Cubriendo las mediciones trifásicas de la calidad eléctrica

Por Randy Barnett

El uso de un analizador de calidad eléctrica trifásica puede ser intimidatorio para aquellos que no estén familiarizados con la calidad eléctrica y este instrumento. Aprenda los conceptos básicos y luego practique.

Si los únicos problemas de la calidad eléctrica los creasen cargas no lineales monofásicas, tales como fotocopiadoras e impresoras, podríamos pensar que el mundo de la medida de calidad eléctrica es mucho más sencillo. Sin embargo, en el mundo en el que vivimos hoy en día, tanto si se están realizando estudios de calidad eléctrica como si se resuelven problemas con los sistemas eléctricos, es necesario disponer de un analizador de calidad de potencia trifásica. Configurar un analizador de calidad eléctrica con cinco cables de tensión y cuatro pinzas amperimétricas para, a continuación, seleccionar de las varias pantallas que ofrece entre más de una decena de diferentes parámetros de medición y registro, puede resultar muy intimidatorio. No obstante, potentes como llegan a ser, los analizadores de calidad eléctrica trifásica como el dispositivo 435 de Fluke son fáciles de usar una vez comprendidos los conceptos básicos de su funcionamiento.

Monitorizar la calidad eléctrica trífasica es fundamental. Tanto si va a resolver misteriosos problemas eléctricos como si proporciona servicios adicionales a un cliente, la potencia trifásica es la que se suministra a clientes comerciales e industriales y la que se distribuye por las instalaciones.

Instalación de un analizador trifásico

Salvo que esté experimentando un problema específico, un buen lugar para empezar para hacer un estudio general de la calidad eléctrica es el punto de acoplamiento común (PCC). El PCC es el punto en el que se encuentran los servicios públicos eléctricos y la interfaz del cliente. A efectos prácticos, el PCC se encuentra en la parte del cliente del contador de facturación del servicio eléctrico. Los analizadores de la calidad de la energía deben usarse en una ubicación segura en bajada de la desconexión principal e instalarse siguiendo todas las prácticas de trabajo seguras.

La pantalla de configuración del analizador de calidad eléctrica 435 de Fluke indica cuál es el cable adecuado del analizador que debe conectarse a determinados conductores específicos dentro del sistema de distribución.

Antes de instalar el analizador trifásico, seleccione la configuración del sistema de distribución en la pantalla de "configuración" del instrumento. El analizador 435 de Fluke ofrece diez configuraciones diferentes. La conexión trifásica Wye es la más usada en instalaciones comerciales y aplicaciones industriales con tensiones de 480Y/277 o 208Y/120. Para evitar confusiones al conectar los cables, utilice los marcadores de colores de los terminales al acoplar la tensión con los cables de las pinzas del color que aparece en la pantalla de configuración del analizador.

Conecte siempre antes el terminal de toma de tierra para mayor seguridad y luego la tensión remanente y los cables de la corriente. Pulse “Osciloscopio” para comprobar que las conexiones se hayan efectuado correctamente y busque la rotación más adecuada al tiempo que verifica que todos los terminales estén conectados correctamente.

La pantalla del Menú proporciona una vista general de las muchas funciones disponibles en el analizador de calidad eléctrica. Seleccione la pantalla adecuada para empezar a monitorizar parámetros.

Medición y análisis de datos

Puede empezar a medir y analizar datos si pulsa Menú y, a continuación, selecciona y configura los parámetros que desea analizar. La pantalla de voltios/amperios/hercios es un buen lugar para empezar y obtener una idea general de las condiciones del sistema. Un valor importante es el del factor de cresta (CF) indicado. El CF es la relación de la tensión de pico con la tensión eficaz (RMS). Si la cantidad de CF cae por debajo de 1,4, indicará la cantidad de aplanamiento de los picos de la onda senoidal. Las ondas senoidales que tienden a aplanarse no permiten que los condensadores del suministro eléctrico se carguen hasta su valor máximo (estos condensadores están diseñados para cargarse a la tensión de pico). Los condensadores que no están completamente cargados pueden ocasionar problemas, desde bloqueos informáticos a alarmas inesperadas del equipo electrónico. En cambio, si el CF se eleva por encima de 1,4 indica otro tipo de distorsión y, si la tensión de pico se eleva demasiado, puede hacer que el componente se rompa. Es importante recordar que un multímetro de verdadero valor eficaz continuaría leyendo valores satisfactorios aunque el CF se hubiese desviado del valor nominal 1,4 de la onda senoidal de la tensión pura para ocasionar problemas en el equipo. Por esta y por otras razones similares, los multímetros digitales no pueden usarse para resolver problemas relacionados con la calidad de la potencia.

Al seleccionar Fluctuaciones desde el menú del analizador 435 de Fluke, el usuario podrá ver y registrar variaciones de la tensión que se hayan sucedido en el tiempo. Las fluctuaciones (referidas como “bajadas” según los estándares europeos) son perturbaciones eléctricas que se producen con bastante frecuencia. Las fluctuaciones son variaciones de tensión de corta duración que bien bajan (caen) o suben (crecen) dentro del sistema de distribución. Las bajadas pueden causar un funcionamiento inadecuado del equipo electrónico, motores que se desconectan de la línea o que incluso hagan que los relés emitan transmisiones repetidas o que caigan. Si estas fluctuaciones siguen produciéndose durante un tiempo, pueden llegar a dañar el aislamiento y causar un fallo de los componentes electrónicos.

Las cargas no lineales, tales como los variadores de frecuencia (VFD) y los sistemas de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) producen tensiones y corrientes de armónicos. Las corrientes de armónicos son frecuencias múltiples íntegras de la frecuencia fundamental (60 Hz). Por ejemplo, el tercer armónico es la tensión y la corriente que fluyen a una frecuencia tres veces mayor que la de 60 Hz, es decir a 180 Hz. El quinto armónico sería corriente a una frecuencia de 300 Hz. Las corrientes de armónicos distorsionan la onda senoidal fundamental (60 Hz), que, a su vez, causa un mal funcionamiento del equipo electrónico. La distorsión total por armónicos (THD) es la suma de las distorsiones creadas por los armónicos y representa la magnitud de la distorsión total. Con una distorsión total por armónicos del 5 %, el funcionamiento de las cargas puede verse afectado. Una THD puede leerse de forma sencilla desde el analizador de calidad eléctrica.

Las corrientes de armónicos, creadas por cargas no lineales tales como los sistemas VFD y SAI, pueden crear una distorsión (THD) excesiva de la onda senoidal de 60 Hz y ocasionar un sobrecalentamiento en los conductores y del equipo. Aísle el origen de los armónicos usando el analizador de calidad eléctrica 435 de Fluke.

La prevalencia de ciertas frecuencias de armónicos puede causar un sobrecalentamiento de los conductores neutros, torsión inversa y el sobrecalentamiento de los motores. Los ciclos normales de las cargas no lineales variarán la frecuencia y la magnitud de las corrientes de armónicos en el sistema de distribución. Si selecciona la función Armónicos desde la pantalla del menú, podrá ver las frecuencias y las amplitudes en curso.

A medida que aumentan los costes por los servicios eléctricos, el uso de la electricidad y la energía en instalaciones se convierte en un problema cada vez mayor. Las sanciones por el factor de potencia pueden ser significativas, alcanzando hasta las decenas de miles de dólares al mes incluso para instalaciones de fabricación de tamaño mediano. El factor de potencia es la relación de la potencia real que se está consumiendo en unas instalaciones (kW) con la potencia aparente (kVA) que los servicios públicos proporcionan. Si se suministra demasiada potencia aparente en comparación con la cantidad utilizada para hacer el trabajo, pueden producirse sanciones por el factor de potencia de los servicios públicos. Al seleccionar Potencia y energía desde la pantalla del menú, se puede leer fácilmente el factor de potencia. Las cargas en motores grandes que causan problemas del factor de potencia pueden aislarse y se pueden instalar condensadores de corrección del factor de potencia, lo cual, a menudo, elimina totalmente las cargos por sanciones debidas al factor de potencia.

Es posible que los clientes comerciales e industriales también deban pagar cargos extra a causa de picos de demanda. Un pico de demanda es la cantidad máxima de kW que se usa durante un periodo de entre quince y treinta minutos. Los servicios públicos miden sus equipos de tal manera que se pueda cubrir esta demanda y generalmente aplican cargos por un uso de los kW basado en los valores de pico de demanda. Con un analizador de la calidad de la electricidad pueden monitorizarse los kW, kVA y kVAR (carga reactiva) para, a continuación, poder tomar decisiones inteligentes sobre cómo gestionar el uso de la energía.

El parpadeo de tensión son ondas irregulares que se perciben a la salida de la luz debido a variaciones en la tensión. Este parpadeo se mide tanto como valores a corto plazo como valores a largo plazo. Un exceso de este parpadeo se traduce en incomodidad para las personas y en posibles cargos por sanciones por parte de los servicios públicos. Seleccionar la pantalla Parpadeo del menú mientras se resuelven problemas con la calidad eléctrica puede ayudar a aislar la fuente que causa este parpadeo como, por ejemplo, soldadores, hornos de arco o generadores cicloconvertidores.

Las tensiones desequilibradas dentro de un sistema trifásico se producen cuando existe una carga desigual entre las tres fases. Colocar demasiadas cargas monofásicas en una sola fase determinada puede ocasionar una tensión menor en esa fase, en comparación con las otras dos. Las tensiones en motores trifásicos serán, por lo tanto, desequilibradas. Los accionadores de frecuencia variable pueden producir un aumento de los armónicos y esto, a su vez, puede afectar a la salida de los accionadores. Un desequilibrio entre tensiones se mide usando la pantalla Desequilibrio y no debe exceder el 2 por ciento sin que se tomen medidas correctivas.

Los transitorios son cambios muy cortos en la tensión que normalmente ocurren durante una fracción de una onda senoidal, pero que pueden crear efectos no deseados. Mientras que un rayo puede considerarse el transitorio más grave, otras causas tales como el funcionamiento de grandes cargas o baterías de condensadores también crean problemas. El fallo del equipo electrónico es uno de los problemas más graves causados por los transitorios. Debido a su propia naturaleza, los transitorios solo pueden capturarse y medirse mediante equipos de monitorización especializados. La función de los transitorios del analizador 435 de Fluke registra niveles de tensión de tal manera que permite monitorizar las condiciones para los transitorios.

Las corrientes de arranque de motores cuando estos arrancan pueden alcanzar entre cinco y siete veces (o más) su velocidad de carga total normal. Estas grandes corrientes pueden causar caídas de tensión significativas en el sistema de distribución, creando los problemas que se han mencionado anteriormente y que son inherentes a dichas caídas de la tensión. Con la función Corriente de arranque del analizador 435 de Fluke, los valores de las corrientes de arranque pueden medirse a lo largo del tiempo durante los ciclos activos e inactivos de los motores.

Los servicios públicos pueden usar su sistema de distribución energético para llevar señales de frecuencia más altas, y activar y desactivar dispositivos (control de rizado). Si se selecciona Trasmisión de señales desde el menú, permite que el analizador 435 de Fluke capture el momento en que se producen estas señales, y ayuda a detectar cualquier sospecha de problemas con las señales.

Si se selecciona la función Registrador desde el menú del analizador 435 de Fluke, ello le permite registrar los diversos parámetros del sistema, incluidos la tensión, el amperaje, la energía y las variaciones del factor de cresta causadas por la distorsión armónica. La capacidad para descargar datos recogidos durante un tiempo concreto y, a continuación, ser capaz de comparar esta información con el funcionamiento del equipo de la planta, tales como motores grandes y cargas no lineales, puede ayudar a resolver e identificar problemas con la calidad de la energía, además de localizar su origen.

Cómo reducir los costes de energía

Los analizadores de calidad eléctrica como el dispositivo 435 de Fluke son herramientas potentes de medición y de registro que no solo pueden diagnosticar y aislar problemas únicos en el sistema de distribución eléctrica, sino que también pueden ayudar a reducir los costes energéticos. El tiempo de retorno por la inversión en este equipo y la formación asociada puede ser insignificante si se toma en consideración el tiempo de inactividad o los daños del equipo. La clave es encontrar un analizador de la calidad eléctrica que mida y registre los datos necesarios, que sea fácil de configurar y de usar para, a continuación, proporcionar la descarga y el análisis de esos datos. Para aquellos que ya están realizando los estudios de calidad eléctrica o para aquellos que estén ansiosos por aprender los aspectos básicos de la calidad eléctrica: qué medir, qué buscar y cómo, el analizador 435 de Fluke es el instrumento perfecto.