Variaciones de voltaje: mala calidad de la energia
advancedSearch.do?inputFieldName(0)=AU&prodId=GPS&userGroupName=tecsup&method=doSearch&inputFieldValue(0)=%22Norberto+Rodr%C3%ADguez+Barallobre%22&searchType=AdvancedSearchFormadvancedSearch.do?inputFieldName(0)=AU&prodId=GPS&userGroupName=tecsup&method=doSearch&inputFieldValue(0)=%22Mar%C3%ADa+del+Carmen+V%C3%A1zquez+Hidalgo-Gato%22&searchType=AdvancedSearchFormaboutJournal.do?pubDate=120030701&rcDocId=GALE%7CA146742496&actionString=DO_DISPLAY_ABOUT_PAGE&inPS=true&prodId=GPS&userGroupName=tecsup&resultClickType=AboutThisPublication&contentModuleId=AONE&searchType=BasicSearchForm&docId=GALE%7C0ZGDTemas
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Texto completo: ResumenEste es el primero de una serie de artculos
encaminados a tratarla creciente problemtica de la calidad de la
energa en las instalaciones industriales debida al incremento del
uso de la electrnica y sus componentes contaminantes de la energa
elctrica entendida como el producto de la onda de corriente y la de
voltaje. Adems, se ofrece un procedimiento para estimar el costo de
las prdidas tcnicas y tecnolgicas por concepto de una mala calidad
de la energa as como, algunas recomendaciones para mitigar estas
prdidas millonarias en el sector industrial.Palabras clave: Calidad
de la energa, costosAbstractThis is a first of a series of papers
toward to treat the power quality growing problematical in
industrial installations networks, due to increasing use of
electronic and its polluting components, learned as a product of
the current and voltage wave, Also is offered a procedure to
estimate the technical and technological losses cost due to the low
quality energy, some recommendations to mitigate this millonaire
losses in the industrial sector Key words: Power quality,
costINTRODUCCINEl nuevo esquema y la nueva regulacin del sector
elctrico implican un replanteamiento de la filosofa de prestacin
del servicio deenerga elctrica. La introduccin de un ambiente de
competencia y defiguras como las de los usuarios no regulados,
significan que las condiciones en que se est dando la relacin
suministrador-cliente es mucho ms exigente para las empresas del
sector, obligndolas a incentivar en su mbito institucional una
nueva cultura de servicio. De hecho, se ha incrementado la
importancia de un suministro de energa elctrica basado en criterios
que vayan ms all de la simple continuidad, debido a lacreciente
vulnerabilidad de procesos industriales cada vez ms delicados y
dependientes de equipos electrnicos ms sofisticados, pero al mismo
tiempo ms susceptibles a diversos tipos de perturbacin.Qu es un
suministro de energa elctrica con calidad?Un suministro elctrico de
alta calidad se entiende como aquel con bajo nivel de disturbios.El
nuevo concepto de calidad de servicio de la energa elctrica (Power
Quality), que ha evolucionado en la ltima dcada a escala mundial,
est relacionado con las perturbaciones electromagnticas que pueden
afectar las condiciones elctricas de suministro (tensin y (o)
corriente) y ocasionar el mal funcionamiento o dao de equipos y
procesos. Durante los ltimos aos ha adquirido importancia como uno
de los elementos bsicos decalidad y confiabilidad en la prestacin
del servicio. El conocimiento delas exigencias inherentes al
ambiente electromagntico presente en el medio (como son las
descargas atmosfricas, los armnicos, fluctuaciones detensin, etc.)
es fundamental para definir las pautas de planeamiento, diseo y
operacin de los sistemas.La calidad de la energa elctrica (CEL)
tiene que ver con cuatro elementos fundamentales:1. La amplitud del
voltaje.2. La frecuencia.3. La forma de onda del voltaje.4. La
continuidad de las seales de tensin y de corriente.Los tres
primeros se refieren a la calidad de la potencia elctrica (Power
Quality) expresada como el producto de la tensin por la corriente,
mientras que el cuarto elemento, la continuidad, se refiere al
tiempo disponible de las seales de tensin y corriente para el
usuario.El entendimiento de los problemas asociados con la CEL es
el primer paso a dar en el desarrollo de regulaciones y normas para
lograr una ptima aproximacin a las soluciones. El entendimiento
significa ser capazde relacionar los orgenes y las causas de las
perturbaciones que afectan laCEL con los efectos de aquellas en los
equipos y procesos de los usuarios.Mejorar la CEL en una instalacin
industrial o comercial es complejo, costoso y requiere suficiente
tiempo; es necesario monitorear y analizar para diagnosticar el
problema y sus efectos sobre los equipos instalados, con el
objetivo de definir la mejor solucin.Si la interaccin entre los
equipos est causando problemas, entonces la separacin de circuitos
puede ser la solucin. Si se est presentando dao o falla de equipos
por perturbaciones electromagnticas debidas a rayos, entonces
sistemas de proteccin contra rayos y descargadores de sobretensin
adecuadamente diseados, instalados y mantenidos pueden ser la
solucin.CALIDAD DE ENERGA VS MALA CALIDAD DE ENERGACalidad de
energa es un trmino utilizado para referirse al estndar de calidad
que debe tener el suministro elctrico de lasinstalaciones, (1) en
trminos de:* Tensin o voltaje constante y de forma sinusoidal. En
Cuba 110 V y 220 V para instalaciones residenciales y de oficinas y
generalmente 480 V en instalaciones industriales.* Frecuencia de
oscilacin constante. En Cuba es de 60 ciclos.* Mnimas
perturbaciones: Armnicas, parpadeo (flicker).El cumplimiento o no
de las anteriores normas tcnicas es lo que determina que el
suministro sea de calidad. Investigaciones llevadas a cabo en estos
ltimos aos, acerca del significado del trmino correcto desempeo de
las instalaciones elctricas, han permitido establecer este nuevo
concepto de calidad de energa. Cualquier desviacin de estos
estndares de calidad que ocasione problemas en la operacin y daos
en los equipos elctricos alimentados con dicha energa, deviene en
un suministro con mala calidad de energa.ORIGEN DE LA MALA CALIDAD
DE LA ENERGAPuede tener dos orgenes: El primero, en la acometida de
la red elctrica que alimenta la instalacin, por deficiencias del
suministro. El segundo, en la propia instalacin.Los equipos
electrnicos modernos (conversores estticos, hornosde arco,
computadoras, variadores de frecuencia, UPS, balastos) tienen un
comportamiento de carga no lineal a diferencia de otros equipos que
presentan carga lineal (calefactores elctricos, motores
asincrnicos). Los equipos del primer caso, originan mala calidad de
energa elctrica en la red, los del segundo no. Dicho de otro modo,
los primeros estn asociados a tecnologa de electrnica que requiere
de energa de mayor eficiencia que se da en forma pulsatoria, no
sinusoidal (switch mode), a partir de un convertidor de corriente
alterna en corriente directa lo cual crea los efectos secundarios.
Los segundos, funcionan directamente a la tensin y frecuencia de
servicio, sin ocasionar distorsiones en los parmetros elctricos de
la red.CASOS EN QUE EL USUARIO ORIGINA MALA CALIDAD DE
ENERGAELCTRICA* Cuando se instalan equipos electrnicos importantes
en un ambiente determinado sin prever las modificaciones necesarias
de lasinstalaciones, de tal manera que se altera el equilibrio
entre estas y lasnecesidades del consumo elctrico.* Cuando las
instalaciones elctricas de las edificaciones se han diseado sin el
conocimiento de la carga elctrica que se requerir paralas
necesidades de consumo de energa de los equipos que sern
instalados.PROBLEMAS QUE GENERA LA MALA CALIDAD DE LA ENERGA*
Generacin de corrientes de armnica.* Fugas de corrientes en la red
de tierra.* Variaciones de la tensin.Qu es lo que ocurre en estas
condiciones de suministro elctrico?* Operacin errtica de equipos
computarizados.* Sobrecalentamiento de equipos y conductores.*
Falla prematura de equipos.* Disparo de interruptores.Disturbios
por sobretensiones transitorias Las sobretensiones transitorias se
refieren a variaciones en la forma de onda de tensin, que dan como
resultado condiciones de sobretensin durante una fraccin deciclo de
la frecuencia fundamental. Las fuentes comunes de estos
transitorios son los rayos, operacin de los dispositivos de
interrupcin de los sistemas elctricos y el arqueo de conexiones
flojas o fallas intermitentes.VARIACIONES DE TENSINLas variaciones
tpicas de voltaje son las siguientes:* Pico de alta tensin.* Cadas
de voltaje.* "Parpadeo" de tensin.Estas distorsiones ocasionan el
mal funcionamiento del equipo electrnico. La exposicin recurrente a
estos problemas definitivamente les reduce el tiempo de vida
til.Voltaje con ruido: Seal elctrica indeseable que produce efectos
adversos en los circuitos de control (figura 1). [FIGURA 1
OMITIR]Quin ocasiona ruido elctrico?* Radares, seales de radio.*
Arqueo elctrico en equipo.* Salida de inversores.En la prctica se
estudian dos tipos de ruido: Ruido de modo comn (RMC): Ruido que
aparece (con la misma magnitud y en fase) en los dos conductores
que llevan corriente con respecto a tierra. El voltaje de fase es
una sinusoide pura (figura 2a).[FIGURA 2 OMITIR]Ruido de modo
diferencial (RMD): Seal de ruido que aparece entre fase y neutro,
pero no entre estos conductores y tierra. El voltaje de lnea es una
sinusoide pura y el de fase es cero (figura 2b).Voltajes con
impulsos: Disturbio en el voltaje que dura menos de medio ciclo y
que inicialmente tiene la misma polaridad que el voltaje normal, de
tal manera, que se le suma a la onda original, su efecto se muestra
en la figura 3.[FIGURA 3 OMITIR]Causas* Descargas atmosfricas.*
Energizacin de capacitores.* Desconexin de motores grandes. *
Aislamiento de fallas.NotchesVoltajes con hendiduras: Disturbio que
dura menos de medio ciclo y que inicialmente tiene polaridad
opuesta al voltaje nominal por lo que el disturbio se le resta a la
forma de onda nominal. Las muescas son ocasionadas por cortos entre
fases debido a la conmutacin de los SCR. Cuando el SCR deuna fase
se enciende y el de otra fase se apaga, hay un pequeo tiempo en el
que ambos conducen y se produce el corto entre fases. La forma que
adquierela onda se observa en la figura 4a y 4b.[FIGURA 4
OMITIR]CausasCargas no lineales con SCR a la entrada.
NotchingVoltajes con distorsin: Los equipos electrnicos modernos
operan con corrientes discontinuas, situacin provoca que las cadas
devoltaje inducidas en la red de alimentacin distorsione el voltaje
aplicado.La mayora de los equipos de cmputo admiten hasta un 5 % de
distorsin en el voltaje aplicado (figura 5). [FIGURA 5
OMITIR]CausasTodas las cargas no lineales como: * Convertidores e
inversores.* Hornos de arco elctrico.* Saturacin de
transformadores.Sag: Reduccin del valor efectivo del voltaje con
duraciones que van desde medio ciclo hasta 3 600 ciclos (8,33ms
hasta 60 s). Un caso particular del sag es el undervoltage, el cual
solo difiere del primero en la duracin (figura 6). Se considera
undervoltage cuando el proceso dura msde un minuto.[FIGURA 6
OMITIR]Causas tpicas de sags* Descargas atmosfricas.*
Cortocircuito.* Arranque de cargas grandes.Swell: Aumento del valor
efectivo del voltaje con duraciones que van desde medio ciclo hasta
3 600 ciclos (8,33ms hasta 60 s). Tambin existe el overvoltage, que
es el caso contrario del undervoltage, (figura 7).[FIGURA 7
OMITIR]Causas tpicas de swell* Disminuciones repentinas de carga. *
Recuperaciones despus de una falla. Adems de los explicados
anteriormente, existen otros fenmenos que afectan la forma de onda
del voltaje y con ello la calidad de laenerga. Las consideraciones
claves se resumen de la siguiente forma:1. Para equipo elctrico
tradicional estas sobretensiones han sido manejadas diseando el
equipo para soportar sobretensiones de magnitudes de varias veces
la tensin pico normal y al mismo tiempo aplicar pararrayos y
algunas veces capacitores para frente de onda, con objeto
deasegurar que las tensiones no excedieran los niveles de diseo del
equipo.2. El equipo electrnico generalmente no tiene la misma
capacidadde aguante como los equipos elctricos ms tradicionales. De
hecho el usode pararrayos que limitan los transitorios a dos o tres
veces la tensin nominal pico puede no proporcionar una proteccin
adecuada a este equipo. En ese caso, los dispositivos de proteccin
contra frente de onda para equipo electrnico pueden necesitar
reactores en serie, capacitores en paralelo y(o) dispositivos
electrnicos, adems de pararrayos resistivos no lineales, parra
proporcionar una proteccin adecuada. Cuando no se logra esta
proteccin pueden ocurrir fallas o mal funcionamiento.3. La
conmutacin de bancos de capacitores, ya sea en la planta industrial
o en la red del sistema elctrico puede causar el funcionamiento
defectuoso de algunos equipos. En aos recientes se ha vuelto un
problema comn asociado con el disparo inexplicable de muchos
impulsores de corriente alterna pequeos. Muchos de estos impulsores
estn diseados para desconectarse de la lnea por una sobretensin del
10 al 20 % con duracinde una fraccin de ciclo. Ya que muchos bancos
de capacitores de empresas elctricas son conmutados diariamente,
este problema podra ocurrir en forma muy frecuente. Este indeseable
problema de disparo puede usualmente remediarse agregando un
reactor en serie con el dispositivo sensible, o modificando su
caracterstica de disparo. Otras soluciones pueden incluir
lareduccin del transitorio en el banco de capacitores. La operacin
de los capacitores se asocia tambin ocasionalmente, con el
funcionamiento defectuoso o falla de otros equipos adems de los
controladores. PREVENSIN O SOLUCIN DE ESTOS PROBLEMAS *
Instalaciones dedicadas para equipo electrnico especial con sus
correspondientes instalaciones de back up. * Un sistema de conexin
a tierra con un buen diseo y mantenimiento.* Instalacin de
eliminadores de sobretensin para proteccinde reas claves. *
Sistemas de filtros para complementar todas las acciones
anteriores.En el caso de los sistemas industriales, la variacin ms
frecuente es el sag y puede ser causado dentro o fuera de la propia
planta o por arranque de motores, aunque en ese caso no es tan
severa la cada devoltaje. La situacin ms crtica la presentan los
contactores ya que solo toleran medio ciclo de ausencia de voltaje
debido a que no tienen elementos que almacenen la energa; en
algunos casos pueden soportar sag de hasta un 50 % del voltaje
nominal.ESTIMADO DEL COSTO DE LA CALIDAD DE LA ENERGA Para estimar
el costo producido por una mala calidad de laenerga, es necesario
definir algunos conceptos que sern tiles desde el punto de vista
conceptual para entender ms el fenmeno fsico y proceder a un mejor
planteamiento matemtico.Dentro de lo planteado anteriormente, es
conveniente conocer los consumidores "agresores" de los sistemas
elctricos y los receptores ms afectados, ya que a partir de ellos
se puede elaborar el plande medidas necesario para la erradicacin o
la mitigacin de estos nocivos efectos, tanto sobre la red, como
sobre los consumidores ms dbiles desde el punto de vista de la
calidad de la energa.* Carga crtica: Aquella que al dejar de
funcionar ocasiona grandes perjuicios econmicos y(o) pone en riesgo
la seguridad de laspersonas.* Carga sensible: Aquella que requiere
una alimentacin de altacalidad, esto es, libre de
disturbios.COSTO-SUMINISTRO ELCTRICO INADECUADODe manera general,
el costo de las prdidas se puede estimar mediante las siguientes
expresiones: (2)Costo de una interrupcin = E + H + I donde:E: Costo
de mano de obra de trabajadores afectados, en pesos.H: desperdicios
de producto de materia prima, en pesos.I: costo del arranque, en
pesos.Los desperdicios de producto de materia prima se pueden
calcular como sigue:H = F - Gdonde:F: Unidades de desperdicio
debido a la interrupcin (80 varillas, por ejemplo).G: Costo por
unidad de desperdicio debido a la interrupcin, en pesos.De igual
manera, el costo de mano de obra de trabajadores afectados se
calcula:E = A - D (1,5 - B + C)donde:A: Nmero de empleados
afectados. B: Salario base por hora de los empleados afectados, en
pesos.C: Salario del tiempo extra de los empleados afectados, en
pesos.D: Duracin de la interrupcin, en horas.Por ltimo, el costo de
los arranques luego de haber detenido la marcha son:I = J K (B + C)
+ L - Gdonde:J : Tiempo de arranque, en horas. K : Nmero de
empleados involucrados en el arranque.L : Unidades de desperdicio
en el arranque.G: Costo por unidad de desperdicio debido a la
interrupcin, en pesos.De manera general, se estima que el costo
anual en el mundo por concepto de las prdidas por la mala calidad
de la energa es de 13 000 millones de dlares.Cmo prevenir o
solucionar estos problemas?* Preparar la instalacin para que pueda
asimilar el contenido decorrientes armnicas que el equipo instalado
va a generar* Balancear correctamente las cargas en las tres fases
del suministro.Recomendaciones para evitar una mala calidad en el
servicio elctrico--Instalar supresores de sobrevoltaje
transitorios. El costo deestos aditamentos es tan pequeo en
comparacin con los daos que ocasionan las descargas atmosfricas o
variaciones anormales del voltaje debido a conmutaciones que no hay
razn para no instalarlos. En Estados Unidos una empresa mediana
pierde alrededor de $10 000 USD por cada interrupcin de 4 h,
mientras que un supresor de 600 V, 10 000 A y contadorde eventos
cuesta alrededor de $3 000 USD.--Instalar monitores de disturbios
con display grfico, estos monitores muestrean la forma de onda de
la corriente, el voltaje y lafrecuencia, de tal modo, que cuando
hay un disturbio marca la hora, el da y el tipo de irregularidad
ocurrida. La instalacin de estos equipos se debe estudiar
rigurosamente, pues cuestan entre $800 y $15 000 USD, pero en
opinin de los expertos los grandes consumidores, as como hospitales
e instalaciones con cargas crticas deben llevarlos.--Para disminuir
el ruido de modo comn se puede acercar el equipo a la unin de los
conductores de tierra y neutro.--Con el mismo objetivo se pueden
alambrar las cargas de forma desacelerada, es decir, los equipos
sensibles separados de los que son contaminadores de la
red.CONCLUSIONES1. Se realiz un estudio terico de las causas y las
consecuencias de un mal suministro de energa elctrica en lo
referente ala calidad del voltaje de operacin de los consumidores
de baja tensin.2. Se present un mtodo, utilizado en la actualidad,
con el que se pueden estimar las prdidas financieras por concepto
de la mala calidadde la energa. 3. Se continuar el estudio de estos
fenmenos, pues se considera que debido al clima del pas (el cual
tiene un nivel cerunico elevado) y al uso cada vez ms amplio de
equipos contaminadores, pudiera convertise en un problema crtico
para el SEN.Recibido: Septiembre del 2003Aprobado: Noviembre del
2003REFERENCIAS(1.) www.powerquality.com(2.)
www.energex.comNorberto Rodrguez Barallobre Ingeniero Electricista,
Instructor, Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergticas
(CIPEL), Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra,
Cujae, Ciudad de La Habana,
Cubae-mail:[email protected] del Carmen Vzquez
Hidalgo-Gato Ingeniera Electricista, Mster en Ingeniera Elctrica,
Asistente, CIPEL, Instituto Superior Politcnico Jos Antonio
Echeverra, Cujae, Ciudad de La Habana,
Cubae-mail:[email protected] Barallobre, Norberto
^Vzquez Hidalgo-Gato, Mara del Carmen Cita de fuente (MLA 7.a
edicin) Rodrguez Barallobre, Norberto, and Mara del Carmen Vzquez
Hidalgo-Gato. "Variaciones de voltaje: mala calidad de la energia."
Ingeniera Energtica 24.3 (2003): 21. PowerSearch. Web. 20 July
2015.
URLhttp://go.galegroup.com/ps/i.do?id=GALE%7CA146742496&v=2.1&u=tecsup&it=r&p=GPS&sw=w&asid=33a643ca6437f2fa40458138fb23ae4aNmero
de documento de Gale: GALE|A146742496
