Reglas simples para resolver los posibles problemas de calidad de la energía

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En la actualidad, un problema de calidad de energía típico se detecta en el momento en que se presenta un mal funcionamiento que frena la producción o provoca que un sistema conectado a una computadora se reinicie. Seguir algunas reglas simples puede permitir a las personas encargadas de tales responsabilidades mitigar rápidamente la mayoría de estos problemas. Solo requiere un conocimiento básico de la electricidad y cómo se relacionan los diversos parámetros en presencia de cambios causados ​​por cargas, conmutación de servicios públicos y otras fuentes de fenómenos de calidad de la energía. También requiere un sistema de monitoreo de calidad de energía capaz de capturar de manera confiable la información necesaria.

Esta mayor susceptibilidad se basa en una serie de factores, incluidos los niveles de voltaje lógico más bajos, el aumento de las frecuencias de reloj, la interconexión de equipos a través de LAN y el porcentaje creciente de cargas no lineales. Igual de importante es la reestructuración dentro de las empresas eléctricas, industriales y comerciales que han dispersado y, en ocasiones, eliminado a los expertos en PQ dentro de estas organizaciones. El resultado es que hay más problemas para que los manejen las personas con menos experiencia.

Existen dos enfoques diferentes para resolver problemas relacionados con la calidad de la energía: mantenimiento preventivo / predictivo e investigaciones de tipo forense. Ambos enfoques pueden utilizar reglas simples que ayudarán a resolver la mayoría de los problemas relacionados con la calidad de la energía. Si bien las causas más complejas probablemente requerirán el conocimiento de la persona experimentada, podemos decir que, estas son la minoría de los casos.

Antes de entrar en reglas y procedimientos simples, es necesario definir un conjunto común de términos. En Norteamérica, la fuente predominante de estos es la práctica recomendada IEEE 1159 sobre monitoreo de calidad de energía [1]. En Europa, EN50160 junto con los documentos de Características de voltaje de UNIPEDE son buenas fuentes.  

Enfoque de mantenimiento preventivo

 

 

Muchas empresas han utilizado el enfoque de mantenimiento preventivo o proactivo para evitar cargas financieras significativas por la pérdida de productividad. Ya sea que esté monitoreando las salidas de un UPS mientras está fuera de línea o los niveles de armónicos de un transformador que deben reducirse para evitar acortar su vida útil, este enfoque es claramente el método preferido. Sin embargo, a menudo es difícil implementarlo, ya que muchos no ven los beneficios hasta después de que ocurre el desastre.

Realizar un programa de monitoreo de mantenimiento preventivo generalmente implica: planificar / preparar, inspeccionar, monitorear, analizar e implementar una solución. 

 Para el análisis se utiliza un monitor de calidad de la energía que puede realizar un levantamiento preciso. Para ello, el monitor debe tener la capacidad de capturar simultáneamente variaciones RMS ciclo por ciclo, transitorios hasta el nivel de microsegundos y distorsión armónica al menos hasta el cuarto. Las entradas de voltaje de medición deben ser entradas diferenciales de alta impedancia que se puedan usar en circuitos en estrella y delta sin asumir condiciones balanceadas.

Los transformadores de corriente deben tener un ancho de banda adecuado para capturar tanto formas de onda de estado estacionario como transitorias. En la actualidad, es normal encontrar que los transitorios de voltaje se bloquean mediante dispositivos de supresión de sobretensiones, por lo que la forma de detectar transitorios de manera confiable es mediante la activación y el monitoreo de los transitorios de corriente.

El período de seguimiento debe durar al menos un ciclo económico. Un "ciclo económico" es el tiempo que tarda la instalación en repetir el patrón de funcionamiento. En ubicaciones industriales que ejecutan tres turnos idénticos, siete días a la semana, el monitoreo puede llevar solo ocho horas. La mayoría de las instalaciones encontrarán que un ciclo económico es de una semana. Puede ser necesario repetir la encuesta varias veces al año debido a cambios estacionales, como aumentos en la ESD en los meses de invierno o en climas más fríos. El monitoreo también debe realizarse en varios lugares de la instalación. Por lo general, la encuesta comienza en el punto de acoplamiento común (PCC), que es donde el servicio de energía eléctrica se encuentra con el servicio del edificio. A continuación, se realiza el monitoreo en los paneles de distribución de cada piso, seguido de las salidas al final de cada circuito derivado. También se deben incluir datos sobre cargas críticas en la instalación. Si bien esto puede parecer una gran cantidad de datos, tener esta línea de base y el perfil de la instalación será extremadamente útil cuando ocurran perturbaciones futuras.

Los límites sobre los valores aceptables se pueden encontrar en publicaciones como FIPS PUB 94 - Directriz sobre energía eléctrica para instalaciones de ADP, que se muestra en el Apéndice B. Deben observarse las agencias de seguridad locales o las especificaciones del fabricante del equipo, especialmente si son más restrictivas.

El efecto de estar fuera de estos límites dependería de la susceptibilidad del equipo, la “rigidez” del sistema de energía y qué otros factores están presentes al mismo tiempo. No se trata de límites absolutos, sino de referencias para plantear interrogantes. Se recomienda que la tensión de neutro a tierra en un sistema monofásico de 120 V esté entre 0,5 y 3 Vrms. [2] Si el voltaje es cercano a cero voltios, entonces se debe sospechar la presencia de un enlace ilegal de neutro a tierra. Si el voltaje es muy alto, se debe buscar la ausencia de una conexión a tierra o neutro confiable.

La presencia de modulación de voltaje (o fluctuación) puede resultar en un parpadeo de luz, dependiendo de la frecuencia de la modulación. Según EN60868, puede notarse una variación de menos del 1% a 9 Hz con iluminación incandescente. [3] En NEMA MG-1 e IEEE Std 112, recomiendan una reducción del 10% de un motor eléctrico con solo un 3% de desequilibrio de voltaje [4,5]. Con la proliferación de cargas no lineales, como PCS e impresoras, que se colocan en las instalaciones a menudo sin tener en cuenta el mantenimiento de una carga equilibrada, un desequilibrio de voltaje del 3% no es infrecuente.

Es útil el análisis de varios otros parámetros. Se debe revisar la distorsión armónica tanto para corriente como para voltaje. Se debe consultar la práctica recomendada IEEE 519 sobre armónicos en sistemas de potencia y la IEC 1000-4-7 para conocer los límites especificados para amplitudes armónicas individuales y valor de distorsión armónica total. ¿Es la distorsión armónica lo suficientemente grave como para que los transformadores y otros dispositivos inductivos deban reducirse?

Una mirada al espectro armónico de una FFT o DFT puede dar pistas sobre qué tipo de equipo está operando en el circuito y si está funcionando correctamente. Por ejemplo, si hay un alto porcentaje de armónicos pares, esto sugeriría la presencia de rectificación de media onda. Si el equipo en el circuito lo utiliza, entonces ese puede ser un valor aceptable. Sin embargo, si el equipo solo tiene rectificadores de onda completa en las fuentes de alimentación, esto puede indicar que parte del circuito del puente semiconductor no está funcionando correctamente.

Los armónicos para convertidores multipolares generalmente se muestran como pares de armónicos, h = p * n +/- 1, donde h es el número armónico, p el número de polos y n es un número entero de uno en adelante. Por ejemplo, un convertidor de seis polos (rectificador de puente de onda completa trifásico) tendría armónicos en el 5º y 7º, 11º y 13º, 17º y 19º, y así sucesivamente.

Otros dos parámetros a tener en cuenta son la fuente y la impedancia de carga. La impedancia de la fuente se considera como la impedancia equivalente de todo el cableado y las impedancias del transformador (más cualquier carga) mirando hacia la fuente. La impedancia de carga se define aquí como la impedancia equivalente de todas las cargas y circuitos que miran lejos de la fuente.

Se puede obtener una aproximación razonable de estos valores utilizando la fórmula presentada en IEEE Std 1100, Práctica recomendada para la conexión a tierra y alimentación de equipos electrónicos sensibles, también conocida como el Libro Esmeralda [5]. Según la ley de Ohm, que establece que Voltaje = Corriente * Impedancia, la impedancia de carga es igual a V línea a neutro dividido por I línea a neutro. Si bien el valor no es un valor exacto a menos que estén presentes señales de todo el espectro de frecuencias, es útil para determinar el efecto de las cargas que se encienden y apagan.

De manera similar, la impedancia de la fuente es una aproximación obtenida al tomar la diferencia entre dos voltajes en diferentes momentos y dividir ese valor por la diferencia entre dos corrientes al mismo tiempo, o (V1-V2) / (I1-I2). Esto dará un valor útil para determinar qué tan "rígida" es la fuente. También se puede utilizar para calcular la gravedad de un pandeo cuando se encienden varias cargas. Por ejemplo, si la impedancia de la fuente es de 1 ohmio en un circuito de 120 Vrms con carga normal de 10 A, la conmutación de una carga que tiene una impedancia de 11 ohmios dará como resultado una caída de hasta 100 V. Se deben investigar los valores de impedancia de la fuente de más de un ohmio.

Si el analizador de calidad de energía utilizado registra magnitudes armónicas y ángulos de fase a lo largo del tiempo bajo diversas condiciones de carga, también se pueden calcular las impedancias armónicas. Esto puede resultar útil para identificar posibles resonancias con impedancias del sistema, como los condensadores de corrección del factor de potencia.

Durante el período de monitoreo de mantenimiento preventivo, también es posible obtener datos sobre la frecuencia de ocurrencia de fenómenos de calidad de la energía que no son condiciones de estado estacionario, tales como caídas, subidas, transitorios e interrupciones. Estos datos pueden compararse directamente con las especificaciones de susceptibilidad si los proporciona el fabricante del equipo, o compararse estadísticamente con los diversos resultados de encuestas que se han publicado en los últimos años. En la siguiente sección se tratará cómo analizar la causa de la perturbación.

Análisis investigativo

Cubrir el análisis de los datos de calidad de la energía para todas las causas potenciales de los diversos tipos de perturbaciones sería una disertación muy extensa. La siguiente discusión se limita a las caídas ya que normalmente son las más comunes y "son el problema de calidad de energía más importante que enfrentan muchos clientes industriales". [6]

Los pasos para realizar un análisis de investigación son similares a los pasos de mantenimiento preventivo. En el paso del análisis, lo primero que debe hacer al determinar la causa de los hundimientos suele ser determinar si la causa fue del lado de la fuente o del lado de la carga. Esto también se conoce como aguas arriba o aguas abajo, respectivamente, desde el punto de monitoreo. El lado de la fuente generalmente sería la empresa de servicios eléctricos, si se monitorea en el PCC. Si se monitorea al final de un circuito derivado, la fuente podría ser otras derivaciones del mismo alimentador, otros alimentadores dentro de la instalación o el suministro eléctrico de la red pública o del sistema de respaldo.

Fuentes de generación de caídas

Si se consideran solo las caídas generadas en la fuente registradas en el PCC, pueden ser el resultado de problemas a nivel de transmisión, distribución o incluso generación. 

Para determinar que el hundimiento es el resultado de la operación de un sistema de servicio público, es necesario conocer el esquema de eliminación de fallas utilizado por el servicio público, junto con un monitoreo preciso de las formas de onda de voltaje y corriente. En los Estados Unidos, la mayoría de los disyuntores de distribución operan en 3-10 ciclos con una falla de alta corriente. También intentarán volver a cerrar 4-6 veces antes de bloquearse. Un ejemplo de esto se puede ver en la Figura 1.

Al determinar si la amplitud de la corriente se mantuvo constante, aumentó levemente o disminuyó durante la caída de voltaje, generalmente se puede determinar que fue una caída generada por la fuente, no una caída generada por la carga. Con la mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas que no están muy cargadas, la caída de voltaje reducirá el voltaje de entrada a la fuente de alimentación a un valor menor que el nivel de voltaje en el condensador del filtro después del circuito rectificador.

Mientras se mantenga esta condición, no se consumirá corriente. Cuando el voltaje en el capacitor se agota por debajo del voltaje del hundimiento, entonces se volverá a consumir corriente. Con una carga lineal, el consumo de corriente disminuirá proporcionalmente a la disminución del voltaje. Los dispositivos de potencia constante aumentarán ligeramente la corriente consumida, para mantener una potencia constante con la disminución del voltaje del hundimiento.

Conocer la configuración del transformador en la entrada de servicio (o cualquier transformador secundario en serie hacia la fuente) también puede proporcionar información útil para determinar si se trataba de un hundimiento generado por la fuente. Las fallas de línea única a tierra (SLTG) en el sistema de servicios públicos son mucho más comunes que las fallas de fase a fase o trifásicas. [11] Durante tales fallas SLTG, para conexiones estrella-estrella y delta-delta, los voltajes de dos fases caerán al 58% del nominal, mientras que el otro voltaje de fase a fase no se verá afectado. Para las conexiones delta-estrella y estrella-triángulo, un voltaje de fase a fase será tan bajo como el 33% del nominal, mientras que los otros dos voltajes serán el 88% del nominal. Es la corriente circulante en los devanados secundarios delta la que da como resultado un voltaje en cada devanado. [12] La Figura 2 ilustra este punto, con la Fase C-A hundiéndose a aproximadamente el 33%, mientras que las fases A-B y B-C se hundieron a aproximadamente el 88% del nominal.

Si el punto de monitoreo está aguas abajo del interruptor que está intentando despejar la falla en un sistema de distribución radial, entonces se verá una interrupción mientras el interruptor está abierto, lo cual también se ilustra en la Figura 2. Si la falla ocurrió en un alimentador paralelo , entonces el hundimiento terminará cuando se abra el interruptor.

Si no se monitorea la corriente, hay algunas otras pistas que apuntan a que la fuente del hundimiento es una operación del esquema de protección de la red. Dado que los contactos no se abren o cierran limpiamente, a menudo se observarán algunos transitorios de voltaje durante el ciclo en cada extremo de la falla. Otra pista es que el voltaje generalmente cae abruptamente y se recupera abruptamente. Dado que la mayoría de las cargas industriales no se encienden solo durante 3-10 ciclos, y el arranque del motor produce una caída de voltaje que se recupera gradualmente, este tipo de falla a menudo se percibe fácilmente.

Caídas generadas por carga

Aunque con frecuencia se culpa a las empresas eléctricas de la fuente de los hundimientos, varios estudios, incluido el estudio NPL, han demostrado que “el 50% o más de los eventos de RMS bajo / alto son causados ​​por equipos de carga en el edificio”. [10] "Los hundimientos que se encuentran en entornos industriales generalmente se deben al arranque de una carga o un circuito defectuoso". [13] Aquí es donde las leyes de Ohm y Kirchoff son muy útiles para determinar la causa del hundimiento y los efectos del arranque de las cargas.

Cuando las cargas normalmente comienzan, hay un aumento en la corriente (I carga) basado en la impedancia de la carga (Zload) y el voltaje de línea (Vsource). Como se mencionó anteriormente, las impedancias de la fuente y la carga se pueden calcular fácilmente si el voltaje y la corriente se monitorean ciclo por ciclo. Las leyes de Kirchoff establece que la suma de los voltajes alrededor de un circuito cerrado debe ser igual a cero. Un aumento en la corriente causado por un cambio de carga resultará en una mayor caída de voltaje en la impedancia de la fuente (Vz = Iload * Zsource). Consulte la Figura 3.

Si el voltaje de la fuente permanece constante (lo cual es una suposición razonable si la fuente se considera como el generador de la red eléctrica), entonces el voltaje a través de la carga disminuirá en la cantidad de caída de voltaje a través de la impedancia de la fuente. Las figuras 4 y 5 muestran un ejemplo de pandeo provocado por el ciclo periódico del elemento calefactor en una impresora láser. La forma de onda superior es el voltaje de línea a neutro, la del medio es la corriente y la más baja es el voltaje de neutro a tierra. Observe cómo las formas de onda de voltaje y corriente N-G son muy similares. Si la impedancia de la fuente se divide entre ambas patas que alimentan la carga, entonces se puede ver fácilmente cómo un aumento en la corriente de línea desarrollaría una caída de voltaje en la pata neutra, lo que daría como resultado el oleaje de neutro a tierra que se ve aquí. 

Apéndices

Apendice A – IEEE 1159 Power Quality Phenomena [1].

Simple Rules for Solving Power Quality Mysteries appendix_a

Apendice B – Some Representative Power Quality Attributes from FIPS PUB 94, pg 90.[13]

Simple Rules for Solving Power Quality Mysteries appendix_b

Apéndice C – Table 3. Cause of Utility Distribution Sags

Simple Rules for Solving Power Quality Mysteries appendix_c

Apéndice D – Figures

Figura 1. Caída causada por la operación del disyuntor de distribución de servicios públicos

Simple Rules for Solving Power Quality Mysteries appendix_d_figure1

Figura 2. Falla de línea única a tierra y caída luego interrupción

Simple Rules for Solving Power Quality Mysteries appendix_d_figure2

Figura 3. Diagrama de impedancia equivalente

Simple Rules for Solving Power Quality Mysteries appendix_d_figure3

Figura 4 y 5. Ciclo del elemento calefactor de la impresora láser: encendido y apagado

 

Simple Rules for Solving Power Quality Mysteries appendix_d_figure5

Referencias

1. IEEE Std 1159-1995 – Recommended Practice on Monitoring Electric Power Quality.

2. Dranetz Field Handbook for Power Quality, Dranetz Technologies, 1989.

3. EN60868, Flickermeter, CEI, 1986.

4. NEMA Stds Pub MG-1, National Electrial Manufacturers Association, 1987.

5. IEEE Std 1100-1992, Recommended Practice for the Grounding and Powering of Sensitive Electronic Equipment, also known as the Emerald Book.

6. McGrahaghan et al, Voltage Sags in Industrial Systems, IEEE Transaction on Industry Applications, Vol 29, No 2, March/April 1993.