Una mirada renovada a los fundamentos de la calidad eléctrica

07-11-2013 | Calidad eléctrica

Comprensión de los fundamentos de la manera en que los problemas de calidad eléctrica afectan a la planta, y cómo detectarlos y resolverlos

Por Jack Smith

Si la calidad de la electricidad que consume su planta no es la que debería ser, le está costando a su empresa más de lo que debería. Una mala calidad eléctrica reduce la vida de su equipo, dispara su equipo automatizado y produce un calor extremo que debe eliminarse. Irónicamente, muchos de estos problemas se originan dentro de la planta.

Las muchas caras de los problemas de calidad eléctrica

Entre los problemas de potencia eléctrica que afectan con más frecuencia las plantas industriales están las subidas y bajadas de tensión, y los armónicos, transitorios y desequilibrios entre la tensión y la corriente. Entre las herramientas adecuadas para corregir estos problemas se incluyen conocimientos e instrumentos de pruebas eléctricas que sean los adecuados para cada tarea.

También necesita un diagrama de una sola línea preciso de las instalaciones. El diagrama en una línea identifica las fuentes de alimentación de CA, las cargas a las que abastece y sus clasificaciones. Es su hoja de ruta eléctrica de las instalaciones; es casi imposible investigar los problemas de calidad eléctrica sin esto.

Las comprobaciones, mediciones, la solución de problemas o cualquier otro trabajo realizado en cualquier sistema eléctrico debe efectuarse solo por personal calificado que haya sido formado para llevar a cabo estas funciones de una manera segura, usando los procedimientos adecuados y usando las herramientas de prueba clasificadas para sistemas eléctricos para los cuales se han diseñado.

Caídas

Una caída es una reducción de la magnitud de la tensión de entre 10 y el 90 % de la tensión RMS durante más de 8 milisegundos (medio ciclo a 60 Hz) y menos de un 1 minuto, de acuerdo con el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Equipo industrial tal como controladores lógicos programables (PLC), robots y variadores de frecuencia (VFD) son sensibles a las caídas de tensión.

Más de 50 % de los eventos de caídas de tensión se origina desde dentro del mismo edificio debido a aumentos en los requisitos de corriente, como al encender grandes cargas inductivas (normalmente motores) que crean condiciones de corriente de arranque temporales. Sin embargo, las caídas de tensión también se producen a raíz de eventos externos. La mayoría de los eventos externos que generan caídas de la tensión está relacionada con la naturaleza. Pero algunos se producen debido a un comportamiento humano descuidado.

Detectar caídas de la tensión puede ser todo un reto, pues es difícil predecir cuando van a producirse. Se puede usar la función MÍN./MÁX. de un multímetro digital (DMM) para detectar caídas aisladas en los peores casos de 100 milisegundos o más, al tiempo que se va energizando la carga. En caso de sospechas de caídas recurrentes, use la función de tendencias de subidas y bajadas en un analizador de calidad eléctrica de gama alta.

Si necesita "documentar" los eventos de calidad eléctrica durante más tiempo, hay registradores de eventos disponibles en el mercado que pueden registrar caídas, subidas, cortes, transitorios y desviaciones de frecuencia durante varias semanas.

Corregir los problemas que provocan caídas de la tensión normalmente se reduce a aplicar las mejores prácticas de la ingeniería eléctrica. Por ejemplo, el cableado debe ser el adecuado para las cargas que alimentan. Minimice la impedancia de la fuente limitando la longitud de los trayectos del alimentador a los subpaneles. No disponga los subpanel en cascada en otros subpaneles. Reduzca la carga en el panel si es necesario y posible. Los transformadores no deben sobrecargarse, puesto que dicha sobrecarga también puede aumentar los armónicos.

Corrija antes los problemas del cableado o de la carga. Cuando su planta está en orden, puede perseguir otras soluciones que mitiguen las caídas, tales como los reguladores de la tensión y los transformadores de tensión constante.

Armónicos

Los armónicos son múltiplos de una frecuencia fundamental. Causan problemas cuando se combinan con la forma de onda eléctrica fundamental. Cuando los armónicos se combinan con los elementos fundamentales, distorsionan la onda sinusoidal.

Los dispositivos que conducen la corriente durante menos que toda la onda sinusoidal de tensión son cargas no lineales y, en consecuencia, generan armónicos. Esto incluye cualquier dispositivo con un rectificador, y dispositivos con que generen pulsaciones, como los VFD, balastos electrónicos, equipo de pruebas electrónico y fuentes de alimentación conmutadas.

Puesto que la corriente de armónicos que fluye por las impedancias del sistema genera la distorsión de la tensión de los armónicos, también crea bajadas de la tensión. En casos graves, esta distorsión de la tensión puede causar disparos térmicos de los relés y los dispositivos de protección, además de errores lógicos en los PLC y los VFD. A medida que la distorsión de la tensión aumenta, las cargas lineales empiezan a formar una corriente de armónicos. En motores, algunas de estas corrientes de armónicos (entre las cuales, las más relevantes son el quinto y el séptimo armónico) crean giros de la torsión en el motor, lo cual hace que se forme más corriente, que, a su vez, disminuye la eficacia del motor y que aumenta la temperatura; el resultado es que se reduce la vida del motor.

Mida los armónicos en el punto de acoplamiento común usando un analizador de la calidad eléctrica o un analizador de armónicos. Para capturas sencillas puede usar un DMM de gran calidad para medir la tensión de los armónicos o una pinza amperimétrica de gran calidad para medir la corriente de armónicos. Sin embargo, el DMM y la pinza amperimétrica deben ser True RMS, puesto que las herramientas de pruebas True RMS son necesarias para mediciones precisas de formas de onda distorsionadas.

Muchos VFD de 6 pulsaciones generan los armónicos quinto y séptimo. No obstante, los variadores de 12 y 18 pulsaciones ayudan a reducir los armónicos porque, a medida que aumenta el número de pulsaciones, sus amplitudes disminuyen. Otras soluciones para mitigar los armónicos generados por el variador incluyen obturadores o filtros pasivos en el entremos frontal, filtros atrapa-armónicos y filtros activos.

Transitorios

Los transitorios son "trayectos" momentáneos de la tensión que suben por encima de la onda sinusoidal normal. Sus magnitudes pueden ser entre 5 y 10 veces superiores a la tensión del sistema nominal. Los transitorios son diferentes a las sobretensiones. Una sobretensión es un transitorio con una gran capacidad energética, que normalmente está asociado con la caída de rayos.

La mayoría de los eventos que causan transitorios ocurre dentro de la planta. Entre estos se incluyen la conmutación del capacitores, las interrupciones de la corriente, operaciones electrónicas, soldaduras en arco, cierres de contactos y relés, y cargas que se inician o que se desconectan.

De acuerdo con el Departamento de Energía de EE. UU., las causas más habituales de los desequilibrios en la tensión incluyen:
  • Banco de transformadores desequilibrado que suministra una carga trifásica demasiado grande para el banco
  • Cargas monofásicas distribuidas de manera desigual dentro del mismo sistema de potencia
  • Errores sin identificar en la conexión monofásica de la toma a tierra
  • Un circuito abierto en el sistema de distribución principal

Cuando las tensiones de los transitorios exceden las clasificaciones del aislamiento eléctrico, el estrés puede llevar a una ruptura dieléctrica del aislamiento gradual o a una posible falla abrupta. Los transitorios también deterioran los componentes en estado sólido. Un único transitorio de gran energía puede punzar una de unión de estado sólido, y, en ocasiones, transitorios repetitivos de baja energía pueden tener el mismo efecto.

Se pueden también detectar transitorios de baja velocidad usando las mismas herramientas y técnicas que usaría para detectar caídas. Casi todos los equipos electrónicos fabricados en las últimas tres décadas incluyen algunos niveles de protección contra los transitorios, generalmente un varistor de óxido metálico. La supresión de sobretensiones de los transitorios (TVSS) proporciona una protección adicional contra los transitorios. Esta protección TVSS puede aplicarse en diversos puntos en todas las instalaciones dependiendo del tipo del equipo de protección. Aplique el equipo de categoría C en la entrada del servicio, el equipo de categoría B en los paneles de distribución, y el equipo de categoría A a nivel de los circuitos individuales.

Desequilibrios de tensión y de corriente

El desequilibrio de tensión es la medición de diferencias de tensión entre las fases de un sistema trifásico. Degrada el rendimiento y reduce la vida de los motores trifásicos. El desequilibrio de tensión en los terminales de estator de motores causa un gran desequilibrio de la corriente, que puede ser de entre 6 y 10 veces el desequilibrio de la tensión. Las corrientes desequilibradas generan pulsaciones de la torsión, un aumento de la vibración y el estrés mecánico, aumento de las pérdidas y sobrecalentamiento del motor.

Los desequilibrios de tensión y corriente también podrían indicar problemas de mantenimiento como conexiones sueltas y contactos desgastados.

Se pueden efectuar mediciones básicas del desequilibrio de tensión monofásica usando un DMM de gran calidad, y sobre el desequilibrio de la corriente monofásica usando una pinza amperimétrica de gran calidad. Las mediciones del desequilibrio precisas y en tiempo real exigen un analizador trifásico de calidad eléctrica que permita resolver los problemas de desequilibrio. Las fallas de circuitos abiertos y de circuitos monofásicos a conexión a tierra son más fáciles de corregir que equilibrar la carga, lo cual normalmente exige cambios correctivos en el diseño a nivel del sistema.

Conclusión

Los problemas de calidad eléctrica a menudo se encuentran relacionados entre sí. Gestiónelos partiendo de un enfoque integral de la planta sin perder de vista cómo afectan a las cargas individualmente. A veces, arreglar un problema de calidad eléctrica puede empeorar otro problema. Observar la imagen completa usando un analizador trifásico de calidad eléctrica le permite corregir las causas que generan problemas de calidad eléctrica, y no solo tratar los síntomas.