Instal·lacions de receptors
La finalitat de les instal·lacions elèctriques és el subministrament d’energia elèctrica als receptors. No tots el receptors tenen les mateixes característiques. A més de les característiques de consum d’energia elèctrica, tensió i corrent, és important el tipus de seguretat davant del risc de xocs elèctrics per avaries en el mateix receptor. Per exemple, si la carcassa del receptor és metal·lica és més perillosa que una altra de plàstic davant d’una possible pèrdua d’aïllament de les parts actives del receptor.
També cal tenir en compte si un receptor produeix calor, la calor pot desfer els aïllaments plàstics, raó per la qual els receptors han de tenir un tractament especial.
Els receptors han de complir totes les directives europees de baixa tensió, les normatives UNE i EN.
Compte amb la connexió entre el receptor i la instal·lació fixa
A més del tipus de receptor, de la carcassa, de si produeix calor o no, etc., en una instal·lació és molt important la connexió del receptors mòbils a la instal·lació fixa, ja que bona part de les avaries i dels accidents es produeixen en aquest tram de la instal·lació.
Classificació de les instal·lacions de receptors
Podem distingir diferents tipus de receptors elèctrics i classificar-los de diverses maneres, per exemple, en funció de la tensió nominal, és a dir, de la tensió que necessita per funcionar, o de si és un receptor fix o amovible, o si és d’escalfament, d’il·luminació, etc. L’important es tenir present sempre de quin aparell o receptor es tracta i quines característiques cal tenir en compte per a la seva instal·lació.
Els receptors poden ser fixos i amovibles. Segons les definicions del REBT l’aparell és fix quan està instal·lat de manera inamovible. L’aparell és amovible –incloent-hi qualssevol material instal·lat…– quan es pot treure fàcilment.
Pel que fa a la tensió nominal d’un aparell, cal tenir en compte:
- Tensió prevista d’alimentació de l’aparell i per a la qual se’l designa.
- Gamma nominal de tensions: l’interval entre els límits de tensió previstos per alimentar l’aparell.
- En cas d’alimentació trifàsica, la tensió nominal es refereix a la tensió entre fases (normalment 400 V).
El terra o la paret són no conductors quan presenten una resistència igual o superior a 50.000 Ω.
Una classificació molt important dels receptors elèctrics és la que es basa en la protecció contra els xocs elèctrics.
La instal·lació elèctrica ha d’estar adequada als receptors de la instal·lació. El primer que pensareu és que el receptor ha de funcionar a la mateixa tensió que la instal·lació ens proporciona, i que la intensitat de consum ha de ser perfectament assumible pels cables i les proteccions. Però no heu d’oblidar que el sistema de protecció de la instal·lació també ha de ser l’adequat per al tipus de receptors.
La taula detalla els diferents tipus de receptors elèctrics segons el sistema de protecció que fan servir.
Classe 0 | Classe 1 | Classe 2 | Classe 3 |
---|---|---|---|
Sense mitjans de protecció de posada a terra | Mitjans de connexió previstos a terra | Aïllament suplementari, però sense mitjans de protecció per a posada a terra | Previstos per ser alimentats amb baixa tensió de seguretat (MBTS) |
Per a més detalls sobre les instal·lacions de receptors de classe 0 podeu consultar l’apartat 4.3 de la ITC-BT-24.
Heu de saber quin tipus de receptor podeu connectar a una instal·lació determinada:
- Un receptor de classe 0 només es pot utilitzar en entorns o instal·lacions aïllades del terra. És a dir, el terra que les persones trepitgen o les parets que poden tocar són d’un material especial aïllant. Cal mesurar aquest tipus de terres i parets en les condicions normals d’ús. Feu especial atenció a les condensacions i humitats que poden augmentar la conducció i fer perillosa la instal·lació. En una instal·lació d’aquestes característiques també cal tenir en compte que els aparells han d’estar disposades de manera que, en condicions normals, les persones no facin contacte simultani amb dos receptors.
- Receptor de classe I
- Un receptor de classe I s’ha de connectar al conductor de protecció de la instal·lació. Si no es connecta, aquest aparell queda desprotegit per contactes indirectes. Aquests aparells són típicament els aparells que tenen una carcassa metàl·lica i per al seu funcionament fan ús de l’aigua com ara rentadores o rentavaixelles. Aquests aparells sempre porten un endoll del que anomenem suko, i que té tres terminals, neutre, fase i protecció. Es molt important que aquest tipus de receptor estigui connectat al conductor de protecció o terra de la instal·lació.
- Receptor de classe 2
- Un receptor de classe 2 té una protecció per contactes indirectes mitjançant un aïllament suplementari. També s’anomenen receptors amb doble aïllament. Aquests receptors tenen un endoll només amb dos terminals. No tenen presa de terra. Normalment són aparells en què la carcassa ja és un plàstic aïllant i a més dintre tenen més aïllants que fan impossible que hi pugui haver un contacte amb les parts actives o en tensió. Aquests aparells han de portar gravat el símbol de doble aïllament i normalment també porten el símbol d’alguna empresa certificadora que certifica que es poden utilitzar sense perill. En una instal·lació que només tingues receptors de doble aïllament no seria necessària ni la instal·lació d’interruptors diferencial ni la instal·lació d’un conductor de terra o protecció.
Simbologia específica
En la taula podem veure la simbologia que normalment s’utilitza per identificar els receptors elèctrics fixos en els plànols de distribució de planta. Amb aquesta disposició es pot dissenyar la instal·lació elèctrica, distribució de circuits C1, C2, C3, C4, etc.
Símbols | Significat |
---|---|
Cuina | |
Motor | |
Ventilador | |
Rentadora | |
Rentaplats | |
Motor | |
Escalfador elèctric | |
Escalfador d’aigua elèctric | |
Refrigerador | |
Congelador |
Els receptors mòbils, com ordinadors, eixugacabells, etc., són endollats, així que es poden instal·lar on hi hagi endolls.
Mesurar la intensitat, tensió, potència i el factor de potència: equips i procediments
- Multímetre de gamma alta
El polímetre o multímetre és l’instrument de mesura més utilitzat pels professional de l’electricitat, ja que permet mesurar les diferents magnituds elèctriques amb el mateix instrument.
Antigament, per mesurar les magnituds elèctriques s’utilitzaven aparells analògics (mecànics) en els quals un camp magnètic feia girar l’agulla del mesurador. Però avui en dia són aparells digitals basats en microcontroladors en els quals un sistema electrònic s’encarrega de mesurar i calcular els valors que després mostra com a resultat en un display.
- multímetre de gamma baixa
En el mercat hi ha moltes marques i categories, però el funcionament és semblant tret de les característiques especials que tenen els aparells de gammes més altes.
Els polímetres digitals de gamma més baixa tenen preus molt assequibles, però presenten una sèrie de problemes que els polímetres de gamma més alta solucionen:
- Proteccions del polímetres respecte a les sobretensions.
- Escala manual o automàtica (auto-rang).
- Fer mesures true RMS o de valor eficaç real per a mesures de senyals no sinusoïdals.
- Fer càlculs (valor mitjà, màxims, mínims) durant un període de temps.
- Connexió a un ordinador per emmagatzemar els valors que ha mesurat al llarg del temps.
La primera qüestió és la seguretat de l’aparell. Un multímetre o un polímetre de gamma baixa (figura) no està protegit contra sobretensions.
És difícil que hi hagi una sobretensió en el mateix moment en què esteu mesurant, però en el cas dels professionals que contínuament fan mesures, és més probable que mentre mesuren hi hagi una sobretensió. Per saber si està protegit cal fixar-se en els símbols que normalment hi ha entre els borns de mesura o a la part del darrere, els quals haurien de ser un dels símbols següents, depenent de la categoria de l’aparell –CAT I, CAT II, CAT III, CAT IV– tal com mostra la figura.
I, a més, també es pot saber pel segell d’una entitat certificadora que assegura que aquest aparell compleix la normativa de la categoria a la qual pertany. Les diferents categories indiquen per a què són aptes els aparells mesuradors a fi de poder fer-ne un ús segur.
CAT IV
És el símbol que identifica els dispositius més segurs, els quals s’utilitzen per a mesures que es fan a prop dels transformadors de la xarxa. En aquest lloc del sistema elèctric, la resistència és poca, ja que la distància al transformador és petita, la qual cosa provoca corrents de curtcircuit molt elevats i, en cas de produir-se una sobretensió, els corrents que poden arribar a passar per multímetre que tingueu a les mans poden ser molt elevats. Per això necessiten tenir més protecció. Normalment aquests dispositius tenen connexió trifàsica. No tan sols els multímetres cal que tinguin protecció contra possibles sobretensions, també els comptadors d’electricitat.
CAT III
Els multímetres d’aquesta categoria s’utilitzen per mesurar les distribucions trifàsiques d’aparells de gran consum que, pel fet de tenir una alimentació amb cables molt gruixuts, els corrents de curtcircuit en cas d’una sobretensió poden ser molt elevats. Càrregues o receptors típics són el motor polifàsic, la il·luminació comercial monofàsica, els alimentadors i els col·lectors de les plantes industrials, etc.
CAT II
Per a aquesta categoria ja només es tenen en compte càrregues o receptors monofàsics. Com poden ser dispositius elèctrics generals, instruments portàtils i altres càrregues domèstiques similars connectades a preses de corrent i ramals llargs. Normalment es considera un ramal llarg (baixos corrents de curtcircuit) les preses de corrent situades a més de 10 m d’una font CAT III, i les preses de corrent situades a més de 20 m d’una font CAT IV.
CAT I
Els multímetres d’aquesta categoria s’utilitzen per a tasques i reparacions electròniques. Considerem que en aquests llocs ja s’està molt lluny dels transformadors d’alimentació de la instal·lació elèctrica, i que fem mesures després de la font d’alimentació de l’aparell electrònic que ha d’anar protegit contra sobretensions, per això el multímetre amb el qual es mesura no cal que tingui gaire protecció contra sobretensions i els corrents de curtcircuit que se’n poden derivar.
Els diferents aparells haurien de mostrar clarament la categoria a la qual pertanyen i les característiques que tenen (figura).
Mesurar la tensió
L’objectiu de mesurar la tensió és conèixer la diferència de potencial entre dos punts. Es tracta de la mesura més utilitzada. Una vegada es dóna una diferència de potencial entre dos punts, només cal una càrrega perquè passi corrent i tenir així el circuit elèctric més bàsic.
L’aparell més emprat per mesurar la tensió és el multímetre o tester en la posició de voltímetre (figura).
Connexions i mesura:
- Connexió en paral·lel.
- Si es connecta en sèrie hi ha error de mesura, però no es crema l’aparell.
- Seleccionar CA o CC. En cas d’equivocació hi ha error en la mesura, i, a més a més, es pot cremar l’aparell de mesura. Si l’aparell és d’escala manual cal començar per l’escala més alta (750 V), i després anar baixant (300 V)… (12 V), així us assegurareu que el multímetre no pateix cap desperfecte.
Mesura del corrent
L’objecte d’aquesta mesura és conèixer la intensitat de corrent que passa per un circuit i el mateix multímetre en la posició d’amperímetre el pot mesurar (figura).
Connexions i mesura
- Connexió en sèrie
- Precaució amb el canvi de borns (en gairebé tots els testers).
- Si es connecta en paral·lel, l’amperímetre s’acostuma a avariar sense remei.
- Seleccionar CA o CC. En cas d’equivocació, hi ha error en la mesura, a més a més, es pot cremar l’aparell de mesura.
- L’amperímetre, un aparell de baixa impedància. Per això si el connectem en paral·lel és com si féssim un curtcircuit.
És molt incòmode haver d’obrir el circuit per fer mesures. A més, amb freqüència es deixen els borns del tester en la posició de l’amperímetre, i d’aquesta manera ens oblidem que està en aquesta posició, de manera que si es mesuren tensions en paral·lel podem fer malbé l’aparell.
Per solucionar aquests problemes el corrent es mesura amb una pinça amperimètrica que rodeja el cable per on passa el corrent i així no cal interrompre el circuit (figura).
Connexions i mesura
- Seleccionar magnitud i l’escala recordant començar sempre per les escales més altes per no fer malbé l’aparell.
- Inserir la pinça en un cable. La fase o el neutre. Un error comú és mesurar la fase i el neutre junts. D’aquesta manera la pinça marca 0 A, perquè el corrent d’entrada anul·la el de sortida.
- Algunes pinces poden mesurar CC per l’efecte Hall.
Mesurar la resistència
L’objectiu d’aquesta mesura és conèixer la resistència d’un component o d’un circuit. L’aparell que la mesura és el mateix multímetre, però, en la posició d’òhmmetre (figura).
Connexions i mesura
- L’òhmmetre aplica una petita tensió sobre l’element sota el circuit o el component de prova.
- Precaució: els elements sota prova no han de tenir tensió ni de xarxa ni una altra d’oculta, per exemple, condensadors, càrregues, retorns. Una tensió d’aquestes pot fer malbé el multímetre a més de donar valors erronis de mesura.
- Connexió entre punts a mesurar en la resistència.
Mesurar la potència
L’objectiu és mesurar la potència activa. Per mesurar la potència activa d’un receptor o càrrega ens fan falta tres dades: la tensió a què s’alimenta, el corrent que hi circula i, a més, el desfasament entre la tensió d’un corrent, que rep el nom de factor de potència (figura).
Així, per mesurar la potència us farien falta tres aparells: un voltímetre, un amperímetre (a poder ser una pinça amperimètrica) i fasímetre o un aparell específic que fa aquesta mesura directament, un wattímetre o una pinça wattimètrica (figura).
Connexions
- Un wattímetre té dos circuits, un voltímetre i un amperímetre.
- Connectar el circuit voltímetre en paral·lel i l’amperímetre en sèrie, o mitjançant la pinça amperimètrica.
Altres mesures
A les instal·lacions elèctriques es demana una gran fiabilitat i qualitat perquè són molts els aparells que s’hi connecten. Aparells fonamentals dels quals depèn el bon funcionament i desenvolupament de qualsevol tasca. Per fer un seguiment de la instal·lació o per diagnosticar problemes cal mesurar. Els multímetres digitals més avançats permeten fer mesures d’un gran valor per al manteniment de la instal·lació elèctrica.
Enregistrament de dades. L’experiència ens diu que molts dels problemes de manteniment o disseny d’una instal·lació són dinàmics, és a dir, canvien al llarg del temps. Això fa que si es pren una mesura en un lloc puntual en un moment determinat no resulti de gran ajut per resoldre el problema de la instal·lació. Cal disposar d’una ferramenta que faci les mesures de corrent, tensió, potència durant un temps més o menys llarg. Mentre fem la mesura se’n pot apreciar l’evolució, les tendències, si guarda l’hora podem saber si es produïxen alteracions a una certa hora determinada. Així podem detectar desviacions, pics, pujades, caigudes. Amb aquestes eines el tècnic de manteniment guanya molt de temps perquè no ha d’estar contínuament mesurant.
La quantitat de dades (10.000 mesures), el temps de funcionament (hores, dies), les unitats mesurades (temperatura, tensió, corrent, freqüència, etc.), tot això varia d’uns aparells a altres.
Un altre aspecte a tenir en compte és l’exportació de les dades a format digital per poder-les emmagatzemar o tractar en un ordinador, fins i tot monitorat en temps real per mitjà d’una connexió amb xarxa. La quantitat d’opcions dels aparells de mesura és molt elevada, però del que es tracta és que compleixin les vostres necessitats de mesura.
Funcions mínim, màxim, mitjana. En cas que l’aparell no exporti les dades perquè després es puguin visualitzar o estudiar en un ordinador, una aplicació molt interessant és demanar a l’aparell que us doni els valors mínim, màxim o la mitjana d’una mesura al llarg del temps. Aquesta senzilla funció permet saber si durant un temps la tensió ha baixat i fins a quin valor ho ha fet. Per exemple, un ordinador s’atura inesperadament, i se sospita que es deu a baixades o talls de tensió. Com es pot saber? La mesura feta amb un multímetre en la funció mínima de tensió durant un temps us permetrà saber si l’ordinador s’atura perquè la tensió baixa inesperadament, i si no hi ha de baixada de tensió, aleshores caldrà buscar una altra explicació.
Filtres d’altes freqüències. Molts equips electrònics moderns utilitzen tecnologia d’alta freqüència per al control de les càrregues, per exemple, els variadors de velocitat dels motors, inversors, fonts d’alimentació commutades, etc., la qual cosa representa en la sortida una combinació de senyals a una freqüència fonamental (50 Hz) i d’altres a alta freqüència (100.000 Hz), les quals introdueixen errors de mesura en la tensió fonamental. Per solucionar els problemes que afecten aquestes mesures, els multímetres més avançats incorporen un filtre que elimina els components d’alta freqüència amb la qual cosa permeten que el multímetre faci mesures correctes del component fonamental del senyal de sortida. Es tracta d’un problema típic dels tècnics de manteniment que mesuren els variadors de velocitat de motors. En cas que calgui fer el manteniment d’aquest tipus d’equip és important que ens fixem en aquesta característica que ofereix el multímetre.
Funció de baixa impedància. Les instal·lacions d’automatismes són una combinació de circuits de control o maniobra i de potència. En les proximitats dels circuits de potència és possible que en fer una mesura de tensió en un circuit es detectin valors elevats de tensió en punts en els quals no n’hi hauria d’haver. Aquestes tensions no són de la xarxa d’alimentació, sinó que són creades per les càrregues (motors, transformadors, etc.) del circuit de potència. Aquest problema es pot solucionar fàcilment si el multímetre permet un mode de mesura amb una impedància reduïda d’entrada. La impedància més baixa a l’entrada del multímetre representa una petita càrrega per al circuit que elimina les tensions creades per les càrregues i es mostren així valors reals de la tensió del circuit.
Funció de resistències de precisió. Els multímetres tradicionals per mesurar una resistència injecten un corrent d’1 mA. Aquest corrent és molt petit per mesurar valors de resistències molt petits com, per exemple, bobinatges de motors, etc. Els multímetres més avançats disposen d’una funció per mesurar resistències infectant un corrent molt més elevat, fins a 50 mA, això permet mesurar resistències petites de menys de 50 Ω amb una precisió fins i tot de 0,0001 Ω.
Un multímetre qualsevol permet fer mesures de tensió, corrent i resistències, però només en un moment determinat i en un punt de la instal·lació. Si la tasca de manteniment que heu de fer s’ha de fer en entorns industrials o en entorns sofisticats, en els quals es poden presentar problemes difícils de detectar, l’aparell que us cal tenir a l’abast és un multímetre amb característiques especials. El registre gràfic de dades, les funcions mínim, màxim, l’eliminació d’altes freqüències, o de la tensió induïda per les càrregues, la mesura acurada de baixes resistències (bobinatges) poden facilitar molt la tasca de manteniment del tècnic en electricitat. Sense oblidar en cap moment la seguretat a l’hora d’escollir el multímetre, sobretot per la seva capacitat de suportar sobretensions (CAT III o CAT IV).
Prescripcions generals per a la instal·lació de receptors (ITC-BT-43)
En la secció “Annexos” del web d’aquest mòdul podeu consultar la ITC-BT-43 completa.
La instal·lació de receptors s’ha de fer d’acord amb el tipus de receptor, i posant especial atenció en la tensió de funcionament i en l’entorn (classe de local, emplaçament, utilització) sense oblidar els esforços mecànics perquè en les seves condicions de funcionament no assoleixin cap temperatura perillosa.
Els primers requisits que ha de complir un receptor són els que prescriu la Directiva europea de baixa tensió, i la Directiva de compatibilitat electromagnètica, encara que els elements del receptor, com, per exemple, els llums, no estiguin totalment muntats i el muntatge final es faci mentre es completa la instal·lació.
El primer que cal tenir en compte és la tensió de funcionament del receptor. El fet de connectar un receptor a una tensió per a la qual no està fabricat pot fer malbé el receptor i en casos extrems pot ser motiu d’accidents, incendis, etc. En un entorn domèstic, la tensió sempre és la usual de 230 V monofàsics, però en entorns com el comerç o la indústria l’habitual és el consum trifàsic de 400 V de valor eficaç entre fases i 230 V entre fase i neutre. En aquests casos, la identificació del conductor neutre és fonamental per a una bona connexió d’un aparell trifàsic, perquè en cas d’error i si, en comptes de fer una connexió d’un aparell receptor amb fase-neutre (230 V), es fa mitjançant dues fases (400 V), el resultat pot ser fatal per al receptor.
A més de la tensió a què ha de funcionar el receptor, cal tenir en compte el corrent o la potència que el receptor consumirà. La instal·lació ha de ser adequada i permetre que arribi el corrent necessari perquè el receptor funcioni. Una instal·lació mal dimensionada, per exemple, amb un cable que tingui una secció petita i una gran caiguda de tensió, farà que no arribi la tensió necessària perquè el receptor funcioni correctament. D’aquesta manera el corrent acabara escalfant massa el conductor fins al punt d’arribar a deteriorar l’aïllament plàstic i crear curtcircuits que poden resultar en incendis.
Els cables...
…a l’entrada de l’aparell han d’estar protegits contra els riscos que representen els desperfectes mecànics produïts per tracció, torsió, cisallament, abrasió, plegats excessius, etc.
Per evitar problemes i accidents, els receptors i els cables o la instal·lació que els alimenta han de disposar d’un sistema de protecció contra sobreintensitats (ITC-BT-22). Cal adoptar les característiques d’intensitat-temps dels dispositius de protecció, d’acord amb les característiques i les condicions d’utilització dels receptors a protegir.
Pel que fa a la instal·lació dels receptors, de fet es poden connectar a les canalitzacions directament o per mitjà d’un cable apte per a usos mòbils, que pot incorporar una clavilla de presa de corrent. Però, en qualsevol cas, sempre ha d’incloure el nombre de cables necessari segons el tipus de receptor. Si el receptor és de classe 1 caldrà que la clavilla i la instal·lació tinguin connexió amb el conductor de protecció o terra.
Desequilibris en les fases
El sistema elèctric de generació i transport és un sistema trifàsic equilibrat. Tant els generadors com el transport necessita que totes les fases consumeixin la mateixa quantitat de corrent. Per aquest motiu és necessari que els receptors no produeixin desequilibris importants en la xarxa.
Depenent de les càrregues, els desequilibris són més o menys importants. Càrregues grosses a una sola fase causen un fort desequilibri. A més, els problemes principals dels desequilibris són a prop dels consumidors o clients. En la xarxa general del distribuïdor, com que no tots els consumidors fan desequilibris sobre la mateixa fase, el resultat final és un sistema mes o menys equilibrat. És a dir, els desequilibris els sofreix la mateixa instal·lació que els provoca, perquè en la xarxa dels distribuïdors no tots els clients provoquen els desequilibris a la mateixa fase.
El desequilibri de voltatge...
…expressat en percentatge és el valor absolut de la desviació màxima del voltatge de línia respecte al voltatge mitjà en un sistema trifàsic.
El repartiment equilibrat de la càrrega
A fi de reduir pèrdues degudes al desequilibri, sempre que sigui possible heu de fer servir receptors polifàsics equilibrats i no, receptors monofàsics desequilibrats, que compleixin la mateixa funció. El repartiment de la càrrega d’una instal·lació entre les fases s’ha de fer procurant que en totes les hipòtesis de funcionament la intensitat sigui la mateixa en les tres fases.
Carregar, per exemple, sobre una fase tot l’enllumenat d’una secció que sovint funciona quan la resta de la instal·lació està desconnectada produirà pèrdues per desequilibri encara que el balanç global del repartiment sigui equilibrat a tota la instal·lació.
Un cop feta una instal·lació acostuma a ser molt difícil modificar-la, raó per la qual és a l’hora de dissenyar la instal·lació i dur-la a terme, quan s’ha de posar la cura necessària per aconseguir el funcionament equilibrat continu i, per tant, l’estalvi permanent d’energia que se’n deriva.
Les pèrdues més importants per desequilibri es produeixen en les proximitats de les càrregues i, principalment, en la instal·lació de l’abonat. A mesura que les línies alimenten simultàniament els receptors més diversos, els desequilibris s’acostumen a compensar. Això és el que passa en la part del sistema elèctric allunyada dels consumidors. Per tant, el desequilibri de la seva càrrega perjudica el mateix consumidor.
El forts desequilibris de voltatge són una font de problemes en els sistemes de motors. El desequilibri de voltatge degrada el rendiment i escurça la vida dels motors trifàsics. El desequilibri de voltatge en els terminals de l’estator del motor causa desequilibri del corrent de fase. Els corrents desequilibrats originen pulsacions del parell, vibracions incrementades i tensions mecàniques, pèrdues incrementades, i sobreescalfament de motors, la qual cosa acaba provocant un escurçament en la vida de l’aïllament del bobinatge.
Es recomana que el desequilibri de fases en els terminals del motor no excedeixi l’1%. Les causes més comunes del desequilibri de fases són les següents:
- Fallades d’operació de l’equip de correcció del factor de potència.
- Subministrament elèctric inestable o desequilibrat.
- Subministrament de banc de transformador desequilibrat en càrrega trifàsica que és massa gran per al banc.
- Càrregues monofàsiques distribuïdes no uniformement en el mateix sistema de potència.
- Fallades a terra d’una fase no identificades.
- Un circuit obert en el primari del sistema de distribució.
El problema del desequilibri de motors
El desequilibri de motors és probablement el problema principal de qualitat que produeix com a resultat un sobreescalfament i la fallada prematura dels motors. Si es detecten desequilibris de voltatge, s’ha de fer una investigació minuciosa per determinar-ne les causes. Quan es duen a terme accions correctives aconseguim estalvis importants.
El desequilibri de voltatges causa desequilibris de corrent extremadament alts. La magnitud del desequilibri de corrent pot ser de sis a deu vegades tan gran com el desequilibri de voltatge.
Un motor que treballa amb desequilibri de voltatges funciona més calent. Per exemple, un motor amb una temperatura de 100 °C experimenta un increment de temperatura de 8 °C quan opera sota condicions de desequilibri de voltatge del 2%. La vida de l’aïllament del bobinatge es redueix a la meitat amb cada 10 °C d’augment en la temperatura d’operació.
Oscil·lacions fortes de potència absorbida
Els aparells receptors que produeixen oscil·lacions fortes de potència absorbida no es poden instal·lar sense el consentiment exprés de l’empresa que subministra l’energia.
L’empresa distribuïdora, amb l’aprovació prèvia de l’organisme competent, pot negar el subministrament als receptors que provoquin grans oscil·lacions.
Els motors que accionen màquines de parell resistent molt variable i altres receptors com ara forns, aparells de soldadura o similars poden produir oscil·lacions fortes per la potència que han absorbit, la qual cosa obliga a prendre mesures perquè aquesta potència no sigui superior al 200% de la potència assignada del receptor. Si es comprova que els receptors d’una instal·lació no compleixen aquesta condició, l’empresa distribuïdora els pot negar el subministrament i sol·licitar que s’instal·lin els sistemes de correcció apropiats.
Compensació del factor de potència
Totes les màquines elèctriques, com són els motors i els transformadors entre moltes altres, s’alimenten, en corrent altern, per a dues formes de consum:
- del que transformen en potència activa, amb les pèrdues corresponents degudes a l’efecte Joule (escalfament),
- del corresponent a la creació dels camps magnètics o potència reactiva.
Les xarxes de corrent elèctric subministren energia que s’utilitza per a dues funcions diferents:
- L’energia activa, que es transforma en treball útil i calor.
- L’energia reactiva, que s’utilitza per crear camps magnètics (inducció).
L’energia aparent és la suma vectorial d’aquestes dues energies, i el factor de potència (cos φ) és la proporció de potència activa en la potència aparent, que s’obté mitjançant la fórmula:
Així doncs, les instal·lacions que subministren energia a receptors dels quals resulta un factor de potència inferior a 1 poden ser compensades, però sense que en cap moment l’energia absorbida per la xarxa pugui ser capacitiva (factor de potència superior a 1).
Com es pot millorar el factor de potència d'una instal·lació?
Millorar el factor de potència d’una instal·lació consisteix a instal·lar un condensador al costat del consumidor d’energia reactiva. Això s’anomena compensar una instal·lació. La instal·lació d’una bateria de condensadors de potència Qc disminueix la quantitat d’energia reactiva subministrada per la xarxa.
La potència de la bateria de condensadors a instal·lar es calcula a partir de la potència activa de la càrrega, Pa, expressada en watts (W) i el seu desfasament respecte a la tensió, corrent, abans de la compensació i després de la compensació.
Per calcular la quantitat d’energia capacitiva que necessita una instal·lació heu d’aplicar la fórmula següent:
La localització de condensadors de BT sobre una xarxa elèctrica constitueix un indici de disseny de xarxa moderna.
L'energia capacitativa d'un motor
Un motor absorbeix una potència de 10 kW amb un factor de potència de 0,75 i volem passar a un factor de potència de 0,93. Primer de tot, preneu el factor de potència que té la instal·lació cos φ = 0,75 i amb l’ajuda de la calculadora científica calculeu la tangent de φ.
(1.1)
Aleshores, amb l’ajuda de la calculadora científica calculeu la tangent:
(2.1)
Ara preneu el factor de potència (cos φ’) que voleu que tingui la instal·lació (0,93) i, novament, ajudant-vos de la calculadora científica calculeu:
(3.1)
Aleshores, amb l’ajuda de la calculadora científica calculeu la tangent de φ’.
(4.1)
I finalment substituïu el resultat en la fórmula
(5.1)
(5.2)
En principi, la compensació ideal és la que limita el camp d’actuació de l’energia reactiva a l’entorn més proper a la seva creació. Però els criteris tècnics i econòmics en determinaran la situació. Així doncs, una instal·lació es pot compensar de tres maneres diferents: global, per sectors i individual.
Compensació global. Si la càrrega és estable i contínua, una compensació global és adequada (figura). En la compensació global, la bateria de condensadors és connectada a la capçalera de la instal·lació i garanteix una compensació de tota de la instal·lació. La compensació global estarà en servei quan ho estigui la xarxa a la qual s’aplica.
Pel que fa als avantatges d’una compensació global cal esmentar:
- Els nivells de consum propis de la instal·lació permeten dimensionar una potència mínima de la bateria i un màxim d’hores de funcionament. Aquestes característiques permeten una amortització ràpida.
- Suprimeix les penalitzacions per energia reactiva en el rebut d’energia elèctrica.
- Disminueix la potència aparent apropant-la a la potència activa.
- Optimitza el rendiment del transformador de subministrament.
Pel que fa als inconvenients, aquests són els principals:
- El corrent reactiu circula per tota la instal·lació.
- Les pèrdues per escalfament (efecte Joule) es mantenen i no permeten una reducció del seu dimensionament, aigües avall de la instal·lació de la bateria.
Compensació parcial. Una compensació parcial o per sectors és aconsellable quan la distribució de càrregues és molt desequilibrada, i d’un quadre de distribució depèn una càrrega important (figura). La bateria es connecta al quadre de distribució i genera l’energia reactiva necessària per compensar un grup de càrregues determinades. En una gran part de la instal·lació, alleugereix les pèrdues per escalfament, en particular en els cables d’alimentació.
Els avantatges principals són aquests:
- Suprimeix les penalitzacions per energia reactiva.
- Disminueix la potència aparent apropant-la a la potència activa.
- Optimitza el rendiment del transformador de subministrament.
- Optimitza una part de la instal·lació entre els punts 1 i 2.
Entre els inconvenients cal esmentar els següents:
- El corrent reactiu circula des del nivell 2, aigües avall de la instal·lació.
- Les pèrdues per escalfament (Joule) es mantenen a partir del nivell 2 i no permeten una reducció del dimensionament de la instal·lació.
- Si els esglaons no estan ben dimensionats, en funció de la potència i el seu propi repartiment en càrregues individuals, porta el risc de sobredimensionament en períodes determinats.
Compensació individual. Una compensació individual és aconsellable quan hi ha càrregues molt importants en relació amb la càrrega total (figura) i, a més a més, és el tipus de compensació que aporta més avantatges.
La bateria dels condensadors es connecta als borns d’una càrrega molt important (motor de gran potència, forn elèctric, etc.). La potència en kVAr representa un 25% dels kW de la càrrega.
És important poder compensar al més a prop possible de la font d’energia inductiva, però s’ha de complementar amb una compensació general en la banda de l’alimentació.
Pel que fa als avantatges de la compensació individual cal esmentar els següents:
- Suprimeix les penalitzacions per energia reactiva.
- Disminueix la potència aparent apropant-la a la potència activa.
- Optimitza el rendiment del transformador de subministrament.
- Optimitza la major part de la instal·lació.
El seu inconvenient principal és que el cost de la instal·lació només és rendible amb càrregues molt inductives i regulars.
A les instal·lacions no compensades, el corrent elèctric és més alt que a les instal·lacions compensades. Els corrents elevats fan que les instal·lacions estiguin sobredimensionades amb un conductor més gros. A més a més, el consum és superior perquè l’energia és proporcional al corrent elèctric. La taula compara les instal·lacions compensades i les no compensades.
Instal·lació compensada | Instal·lació no compensada |
---|---|
Els kVAr són facturats. Encara que no sigui energia útil és facturada. | |
La potència demanada en kVA s’ajusta a la potència activa en kW (útil, la que fa el treball). | La potència aparent (kVA) és superior a l’activa (kW). |
El consum de kVAr és disminuït, fins i tot, eliminat. | El consum en kW és superior en incloure les pèrdues produïdes pels kVAr. |
Els recàrrecs econòmics a la facturació s’eliminen. | Les instal·lacions són sobredimensionades. Perquè els corrents són més elevats. |
Instal·lacions de receptors. Receptors d'il·luminació (ITC-BT-44)
Objecte i camp d'aplicació
Les instal·lacions a les quals es connecta un equip d’il·luminació com a receptor han de complir el que ens indica el Reglament electrotècnic de baixa tensió a la ITC-BT-44.
En la secció “Annexos” del web d’aquest mòdul podeu consultar la ITC-BT-44 completa.
En línies generals les instal·lacions d’enllumenat són com qualsevol altra instal·lació, però cal tenir en compte les característiques especials que presenti la càrrega, en aquest cas, els equips d’enllumenat. Anomenem equip d’enllumenat el conjunt compost pels elements següents:
- Lluminària
- Portalàmpades
- Làmpada
- Equip auxiliar d’engegada o regulació
Lluminària
La lluminària s’encarrega de dirigir el llum i donar estanquitat al conjunt. Sempre hi ha casos especials, com per exemple, les lluminàries estanques d’emergència que podríem trobar-nos en un pàrquing public; en aquest cas hem de tenir en compte el que diuen els reglaments i la normativa per a instal·lacions de concurrència pública i els locals de característiques especials. O per exemple, les lluminàries que van submergides a dintre del aigua han de seguir la normativa específica d’aquestes instal·lacions.
En la resta de lluminàries el que hem de aconseguir és que siguin instal·lacions sense cap tipus de risc per contacte ni directe ni indirecte (ITC-BT-24). Si la lluminària té una part metàl·lica accessible, aquesta haurà de tenir connexió de presa de terra.
Làmpades
Les làmpades són els elements que transformen l’electricitat en llum i poden ser de molts diversos tipus, des de les obsoletes bombetes de filament fins a les noves làmpades de LED, o els tan utilitzats fluorescents o bombetes de baix consum.
Està prohibit utilitzar làmpades de descàrrega que funcionin a alta tensió, com per exemple els neons, als habitatges pels problemes que hi pot ocasionar una alta tensió. Si es posa en locals comercials cal respectar les distàncies pertinents (ITC-BT-24).
Portalàmpades
Els portalàmpades on va fixada, normalment roscada, la làmpada ha de ser d’un tipus normalitzat. Qualsevol usuari pot canviar una làmpada, però és importat comprovar que la connexió de fase es queda a dintre del contacte central, mentre que a la rosca que l’usuari pot tocar accidentalment hauria d’estar connectada al neutre. Pel que fa a les rosques normalitzades, les més usuals son les anomenades rosques E (Edison) com són l’E27, que té 27 mm de diàmetre (rosca gran), i l’E17, que té 17 mm de diàmetre (rosca petita).
Condicions d'instal·lació dels receptors per enllumenat
Els equips auxiliars d’engegada o regulació han d’estar dissenyats per suportar la càrrega normal de la làmpada més els possibles corrents harmònics i d’engegada. El cable que connecta l’equip auxiliar amb la làmpada hauria de suportar com a mínim la tensió d’alimentació i mai inferior a 300/300 V.
Cal tenir en compte, a l’hora de calcular una línia amb il·luminació amb làmpades de descàrrega (fluorescents), que el corrent de càlcul ha de ser 1,8 vegades el corrent nominal de les làmpades perquè en el moment d’engegada el corrent és molt alt. Com que l’equip d’engegada dels fluorescents té una bobina, cal tenir en compte que el factor de potència d’aquesta instal·lació és molt baix (0,4) i que cal posar-hi un condensador per millorar-lo fins al 0,9 com a mínim.
Els equips auxiliars especials que funcionin a tensions de 1.000 V (1 kV) i 10.000 V (10 kV) han de complir unes normatives de seguretat a l’hora de ser construïts i utilitzats degut a la perillositat de les altes tensions, ha de complir la norma UNE-EN 50.107. Ha de tenir el segell de la Comunitat Europea i assegurar-nos el segell d’alguna entitat certificadora. Un exemple molt típic d’aquests equips d’il·luminació són els equips dels rètols lluminosos.
En el cas d’instal·lacions que presenten perills de risc de contacte elèctric perquè estan mullats o perquè són molt conductors com per exemple un casc d’un vaixell, els equips d’il·luminació portàtil haurien d’estar alimentats per fonts d’alimentació amb una tensió no superior als 24 V.
Qualitat en el subministrament elèctric als receptors
Les xarxes elèctriques d’alimentació i distribució han de subministrar un producte de qualitat, i per això cal establir quins són els índexs, recomanacions i normativa implicats, és a dir, els estàndards de la qualitat de l’energia elèctrica.
A causa de la presència cada vegada més notòria de càrregues de tipus no lineal emmarcades en diferents àmbits de consum de l’energia elèctrica al llarg dels darrers anys, han sorgit diversos problemes relacionats amb la qualitat del subministrament elèctric, tenint aquests com a origen el conegut comportament d’aquestes càrregues en els sistemes elèctrics. És per això, que l’expressió “qualitat de l’energia elèctrica” implica una sèrie d’objectius tècnics i comercials en els quals estan implicats les empreses generadores, de transmissió i transport d’energia, de distribució, i finalment el consumidor final.
Diferents organismes internacionals (IEC, IEEE, etc.) coneixedors del problema, juntament amb els subministradors, els clients i els fabricants de material elèctric i electrònic, associacions de professionals del sector, administracions públiques de diferents països i, en definitiva, tothom implicat d’alguna manera en la generació, transport i consum d’energia elèctrica, han elaborat una extensa normativa reguladora d’aplicació, que té com a objectiu unificar criteris a l’hora d’abordar el problema de la qualitat de l’energia elèctrica.
En el passat, les companyies elèctriques subministradores tractaven els consumidors com a càrregues. Les interrupcions i altres pertorbacions del subministrament de tensió formaven part del tracte, i era la mateixa companyia qui decidia els aspectes que s’havien de millorar en cada moment.
La Directiva europea 85374EC...
…cataloga l’electricitat com un producte, de manera que, d’ençà 1985, els seus productors-subministradors queden subjectes a les responsabilitats associades als danys causats per un producte defectuós.
Avui dia, als consumidors es tracten com a clients, i se’ls ha de subministrar un producte amb unes determinades característiques, les quals han de ser mesurades, controlades, previstes i garantides. És per això que cal una normativa que reguli les característiques d’aquest producte, la manera en què s’ha de subministrar al consumidor, i les responsabilitats de cadascuna de les parts.
Prenent com a referència aquestes consideracions, no tan sols la qualitat de la forma d’ona de la tensió de subministrament està implicada directament en la qualitat de subministrament de l’energia elèctrica, sinó que, a més a més, s’exigeix per part dels agents implicats en la generació, transport i distribució d’energia elèctrica, altres aspectes com garanties de subministrament, disponibilitat, preus competitius conseqüència de la liberalització del mercat elèctric, bonificacions, etc.
Al seu torn, la mateixa qualitat de la forma de l’ona de la tensió d’alimentació està directament implicada en la forma d’ona dels corrents subministrades pel propi sistema, i que està directament relacionada amb el tipus de consum que fan els clients. Es a dir, el tipus de receptors que hi hagi connectats.
És per això que la normativa implicada en el control dels corrents subministrats pel sistema d’alimentació demostra que és fonamental per poder mantenir un equilibri generació-consum sostenible.
Característiques de la qualitat de l'ona de tensió (UNE-EN 50160)
L’ona pot patir diferents pertorbacions que la distorsionen i l’allunyen de la forma ideal.
El Reial decret 1995/2000, pel qual es regulen les activitats del sector elèctric, destaca la necessitat de tenir una bona qualitat del producte que es ven, és a dir, de l’ona de tensió en les xarxes elèctriques.
L’energia elèctrica arriba al consumidor per mitjà d’una xarxa que pot fallar per avaries o causes externes com llamps, obertures indegudes d’elements de maniobra, defectes o fallades, etc. A més, s’ha d’atendre al fet que hi ha nombrosos clients als quals el consum elèctric fa variar la càrrega del sistema i amb això la caiguda de tensió, per la qual cosa es fa necessari adaptar la càrrega a la demanda per evitar problemes de subministrament com variacions de freqüència, sobretensions, etc.
El Reial decret 1995/2000 remet a la norma UNE-EN 50160 per definir la qualitat del producte, i fixa els valors admissibles de les possibles pertorbacions en l’ona de tensió en el punt de lliurament al client. Fonamentalment, en aquest estàndard estan considerats aspectes implicats en la qualitat del subministrament d’energia elèctrica, com valor eficaç de la tensió de subministrament, freqüència, interrupcions del servei, buits i altres termes implicats que cal desenvolupar i analitzar a continuació.
En desenvolupar l’estàndard, es consideren les definicions següents:
- Punt de subministrament és el punt d’enllaç de la instal·lació del client amb la xarxa general.
- Tensió d’alimentació és el valor eficaç de la tensió en un moment en un punt de subministrament.
- Tensió nominal (d’una xarxa) o tensió assignada UN és la tensió que caracteritza la xarxa.
- Tensió d’alimentació declarada UC normalment és igual a la tensió nominal de la xarxa UN, però pot ser diferent si així ho han acordat per endavant la companyia subministradora i el client.
- Variació de la tensió d’alimentació és l’augment o la disminució de la tensió normalment provocada per la variació de càrrega en tota la xarxa de distribució o en una part d’aquesta.
- Variació de la tensió normalitzada. La tensió normalitzada entre fase i neutre és de 230 V.
La variació de la tensió s’entén com l’augment o disminució de la tensió normalment provocada per la variació de càrrega a tota o a una part de la xarxa de distribució. La taula mostra les condicions normals d’explotació.
Variació | Durada |
---|---|
UN +10% -10% | Durant el 99,5% d’una setmana (valors mitjans en 10 minuts) |
UN +10% -15% | Durant el 100% del temps (valors mitjans en 10 minuts) |
Freqüència. El valor de la freqüència nominal és de 50 Hz. En condicions normals de funcionament la variació de la freqüència mesurada en els períodes de deu segons és la que mostra la taula taula.
Percentatge | Durada |
---|---|
50 Hz +1% -1% (de 49,5 a 50,5 Hz) | Durant el 99,5% d’un any |
50 Hz +4% -6% (de 47 a 52 Hz) | Durant el 100% del temps |
La variació de freqüència es produeix quan la demanda d’energia és superior a la generada (baixarà la freqüència) o quan es produeix més que es consumeix (augmentarà la freqüència). El sistema elèctric disposa de mitjans de regulació que ajusten la demanda-generació, que eviten, en condicions normals, la variació de la freqüència.
Efectes de la variació de la freqüència
Entre els efectes que pot produir una variació de la freqüència cal esmentar la variació de la velocitat de les màquines rotatives i la variació de la potència dels motors, mal funcionament dels rellotges elèctrics connectats a la xarxa, alteració dels equips electrònics que utilitzen la freqüència com a referència de temps, vibracions en turbines.
Buits de tensió. Un buit o forat de tensió és el descens del valor de la tensió d’alimentació fins a un valor situat entre l’1% i el 90% de la tensió declarada. Un buit de tensió té una durada estimada d’entre 10 ms i 1 minut, i posteriorment es restableix el valor nominal de la tensió.
Causes i efectes
Es produeixen per increments bruscos de corrent que produeixen la caiguda de tensió. Normalment es produeixen per curtcircuits, o per arrencada de grans càrregues. La major part dels buits té una profunditat del 60% i tenen una durada inferior a un segon.
Atenent a les conseqüències d’aquestes pertorbacions en diferents àmbits d’utilització es poden destacar els efectes sobre motors, es produeix una reducció del parell motor; introducció de senyals erronis en sistemes electrònics de control en temps real; pèrdua d’informació en sistemes informàtics, etc.
En definitiva, els receptors més sensibles als buits de tensió són els que disposen d’un circuit electrònic per al control del seu funcionament, proteccions, circuits de comandament i control en automatització industrial, sensors, làmpades de descàrrega, etc.
Tall de tensió (interrupció). Una interrupció de l’alimentació és una pertorbació de la tensió d’alimentació en la qual la tensió declarada baixa fins a un valor inferior a l’1%.
El tall de tensió pot ser previst quan està programat i els clients han estat informats, o accidental en quan les interrupcions poden ser breus amb una durada de fins a tres minuts o llargues quan sobrepassen els tres minuts.
En condicions normals d’explotació el nombre anual d’interrupcions breus pot variar de desenes a algunes centenes amb una durada inferior a un segon. Les interrupcions llargues poden estar compreses entre deu i cinquanta segons les zones geogràfiques.
La seva existència es deu a l’actuació d’elements de protecció de xarxes elèctriques davant curtcircuits i fallades. Els efectes són similars als produïts per buits de tensió, però més severs, i la gravetat s’incrementa com més gran és la durada del tall.
Sobretensió (temporal). Es produeix quan el valor eficaç de la tensió supera el 110% del valor nominal. El temps de durada és relativament llarg. El valor no sol passar del 20%, però la tensió fase-neutre pot arribar a la tensió de línia a causa del desplaçament del neutre en una xarxa trifàsica. Degut a la manca d’una transformador aigües amunt de la xarxa es poden produir sobretensions al costat de baixades de tensió que no passen el valor d’1,5 kV.
Causes i efectes de la sobretensió temporal
La seva presència es deu a una regulació inadequada de la tensió de sortida de transformadors, variacions de càrrega brusques, canvis de la font d’alimentació amb generació pròpia o desconnexió de grans càrregues.
Els efectes de les sobretensions són sobrecorrents que poden afectar els dispositius electrònics de potència, les fonts d’alimentació de circuits de control o plataformes d’automatització industrial basades en autòmats programables. Si la durada és llarga, els dispositius elèctrics patiran escalfaments i es poden produir avaries. Els llums d’incandescència donaran un flux lluminós superior mentre que les làmpades de descàrrega no queden gaire afectades.
Impuls (sobretensions transitòries). Les sobretensions transitòries que anomenem impulsos es deuen a una variació brusca en el valor instantani de la tensió que pot assolir valors superiors a diverses vegades la tensió nominal.
Aquesta pertorbació s’acostuma a estudiar a partir dels valors instantanis i no dels valors eficaços de tensió. El temps de pujada és molt petit, i pot variar entre menys d’un microsegon fins a diversos mil·lisegons. L’impuls transitori pot ser oscil·latori o no, i és fortament esmorteït. El valor no sol passar de 6 kV (valor cresta).
Exemples de sobretensió transitòria i els seus efectes
Els elements de tall poden produir un impuls d’1 kV amb una freqüència inferior a 10 kHz i una durada inferior a cent microsegons. Les descàrregues atmosfèriques poden produir impulsos de 5 kV amb una freqüència entre 10 kHz i 1 MHz i una durada compresa entre un i cent microsegons.
Acostuma a ser deguda a maniobres a la xarxa, tensions induïdes per rajos, connexions i desconnexions d’elements de la xarxa, commutació de bateries de condensadors, commutació de dispositius electrònics en convertidors de potència, etc.
Els transformadors, motors, cables, aparellatge suporten normalment els impulsos sense problemes, tot i que a mesura que l’amplitud dels impulsos, la seva durada i freqüència són més grans, més es redueix la vida de la maquinària. Els equips electrònics poden quedar destruïts, les fonts d’alimentació d’equips de control i ordinadors poden suportar normalment els impulsos, però es poden introduir alteracions en el funcionament d’aquests sistemes si la pertorbació és considerable.
Subtensions. Es produeix quan el valor eficaç de la tensió està per sota del 90% del valor nominal. Es pot establir com a temps de durada valors superiors a un minut, durant els quals el valor eficaç de la tensió pot baixar fins al 80% del valor nominal.
Efectes de les subtensions
Les conseqüències de les subtensions són similars als efectes produïts per les sobretensions, i s’agreugen en el cas de les línies insuficientment dimensionades. Els efectes en màquines que funcionen a parell constant es tradueixen en augments d’intensitat absorbida per la maquinària i escalfaments. Alguns receptors poden deixar de funcionar quan es produeixen aquest tipus de pertorbacions. Com a exemples de conseqüències es poden esmentar que els motors en l’arrencada no tindran el parell suficient, els relés es poden desconnectar, les làmpades d’incandescència oferiran menys flux lluminós i les de descàrrega potser que no funcionaran.
Fluctuacions de la tensió. Bàsicament consisteix en variacions consecutives de la tensió que acostumen a sobrepassar la tensió nominal entre el ±5% i el ±10% durant instants de temps que es poden establir entre diverses mil·lèsimes de segon fins deu segons.
Les fluctuacions en la tensió es produeixen a causa del funcionament dels receptors, els quals varien la seva càrrega de manera ràpida i produeixen una caiguda de tensió variable en la xarxa.
Maquinària propensa a les fluctuacions de tensió
Els forns d’arc, les instal·lacions de soldadura per arc o per resistències, molins de trituració, etc. són propensos produir fluctuacions de tensió. La seva aparició es deu a la mateixa instal·lació que els produeix o a les explotacions de clients pròxims.
Els efectes a les làmpades d’incandescència i de descàrrega són un parpelleig que provoca una sensació molesta a partir de certa amplitud de variació (efecte flicker o de parpelleig) i també afecta sistemes de monitoratge i televisió.
Desequilibri de tensió. En la tensió es produeix desequilibri quan hi ha diferències entre les tensions d’un sistema trifàsic, pel que fa al valor eficaç o a l’angle de desfasament. En condicions normals d’explotació per a una setmana, el 95% dels valors mitjans cada deu minuts del component invers de la tensió ha de ser del 0% al 2% del component directe.
Els desequilibris de tensió es deuen principalment a la connexió de càrregues monofàsiques que no són distribuïdes uniformement entre les tres fases, especialment si són de gran potència, i produeixen escalfament en els debanats de les màquines, la qual cosa pot provocar pèrdues i l’envelliment, defectes en la tensió de sortida de rectificadors trifàsic i sobreintensitats notables al conductor neutre.
Harmònics. Els harmònics es caracteritzen per la deformació de l’ona sinusoïdal pura ideal a causa de les característiques de voltatge-intensitat de les càrregues no lineals. La seva durada és present en la xarxa tot el temps en el qual actuen les càrregues.
En condicions normals de funcionament, en el període d’una setmana, el 95% dels valors eficaços mitjans de cada tensió harmònica en deu minuts no han de superar els valors indicats en les taules 10, 11 i 12. La taxa de distorsió harmònica total de la tensió subministrada no ha de sobrepassar el 8% (comprenent tots els harmònics fins a l’ordre 40).
Ordre | Tensió relativa |
---|---|
5 | 6% |
7 | 5% |
11 | 3,5% |
13 | 3% |
17 | 2% |
19/23/25 | 1,5% |
Ordre | Tensió relativa |
---|---|
3 | 5% |
9 | 1,5% |
15 | 0,5% |
21 | 0,5% |
Ordre | Tensió relativa |
---|---|
2 | 2% |
4 | 1% |
6…24 | 0,5% |
Els equips i sistemes de característiques de tensió-corrent no lineal són els causants de la contaminació harmònica, igual que equips que continguin dispositius electrònics de commutació (rectificadors, fonts d’alimentació, variadors de velocitat, arrencadors estàtics, estabilitzadors electrònics), equips d’arc elèctric (soldadura, forns…), equips ferromagnètics amb característiques no lineals de magnetització en condicions de saturació, etc.
Efectes produïts pels harmònics
Els efectes més adversos dels harmònics són l’aparició de fenòmens de ressonància, fallades dels circuits de control que utilitzen formes d’ona sinusoïdals com a referència, interferències telefòniques (problemes de compatibilitat electromagnètica), escalfament i envelliment prematur de màquines (motors, transformadors, etc.), deteriorament d’instal·lacions (gradients de tensió, perforació d’aïllants, etc.), corrents notables al conductor neutre, actuació de les proteccions a sobreintensitats indegudes de relés, proteccions, etc.
La CEM: la compatibilitat electromagnètica
El 20 de gener de 2005 va entrar en vigor la Directiva 2004/108/CE, relativa a l’aproximació de les legislacions dels estats membres de la Unió Europea en matèria de compatibilitat electromagnètica, aprovada pel Parlament Europeu el 15 de desembre de 2004, que en deroga una d’anterior de 1989, la qual havia quedat obsoleta davant de determinats desenvolupaments de la tècnica, com les comunicacions mitjançant els cables d’alimentació o potència.
Avui en dia, l’electrònica és a tot arreu: en els captadors, en els accionadors, en els sistemes de control i comandament de processos dels edificis i de la distribució elèctrica.
Tots aquests equipaments estan alimentats per la xarxa de baixa tensió (BT) i no han de ser sensibles a les diverses pertorbacions electromagnètiques.
Els fabricants responsables...
…saben immunitzar molt bé els aparells, en altres paraules, saben controlar la susceptibilitat que els aparells tenen als fenòmens electromagnètics. Per a això, prenen com a referència les normes de compatibilitat electromagnètica, i fan que els seus aparells siguin avaluats per entitats que en certifiquen la qualitat.
Paral·lelament la normalització tendeix a minimitzar les pertorbacions emeses pels pertorbadors o, dit d’una altra manera, tant important és que els aparells vagin protegits perquè les pertorbacions electromagnètiques no els afectin com que no produeixin per sí mateixos pertorbacions en els altres aparells.
La CEM s’ha de tenir en compte a l’hora d’estudiar la fabricació de materials electromagnètics, i també cal tenir-la en compte a l’hora d’instal·lar-los. Així, des de l’arquitecte que dissenya els edificis fins als cablejadors, sense oblidar els enginyers de disseny de xarxes i els instal·ladors, tots tenen alguna cosa a veure amb aquesta disciplina, la qual té com a objectiu fer conviure en bona harmonia materials susceptibles de ser pertorbats i els que poden ser fonts de pertorbacions.
Del que es tracta és d’assolir una coexistència correcta entre electrotècnia i electrònica, entre la potència i el senyal. I perquè aquesta coexistència sigui bona, cal minimitzar les pertorbacions de les fonts i evitar les connexions entre la font i la víctima o element potencialment pertorbat.
Qualsevol aproximació a la CEM implica l’estudi d’un sistema compost per tres elements:
- el generador de pertorbacions o font
- la propagació o acoblament
- l’element pertorbat o víctima
Encara que aquests tres elements no són estrictament independents, a la pràctica es tracten com si ho fossin.
Les equacions de Maxwell
L’estudi teòric de les pertorbacions electromagnètiques és difícil, ja que està molt relacionat amb l’estudi de la propagació de les ones electromagnètiques descrit per un conjunt d’equacions diferencials complexes que coneixem amb el nom d’equacions de Maxwell, amb les quals es descriu el comportament dels fenòmens electromagnètics.
Aquestes equacions generalment no es poden resoldre de manera exacta en les estructures físiques reals, fins i tot amb els sistemes informàtics més potents resulta molt difícil aconseguir un resultat numèric prou aproximat. A la pràctica, cal tractar els problemes de compatibilitat electromagnètica utilitzant un cert nombre d’hipòtesis simplificadores, usant models i, sobretot, recorrent constantment a l’experimentació i a la mesura.
Generadors de pertorbacions electromagnètiques
El coneixement de les fonts, millor encara, la seva identificació i mesura, és indispensable perquè permet determinar quina solució s’ha d’aplicar per:
- Limitar la pertorbació (per exemple, posar en paral·lel amb la bobina d’un contactor un bloc antiparàsit RC, si és en ca, o un díode, si és en cc).
- Evitar els acoblaments (per exemple, separar dos elements difícilment compatibles).
- Insensibilitzar les víctimes potencials (usant, per exemple, blindatges).
Una font és qualsevol aparell o fenomen fisicoelèctric que emet una pertorbació electromagnètica, per conducció o radiació. Com a causes principals de les pertorbacions cal destacar la distribució d’energia elèctrica, les ones hertzianes, les descàrregues electrostàtiques i el llamp.
En la distribució de l’energia elèctrica, gran part de les pertorbacions provenen de maniobres de tancament i obertura de circuits:
- En BT, les obertures de circuits inductius, com les bobines de contactors, motors, electrovàlvules, produeixen als borns d’aquests enrotllaments pujades de tensió molt importants i d’alta freqüència (alguns kV i desenes i fins i tot centenars de MHz),
- En MT i AT, l’obertura i el tancament dels elements de tall provoca l’aparició d’ones de front molt abruptes (d’alguns nanosegons). Aquestes ones pertorben, en especial, els sistemes amb microprocessadors.
Per a alguns equips electrònics, les ones hertzianes que provenen dels sistemes de televigilància i telecomandament, de comunicacions sense fil, són fonts de pertorbació que poden arribar a ser d’alguns volts per metre. L’ús de tots aquests elements emissors va en augment, la qual cosa fa necessari endurir (protegir) aquests equips.
El cos, una font de pertorbació
Cal tenir present que les persones es poden carregar electrostàticament, per exemple, mentre caminen sobre una moqueta.
Amb un temps fred i sec, el cos humà pot arribar a un potencial superior a 25 kV. Qualsevol contacte amb un equip electrònic provoca llavors una descàrrega elèctrica que pot afectar l’aparell per conducció o per radiació, i la rampa de pujada (molt curta, d’alguns nanosegons) produeix una gran quantitat de pertorbacions.
En electrònica de potència, les fonts de pertorbacions són principalment transitòries de tensió, i més rarament, de corrent. La tensió pot variar en uns quants centenars de volts en unes desenes de nanosegon. Un exemple d’això és la tècnica de generació d’una ona sinusoïdal a partir d’una tensió contínua mitjançant la modulació d’amplada d’impuls (PWM). Vegeu la figura, en què es presenten variacions de tensió entre 0 i UCC (660 V en trifàsica rectificada) de temps molt curts, d’alguns nanosegons a microsegons, segons les tecnologies.
Aquestes variacions brusques de tensió produeixen diversos fenòmens pertorbadors, dels quals el més molest és la circulació de corrent a través de totes les capacitats parasitàries. El corrent, en mode comú, d’aquesta capacitat paràsita Cp, és
Per tant, els valors de fronts abans esmentats sobre una capacitat paràsita de 100 pF són suficients per produir corrents de força centenars de mA. Aquests corrents pertorbadors circulen pel conductor de referència de tensió dels aparells electrònics (circuit 0 V) i poden modificar la informació (de dades o de programes) superposant als seus febles senyals, i fins i tot perjudicar altres equips en ser reinjectats a la xarxa de distribució pública.
Aquest tipus de fenòmens es podrien tractar i per tant controlar amb la CEM, fent més lenta la pujada de tensió. Però una solució com aquesta comporta un sensible augment de les pèrdues per commutació en els transistors, cosa que no seria gaire favorable des del punt de vista de les sobrecàrregues tèrmiques, ja que s’escalfaran molt. Una altra manera eficaç de reduir aquests corrents consisteix a augmentar la impedància de tipus comú (entre estructures i massa). Així, per exemple, per al muntatge dels compostos electrònics de potència, normalment s’utilitzen dues solucions:
- Deixar flotants (sense unió elèctrica) els radiadors de refrigeració dels components, quan les regles de seguretat de persones ho permeten.
- Disminuir la capacitat parasitària entre el component i el radiador, amb l’ús d’un aïllant amb una capa de dielèctric molt prima.
Totes aquestes precaucions són les que distingeixen un convertidor contaminant d’un convertidor que reinjecta el mínim nombre possible de pertorbacions a la xarxa.
Cal assenyalar que l’electrònica de baix corrent (control i comandament) d’un convertidor ha d’estar, i ho està, protegida contra les pertorbacions generades pels seus propis circuits de potència.
Acoblaments
Un camp electromagnètic es pot acoblar a qualsevol estructura filamentosa i, per tant, a tots els cables, i generar, en aquestes estructures, tensions de tipus comú (respecte a massa) o de tipus diferencial (entre fils) o de les dues classes (figura).
Aquests acoblaments es denominen acoblaments de camp a cable i són l’efecte d’antena (captadora) dels cables, de les pistes de circuits impresos, etc.
Víctimes
La víctima, en la trilogia font-acoblament-víctima, és qualsevol material susceptible de ser pertorbat. Es tracta generalment d’un equip que té una part electrònica i que presenta una disfunció causada per la presència de pertorbacions electromagnètiques generalment d’origen extern. Les disfuncions es classifiquen en quatre tipus:
- Permanent i que es pugui mesurar.
- Aleatori i no repetitiu que apareix al mateix temps que les pertorbacions.
- Aleatori i no repetitiu que persisteix després de l’aparició de les pertorbacions.
- Defecte permanent patit per l’equip (amb destrucció de components).
Hi ha nombroses disposicions constructives que permeten obtenir, a baix cost, materials que tenen una bona resistència a les pertorbacions electromagnètiques. Aquestes precaucions estan relacionades amb:
- El disseny de circuits impresos (respecte a la separació funcional de circuits, el seu traçat i forma de connexió)
- L’elecció de components electrònics
- La manera d’estar fetes les carcasses o envoltants
- La interconnexió de les masses
- El cablejat
Pel que fa als components electrònics i les carcasses, el que podem fer es comprovar que els receptors de la instal·lació compleixen la normativa de compatibilitat electromagnètica.
Pel que fa a la interconnexió de masses, la continuïtat elèctrica entre les diverses parts de la caixa és extremadament important. La seva connexió s’ha de fer amb cura tot protegint, per exemple, les zones de contacte de qualsevol dipòsit de pintura, però també utilitzant trenes amples i curtes (per reduir al màxim la impedància).
Pel que fa al cablejat, el blindatge de cables té molta importància, el qual, a vegades rep el nom de pantalla, que és una extensió de l’embolcall conductora que s’ha fet voltant de l’equip sensible. Aquest blindatge del cablejat ha d’estar connectat a la massa de l’envoltant de la manera més curta possible. A més hauria d’embolicar completament el perímetre dels cables, per a la protecció contra les pertorbacions d’alta freqüència. Com en els acoblaments de camps electromagnètics amb una estructura de fil, la teoria sobre el blindatge de cables és molt complexa.
Assolir la immunitat davant pertorbacions electromagnètiques
Tenint en compte totes aquestes regles de disseny i de fabricació s’arriba a aconseguir que el producte o el sistema sigui immune a les pertorbacions electromagnètiques de manera suficient i considerant el medi en què està situat.
No obstant això, aquesta immunitat no es pot validar més que de manera experimental mitjançant mesures que permeten quantificar l’eficàcia de les diferents situacions. Així, el fabricants de relés electrònics, d’interruptors automàtics se sotmeten a un conjunt d’assajos molt estrictes, representatius de les pitjors pertorbacions a què es poden veure sotmesos aquests relés.
L’objectiu final d’aquests assajos és verificar que el relé no dispara intempestivament, que l’interruptor automàtic obre adequadament i que, quan ha d’actuar, ho fa en el temps exigit. Les normes de fabricació per a productes elèctrics ja incorporen aquestes exigències.
Recomanacions a les instal·lacions
En els estudis i en la implantació de la CEM poden influir especialment dos factors: l’elecció dels materials i la seva disposició relatives (figura).
L’elecció dels materials és un fenomen relacionat alhora amb la selecció de les fonts i amb la de les víctimes: un aparell escollit per a una funció donada pot ser més o menys generador de pertorbacions i susceptible de patir-ne.
La selecció ha de tenir en compte tant el cost dels materials com el de la seva instal·lació.
Per exemple, si dos aparells han de funcionar molt a prop l’un de l’altre, o bé han d’associar una font poc pertorbadora i una víctima “ordinària” (mitjanament sensible), o bé, al contrari, han d’associar una font “ordinària” (mitjanament pertorbadora) i una víctima poc sensible, o almenys satisfer un compromís entre els dos extrems.
I el segon factor, la disposició relativa dels materials, un factor que depèn directament del primer, consisteix a posar els components, ja escollits i definits, segons les seves característiques relatives per satisfer les necessitats de la CEM.
El muntatge dels diferents elements obeeix als principis i enunciats dels apartats precedents. En la pràctica, tant d’una instal·lació elèctrica com d’un equip electrònic per satisfer els objectius de la CEM, caldrà estudiar i reduir tots aquests tipus d’acoblaments que poden coexistir simultàniament.
Recomanacions per evitar els camps magnètics
Algunes recomanacions per minimitzar els camps magnètics radiants són:
- Evitar, tant com es pugui, l’ús de cables unipolars que generen, en cas de curtcircuit, un camp magnètic important.
- No separar el PE dels conductors actius o, si més no, utilitzar cables que integrin el PE.
- No utilitzar cables blindats on l’embolcall constitueix el PE (terra) o tubs d’acer com a conductor de protecció (el camp radiat pels conductors actius es bloqueja, i el PE genera un camp magnètic).
- Privilegiar els ECT que minimitzen els corrents de defecte d’aïllament (reducció de camp magnètic), etc.
Per reduir o minimitzar el camp magnètic cal aplicar diferents solucions o tècniques:
- La disposició en malla dels circuits i de les xarxes de masses i de terra
- La separació elèctrica de circuits
- Un cablejat ben pensat
Disposició en malla dels circuits i de les xarxes de masses
Actualment, els equips són sensibles a senyals de molt poca energia, a més contenen elements electrònics sensibles a les altes freqüències i estan connectats entre ells. Els acoblaments per impedància comú poden ser, per tant, freqüents. Per evitar-ho, és indispensable muntar una xarxa de terra tan equipotencial com sigui possible, més concretament, en forma de malla.
Aquesta solució és una de les primeres proteccions que s’han d’aplicar contra les pertorbacions. Així, en la xarxa d’una fàbrica, tots els cables de protecció (CP) s’han d’unir a les estructures metàl·liques existents tal com mostra la figura.
Un exemple típic
El cablejat d’un armari elèctric és un exemple típic de xarxa en forma de malla: totes les masses s’han d’interconnectar.
De la mateixa manera, en un equip, totes les masses i les carcasses de l’aparellatge s’han d’unir de la manera més curta possible amb connexions (fils o trenes) de baixa impedància en alta freqüència (FA), amples i curtes, a una xarxa de massa en forma de malla.
Els dispositius digitals
Cal assenyalar un canvi degut a la incorporació dels aparells digitals. El principi de masses unides en estrella, utilitzada antigament en els equips electrònics analògics sensibles a l’“arrissament d’alterna de 50 Hz”, ha estat actualment abandonat a favor de les xarxes en forma de malla, molt més eficaços contra les pertorbacions que poden afectar els dispositius digitals actuals, relés de protecció i sistemes de control i comandament.
La separació elèctrica de circuits
Aquesta tècnica consisteix a separar les fonts d’energia (habitualment de 50 Hz o 60 Hz). El seu objecte és evitar que un equip sensible pateixi les pertorbacions conduïdes generades per altres equips connectats a la mateixa font d’alimentació.
El seu principi és que un equip sensible i un equip pertorbador tinguin dos alimentacions separades per impedàncies importants a les freqüències pertorbadores.
Els transformadors (i no els autotransformadors) són separadors eficaços, particularment per a les baixes freqüències: transformadors d’aïllament i tots els transformadors d’entrada als aparells electrònics actuen com a limitadors de la propagació de pertorbacions per conducció.
De vegades, cal implantar un filtre separador que elimini les pertorbacions d’altes freqüències.
A més, si l’equip sensible necessita una alimentació d’emergència en cas de falta de xarxa, es pot alimentar amb un sistema d’alimentació ininterrompuda (SAI), si aquest SAI té el transformador o transformadors d’aïllament necessaris.
Un cablejat ben pensat
No tots els circuits es poden separar els uns dels altres per raons econòmiques evidents. Els cables s’han dividit per categories. El traçat de les diferents categories estarà físicament separat. En particular s’agruparan els cables de potència d’una banda i els cables de baix nivell (telefonia, Ethernet, control i comandament) de l’altra.
Si el nombre de canaletes, safates de cables o regates ho permeten, els cables de potència, amb una intensitat que sobrepassi en alguns amperes 230 V, i els cablejats de baix nivell estaran en safates separades. Si no, s’ha de respectar una distància mínima entre les dues categories, d’uns 20 cm (figura).
Entre aquests dos grups de cables s’ha d’evitar amb cura qualsevol element comú. Els circuits de senyal o d’informació (de baixa intensitat) han de tenir, sempre que es pugui, un cable de retorn (0 V) per evitar els acoblaments per impedància comuna.
Concretament, la major part de sistemes de comunicació per bus necessiten un parell de fils estrictament i exclusivament reservat a l’intercanvi d’informacions.
En tots els casos, la superfície global de qualsevol bucle, és a dir, la distància entre un conductor i el seu retorn, ha de ser mínima. Per la transmissió de dades, el retorçat de línies permet disminuir la susceptibilitat dels acoblaments de tipus diferencial. L’ús de parells retorçats és preferible al d’un parell paral·lel simple.
Els cables de mesura i de transmissió d’informacions a baix nivell han de tenir, si és possible, pantalla i, llevat del desig exprés del proveïdor, aquesta pantalla està unida a massa en el màxim nombre possible de punts.
Les canaletes que fan de suport de la conducció de cables han de ser, en la mesura que sigui possible, metàl·liques. Aquestes canaletes han d’estar interconnectades entre elles amb un bon contacte elèctric, amb cargols, per exemple, i interconnectades amb la xarxa de malla de massa.
Els cables més sensibles, els de mesura, per exemple, es posen en un angle lateral, de manera que es beneficiïn d’una protecció millor contra les radiacions electromagnètiques. La seva pantalla, si n’hi ha, s’ha de connectar freqüentment a la canaleta metàl·lica.
L’ús de canalitzacions prefabricades és molt aconsellable, ja que els cables ja hi van col·locats i connectats.
Totes aquestes precaucions de cablejat són molt eficaces en la prevenció de problemes de la CEM. Cal aplicar-les en la fase de disseny de la instal·lació. Les modificacions en una instal·lació que ja existeix amb acoblaments electromagnètics molt forts, tenen un cost molt més gran.