Cómo evaluar la calidad de nuestro suministro eléctrico (I)

Cuando tenemos problemas en el suministro eléctrico es prudente evaluar los posibles problemas que se deban a la calidad de la energía que estamos adquiriendo o produciendo.

La lista de problemas de calidad de la energía es sorprendentemente alta y los problemas pueden ser complejos. Síntomas similares, tales como el calentamiento de equipos, pueden tener diferentes causas (armónicos, desequilibrio, sobrecarga), y cada uno con distinta solución.

Cuando sufrimos un problema de calidad de la energía, ello depende de:

• La calidad del voltaje suministrado por la distribuidora.
• Los tipos de carga de la instalación.
• La sensibilidad de los equipos del cliente a varios tipos de perturbaciones.

Para resolver este problema no hay una solución simple y genérica, sino que hay que estudiar cada instalación individualmente. En este artículo estudiamos los problemas típicos que generan una calidad insuficiente del suministro eléctrico.

PROBLEMAS TÍPICOS

Los problemas típicos que pueden observarse donde la calidad en el suministro eléctrico es inadecuada son los siguientes:

Bloqueo de computadores

Cada corriente originada en el equipo resulta en una caída de voltaje entre el equipo y tierra. Aunque pequeño, el voltaje de ruido puede ser significativo comparado con los voltajes de señal (de unos pocos voltios) con los que operan los equipos IT. El hardware está diseñado para minimizar la sensibilidad de este tipo de perturbaciones pero no pueden eliminarse completamente, especialmente cuando la frecuencia del ruido se eleva. Los protocolos de comunicaciones modernos tienen algoritmos de corrección y detección integradas, requiriendo la retransmisión de datos recibidos erróneamente – y consecuentemente reduciendo el rendimiento de los datos. Como resultado, los PCs a menudo trabajan más lentamente o se bloquean, un problema frecuente en los ambientes de oficinas de hoy.

En una red TN – C, el conductor de tierra-neutro activamente transporta corriente, creando una caída de voltaje. El plano de referencia de tierra de diferentes computadores en diferentes suelos no tiene siempre el mismo potencial. Las corrientes fluirán, por ejemplo a lo largo de pantallas de cables de datos, conectados a tierra en los extremos terminales para cumplimiento con las exigencias de compatibilidad electromagnética.

Parpadeos en pantallas

Las corrientes de armónicos de triple-n se suman en el conductor neutro. En una configuración TN-C el neutro y el conductor de protección están combinados y conectados en muchos lugares a la estructura del edificio. Como resultado, las corrientes de retorno del neutro pueden circular hacia cualquier lugar en la estructura metálica del edificio y crear campos magnéticos no controlados e incontrolables. En casos extremos, estos campos pueden originar parpadeos de las pantallas del computador. La corriente de neutro siempre necesita retornar al acoplamiento común usando un conductor separado como en los sistemas TN-S y TN-C-S. En realidad, la disciplina de tener uno y solo un punto de conexión de tierra- neutral en la instalación mejora la seguridad y la compatibilidad electromagnética.

Parpadeos en iluminación

Los cambios en voltaje de corta duración, dan como resultado conmutación, cortocircuitos y cambios de carga que pueden resultar en parpadeos de iluminación. La magnitud permisible del parpadeo de iluminación está regulado por normas internacionales, basándose en criterios de percepción. Un parpadeo excesivo puede causar migrañas y es responsable del llamado síndrome del edificio enfermo.

Sobrecalentamiento de transformadores a cargas moderadas

Los armónicos pueden causar pérdidas adicionales en el transformador. Cuando el transformador está próximo a la carga máxima, estas pérdidas pueden llevar a un fallo prematuro debido al sobrecalentamiento y puntos calientes en el devanado. Con la tendencia actual de empujar los equipos a límites más duros, y la polución de armónicos incrementándose en las redes de bajo voltaje, este problema está ocurriendo incluso más frecuentemente.

Las pérdidas en los transformadores se deben a pérdidas magnéticas perdidas en el núcleo, y corrientes parásitas y pérdidas resistivas en los devanados. De estos, las pérdidas por corrientes parásitas son la mayor preocupación cuando los armónicos están presentes, ya que se incrementan aproximadamente con el cuadrado de la frecuencia. En un edificio con cargas mixtas típicas, las pérdidas por corrientes parásitas son alrededor de 9 veces más altas de lo esperado, doblando aproximadamente las pérdidas de carga totales.

Motores de inducción

Los armónicos de voltaje causan pérdidas extra en motores de inducción conectados en línea directa. El 5º armónico crea un campo de contra-rotación, mientras el 7º armónico crea un campo rotatorio más allá de la velocidad síncrono del motor. Los pulsos del par resultante causan desgastes y rotura en los acoplamientos y rodamientos. Ya que la velocidad es fija, la energía contenida en estos armónicos se disipan como calor extra, resultando un envejecimiento prematuro. Las corrientes de armónicos son inducidas en el rotor causando un mayor exceso de calentamiento. El calor adicional reduce el hueco de aire del estator/rotor, reduciendo la eficiencia incluso más.

Los dispositivos de velocidad variable causan su propio rango de problemas. Tienden a ser sensibles a las caídas bruscas de tensión, causando perturbaciones en líneas de fabricación sincronizadas. A menudo se instalan a alguna distancia del motor, y pueden causar picos parásitos de voltaje debido a la brusca elevación del voltaje.

Debe tenerse un especial cuidado en el arranque de los motores tras una caída brusca de voltaje cuando el motor está operando normalmente muy próximo a plena carga. El calor extra de la corriente de irrupción al arranque puede causar que el motor caiga. El dimensionamiento óptimo de los motores tendrá en cuenta:

• Que el motor se ha diseñado para funcionar con una eficiencia de aproximadamente el 70 % de la carga.
• Que si la frecuencia del voltaje cae, puede esperarse que el voltaje reanude operación.

Sobrecalenamiento de conductores debido al efecto piel

Todos los armónicos causan pérdidas adicionales en los conductores de fase. El efecto piel, que es despreciable a 50 Hz, comienza a jugar un papel a partir de 350 Hz. Por ejemplo, un conductor con un diámetro de 20 mm tiene un 60 % más de resistencia aparente a 350 Hz que su resistencia DC. La resistencia incrementada, e incluso más, la reactancia incrementada (debido a una frecuencia más alta), resultarán en una caída de voltaje incrementada y una distorsión de voltaje incrementado.

Funcionamiento correcto del equipo de control de procesos

Una distorsión de armónicos severa puede originar un cruce en el cero adicional dentro de un ciclo de onda sinusoidal, afectando a equipos de medición sensibles. La sincronización de equipos de control de procesos en fabricación continua puede ser distorsionada y los PLC pueden bloquearse.

Congestión de redes de datos

Las corrientes de pérdidas a tierra causan pequeñas caídas de voltaje a lo largo del conductor de tierra. En una red TN-C, el conductor neutro-tierra combinado constantemente llevará corrientes significativas, dominadas por armónicos triple-n. Debido a un uso incrementado de las señales de bajo voltaje en los equipos TI, la tasa de errores de bit se incrementa, hasta el punto que la red puede bloquearse.

Problemas con equipos de corrección del factor de potencia

Las frecuencias de armónicos pueden coincidir con frecuencias resonantes del equipo de corrección del factor de potencia e inductancia perdida combinados, creando un excesivo voltaje o corriente y llevando a fallos prematuros.

Problemas con líneas largas específicas o cuando se conmutan cargas pesadas

Las líneas largas de conductores producen impedancias más altas, originando perturbaciones en las corrientes de irrupción, por ejemplo cuando arrancan motores pesados, o cuando se conmutan computadores. Las corrientes de armónicos generados por variadores de velocidad variables, o fuentes de alimentación a modo de conmutación, se localizan al final de las líneas largas, resultando una distorsión de armónicos mayor. Por lo tanto, las líneas de potencia largas deben sobredimensionarse para disminuir la caída de tensión. Por el lado del beneficio, las líneas sobredimensionadas tendrán pérdidas más bajas.

Neutros sobrecargados

En un circuito trifásico, hay 3 conductores activos, y un conductor de retorno, que transporta el desequilibrio entre las tres fases. Sin embargo, añadiendo un armónico triple-n, fluyen corrientes significativos a través del conductor neutro. Como en el pasado muchos conductores neutros se colocaban con la mitad de sección; esta situación puede llegar a sr crítico, incluso cuando los conductores de fase están operando bien por debajo de la carga nominal.

Falsos disparos de los dispositivos de protección

Las corrientes de irrupción pueden disparar los interruptores de circuitos. El motivo es que los interruptores pueden no sumar correctamente las corrientes contenidas en armónicos varios y fundamentales y provocar disparos erróneamente. Las corrientes de pérdidas pueden alcanzar el umbral que causa que los dispositivos de corrientes residuales se disparen.

Ver 2ª PARTE