Calidad de la energía eléctrica

La calidad de la energía eléctrica en las instalaciones representa la capacidad que tiene el sistema de suministro para responder a las necesidades de la carga que tiene conectada , proveyendo con las características y condiciones adecuadas que les permita operar continuamente sin afectar el desempeño de los equipos, más adelante trataremos cada uno de estas características.

Parámetros de calidad de energía de la norma IEC 61000 4 30

  • Frecuencia
  • Magnitud de la tensión de alimentación (RMS)
  • Caída de tensión (subtensión o Sags)
  • Aumento de tensión (sobre tensión o Swells)
  • Parpadeo o Flicker (referencia a IEC 61000 4 15)
  • Interrupciones de tensión (total)
  • Desbalance de tensión
  • Armónicos de tensión (referencia a IEC 61000 4 7)

¿Qué es un problema de calidad de la energía eléctrica?

Cuando en la red eléctrica se presentan variaciones de voltaje, por ejemplo transitorios (señales de alta frecuencia menor a un ciclo de onda de la señal fundamental), caídas de tensión, interrupciones de tensión, desequilibrio de tensión, corriente o frecuencia que provocan problemas con el funcionamiento de los equipos, se puede decir que tenemos un problema de calidad de la energía eléctrica.

Efectos asociados a una mala calidad de la energía eléctrica

De entre los problemas y/o efectos causados más comunes en las instalaciones eléctricas se encuentran los siguientes:

  • Pérdidas económicas por daño a equipos por sobre tensión
  • Pérdidas económicas por interrupción de procesos
  • Operación no deseada de equipos
  • Desconfiguración de equipo programado
  • Daño de tarjetas electrónicas
  • Calentamiento por armónicos en las líneas
  • Reducción de vida útil de equipos
  • Aumento de la facturación por factor de potencia

Suministro ideal

El suministro eléctrico ideal de energía, es aquel donde la frecuencia o el voltaje se encuentran dentro del rango de suministro, es decir; para el caso de la frecuencia, debe ser de 60 Hz, con su respectiva variación permitida; y para el voltaje, una variación de un +-10% de la tensión nominal. Cuando la señal de la tensión y/o la frecuencia se encuentran dentro del ideal se puede observar una onda senoidal como se muestra a continuación.

Cuando la señal de voltaje presenta una mala calidad de energía, se puede apreciar como se muestra en la siguiente imagen, donde se pueden observar pequeñas depresiones con referencia a la forma ideal de la onda de suministro y/o deformaciones por la presencia de armónicos en la red:

A continuación se describen los parámetros relacionados con la calidad de la energía eléctrica de suministro.

Frecuencia

La frecuencia de operación de CA en México corresponde a 60 Hz, esto quiere decir que la señal de voltaje oscila 60 veces en (+) y 60 veces en (-), esta frecuencia de operación es controlada por la compañía suministradora de energía en cada país. La variación de frecuencia debe oscilar dentro de un rango permitido que va desde 59 Hz a 61 Hz de manera permanente, y de 58 Hz a 62.5 Hz en un periodo de hasta 30 minutos.

En la siguiente imagen se puede observar como la señal de voltaje tiene un incremento en la frecuencia, donde se concluye que la frecuencia esta por encima de los 60 Hz por la forma de onda de la señal al mostrase esta más cerrada al centro de la imagen.

Magnitud de la tensión de alimentación (RMS)

Es importante que el valor RMS de la señal de voltaje se mantenga constante, es decir que debe estar dentro de un rango de operación de +-10%; es decir de 110% a 90%, ejemplo: para un señal de 120 voltios la variación ideal será de 108 voltios a 132 voltios para el correcto funcionamiento de los equipos que operen a esa tensión.

Caída de tensión / sub tensión / Sag o dip

Disminución del valor eficaz entre el 90% y el 10% del valor nominal de la señal fundamental de voltaje de suministro, con una duración desde medio ciclo hasta varios segundos.

Las causas comunes de las bajadas de tensión incluyen el encendido de grandes cargas y la liberación remota de fallas por parte de los equipos de la red eléctrica. En forma similar, el arranque de grandes motores dentro de una planta industrial puede dar como resultado una caída significativa de la tensión.

Aumento de tensión / sobretensión / Swell

En el caso de los aumentos de tensión, estos son debidos a descargas atmosféricas, desconexiones repentinas de cargas muy grandes y/o en ocasiones a fallas monofásicas en sistemas trifásicos.

Estas fallas se caracterizan por rebasar el 10% del valor de la señal nominal con una duración desde medio ciclo hasta varios segundos.

Interrupción de tensión

Este problema es debido en la mayoría de las veces a fallas por descargas atmosféricas que provocan que se disparen las protecciones, por líneas caídas o corto circuitos que disparan o hacen actuar las protecciones de los circuitos. Estas fallas son menos comunes que los swells y los sags y menos dañinas para los equipos, aunque si para los procesos productivos. La interrupción de tensión se dice cuando la señal tiene valores de cero de la señal fundamental.

Desbalance de tensión

La característica de este disturbio es que la magnitud de la señal no es igual entre fases y el ángulo entre estas no corresponde a 2pi/3 (120º). Por ejemplo en un sistema trifásico 220V:

V1-2= 227 Volts, ángulo de fase= 0º

V2-3= 210 Volts, ángulo de fase= 140º

V3-1= 235 Volts, ángulo de fase= 265º

Evidentemente, existe un desbalance en la señal de voltaje, tanto en la magnitud como en el ángulo de fase, idealmente; la magnitud de la señal debería ser de 220V entre fases y los ángulos deberían ser de 0º, 120º y 240º respectivamente.

Armónicos de tensión

La distorsión armónica es la deformación de la onda senoidal fundamental a frecuencias que son múltiplos de la fundamental, los síntomas de problemas de las armónicas incluyen transformadores, conductores neutros, y otros equipos de distribución eléctrica sobrecalentados, así como acción de interruptores.

En la figura siguiente, se puede observar una señal senoidal (fundamental, rojo, 60 Hz), otras señales de frecuencia mayor múltiplo de la fundamental, en este caso se muestran los armónicos de tercero, quinto y séptimo orden (180 Hz, 300 Hz y 420 Hz respectivamente), resultando en la señal amarilla deformada que ya no es una senoidal pura.

Conclusión

¿Por que es importante monitorear los parámetros de calidad de energía?

Porque con el monitoreo de estos, podemos tomar acciones para prevenir o minimizar daños a nuestros equipos, prevenir pérdidas por daños y por paro de procesos, desprogramación de equipos, daños a tarjetas electrónicas, desprogramación, calentamiento de conductores, etc.

Entre las acciones más comunes que se realizan para compensar o mitigar los efectos por una mala calidad de la energía es el uso de reguladores de voltaje, UPS, plantas de emergencia, filtros de armónicos, supresores de picos, etc.

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