trabajo seleccionado del objeto usando la función START / STOP.
      5. Lea los resultados con el software Sonel Analysis.

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    Fig. 6. Ajustes de grabación de energía

     

    Análisis de los resultados de la medición de energía

     

    Después de leer el archivo de medición que contiene el registro de energía con el software Sonel Analysis, debe:

        1. Presione el botón Mediciones
        2. Encuentra en la lista las potencias medias o cuadrantes tangentes interesantes
        3. Puede ampliar partes interesantes de la medición cambiando la escala de tiempo y la escala vertical.
        4. Colocando los marcadores 1, 2, 3 en lugares característicos (Fig. 5), lea el momento y el valor del parámetro para cada uno de los tres marcadores representados con un icono circular con un número.
        5. Sobre la base de los resultados de las diferencias de los marcadores, se pueden determinar el intervalo de tiempo y los valores entre puntos individuales de la misma señal.

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