¿QUE ES CALIDAD DE ENERGIA? La calidad de la energía eléctrica puede definirse como una ausencia de interrupciones, sobre tensiones y deformaciones producidas por armónicas en la red y variaciones de voltaje RMS suministrado al usuario; esto referido a la estabilidad del voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico. Asimismo, se ha determinado que uno de los problemas más comunes que ocasiona el desperdicio de energía eléctrica en las empresas es la calidad de esta, pues influye en la eficiencia de los equipos eléctricos que la usan. ¿QUE ES UN PROBLEMA DE CALIDAD DE LA ENERGÍA? Podemos decir que existe un problema de calidad de la energía eléctrica cuando ocurre cualquier desviación de la tensión, la corriente o la frecuencia que provoque la mala operación de los equipos de uso final y deteriore la economía o el bienestar de los usuarios; asimismo cuando ocurre alguna interrupción del flujo de energía eléctrica. Los efectos asociados a problemas de calidad de la energía son: ♣ Incremento en las pérdidas de energía. ♣ Daños a la producción, a la economía y la competitividad empresarial ♣ Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del confort. Parámetros De La Calidad De Energía • La amplitud. Amplitud de la onda: la amplitud de una onda es el valor máximo, tanto positivo como negativo, que puede llegar a adquirir la onda sinusoide. • La frecuencia. Frecuencia de la onda: La frecuencia (f) del movimiento ondulatorio se define como el número de oscilaciones completas o ciclos por segundo (f=1/T). Se define como el resultado de multiplicar el número de orden del armónico por la frecuencia fundamental (50 o 60 Hz), por ejemplo: 3a armónica 3 x 50 o 60 Hz = 150 o 180 Hz 5a armónica 5 x 50 o 60 Hz = 250 o 300 Hz 7 a armónica 7 X 50 o 60 Hz= 350 o 420 Hz • La forma de la señal. Entenderemos por señal eléctrica a una magnitud eléctrica cuyo valor o intensidad depende del tiempo. Así, v(t) es una tensión cuya amplitud depende del tiempo e i(t) es una corriente cuya intensidad depende del tiempo. Por lo general se designa la palabra señal para referirse a magnitudes que varían de alguna forma en el tiempo. Interpretaremos a las magnitudes constantes como casos particulares de señales eléctricas. Señales continuas y alternas. Señales periódicas. Características particulares de las señales periódicas Se pueden definir otros parámetros que identifican a una señal periódica: -Amplitud de pico: es el valor máximo que tiene una señal, considerada desde el valor ‘0’. -Amplitud pico a pico: es la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo de una señal. -Valor eficaz: es el valor equivalente al de una señal continua constante capaz de desarrollar la misma potencia que la señal periódica. -Valor medio: es el promedio de todos los valores de una señal tomados en un ciclo. Para señales simétricas como la senoidal, el valor medio es nulo. • El balance de las fases. El balance de fases consiste en transferir carga entre fases de cada uno de los nodos del sistema, esta transferencia se realiza de forma manual teniendo en cuenta los diferentes tipos de conexión de las cargas (Y,D). El balance total del sistema no es posible conseguirlo debido a las características de desbalance propias de las cargas y las configuraciones de las líneas (monofásicas, trifásicas, etc). El balance de fases es planteado para minimizar las pérdidas de energía y en algunos casos las pérdidas de potencia pico. La función objetivo tiene en cuenta estos costos teniendo en cuenta a las restricciones de flujo de carga y limites operativos. • La continuidad. La continuidad eléctrica de un sistema es la aptitud de éste a conducir la corriente eléctrica. Cada sistema es caracterizado por su resistencia R. Si R = 0 Ω: el sistema es un conductor perfecto. Si R es infinito: el sistema es un aislante perfecto. Cuanto más débil es la resistencia de un sistema, mejor es su continuidad eléctrica INTERRUPCIONES EN TODOS SUS NIVELES Es la suspensión del suministro de energía eléctrica debido a causas de fuerza mayor, caso fortuito, a la realización de trabajos de mantenimiento, ampliación o modificación de las instalaciones, a defectos en las instalaciones del usuario, negligencia o culpa del mismo, a la falta de pago oportuno, al uso de energía eléctrica a través de instalaciones que impidan el funcionamiento normal de los instrumentos de control o de medida, a que las instalaciones del usuario no cumplan con las normas técnicas reglamentarias, el uso de energía eléctrica en condiciones que violen lo establecido en contrato respectivo, cuando no se haya celebrado contrato respectivo; y cuando se haya conectado un servicio sin la autorización de la Comisión. Una interrupción ocurre cuando la tensión o la corriente de la carga disminuyen a menos de 0,1 p.u. por un período de tiempo que no excede un minuto. Las interrupciones pueden ser el resultado de fallas en el sistema, equipos averiados o debidas al mal funcionamiento de los sistemas de control. Las interrupciones se caracterizan por su duración ya que la magnitud de la tensión es siempre inferior al 10% de su valor nominal. El recierre instantáneo generalmente limita la interrupción causada por una falla no permanente a menos de 30 ciclos. La duración de una interrupción motivada por el funcionamiento indebido de equipos o pérdidas de conexión es irregular. Elevaciones De Voltaje Sag Depresiones Las depresiones (Sag o Dip), también conocidas como valles o huecos consisten en una reducción entre 0,1 y 0,9 p.u. en el valor R.M.S. de la tensión o corriente con una duración de 0,5 ciclo a un minuto. Las depresiones de tensión son normalmente asociadas a fallas del sistema, a la energización de grandes cargas, al arranque de motores de elevada potencia y a la energización de transformadores de potencia. Los efectos nocivos de las depresiones de tensión dependen de su duración y de su profundidad, estando relacionados con la desconexión de equipos de cómputo, PLC y contactores entre otros dispositivos. También presenta efectos sobre la velocidad de los motores. Swell Crestas Una cresta (Swell) se define como un incremento del valor R.M.S. de la tensión o la corriente entre 1,1 y 1,8 p.u. con una duración desde 0,5 ciclo a un minuto. Como en el caso de las depresiones, las crestas son asociadas a fallas en el sistema, aunque no son tan comunes como las depresiones. Un caso típico es la elevación temporal de la tensión en las fases no falladas durante una falla línea a tierra. También pueden ser causadas por la desconexión de grandes cargas o la energización de grandes bancos de capacitores. VARIACIONES DE TENSIÓN DE LARGA DURACIÓN VARIACIONES DE TENSIÓN DE LARGA DURACIÓN Son aquellas desviaciones del valor R.M.S. de la tensión que ocurren con una duración superior a un minuto. La norma ANSI C84.1 especifica las tolerancias en la tensión de estado estable en un sistema de potencia. Una variación de voltaje se considera de larga duración cuando excede el límite de la ANSI por más de un minuto. Debe prestarse atención a los valores fuera de estos rangos. A) Sobretensión es el incremento de la tensión a un nivel superior al 110% del valor nominal por una duración mayor de un minuto. Las sobretensiones son usualmente el resultado de la desconexión de grandes cargas o debido a la conexión de bancos de capacitores. Generalmente se observa cuando el sistema es muy débil para mantener la regulación de la tensión o cuando el control de la tensión es inadecuado. B) Se entiende por baja tensión la reducción en el valor R.M.S. de la tensión a menos del 90% del valor nominal por una duración mayor de un minuto. La conexión de una carga o la desconexión de un banco de capacitores pueden causar una baja tensión hasta que los equipos de regulación actúen correctamente para restablecerlo. C) Se considera una interrupción sostenida cuando la ausencia de tensión se manifiesta por un período superior a un minuto. Este tipo de interrupciones frecuentemente son permanentes y requieren la intervención del hombre para restablecer el sistema. VARIACIONES DE CORTA DURACIÓN INSTANTÁNEAS Sag ( Valles) 0.5 - 30 cycles 0.1 - 0.9 pu Swell (Crestas) 0.5 - 30 cycles 1.1 - 1.8 pu 0.5 cycles - 3 s < 0.1 pu MOMENTÁNEAS Interrupciones Sag (Valles) 30 cycles - 3 s 0.1 - 0.9 pu Swell (Crestas) 30 cycles - 3 s 1.1 - 1.4 pu DURACIÓN MAGNITUD DE VOLTAJE Interrupciones 3 s - 1 min < 0.1 pu Sag (Valles) 3 s - 1 min 0.1 - 0.9 pu Swell (Crestas) 3 s - 1 min 1.1 - 1.2 pu Interrupciones sostenidas > 1 min 0.0 pu Bajo Voltaje > 1 min 0.8 - 0.9 pu Sobrevoltajes > 1 min 1.1 - 1.2 pu Desbalance de Voltaje Estado Estable 0.5 - 2% CATEGORÍAS CONTENIDO ESPECTRAL VARIACIONES DE CORTA DURACIÓN TEMPORALES VARIACIONES DE LARGA DURACIÓN Armónicos. Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo integral de la frecuencia fundamental del sistema la cual, para el caso de nuestro país es 60 Hz. Las formas de onda distorsionadas son descompuestas, de acuerdo con Fourier, en la suma de una componente fundamental más las componentes armónicas. La distorsión armónica se origina, fundamentalmente, por la característica no lineal de las cargas en los sistemas de potencia. El nivel de distorsión armónica se describe por el espectro total armónico mediante las magnitudes y el ángulo de fase de cada componente individual. Es común, además, utilizar un criterio denominado distorsión total armónica (THD) como una medida de la distorsión. Dentro de los efectos nocivos que presentan los armónicos, se pueden citar los siguientes: • Pueden causar errores adicionales en las lecturas de los medidores de electricidad, tipo disco de inducción. • Las fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas, asociadas con las diferentes corrientes armónicas, causan vibraciones y ruido acústico en transformadores, reactores y máquinas rotativas. • Son la causa de interferencias en las comunicaciones y en los circuitos de control. • Provocan la disminución del factor de potencia. • Están asociados con el calentamiento de condensadores. • Pueden provocar ferroresonancia. • Provocan calentamiento adicional debido al incremento de las pérdidas en transformadores y máquinas. • Al incrementarse la corriente debido a los armónicos, se aumentan el calentamiento y de las pérdidas en los cables. Como caso específico, se puede mencionar la presencia de mayor corriente en los neutros de los sistemas de baja tensión. • Causan sobrecargas en transformadores, máquinas y cables de los sistemas eléctricos. • Los armónicos de tensión pueden provocar disturbios en los sistemas electrónicos. Por ejemplo, afectan el normal desempeño de los tiristores. La mitigación de los efectos nocivos de los armónicos puede llevarse a cabo mediante: • El monitoreo constante de los sistemas para detectar la presencia de armónicos indeseables. • La utilización de filtros para eliminar los armónicos indeseables. • El dimensionamiento los transformadores, máquinas y cables teniendo en cuenta la presencia de corrientes no sinusoidales (presencia de armónicos). Interarmónicos Se llaman interarmónicos a las tensiones o corrientes con componentes de frecuencia que no son múltiplos enteros de la frecuencia a la cual trabaja el sistema. Los interarmónicos se pueden encontrar en redes de todas las clases de tensiones. Las principales fuentes de interarmónicos son los convertidores estáticos de frecuencia, los ciclos convertidores, los motores asincrónicos y los dispositivos de arco. Efectos de calentamientos, similares a los producidos por los armónicos, son causados por los interarmónicos. Debido a que los interarmónicos son fuentes de son fuentes de las fluctuaciones de tensión, se presenta alto riesgo de la generación de flicker. La mitigación de los efectos de los interarmónicos se realiza con base en filtros pasivos. Desbalance de cargas Monofasicas y Trifasicas Los sistemas trifásicos desbalanceados también conocidos como sistemas trifásicos desequilibrados, suelen tener fases desequilibradas o desbalanceadas. Cuando encontremos una expresión de este estilo quiere decir que no hay 120° de desplazamiento entre las diferentes señales senoidales de fases y puede ser un serio problema porque estaremos cargando a una fase más que a otras. El desbalance trifásico es el fenómeno que ocurre en sistemas trifásicos donde las tensiones y/o ángulos entre fases consecutivas no son iguales. El continuo cambio de cargas presentes en la red, causan una magnitud de desbalance en permanente variación. Un sistema desbalanceado es producto de dos posibles situaciones:1) Las tensiones de fuente no son iguales en magnitud y o difieren en fase en ángulos desiguales.2) Las impedancias de carga son desiguales. Un sistema desbalanceado se debe a fuentes de tensión desbalanceadas o a una carga desbalanceada. Causas de desbalance de tensiones. La principal causa son las cargas monofásicas sobre el sistema trifásico, debido a una distribución no homogénea, en especial la de consumidores de baja tensión de índole monofásicos. Para igual dispersión de cargas monofásicas, la configuración del tipo de red de distribución y transmisión incide sobre la propagación del desbalance. Las impedancias propias y mutuas entre fases no balanceadas presentarán desbalances en las caídas de tensión aún con cargas simétricas. - Desequilibrios de tensión: son producidos cuando en un sistema trifásico existen diferencias entre los valores eficaces (rms) de las tensiones, tenga o no distribuido el conductor neutro. - Desequilibrios de corriente: se producen cuando por la tres fases de un sistema trifásico no circulan las mismas intensidades, este tipo de desequilibrio provoca: sobrecalentamiento en los receptores, en cables de alimentación y protecciones que incluso podrían llegar a disparar, circulación de corriente por el conductor neutro (recordar que en redes trifásicas con el neutro distribuido y si el sistema es equilibrado (desbalanceado en Latinoamérica) no hay circulación de corriente por el conductor neutro). El desbalance trifásico es el fenómeno que ocurre en sistemas trifásicos donde las tensiones y/o ángulos entre fases consecutivas no son iguales. Caída De Voltaje • La caída de tensión o de voltaje en un sistema eléctrico es una de las fallas más comunes en una red de distribución y tiene efectos negativos considerables como perdidas económicas importantes, paros de producción y daños parciales y totales de maquinaría. • La caída de tensión eléctrica se define como la diferencia de potencial que existe entre los dos extremos de una línea eléctrica. En un conductor la caída de tensión se mide en volts y existe en función del largo y de la resistencia del medio de condición eléctrica. A mayor distancia de la fuente de voltaje y mayor resistencia del conductor eléctrico existe una mayor caída de tensión. Las causas más frecuentes que provocan la caída de voltaje es una distancia considerable de conexión desde el transformador eléctrico de alimentación más cercano, además de en zonas industriales el arranque de maquinaria industrial, bombas, y motores con gran consumo de carga y en zonas urbanas una sobre-saturación de consumo eléctrico. Es la perdida de voltaje ocasionado por una resistencia (calibre de cable inadecuado); las consecuencias de una caída de voltaje en lámparas incandescentes es baja intensidad. En lámparas fluorescentes ocasiona parpadeo, en motores eléctricos ocasiona calentamiento, o que totalmente no arranque el motor.
