Calidad de la energia

Instituto Tecnológico de Tepic. Calidad de la energia.

1 Orlando Ramirez Barron.

Introducción.

El concepto de calidad de la energía surgió en los anos 80s, es concepto en si engloba una multitud de disturbios y problemas que suelen estar presentes en los sistemas eléctricos. Las perturbaciones clásicas en las redes son causadas por descargas eléctricas, operaciones de conmutación y cortocircuito, además que con el creciente uso de la generación de energía a base de energías renovables y la redundancia en las líneas y subestaciones tiene efectos negativos en las redes de baja y media tensión. Tanto la liberación del mercado de energía como la extensión de las unidades generadoras influirá directamente en la calidad de la energía. Actualmente y ante el avance en términos de crecimiento del desarrollo tecnológico y con las múltiples implicaciones que ello trae para todas las economías;; se hace imprescindible, la implementación de mecanismos que garanticen la continuidad ante la eventualidad de cualquier situación de riesgo.

La pirámide de la calidad de la energía. Calcular las implicaciones y las perdidas que este factor generaría, e implementar alternativas de solución en procesos donde su principal objetivo es la seguridad tanto para el capital humano como para sus bienes;; podría ser muy inferior en términos de costos, comparados con lo que seria la cancelación de correctivos a la hora del traumático momento de querer evitar la interrupción de un importante proceso por pequeño que sea.

La pirámide ilustra los distintos niveles de protección y restauración que permiten mantener la calidad de la energía, mientras mas alto el nivel de la pirámide mas alto es el costo de los equipos, pero debe de considerarse que para cada instalación e industria no será necesario implementar todos.



Cuadro de disturbios en calidad de la energía.

Dentro de la calidad de la energía se puede definir a los disturbios como anomalías que se presentan en los sistemas eléctricos ya sea ocasionadas por las cargas conectadas a dicho sistema, por las operaciones de las líneas de transmisión o por descargas atmosféricas, entre otras. Estas anomalías tienen la capacidad de distorsionar la onda fundamental tanto de tensión como de corriente y puede causar el malfuncionamiento de equipos. En la siguiente tabla se hace mención de algunos de ellos y se da una breve descripción. Disturbio. Descripción. Sobretensión momentánea o mantenida.

Este tipo de disturbio, como su nombre lo indica se caracteriza por exhibir una elevación mantenida o momentánea de la tensión eléctrica. Puede ser ocasionada por diversos factores tales como las desconexiones de grandes cargas(desconexión de pequeñas industrias), motores de alto caballaje, descargas atmosféricas, el ciclo del aire acondicionado o por una mala regulación por parte de la compañía suministradora de energía. Existen diversos tipos de protección tales como los supresores de sobretensión. Estos equipos reducen el nivel de tensión al adecuado para que puedan los equipos llevar acabo su trabajo. A las sobretensiones momentáneas que van de medio a treinta ciclos se les llama swell. Las sobretensiones mantenidas suelen tener una duración superior a un minuto.

Tensión transitoria o picos de tensión.

Son aquellas perturbaciones que se manifiestan como incrementos súbitos en el nivel de tensión. Pueden ser ocasionadas por descargas atmosféricas, fallas en la red o switcheo y manipulación de grandes cargas. Estos picos suelen tener pocos milisegundos de duración.

Variaciones de frecuencia.

Suele generarse por la conexión o desconexión de grandes cargas al sistema eléctrico, lo cual produce variaciones en la velocidad de los generadores lo que ocasiona la variación misma de la frecuencia del sistema. Las consecuencia mas severas suelen darse en el ramo industrial donde exista cogeneración acoplada a la red. La variación de la frecuencia afecta la velocidad de los motores.



Distorsión armónica. Una armónica es adición de una o mas ondas armónicas a la onda fundamental de 60 Hz. Los disturbios armónicos son perturbaciones de frecuencia que pueden llegar hasta los 2500 Hz. Suelen presentarse tanto en corriente como en tensión. Este tipo de distorsión lo originan las cargas conectadas al sistema eléctrico. Puede llevar a ocasionar un calentamiento considerable tanto en generadores, transformadores, motores y conductores. Los mayores contribuyentes a la distorsión armónica son los bancos de capacitores usados para corregir el factor de potencia, variadores de velocidad y el uso excesivo de equipos de computo.

Apagones. Pueden traducirse como la falta de continuidad del servicio por parte de la o las compañías energéticas. Dada la falta de energía en las industrias esto se transmite a perdidas millonarias ya que el apagón puede ir de unos escasos segundos hasta horas o incluso mas. Dentro de las medidas para evitar o minimizar los apagones se recomienda tener capacidad de generación de reserva, instalación de circuitos de respaldo, compensadores de potencia reactiva, entre otros.

Flicker. El flicker es un disturbio que tiene relación con los equipos y sistemas de iluminación. El disturbio consiste en la variación de la intensidad del flujo luminoso, este disturbio es ocasionado por las fluctuaciones en el nivel de tensión de la red. Debido a que las pupilas deben estarse dilatando y contrayendo continuamente para ajustarse al nivel de iluminación provoca cansancio prematuro en la vista e irritabilidad en las pupilas. Las frecuencias consideradas como flicker dependen de la tensión y frecuencia nominal de la red. Dentro de las principales causas que ocasionan el flicker encontramos la desconexión de grandes motores de inducción de la red, uso de bancos de capacitores, trenes laminadores, cargas no lineales, entre otros.

Depresión de tensión(SAGS).

Generalmente sucede cuando se da una falla en el sistema eléctrico y termina en el momento en que la falla es liberada por un dispositivo de protección. La depresión de tensión se describe como el disturbio donde el nivel de tensión decrece entre 0.1 y 0.9 pu del voltaje rms con una duración de 0.5 a 30 ciclos.



Interrupción de energía.

Es generada por aperturas de línea, daño de transformadores y operación de fusibles u equipos de protección de la red. Se caracteriza por que el nivel de tensión exhibe un valor igual o menor al quince veces el nominal.

Ruido eléctrico(Interferencia)

Suele ser generado por operación de lámparas fluorescentes, controladores de atenuación de niveles de iluminación, sistemas de transmisión de señales de radio. Es un disturbio común en sistemas de computo. Puede llegar a afectar la operación de equipos de computo, entre otros.

Notch. Los notch se dan en la onda de voltaje, pueden ser generados por cortos entre fases debido a la conmutación de los SCR en circuitos con rectificador o parques eólicos. Tiene una duración aproximada de menos de medio ciclo y presentan una polaridad opuesta a la de la señal de operación.

La termografía y la cámara termográfica.

Parte importante de la calidad de la energía son los equipos que ayudan a mantenerla dentro de los parámetros que el cliente la necesita. Dentro de la industria, la gran mayoría de los problemas y averías ya sea de tipo mecánico, eléctrico y de fabricación están precedidos por cambios de temperatura que pueden ser detectados mediante la monitorización de temperatura con sistema de Termovisión por Infrarrojos. La termografía es la propiedad permite captar la radiación infrarroja del espectro electromagnético usando cámaras termográficas. Conociendo los datos de las condiciones del entorno y de las características de las superficies termografiadas como la emisividad se puede convertir la energía radiada detectada por la cámara termográfica en valores de temperaturas, el termómetro infrarrojo puede medir temperaturas de objetos sin estar en contacto con ellos.



Dentro de la calidad de la energía las cámaras termográficas son de gran utilidad para la detección de la posible oxidación de los conmutadores de alta tensión, defectos de aislantes, inspección de líneas de alta tensión, conexiones de alta tensión defectuosas, inspecciones a fusibles internos, conexiones de cables sueltos, conexiones que presentan alta impedancia. Por otro lado la termografía también es usada en el área mecánica, seguridad, construcción y medicina entre otras.

El termómetro infrarrojo.

El termómetro infrarrojo puede medir temperaturas de objetos sin estar en contacto con ellos, esto gracias a el hecho de que todos los objetos emiten una energía infrarroja invisible. La cantidad de energía emitida es proporcional a la temperatura y la emisividad del objeto. Las consideraciones importantes para cualquier termómetro de infrarrojos incluyen campo de visión (tamaño del objetivo y la distancia), el tipo de superficie que se mide (consideraciones de emisividad), respuesta espectral (por efectos atmosféricos o de transmisión a través de superficies), rango de temperatura y de montaje (montaje portátil de mano o fijo). Además debe considerarse el tiempo de respuesta, el medio ambiente, las limitaciones de montaje, el puerto de visualización o aplicaciones de ventanas, y el procesamiento de la señal deseada.

El analizador de calidad de la energía.

Como lo indica su nombre, un analizador de calidad de energía mide la calidad de la misma, esto mediante la medición de diversos parámetros eléctricos de tu sistema e instalación. Un analizador de calidad de garantía es una herramienta que te permite llevar un control y registro de perturbaciones dentro de la instalación.



Consideremos al Analizador de la energía y calidad eléctrica Fluke 435 Serie II como una póliza de seguros. No importa que pase en su instalación, con el 435 II, usted siempre estará preparado para solucionar cualquier problema. Está equipado con avanzadas funciones de calidad de la energía y capacidades de monetización de la energía: no existe problema eléctrico que este modelo no pueda solucionar.

Equipos de valor verdadero eficaz.

La medida de corriente con precisión y exactitud es un trabajo difícil en las oficinas y plantas industriales de hoy en día. La existencia de más y más ordenadores personales, variadores de velocidad y otro tipo de equipamiento por los que circula corriente en pulsos cortos están haciendo despreciable la influencia de aquellos otros que funcionaban con cargas lineales.

Cuando la gente habla de valores de corriente AC deben referirse al valor RMS (valor cuadrático medio) o calentamiento efectivo. Este valor medio y el valor RMS de una señal



sinusoidal perfecta. Sin embargo, si la forma de la señal no es una sinusoide perfecta esta relación no se puede aplicar. Esta es la razón por la cual los medidores que habitualmente se utilizan y que están basados en el valor medio suelen dar lecturas incorrectas de las corrientes medidas en los sistemas eléctricos de hoy en día.

Bobina de choque y los fenómenos transitorios.

Una de las anomalías que presenta la energía eléctrica es el fenómeno transitorio, un fenómeno transitorio esta va acompañado de una variación en la frecuencia fundamental además de un incremento en el nivel de la tensión, estos suelen causar efectos nocivos en equipos electrónicos dentro de las industrias para evitar dichos transitorios además de armónicos se desarrollo matemáticamente un filtro que en si es una simple bobina que en el dominio complejo se calcula de la siguiente manera:

𝑋" = 𝑤𝑙 Donde:

𝑤 = 2𝜋𝑓 De la formula anterior se observa que al aumentar la frecuencia del sistema de alimentación, la impedancia de la bobina aumenta. Este tipo de filtro suele utilizarse en la acometida y debe considerarse en el una caída de voltaje inferior al 3% de la nominal. Como se menciono antes aumenta su impedancia conforme aumenta la frecuencia por lo que también resultaría útil para limitar los armónicos provenientes de otras instalaciones.

El supresor de picos y su selección.

Los picos de pocos milisegundos de duración suelen presentarse por el switcheo de cargas, por descargas atmosféricas o por el switcheo de bancos de capacitores pueden hacer que entren en los equipos electrónicos impulsos nocivos de tensión y destruyan delicados circuitos de estado sólido. Los picos pueden ser suprimidos por un supresor de picos, los supresores son dispositivos eléctricos que protegen tu equipo de altos voltajes no deseados mediante el bloqueo de la subida o el cortocircuito a tierra. Para seleccionar un supresor de picos debe seleccionarse una de medida inferior al valor de tensión que se maneja en el lugar



donde se utilizara el supresor dado que este empezara a actuar cuando los niveles de tensión comiencen a elevarse por encima del nominal.

El regulador de tensión y los tipos de reguladores.

Un regulador de tensión o regulador de voltaje es un dispositivo electrónico o no diseñado para mantener un nivel de tensión constante. Actualmente existen muchos tipos de reguladores, entre ellos:

Ø Regulador integrado: Son componentes similares a los transistores, se encuentran en las fuentes de voltaje, tienen una capacidad de reducción del rizado muy alta y normalmente sólo hay que conectarles un par de condensadores.

Ø Regulador conmutado: Poseen mayor rendimiento de conversión, ya que los transistores funcionan en conmutación, reduciendo así la potencia disipada en estos y el tamaño de los disipadores.

Ø Reguladores electromecánicos: Basan su principio de funcionamiento en un auto transformador de columna, sobre la cual se dispone un cursor accionado por un servomotor, que en su recorrido suma o resta espiras. Este movimiento de auto ajuste es controlado por un comando electrónico, que se activa cada vez que la tensión de salida se desvía de su valor de calibración.

Ø Regulador ferroresonante: La ferroresonancia es la propiedad del diseño de un transformador en el cual el transformador contiene dos patrones magnéticos separados con acoplamiento limitado entre ellos.



El problema de variación de voltaje y los reguladores ferroresonantes.

La variación o fluctuación de voltaje suele caracterizarse por el aumento o caída consecutiva del voltaje, este problema puede solucionarse con el uso de un regulador de tensión.

Los reguladores ferromagnéticos son dispositivos capaces de proporcionar una tensión estable para cumplir con los requisitos de ciertos aparatos mediante la propiedad de ferroresonancia en la cual, el transformador contiene dos patrones magnéticos separados con acoplamiento limitado entre ellos. La salida contiene un circuito resonante paralelo que toma su potencia del primario para reemplazar la potencia entregada a la carga. En un circuito no lineal, como el que se usa en los transformadores ferroresonantes, la resonancia se usa para reducir los cambios en la tensión de alimentación para suministrar una tensión más consistente en la carga.

Sistemas de alimentación ininterrumpida.

Un sistema de alimentación ininterrumpida(UPS) es un sistema que cuenta con equipos de almacenamiento de energía, lo cual le permite proporcionar energía eléctrica por un tiempo limitado durante un apagón. Los UPS son usados para alimentar las cargas criticas de una industria, un hospital, etc.



Se pueden clasificar en:

• Tecnología Stand By. De 300 a 700 VA ofreciendo protección básica, siendo capaz de guardar información y cuenta con supresor de picos.

• Tecnología Interactiva: Que va de 300 a 5000 VA con regulación AVR, amplio rango de entada.

• Tecnología On Line: De 750 a 80000 VA, la salida es una onda senoidal pura, elimina totalmente los picos además de eliminar las variaciones de voltaje.

La curva cbema.

Un área importante de la calidad de la energía es la curva cbema, ideada para sistemas de control de procesos y datos provistos de microprocesadores u microchips, dado que son particularmente sensibles a huecos de tensión y transitorios en la tensión. En el ano de 1977 se postulo la curva CBEMA para describir la tolerancia de la computadora central a variaciones de tensión del sistema de alimentación. Mientras que muchos ordenadores modernos tienen una mayor tolerancia, la curva se ha convertido en un objetivo de diseño estándar para equipos sensibles que se aplicaría en el sistema de potencia y un formato común para presentar los datos de variación de calidad de energía. Con el desarrollo de nueva e innovadora tecnología fue necesario realizar modificaciones a los estándares de funcionamiento y robustez de los equipos. Hacia los años de 1990, el análisis mediante la curva CBEMA se sustituyó por la curva ITIC



Esta curva describe la tensión que puede ser tolerada por la mayoría de los de la tecnología de la información sin interrupciones, además describe tanto condiciones transitorias como de estado estable. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. UNAM. (2007). CALIDAD EN EL SUMINISTRO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. 2014, de UNAM Sitio web: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/661/A5.pdf?sequence=5 nivela. (2008). Termografía y sus Aplicaciones. 2011, de nivela Sitio web: http://www.nivelatermografia.net/termografia UNAM. (2007). CAPÍTULO 4 REGULADORES DE TENSIÓN. 2015, de UNAM Sitio web: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/jspui/bitstream/132.248.52.100/288/7/A7.pdf ECAMEC. (2010). Análisis de eventos de Tensión Curvas ITIC, CBEMA y SEMI F47. 2013, de ECAMEC TECNOLOGIA Sitio web: http://www.ecamec.com/newsletter/bajarnotaa0610.pdf Fluke. (2010). ¿Confía usted en las medidas de su multímetro?. 2014, de Fluke Sitio web: http://www1.herrera.unt.edu.ar/mediciones/TPracticos/verdadero%20valor%20eficaz.pdf

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