Escrito por Juan Ramón Camarillo Peñaranda, Ph.D. para Dielco SAS
La calidad de la potencia ha sido una preocupación constante desde los inicios del uso de la electricidad. En los años 20 la compañía General Electric creó un dispositivo capaz de registrar los fenómenos de descargas atmosféricas que se presentaban en ciertos puntos de sus sistemas [1].
En su momento, el registrador de descargas atmosféricas era un dispositivo análogo que imprimía el fenómeno detectado en un rollo de papel. Todo este esfuerzo se hacía para medir y caracterizar de mejor manera estos eventos y sus efectos en los sistemas de distribución de energía eléctrica.
Figura 1- La caracterización de las descargas atmosféricas fueron unas de las precursoras del análisis de calidad de la potencia.
Con el paso del tiempo, tanto los fenómenos de calidad de la potencia como los equipos de medición usados para registrarlos han evolucionado de forma muy rápida. Con el surgimiento de la electrónica de potencia tanto las cargas como los equipos de medición han tenido un progreso considerable. Los equipos domésticos e industriales se han vuelto cada vez más sensibles a los fenómenos de calidad de la potencia [2].
Las empresas prestadoras del servicio eléctrico también se han visto obligadas a implementar estándares para mejorar el servicio a esas cargas, bien por exigencia de la regulación o exigencias de los mismos usuarios [2]. Antes de seguir hablando de la calidad de la potencia es necesario definir a qué nos referimos con calidad de la potencia.
Calidad de la potencia
Existen varias definiciones dependiendo del enfoque que tiene cada participante en el sistema eléctrico. El diccionario autoritativo de términos de IEEE lo define como “el concepto de energizar y aterrizar equipos electrónicos de tal forma que dicho equipo es capaz de operar correctamente y no afecta o no se ve afectado de forma significativa por otros equipos conectados al sistema” (traducción no oficial) [3].
Figura 2. Los problemas de calidad de la potencia pueden ser causados por fenómenos impredecibles. Es necesario estar preparado cuando estos fenómenos ocurren.
- En [4] la calidad de la potencia se define como “un conjunto de límites eléctricos que permiten la operación correcta de los equipos eléctricos sin una reducción considerable de su desempeño o su vida útil”.A su vez, en [2] se define la calidad de la potencia como “cualquier desviación en la tensión, la corriente o la frecuencia que resulta en la operación errónea de un equipo eléctrico”.En resumen, una buena calidad de la potencia trata de las condiciones eléctricas bajo las cuales los equipos se desempeñan de manera satisfactoria sin ningún perjuicio en su integridad física o en su desempeño.Un problema de calidad de la potencia entonces es cualquier fenómeno que hace que un equipo opere de forma errónea. Existen una gran cantidad de eventos que son problemas de calidad de la potencia, algunos son fenómenos permanentes y algunos son situaciones transitorias que pueden causar operación errónea de equipo eléctrico. A continuación, se mencionarán algunos de los fenómenos más comunes, sus causas y sus consecuencias.
Armónicos
Los armónicos son fenómenos de estado estacionario, es decir, están presentes en un periodo de tiempo largo. Los armónicos son causados por la introducción de cargas no lineales en el sistema eléctrico, tales como teléfonos celulares, computadores personales, televisores con tecnología LCD y LED e iluminación diferente a bombillos incandescentes, entre otros [2], [4].
Los armónicos en los sistemas eléctricos tienen efectos adversos en los equipos, como son un aumento de las pérdidas en el sistema, calentamiento de equipos, vibración excesiva de motores, y operación errónea de sistemas de protección. Estos eventos pueden generar pérdidas significativas en sistemas industriales y reducción de la vida útil de equipos como transformadores y motores.
Figura 3. Señal afectada por armónicos
Hundimientos y Picos de Tensión
Los hundimientos y picos de tensión, como los definen las normas técnicas colombianas NTC 5000 y NTC 5001, son fenómenos transitorios en los cuales la tensión cae por debajo de un valor determinado en el caso de los hundimientos, y cuando la tensión sube por encima de un valor determinado en el caso de los picos de tensión. Estos fenómenos son causados por fallas tanto en el sistema de distribución como dentro de las propias industrias.
Estos fenómenos son caracterizados por una disminución del valor de la tensión al mismo tiempo que sube la magnitud de la corriente. Dependiendo de las características de la puesta a tierra del sistema, se puede presentar que una falla cause un hundimiento en una fase y un pico en las fases no falladas [5].
Estos fenómenos pueden causar la operación errónea de equipos como variadores de velocidad, lo cual a su vez puede causar la parada de procesos enteros con su consecuente pérdida económica. Además, los picos de tensión pueden causar un deterioro en el aislamiento de los equipos, lo cual reduce la vida útil de los mismos.
Bajo Factor de Potencia
El factor de potencia es la relación entre la potencia útil o que genera trabajo efectivo y la potencia que circula en los cables que transportan la energía eléctrica entre los centros de generación de energía eléctrica y los consumidores. Un bajo factor de potencia implica que la potencia útil que está siendo transportada hacia los usuarios es muy baja en comparación de la capacidad de los cables.
El factor de potencia tiene que ver con la interacción entre equipos que consumen potencia reactiva como los motores y equipos que generan potencia reactiva como los bancos de condensadores, generadores y capacitores sincrónicos. Un bajo factor de potencia puede generar multas a los usuarios y contribuye a que las pérdidas por conducción en el sistema aumenten, afectando la eficiencia del sistema.
Medición de la Calidad de la Potencia
Para detectar los problemas de calidad de la potencia es necesario establecer un sistema de monitoreo en el proceso o industria afectada. Los monitores instalados deben estar en la capacidad de medir las variables eléctricas involucradas en los fenómenos.
Es recomendable que industrias con una gran cantidad de cargas sensibles instalen un sistema de monitoreo permanente de calidad de la potencia para detectar y prevenir fenómenos que estén afectando a sus equipos. De la misma manera, con el monitoreo permanente es posible detectar de una forma más rápida el origen de las perturbaciones.
También es posible contratar un estudio hecho por profesionales especializados en el estudio de la calidad de la potencia. En este estudio se instalan medidores de calidad de la potencia de forma transitoria en la industria o proceso afectado con el fin de detectar y diagnosticar el origen y las causas de los fenómenos que ocasionan problemas y efectos indeseados en la operación normal de un proceso.
Equipos eléctricos simples pueden ser usados para medir la potencia activa, la potencia reactiva y la potencia aparente, parámetros necesarios para dimensionar los bancos de condensadores necesarios para corregir el factor de potencia.
Figura 4. Para detectar problemas de calidad de la potencia es necesario instalar medidores.
Para medir fenómenos más complejos como los armónicos, los hundimientos y los picos de tensión se necesitan equipos más complejos. Estos equipos deben estar en la capacidad de realizar procesamiento digital de las señales en el caso de los armónicos, para medir la amplitud y ángulo de cada armónico en cada frecuencia bajo estudio. De la misma forma, los equipos deben detectar la magnitud, duración, ángulo de inserción y recuperación, y salto de fase en el caso de los hundimientos y los picos de tensión.
Para determinar qué clase de equipo de medición instalar es necesario la asesoría de un profesional especializado en el estudio de la calidad de la potencia.
Estudio de Calidad de la Potencia
La medición de la calidad de la potencia por sí sola no soluciona los problemas. La medición genera los insumos (datos) para que un profesional especializado en el análisis de la calidad de la potencia pueda detectar los fenómenos que causan los problemas y de esa forma generar recomendaciones para mitigar los efectos de esos fenómenos en la operación normal de los equipos.
Figura 5. Es necesario hacer un análisis de las mediciones de calidad de la potencia para generar recomendaciones y soluciones.
Las recomendaciones pueden ser tan simples como un cambio en la conexión de los equipos, un cambio en la secuencia del proceso o puede implicar la instalación de nuevos equipos para mitigar los fenómenos de calidad de la potencia. Algunos equipos para mitigar fenómenos de calidad de la potencia se mencionan a continuación:
- Filtros pasivos y activos: sirven para mitigar armónicos y a su vez para corregir el factor de potencia. La elección entre un filtro pasivo o activo está determinada por la frecuencia del armónico que se quiere mitigar. También depende del factor de potencia al cual se quiere llegar.
- Balanceo de cargas: fenómenos como el desbalance de tensión o corriente pueden ser corregidos con una redistribución de las cargas dentro del proceso.
- Variadores de velocidad: los variadores de velocidad ayudan a que la conexión de motores se haga de una forma progresiva, evitando las altas corrientes que se generan durante el arranque directo de un motor. La conexión por medio de un variador de velocidad evita que se generen hundimientos de tensión que afecten a cargas sensibles conectadas al mismo sistema.
- Sobredimensionamiento del cable de neutro: el cable de neutro puede ayudar a que la corriente tenga un camino de retorno en el caso de un desbalance. A su vez, genera un camino para que ciertos armónicos circulen.
La elección de estas soluciones debe ser consultada con un experto. No existe una regla general para solucionar el mismo problema dado que la solución óptima depende del objeto de cada industria.Bibliografía
- McEachern, “Roles of intelligent systems in power quality monitoring: Past, present, and future,” in Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2001, vol. 2, no. SUMMER, pp. 1103–1105.
[2] R. C. Dugan and S. Santoso, Electrical Power Systems Quality, Third Edition, 3 edition. New York: {McGraw}-Hill Professional, 2012.
[3] T. I. of E. and E. Engineering, “The Authoritative Dictionary of IEEE Standards Terms,” IEEE Std 100-2000, pp. 1–1362, 2000.
[4] C. Sankaran, Power Quality. 2002.
[5] J. R. Camarillo-Penaranda and G. Ramos, “Characterization of Voltage Sags Due to Faults in Radial Systems Using Three-Phase Voltage Ellipse Parameters,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 54, no. 3, pp. 2032–2040, May 2018.Escrito por Juan Ramón Camarillo Peñaranda, Ph.D. para Dielco SAS
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