En el presente artículo trataremos sólo los principales disturbios eléctricos que afectan la calidad de la energía eléctrica, de una manera resumida.
Introducción
Históricamente, la mayoría de los equipos son capaces de operar satisfactoriamente con variaciones relativamente amplias de estos tres parámetros (voltaje, corriente, frecuencia). Sin embargo, en los últimos diez años se han agregado al sistema eléctrico un elevado número de equipos, no tan tolerantes a estas variaciones, en su gran mayoría los controlados electrónicamente.
En los nuevos equipos electrónicos algo del control se hace directamente a través de la electrónica de conversión de potencia, como son los drives de ca, cd, y fuentes de energía conmutadas, además del equipo electrónico que está en los controles periféricos, como computadoras y controladores lógicos programables (PLC’s).
Con la disponibilidad de estos complejos controles, se desarrolló un control de procesos mucho más preciso, y un sistema de protección mucho más sensible; lo que hace a éstos aún más susceptibles a los efectos de los disturbios en el sistema eléctrico.
Los disturbios en el sistema eléctrico, que se han considerado normales durante muchos años, ahora pueden causar desorden en el sistema eléctrico industrial, con la consecuente pérdida de producción. Adicionalmente, deben tomarse en cuenta nuevas medidas para desarrollar un sistema eléctrico confiable, mismas que anteriormente no se consideraron significativas. Esto se hace aún más crítico cuando tratamos de las redes y sistemas de cómputo.
Es importante darse cuenta de que existen otras fuentes de disturbios que no están asociadas con el suministro eléctrico de entrada. Estas pueden incluir descargas electrostáticas, interferencia electromagnética radiada, y errores de operadores. Adicionalmente, los factores mecánicos y ambientales juegan un papel en los disturbios del sistema. Estos pueden incluir temperatura, vibración excesiva y conexiones flojas. Aunque estos pueden ser factores muy importantes, tampoco se discutirán en el presente artículo.
Disturbios en el sistema eléctrico
Los disturbios en el sistema son variaciones generalmente temporales en la tensión del sistema. Que pueden causar mala operación o fallas del equipo o sistema. La variación de la frecuencia puede ocasionalmente ser un factor en los disturbios del sistema, especialmente cuando una carga es alimentada por un generador de emergencia u ocurre un desequilibrio entre la carga de la planta industrial y la generación debido a la pérdida del suministro eléctrico. Sin embargo cuando el sistema eléctrico del usuario está interconectado a una red de potencia relativamente fuerte, la variación de la frecuencia resulta a veces de preocupación insignificante.
Cómo pueden afectar los disturbios eléctricos a los sistemas eléctricos y electrónicos?
Depende básicamente del tipo de disturbio, de su magnitud y de su duración; la combinación de ellos definirá la manera en que las cargas críticas pueden ser afectadas o dañadas.
A continuación se mencionan los principales disturbios eléctricos, su definición, posibles causas y efectos.
Interrupciones de servicio (blackout)
Es una caída de energía por debajo del 10% con una duración de 30 ciclos en adelante.
En una instalación es generalmente de un orden de magnitud menos frecuente que un disturbio por bajo voltaje momentáneo; estando en el orden del 4% en algunos casos. Sin embargo, si le ocurre con cierta frecuencia, entonces deben tomarse las medidas para tener una fuente alterna disponible conveniente, como un UPS o un grupo generador.
Usualmente es debido a tareas de reparación o mantenimiento de la compañía eléctrica, caída o rotura de cables o fusibles activados por sobrecargas o cortocircuitos, etc.
Microcortes del voltaje
Son caídas muy breves (en el rango de los microsegundos o pocos milisegundos) del suministro eléctrico.
Son causadas principalemente por maniobras de transferencia en las centrales de distribución de energía (puede derivar en cambios importantes de la tensión luego del microcorte) o por la inclusión de cargas muy grandes o cortocircuitos en la línea .
Bajo voltaje momentáneo (sag)
También llamado dip en gran bretaña, es una baja en el nivel de voltaje de entre un 10% y 90%, y de una duración de entre medio ciclo y un minuto.
Las caídas de tensión momentáneas se han vuelto un problema común en los años recientes, produciendo efectos que van desde el parpadeo lámparas en los hogares hasta procesos industriales interrumpidos. Esta es una condición que típicamente ocurre cuando se inicia una falla en el sistema eléctrico y dura hasta que la falla sea eliminada por un dispositivo de sobrecorriente, siendo la más común de los disturbios eléctricos (hasta el 87 %). La falla puede ocurrir en la planta industrial o en el sistema de la empresa eléctrica. Este tipo de condición puede ocurrir también durante el arranque de motores grandes.
Muchos productos eléctricos no están hechos para ajustarse a estas condiciones de bajo voltaje temporal. Esta condición temporal tiende a ocurrir diez veces más frecuentemente que una interrupción total de energía. La solución más viable es un estabilizador de voltaje.
Bajo voltaje permanente (brownouts)
Bajo voltaje es una disminución del nivel de voltaje por debajo del 90% del valor nominal, durante más de un minuto. El término brownout es usado cuando la compañía de suministro eléctrico reduce intencionalmente el voltaje del sistema para acomodar una situación de alta demanda u otros problemas.
Por lo general la causa es debido a la caída de voltaje en las líneas de distribución sobrecargadas de forma continua, un conductor de neutro dañado o a una baja capacidad de suministro de la compañía eléctrica; sobre todo en el interior del país. Incluso en condiciones ideales, la mayoría de los clientes verá una caída en el nivel del voltaje durante el día a medida que la demanda comienza a aumentar alrededor de las 8 am y llega a su pico alrededor de las 3 ó 4 pm.
Aparte del obvio malfuncionamiento de equipos, bajas de voltaje crónicas pueden causar desgaste excesivo en ciertos dispositivos tales como motores, los que operan sobrecalentados cuando el voltaje es muy bajo.
La solución más viable es un estabilizador de voltaje.
Sobre voltaje momentáneo (swell)
Una “hinchazón” o “swell” es el opuesto de un sag, es decir, un aumento del voltaje por sobre del 110% del valor nominal, por una mitad de ciclo y hasta un minuto.
Si bien es cierto que esta perturbación eléctrica ocurre con menos frecuencia en comparación con los sags, estos pueden causar mal funcionamiento y acelerar el desgaste.
Los “Swells” pueden ser causados al apagar grandes cargas o al encender bancos de condensadores.
La solución más viable es un estabilizador de voltaje.
Sobre voltaje (over voltage)
Un sobrevoltaje es un aumento en el voltaje por sobre un 110% del valor nominal, por más de un minuto.
Las condiciones crónicas de sobrevoltaje son frecuentemente causadas por la suministradora o utilidad, o por el usuario final que tiene los taps de un transformador ajustados muy altos con el fin de compensar la caída en una línea de gran longitud y/o consumo, también por cargas desequilibradas que modifican la corriente en el conductor de neutro. .
Un sobrevoltaje puede tener efectos negativos en la mayoría de los equipos electrónicos debido al sobrecalentamiento resultante.
La solución más viable es un estabilizador de voltaje.
Sobretensiones transitorias (transients)
Los transientes o transitorios son eventos de muy corta duración, (sub-ciclo), y de amplitud variada. También referidos como “surges” o “altas”.
Las fuentes comunes de estos transitorios son los rayos, por la operación de equipos, fallas en éstos, la operación de los dispositivos de interrupción de los sistemas eléctricos y el arqueo de conexiones flojas o fallas intermitentes.
Se recomienda usar un estabilizador electrónico que posea limitadores de picos transitorios, una UPS con igual tipo de protección de entrada, ó un transformador de ultra-aislación con protectores y filtros.
Notching
“Notching” o muescas es un perturbación de polaridad opuesta a la forma de onda normal, (que se substrae de la forma de onda), de duración de menos de medio ciclo.
Este fenómeno es causado frecuentemente por conmutadores electrónicos o acondicionadores de energía eléctrica que no funcionan correctamente como es el caso de un UPS e incluso estabilizadores de voltaje; aunque no es un disturbio muy común.
Aunque el “notching” no es usualmente un problema mayor, puede causar que equipos, especialmente electrónicos, operen incorrectamente.
Ruido eléctrico
El ruido es una distorsión de alta frecuencia en la forma de onda del voltaje.
Causado por perturbaciones en la alimentación comercial o por equipos tales como soldadoras eléctricas, cajas de conmutación, inversores, drives y transmisores, el ruido pasa frecuentemente desapercibido.
Un ruido frecuente o de altos niveles puede causar malfuncionamiento en los equipos alimentados, corrupción de datos, sobrecalentamiento y desgaste en general.
Se recomienda el uso de un estabilizador de voltaje de alta calidad ó UPS con filtros de baja, media y alta frecuencia incorporados, ó un transformador de ultra-aislación con pantalla electrostática y los filtros adecuados.
Armónicos
Los armónicos son una distorsión o deformación recurrente de la forma de onda.
Puede ser causada por varios dispositivos sobre todo electrónicos, incluyendo, excitadores de frecuencia variable, fuentes de poder no-lineal, y “balasts” electrónicos. Cierto tipo de acondicionadores de energía eléctrica, tales como los de transformadores ferro resonantes, o de voltaje constante, pueden agregar una significativa distorsión armónica a la forma de onda. También puede ser causado por la la utilización de un grupo electro-generador de baja calidad o subdimensionado.
La distorsión de la forma de onda puede ser también un problema con fuentes de potencia ininterrumpida o UPS, y otros acondicionadores de energía eléctrica basados en inversores. El UPS en realidad no agrega distorsión, pero debido al hecho de que la forma de onda es digitalmente sintetizada, esta forma de onda puede resultar más bien cuadrada en lugar de una onda sinusoidal perfecta.
Síntomas de presencia de distorsión armónica incluyen sobrecalentamiento, y problema operacionales con los equipos alimentados.
Frecuencia
Las redes eléctricas operan a una cierta frecuencia, 60Hz para nuestro caso. Este disturbio se da cuando la frecuencia del voltaje se “sale” de las tolerancias permitidas.
La mayoría de equipos electrónicos son sensibles a esta fuerte variación, produciéndose un inadecuado funcionamiento de ellos.
Sin embargo debido a la gran “masa” del sistema eléctrico, es poco probable el encontrar problemas con la frecuencia. Virtualmente todos los dispositivos eléctricos son capaces de operar en forma adecuada con variaciones de frecuencia bastante mayores que las que se encuentran en la red eléctrica.
Este disturbio es más usual en grupos generadores diesel aún los más grandes, los cuales presentan visibles variaciones en la frecuencia, sobre todo cuando están alrededor del 100% de la carga y ésta varía fuertemente.
Algunas consideraciones claves sobre las sobretensiones transitorias:
- Para un equipo eléctrico tradicional estas sobretensiones han sido manejadas diseñando el equipo para soportar sobretensiones de magnitudes de varias veces la tensión pico normal y al mismo tiempo aplicar pararrayos y algunas veces capacitores para frente de onda, con objeto de asegurar que las tensiones no excedieran los niveles de diseño del equipo.
- El equipo electrónico generalmente no tiene la misma capacidad de “aguante” como los equipos eléctricos más tradicionales. De hecho el uso de pararrayos que limitan los transitorios a dos o tres veces la tensión nominal pico puede no proporcionar una protección adecuada a este equipo. En ese caso, los dispositivos de protección contra frente de onda para equipo electrónico pueden necesitar reactores en serie, capacitores en paralelo y/o dispositivos electrónicos, además de pararrayos resistivos no lineales, para proporcionar una protección adecuada. Cuando no se logra esta protección pueden ocurrir fallas o mal funcionamiento.
- La conmutación de bancos de capacitores, ya sea en la planta industrial o en la red del sistema eléctrico puede causar el funcionamiento defectuoso de algunos equipos. En años recientes se ha vuelto un problema común asociado con el disparo o falla inexplicable de muchos drives de ca pequeños. Muchos de estos drives están diseñados para desconectarse de la línea por una sobretensión del 10 al 20 % con duración de una fracción de ciclo . Ya que muchos bancos de capacitores de empresas eléctricas son conmutados diariamente, este problema podría ocurrir en forma muy frecuente. Este indeseable problema de disparo puede usualmente remediarse agregando un reactor en serie con el dispositivo sensible, o modificando su característica de disparo. Otras soluciones pueden incluir la reducción del transitorio en el banco de capacitores. La operación de los capacitores se asocia también ocasionalmente, con el funcionamiento defectuoso o falla de otros equipos además de los controladores.
Factores importantes a tomar en cuenta al tratar con bajas tensiones momentáneas:
- En una planta industrial las lámparas de descarga de alta intensidad (HID) frecuentemente son los equipos más sensibles al bajo voltaje. Típicamente se extinguen a tensiones en el rango del 85 al 90 % de la nominal por períodos tan cortos como de 1 ciclo, y toman varios minutos para reencender. Una forma de minimizar este efecto es utilizar alumbrado HID que tenga capacidad de reencendido instantáneo, o utilizar bulbos de cuarzo con lámparas de HID . El bulbo de cuarzo enciende inmediatamente y se apaga aproximadamente 10 minutos después. Cualquiera de los dos métodos podría emplearse en aproximadamente el 10 % de los lugares con alumbrado por HID en una planta industrial, para proporcionar un alumbrado temporal hasta que las luces HID vuelvan a encenderse. Es posible también obtener balastros regulados que pueden ajustarse a la baja de tensión hasta del 50 % .
- Los PLC’s que se utilizan para controlar dispositivos tales como drives de cd y de ca pueden apagar los dispositivos cuando hay tensiones del orden del 80 a 85% de la nominal . Esto puede mejorarse, para condiciones momentáneas de bajo voltaje, proporcionando control instantánea de tensión para el PLC a través de un estabilizador de voltaje o una fuente de alimentación ininterrumpible (UPS).
- Los drives de ca y cd están típicamente diseñados para operación continua con variaciones de tensión de +10% a –5% hasta –15%. fuera de este rango el drive puede no ser capaz de mantener la velocidad u otros parámetros que son críticos para el proceso, y que pueden llevar a un paro. La duración y magnitud de la caída de tensión que puede causar que eso suceda varía de dispositivo a dispositivo. Adicionalmente, aún si el drive estuviera diseñado para ajustarse a esta condición, el producto que se está haciendo en el proceso puede resultar dañado, o sufrir en su calidad al grado de que no sea aceptable para su uso. Sin embargo, la inercia del motor ayudará a sobrellevar satisfactoriamente ese tipo de eventos. Si el proceso no es afectado por esta condición de transitorio, entonces pueden darse consideraciones para reprogramar el drive con rearranque automático. (La seguridad y el daño a los equipos son factores determinantes para decidir si el rearranque automático es apropiado).
- Las bobinas de contactores de los motores generalmente se desactivan para tensiones en el rango de 50 a 75% con duraciones de 1-5 ciclos. Si es necesario para condiciones momentáneas de bajo voltaje, esto puede mejorarse proporcionando regulación de tensión instantánea a la bobina, un estabilizador de voltaje adecuado también es una buena opción.
Si el 100 % de los bajos voltajes incluyen tensiones del 90 % o menos, los estudios del sistema han demostrado típicamente que en forma aproximada:
- El 30% de los bajos voltajes incluyen tensiones del 80 % o menos.
- El 15 % de los mismos abarcan tensiones de 70 % o menos.
- El 5 % de ellos incluyen tensiones del 60% o menos.
- El 80% de estos eventos tienen duraciones de menos de 0.2 – 0.5 segs.
Estos valores ilustran cómo las mejoras relativamente menores en la capacidad de adaptación pueden reducir significativamente la cantidad de disturbios por bajo voltaje. Por ejemplo, la mejora de la capacidad de adaptación de un dispositivo particular desde 80 a 70 % típicamente recortaría el número de eventos de disturbio en un 50 %. Yendo de 80 a 60 % reduciría el número en más del 80 %.
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