Aplicaciones prácticas para los registros de la tensión monofásica

07-11-2013 | Calidad eléctrica

Por Cliff Asbill, calidad eléctrica del Fluke

Las instalaciones de todo tipo, desde las industriales, pasando por las comerciales y hasta las grandes zonas residenciales, a menudo comparten un problema común: el nivel y la estabilidad de la tensión. Que el problema merezca que se aplique un proceso de solución de problemas depende de la sensibilidad a la hora de crear cargas y del grado de variaciones de la tensión.

Por ejemplo, el nivel de tensión puede convertirse en un problema en un área en donde se conectan muchas cargas o edificios con una conexión de servicios públicos común. Para mantener la tensión adecuada al final de la línea, los servicios públicos normalmente establecerán la tensión por encima del valor nominal. A medida que se añadan y eliminen cargas, la tensión caerá o se elevará. Esto hace que sea posible que la tensión se eleve más del 10 % en la entrada de una área a medida que las cargas se van eliminando. Y, a medida que las cargas se añadan, la tensión podrá descender más del 10 % al final de la línea.

Fluke VR1710

La estabilidad de la tensión puede ser un problema en áreas en las que las cargas se producen a lo largo de ciclos activos e inactivos durante el día. Los grandes compresores y motores, las máquinas soldadoras, los hornos de arco, los capacitores de corrección del factor de potencia y otras grandes maquinas eléctricas, junto con la impedancia del sistema, pueden causar fluctuaciones de tensión y transitorios.

En entornos industriales, grandes cargas harán que la tensión fluctúe cuando estas arrancan. Por ejemplo, el encendido de motores puede causar bajadas de la tensión y los capacitores de corrección del factor de potencia pueden causar transitorios en la tensión. O bien, un gran horno de arco puede hacer que la tensión baje cuando este empiece a funcionar. O bien, las máquinas de soldar pueden causar transitorios en la línea al usarse. Todos estos problemas pueden causar problemas con los sistemas de control como los P LC, computadoras u otros equipos de oficina.

Los edificios comerciales, especialmente los de grandes dimensiones, tienen también sus problemas con la tensión. Las unidades de acondicionamiento de aire y los sistemas de aire condicionado son de uso obligado para la seguridad y el confort de sus ocupantes. El problema es que estos sistemas pueden causar bajadas de tensión o transitorios a medida que siguen sus ciclos de activos e inactivos (especialmente, durante periodos de gran demanda). En un edificio de oficinas de gran elevación, aumentar las cargas en los primeros pisos hará que la tensión baje en los pisos de arriba, lo que afectaría a las computadoras, fotocopiadoras y los demás equipos de oficina.

Los hospitales de hoy en día son especialmente vulnerables a los problemas de tensión. Las máquinas de rayos X, las TAC, los equipos de radioterapia y prácticamente todos los equipos de análisis y monitoreo de los pacientes son sensibles a los problemas de tensión. Antes de su instalación, muchos de estos elementos requieren confirmación de un nivel estable y correcto del suministro de la tensión. Algunos pueden también causar problemas con la tensión en otros sistemas, tales como laboratorios, ordenadores y equipo de oficina.

Para resolver estos problemas, un registrador de tensión monofásica es, a menudo, el primer paso más sencillo. Establezca el intervalo, conéctelo al circuito en cuestión y deje que se registren los datos. A continuación, después de que las cargas sospechosas hayan seguido ciclos activos e inactivos durante un periodo, descargue los datos y use el software para analizar el suministro de tensión, además de para buscar los armónicos, transitorios u otros problemas potenciales. La siguiente valoración usa el registrador de tensión Fluke VR1710 para demostrar este análisis.

Evaluación del circuito para detectar el problema

Tensión

El Fluke VR1710 proporciona dos métodos fáciles para evaluar la estabilidad de la tensión. El primero son los gráficos de tensión.

Fig. 1 Voltage Graph
Figura 1. Gráfico de tensión.

Los gráficos de tensión son una manera muy fácil de evaluar rápidamente la estabilidad y el nivel de la tensión. Por ejemplo, en la figura 1, la tensión máxima es de 126 V y la mínima es de unos 116.5 V. Hoy en día, las empresas públicas intentan mantener una tensión de suministro de ±5 % con un valor nominal de 120 V. Un aspecto interesante de esto es que el efecto sobre los ciclos activos e inactivos de las cargas se hacen fácilmente visibles. Algunos lugares en los que podría apreciarse esto son aquellos en los que los motores eléctricos funcionan por ciclos, los capacitores de corrección del factor de potencia se insertan o se eliminan de una línea, las soldadoras funcionan o se activan otras grandes cargas. En buena medida, esto se debe a las cargas trifásicas, ya que pueden afectar la estabilidad de la tensión monofásica.

El segundo método usa análisis estadísticos para evaluar la estabilidad de la tensión.

Fig. 2 Statistical Analysis
Figura 2. Análisis estadísticos.

En la visualización del análisis estadístico, la media algebraica de la tensión (promedio), µ, se presenta junto a la desviación estándar, σ. Los datos de percentiles son igualmente relevantes. Las tensiones enumeradas a continuación son los puntos en los que se dan el 5 % y el 95 % de los datos siguientes. Por ejemplo, aquí 5 % de las lecturas de tensión está por debajo de los 120.8 V y 95  % de las lecturas de tensión está por debajo de los 123.5 V. Otro modo de verlo sería que el 90 % de las lecturas está entre 120.8 y 123.5 V. Se muestra la tensión mínima y la máxima además de qué porcentaje de las lecturas se encuentra fuera de -15 % y hasta +10 % (de 85 % y 110 %) de la tensión nominal ±10 % (entre el 90 % y el 110 %) de la tensión nominal.

Armónicos

Los armónicos siguen siendo una preocupación para con el sistema eléctrico debido a la abundancia de dispositivos electrónicos en uso hoy en día. En instalaciones comerciales, industriales y de hospitales hay computadoras, controles medioambientales, equipo de fabricación, laboratorio y equipo de tratamiento de pacientes que generalmente generan armónicos. Los armónicos que producen se deben a una distorsión de la forma de onda de la corriente. Puesto que las empresas públicas ofrecen una tensión relativamente limpia y el VR1710 no mide la corriente, ¿cuál es la ventaja de observar los armónicos de la tensión? Comencemos por recordar que todos los sistemas eléctricos tienen una impedancia característica (resistencia) basada en el tamaño y la longitud del cableado, las conexiones, los protectores de circuito y el sistema de conmutación. A medida que aumentan las cargas (corrientes), se producirán bajadas de tensión a través de esta impedancia. Si estas corrientes se producen en las frecuencias de los armónicos, las bajadas de la tensión producidas también se darán en las frecuencias de los armónicos, por lo tanto, inducirán una tensión de armónicos dentro del sistema eléctrico. Esta distorsión de la tensión puede ocasionar problemas en computadoras y otros aparatos electrónicos. Por ejemplo, si la distorsión de la tensión causa la tensión pico a 50 o 60 Hz, disminuirla podría afectar el suministro eléctrico en computadoras y otros equipos de oficina, lo que produciría un funcionamiento intermitente.

A continuación, mostramos una vista de los armónicos en la tensión en un sistema en el que ha resultado afectada por las corrientes de carga.

Fig. 3: captura de armónicos
Figura 3. Armónicos.

Aunque es difícil explicar cuándo los armónicos de la tensión causarán un problema, en caso de darse alguno, los armónicos significativos de la tensión pueden indicar la necesidad de realizar un estudio más extensivo sobre la calidad del suministro eléctrico. En este caso, el análisis debe usar un analizador de calidad eléctrica que evalúe tanto la tensión como la corriente, como hace el Fluke 435.

Fluctuaciones rápidas de tensión

Un parpadeo de tensión se describe como "la impresión de inestabilidad de una sensación visual inducida por un ligero estímulo cuya luminancia o distribución espectral fluctúa en el tiempo". El resultado es que las luces que parpadean pueden resultar una molestia de moderada a muy irritante, hasta el punto de incluso causar síntomas físicos en el observador. Dos parámetros clave del parpadeo son el PST (parpadeo a corto plazo) y el PLT (parpadeo a largo plazo). El PST se mide durante un intervalo de 10 minutos y la normativa recomienda una lectura por debajo de 1.0. El PLT se mide durante un periodo de dos doras y la normativa recomienda una lectura por debajo de 0.8.

Captura de un parpadeo de tensión
Figura 4. Parpadeo de tensión.

Frecuencia

Las empresas públicas locales ofrecen una estabilidad de 50 o 60 Hz, dependiendo de la frecuencia de alimentación. Sin embargo, ¿qué pasa si está operando desde un generador? Las variaciones de carga pueden hacer que el RPM cambie y, por tanto, cambie la salida de la frecuencia. El registrador de tensión Fluke VR1710 es una manera fácil de verificar que el generador mantiene una salida correcta. Además de la frecuencia, la unidad también registra la tensión, las bajadas y subidas a medida que las cargas cambian, y monitorea los transitorios de la tensión. A continuación mostramos un gráfico de frecuencia.

Captura de frecuencia
Figura 5. Gráfico de frecuencia.

Transitorios

La aparición de transitorios hace pensar en el impacto de rayos en algún punto de la línea. Sin embargo, hay muchas otras causas, entre las que se incluyen los capacitores de corrección del factor de potencia que se está añadiendo a una línea, grandes motores eléctricos y soldadoras con arco eléctrico. El Fluke VR1710 registra eventos de tensión tan rápidos como 100 µs con la forma de onda de CA. Esto hace que sea fácil ver dónde se ha producido el evento en la forma de onda, qué tipo de evento ha sido y cuál ha sido el nivel de tensión.

Resumen

Con un aumento de la sensibilidad por cargas eléctricas de hoy en día, verificar la calidad de tensión se ha convertido en una necesidad. Si se deja conectado un registrador de tensión como el Fluke VR1710, se pueden registrar los parámetros de tensión principales; analícelos después del hecho con el software Fluke Power Log e imprima un informe.