La importancia de tener una buena calidad de la energía

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Idealmente, el mejor suministro eléctrico sería una forma de onda de voltaje sinusoidal de magnitud y frecuencia constante. Sin embargo, debido a la impedancia distinta de cero del sistema de suministro, a la gran variedad de cargas que se pueden encontrar y a otros fenómenos como transitorios y  así como los cortes de energía, la realidad suele ser diferente. La calidad de la energía de un sistema expresa hasta qué punto un sistema de suministro práctico se parece al sistema de suministro ideal.

Si la calidad de energía de la red es buena, todas las cargas conectadas funcionarán de manera satisfactoria y eficiente. Los costos de instalación y la huella de carbono serán mínimos.

Si la calidad de energía de la red es mala, las cargas conectadas a ella fallarán o tendrán una vida útil reducida, y la eficiencia de la instalación eléctrica se reducirá. Los costos de funcionamiento de la instalación y la huella de carbono serán altos y/o la operación puede no ser posible en absoluto.

Para caracterizar la Calidad de la Energía, se han definido diferentes índices que serán revisados ​​más adelante en este artículo.

Coste de la pobre calidad de la energía

La mala calidad de la energía se puede describir como cualquier evento relacionado con la red eléctrica que, en última instancia, resulte en una pérdida financiera. Las posibles consecuencias de una mala calidad de la energía incluyen (Fig.1):

  1. Fallos inesperados de la fuente de alimentación (disparo de interruptores, fusibles fundidos).
  2. Fallo o mal funcionamiento del equipo
  3. Sobrecalentamiento de equipos (transformadores y motores entre otros) que reducen su vida útil.
  4. Daños a equipos sensibles (PC y sistemas de control de línea de producción por ejemplo).
  5. Interferencias de comunicación electrónica y de equipos de monitoreo.
  6. Aumento de pérdidas del sistema.
  7. Necesidad de sobredimensionar las instalaciones para hacer frente a la tensión eléctrica adicional con el consiguiente aumento de los costos de instalación y funcionamiento y una mayor huella de carbono asociada.
  8. Sanciones impuestas por las empresas de servicios públicos porque el sitio contamina demasiado la red de suministro.
  9. Rechazo de la conexión de nuevos sitios porque el sitio contaminaría demasiado la red de suministro.
  10. Impresión de inestabilidad de la sensación visual inducida por un estímulo de luz cuya luminancia o distribución espectral fluctúa con el tiempo (parpadeo)
  11. Problemas de salud y reducción de la eficiencia del personal 

Posibles problemas de una mala calidad de la energía

Se pueden definir los siguientes factores principales que contribuyen a la baja calidad de la energía de baja tensión:

  • Potencia reactiva, ya que carga el sistema de alimentación innecesariamente.
  • Distorsión armónica, ya que provoca un estrés adicional en las redes y hace que las instalaciones funcionen con menor eficiencia.
  • Desequilibrio de carga, especialmente en aplicaciones de edificios de oficinas, ya que las cargas desequilibradas pueden dar como resultado un desequilibrio de voltaje excesivo que causa estrés en otras cargas conectadas a la misma red y conduce a un aumento de la corriente neutra y la acumulación de tensión neutra a tierra.
  • Variaciones de voltaje rápidas que provocan parpadeo.

Todos estos fenómenos conducen potencialmente a un funcionamiento ineficaz de las instalaciones, tiempo de inactividad del sistema y una vida útil reducida del equipo y, en consecuencia, altos costes de funcionamiento de la instalación.

Si debido a la mala calidad de la energía se detiene la producción, se incurre en costos mayores.

Además de la pérdida financiera debido a las "paradas de producción", se puede identificar otro factor del costo de la mala calidad de la energía mediante el análisis de las pérdidas de kWh adicionales que existen debido a la presencia de contaminación armónica en los componentes típicos de la red, como transformadores, cables y motores. Como esta pérdida tiene que ser suplida por las centrales eléctricas, se le puede asignar una pérdida financiera y emisiones de CO2. Los valores exactos de esta pérdida dependen de la situación local de las tarifas de kWh y de las formas en que se genera la energía eléctrica (por ejemplo, las plantas de energía nuclear casi no tienen huella de CO2 por kWh generado en comparación con las plantas de energía de carbón para las cuales la huella es grande, alrededor de 900 -1000 g / kWh producidos [1].

Un posible método para cuantificar teóricamente las pérdidas extra introducidas por los armónicos en los transformadores es utilizar el estándar IEEE C57.110 [3]. El impacto calculado dependerá de la situación local, pero se alcanzan fácilmente cifras como algunos miles de dólares / año. Esto corresponde a unas pocas decenas de emisiones de CO2 / año. En consecuencia, se puede concluir que en instalaciones donde están presentes cargas contaminantes armónicas significativas, los costos de funcionamiento pueden ser significativos.

La mayor parte de la distorsión armónica hoy en día se crea como corriente armónica producida por cargas en instalaciones individuales. Esta corriente armónica, inyectada en la impedancia de la red, se transfiere a voltaje armónico (ley de Ohm); que se aplica a todas las cargas dentro de la instalación de ese usuario. Como resultado, el usuario que emplea cargas armónicas puede sufrir problemas de calidad de la energía. Además, al no ser filtrada, la corriente armónica producida en una instalación fluye a través de los transformadores de alimentación hacia el suministro de la red pública y también crea una distorsión armónica de voltaje en la red pública. Como resultado, cualquier usuario de la red eléctrica conectado al mismo suministro se verá afectado por la contaminación creada por otro cliente de la red pública y podría sufrir consecuencias operativas en su propia instalación debido a esto.

Para limitar este tipo de problemas, la mayoría de las empresas de servicios públicos han adoptado normas / regulaciones de Calidad de Energía que deben ser respetadas por los usuarios de la red de suministro. En casos extremos, el incumplimiento de estas normativas conlleva el rechazo de la conexión de una nueva instalación, lo que a su vez puede tener un impacto significativo en la producción y la pérdida de ingresos de la empresa.

Parámetros y terminología de calidad de energía 

Potencia reactiva y factor de potencia (cos φ)

En un suministro de AC, la corriente a menudo se desfasa del voltaje de suministro. Esto conduce a diferentes definiciones de potencia (Fig.2):

La potencia activa P [kW], responsable del trabajo útil, está asociada a la parte de la corriente que está en fase con la tensión.

La potencia reactiva Q [kvar], que sostiene el campo electromagnético utilizado para producir P. El funcionamiento de un motor es un intercambio de energía (por unidad de tiempo) entre componentes reactivos del sistema eléctrico (condensadores y reactores). Está asociado con la parte de la corriente que está desfasada en 90 ° con el voltaje.

La potencia aparente S [kVA], que da una combinación geométrica de las potencias activa y reactiva, puede verse como la potencia total extraída de la red.


The Importance of Good Power Quality_figure2
Potencias básicas en un sistema AC

La relación entre la potencia activa y la potencia aparente se denomina a menudo factor de potencia de desplazamiento o cos y da una medida de la eficiencia de la utilización de la energía eléctrica. Un cos φ igual a 1 se refiere a la transferencia más eficiente de energía útil. Un cos φ igual a 0 se refiere a la forma más ineficiente de transferir energía útil.

Distorsión armónica

La contaminación armónica a menudo se caracteriza por la distorsión armónica total o THD, que por definición es igual a la relación entre el contenido armónico RMS y el fundamental:


donde Vk es el k-ésimo componente armónico de la señal V.

Esta cantidad, expresada en%, es muy útil cuando el componente del valor fundamental se da o se conoce implícitamente. En consecuencia, la THD es información particularmente relevante para la tensión (como se conoce la tensión nominal). Para poder medir la THD de la corriente, es imperativo que se defina una referencia de corriente de frecuencia fundamental.

Desequilibrio de voltaje

En la teoría de componentes simétricos, Fortescue ha demostrado que cualquier sistema trifásico se puede expresar como la suma de tres conjuntos simétricos de fasores balanceados: el primer conjunto tiene la misma secuencia de fase que el sistema inicial (secuencia de fase positiva), el segundo conjunto tiene la secuencia de fase inversa (secuencia de fase negativa) y la tercera que consta de tres fasores en fase (secuencia de fase cero o componentes homopolares).

Un suministro trifásico normal tiene las tres fases de la misma magnitud pero con una fase desplazada en 120 °. Cualquier desviación (magnitud o fase) de una de las tres señales dará como resultado un componente de secuencia de fase negativa y / o un componente de secuencia de fase cero.

La definición de desequilibrio de voltaje generalmente se expresa como la relación entre el componente de secuencia de fase negativa y el componente de secuencia de fase positiva. Este parámetro se expresa en%. (Estrictamente hablando, la parte homopolar también debe considerarse en la definición. Sin embargo, dado que la secuencia de fase negativa es la más relevante para causar daños a los motores en línea directa al crear un par inverso, históricamente la definición de desequilibrio a menudo se limita al expresado en este párrafo).

Parpadeo (Flicker)

Según el Vocabulario Electrotécnico Internacional (IEV) [2] del Comité Electrotécnico Internacional (IEC), el parpadeo se define como "Impresión de inestabilidad de la sensación visual inducida por un estímulo de luz cuya luminancia o distribución espectral fluctúa con el tiempo". Desde un punto de vista más práctico, se puede decir que las fluctuaciones de voltaje en la red de suministro provocan cambios en la luminancia de las lámparas, que a su vez pueden crear el fenómeno visual llamado parpadeo. Si bien un pequeño nivel de parpadeo puede ser aceptable, por encima de cierto umbral se vuelve molesto para las personas presentes en una habitación donde existe el parpadeo. El grado de molestia aumenta muy rápidamente con la amplitud de la fluctuación. Más adelante, a ciertas tasas de repetición de la fluctuación de voltaje, incluso las pequeñas amplitudes de fluctuación pueden resultar molestas.

La influencia del fenómeno del parpadeo en las personas es compleja de analizar dado que depende no sólo de aspectos técnicos como las características de la lámpara a la que se aplica el voltaje fluctuante sino también de la apreciación del fenómeno por parte del ojo / cerebro de cada individuo. Ya se han realizado muchas investigaciones en este campo, p. Ej. por la Unión Internacional de Electrocalentamiento (UIE). Dos resultados del trabajo realizado fueron la producción de curvas de parpadeo y la especificación de un medidor de parpadeo. La especificación original se presentó en la IEC 868 [3] que ahora ha sido reemplazada por la IEC 61000-4-15 [4].

Se definió un factor de gravedad de parpadeo P (* 1). P puede evaluarse cada 10 minutos (Pst, donde "st" significa corto plazo) o 2 horas (Plt, donde "lt" significa largo plazo). Un nivel de gravedad de parpadeo de uno corresponde a un nivel de parpadeo que irrita al 50% de las personas de prueba y se define como el umbral de irritabilidad. Las curvas de parpadeo generalmente muestran la magnitud de fluctuación de voltaje rectangular que produce para una cierta frecuencia de fluctuación un nivel de severidad de parpadeo de uno. A veces, también se muestra el umbral de percepción de parpadeo, que es más bajo que el umbral de irritabilidad. Como ejemplo de una curva de parpadeo, considere la Fig. 3 que muestra la curva Pst = 1 para un sistema de 220 V.

(* 1) Otro factor de gravedad del parpadeo que se utiliza a veces es A, que está relacionado con P como A = P ^ 3


Curva de parpadeo que muestra el umbral de irritabilidad (Pst = 1) para una bombilla incandescente de 60 W conectada a un sistema de alimentación de 220 V

Regulaciones

Las regulaciones de los servicios públicos para la contaminación armónica a menudo se basan en trabajos reconocidos internacionalmente realizados por organismos independientes de renombre que han definido límites máximos de distorsión permitidos para el funcionamiento adecuado del equipo. En las Refs. Se dan ejemplos comúnmente citados de dichos documentos que tratan sobre la contaminación armónica. [5] - [7].

En general, el principio de la normativa es el siguiente:

  1. Limite la contribución de la distorsión de voltaje total (THDV) que puede crear un cliente. En esto se tiene en cuenta que si el nivel totalmente aceptado de distorsión de voltaje es, por ejemplo, 5% (de la tensión fundamental), este límite debe dividirse entre todos los usuarios conectados. Posiblemente también se impongan límites para componentes de voltaje armónico individuales (por ejemplo, límite máximo del 3% para voltajes armónicos individuales).
  2. Conversión de los límites de distorsión de voltaje en límites de corriente que se aceptan para fluir hacia el sistema de suministro. Los límites de corriente se pueden verificar fácilmente mediante la medición.

Los límites impuestos por las compañías de servicios públicos siempre se aplican en el “punto de acoplamiento común” (PCC), que se define como el punto de interconexión entre el suministro de energía pública y la instalación del usuario. En la mayoría de los casos, esto es a nivel de MV. Sin embargo, a menudo, los consultores de proyectos imponen que los límites estándar de la empresa de servicios públicos se apliquen al nivel del bus de BT, ya que su principal preocupación es tener niveles de distorsión aceptables en ese punto de la red para que las cargas de BT funcionen sin problemas.

Para limitar la cantidad de potencia reactiva, muchas empresas de servicios públicos impondrán valores mínimos de cos φ para una instalación. Si el cos φ de la instalación es inferior a este valor, se aplicará una penalización. Un problema específico en esta área es la situación en la que se usa energía verde localmente (por ejemplo, paneles fotovoltaicos en una fábrica) para producir energía activa, lo que resulta en una disminución del valor del cos de la energía extraída del suministro por el resto de los planta (ya que los paneles fotovoltaicos reducen el consumo de energía activa, pero la potencia reactiva no se modifica). Por lo tanto, en algunos países, las empresas que invierten en energía verde son penalizadas indirectamente por la empresa de servicios públicos por este enfoque.

Para limitar los problemas debidos a tensiones y corrientes desequilibradas, las empresas de servicios públicos suelen limitar el desequilibrio de tensión máximo de la tensión de la red (por ejemplo, hasta un 2% [10]). En instalaciones de baja tensión (p. Ej., Centros de datos) no es infrecuente encontrar límites en la tensión de neutro a tierra (p. Ej., 2 V máx.) Para garantizar el correcto funcionamiento del equipo conectado.

Para garantizar el cumplimiento de las regulaciones de armónicos impuestas por las empresas de servicios públicos o los consultores, y para hacer que una instalación sea más confiable y eficiente, puede ser necesario instalar equipos de compensación. El diagrama unifilar genérico (SLD) de dicha instalación se convierte entonces en:


SLD genérico de una instalación

Para resolver los problemas de Power Quality, PQS de Colombia ofrece  diferentes servicios y soluciones. Desde la revisión de los posibles problemas que pueda tener una empresa en su planta de producción, oficinas o Data Center entre otros a través de una auditoría de Calidad de la Energía; hasta la implementación de proyectos con equipos que solucionan estos problemas. Una solución simple con el uso de un supresor PQ Global para reducir la distorsión armónica generada por apagones o mala calidad del suministros de energía pública puede disminuir los costos por paradas de producción inesperadas o daños en los equipos. 

También existen soluciones más complejas que no solo previenen los daños ocasionados por lo problemas de calidad de energía sino que dan soporte de energía y protegen equipos con mayor criticidad, para saber si una UPS Mitsubishi es la solución que necesita puede leer el artículo Que se debe tener en cuenta para escoger la mejor UPS para su aplicación  


Referencias:

[1] French Nuclear Energy Society, “Le contenu en CO2 des differéntes filières de production d‟électricité: des questions et des réponses”, Revue Générale Nucléaire, N. 1, 2000

[2] IEC 60050-161, ‘International Electrotechnical Vocabulary (IEV) – Chapter 161: Electromagnetic compatibility’, IEC publication, 09 – 1990

[3] IEC 868, ‘Flickermeter: Functional and design specifications’, International Standard, IEC publication, 1986

[4] IEC 61000-4-15, ‘Electromagnetic compatibility – Flickermeter – Functional and design specifications’, International Standard, IEC publication, 11 – 1997

[5] IEEE Standard 519-1992, “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems”, IEEE, New York, NY, USA, 1993.

[6] Recommendation G5/4, “Limits for Harmonics in the UK Electricity Supply System”, The Electricity Council Chief Engineers Conference, United Kingdom.

[7] Technical Report IEC 61000-3-6, “ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY (EMC) – Part 3: Limits – Section 6: Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems”, International Electrotechnical Commission., October 1996.