La calidad de energía es un aspecto fundamental en el correcto funcionamiento de instalaciones eléctricas y sistemas. Para evaluar si contamos con una buena calidad de energía, debemos analizar diversos parámetros eléctricos, entre los que destacan:

1. Tensión: Es necesario monitorear y mantener el voltaje dentro de rangos establecidos por normativas, evitando sobretensiones o caídas de tensión que puedan causar daños en los equipos y afectar su rendimiento.
2. Frecuencia: La frecuencia de la red eléctrica debe mantenerse en valores constantes y estables, como los 50 Hz o 60 Hz, según la región. Variaciones en la frecuencia pueden provocar mal funcionamiento de dispositivos y sistemas eléctricos.
3. Factor de potencia: Este parámetro indica la eficiencia en el uso de la energía eléctrica. Un factor de potencia cercano a 1 indica un uso eficiente de la energía, mientras que valores inferiores a 0.9 pueden ocasionar pérdidas y multas por parte de las compañías eléctricas.
4. Desequilibrio de cargas: Un adecuado balance entre las cargas de las diferentes fases es crucial para evitar sobrecargas y pérdidas en los sistemas eléctricos.
5. Transitorios: Son eventos de corta duración que causan variaciones rápidas en la tensión o corriente. Es importante detectar y mitigar estos fenómenos para proteger equipos sensibles y mantener una buena calidad de energía.

Hoy hablaremos de las armónicas, estas son frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental y representan una de las principales causas de problemas en la calidad de energía. Las armónicas pueden generar sobrecalentamiento en equipos, pérdida de eficiencia, interferencias en sistemas de comunicación y malfuncionamiento de dispositivos electrónicos. Por ello, es fundamental monitorizar y controlar las armónicas en nuestras instalaciones eléctricas, utilizando filtros y dispositivos adecuados para reducir su impacto y garantizar una óptima calidad de energía.

¿Qué son las armónicas?

Las armónicas son componentes de frecuencia múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, es decir, en un sistema de 60 Hz, la frecuencia fundamental es 60 Hz y en un sistema de 50 Hz, es 50 Hz. Las armónicas pueden clasificarse en secuencia positiva, negativa y cero, y se generan debido a la presencia de cargas no lineales en el sistema, como transformadores, fuentes de alimentación conmutadas, lámparas fluorescentes y variadores de velocidad.

Las cargas no lineales pueden cambiar su impedancia con el voltaje, lo que provoca distorsiones en la forma de onda de corriente y, en consecuencia, en la forma de onda de voltaje. Estas distorsiones pueden tener efectos negativos en la calidad de la energía, como pérdida de eficiencia, sobrecalentamiento de equipos y fallas prematuras.

Una de las formas de evaluar las armónicas es mediante el análisis espectral, que nos permite identificar las frecuencias y magnitudes de las armónicas presentes en la forma de onda. A partir de esta información, se pueden implementar técnicas de mitigación de armónicas, como filtros pasivos, activos o híbridos, para controlar y reducir su impacto en el sistema eléctrico.

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Guía de términos a conocer en calidad de energía

Armonías de voltaje y corriente:

Las armonías de voltaje y corriente son fenómenos que afectan la calidad de la energía eléctrica en nuestras instalaciones. En este post, exploraremos las causas y efectos de las armonías, cómo se miden y analizan, y las soluciones para mitigar sus impactos en nuestros sistemas eléctricos. Además, conoceremos las normas y estándares que rigen el análisis y la medición de armonías.

Armonías de voltaje y corriente:

Las armonías de voltaje son causadas por las armonías de corriente, las cuales dependen únicamente de la carga. La distorsión de voltaje, por otro lado, depende tanto de la corriente como de la impedancia del sistema por el cual fluye la corriente.

Medición de armonías:

Para medir las armonías, se utilizan dos dominios: el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia. La conversión de tiempo a frecuencia se realiza mediante técnicas como la Transformada Discreta de Fourier (DFT) o su versión más rápida, la Transformada Rápida de Fourier (FFT).

Distorsión armónica total (THD) y distorsión total de demanda (TDD):

La THD es un parámetro utilizado para analizar las armonías de voltaje, mientras que la TDD se emplea para analizar las armonías de corriente. La THD se basa en la relación entre el valor RMS de las armonías y el valor RMS del componente fundamental. La TDD, por otro lado, utiliza el valor pico máximo de corriente registrado durante un intervalo de demanda como base para calcular la distorsión.

Efectos de las armonías:

Las armonías pueden causar problemas como sobrecalentamiento de los neutrales, pérdidas de cobre (I²R), pérdidas por corrientes parásitas, deterioro de transformadores y motores, y resonancia en circuitos eléctricos.

Evaluación de armonías:

La evaluación de armonías se lleva a cabo en el punto de acoplamiento común (PCC), donde la responsabilidad de mantener las armonías de corriente dentro de los límites recae en el cliente, mientras que la responsabilidad de mantener las armonías de voltaje dentro de los límites corresponde a la empresa eléctrica.

Mitigación de armonías:

Existen varias estrategias para controlar las armonías, como reducir las armonías en la carga, utilizar filtros en serie o paralelo, o cambiar las características de respuesta del sistema para evitar la resonancia.

Es fundamental contar con equipos y herramientas adecuadas para garantizar un rendimiento óptimo en nuestras instalaciones eléctricas. Algunos aspectos clave a tener en cuenta al seleccionar dispositivos para trabajar en calidad de energía son:

1. Precisión y confiabilidad: Es esencial elegir equipos que ofrezcan mediciones precisas y confiables en tiempo real, como analizadores de calidad de energía y registradores de datos.
2. Conectividad y comunicación: Los equipos deben contar con opciones de conectividad que faciliten la transmisión de datos y la integración con otros dispositivos, como sistemas SCADA o software de monitoreo.
3. Flexibilidad y facilidad de uso: Los dispositivos deben ser fáciles de configurar, utilizar y adaptarse a diferentes escenarios de aplicación, ya sea en redes de baja, media o alta tensión.
4. Funciones de análisis y diagnóstico: Es recomendable que los equipos puedan realizar análisis de armónicos, interrupciones, fluctuaciones de tensión y otros fenómenos que afectan la calidad de energía, y que además, ofrezcan diagnósticos y soluciones para mitigar dichos problemas.
5. Normativas y estándares: Es importante que los dispositivos cumplan con las normativas y estándares internacionales, como la IEEE 519 o la EN50160, para garantizar la correcta implementación de las soluciones de calidad de energía.

Invertir en equipos adecuados y de calidad es fundamental para asegurar un correcto monitoreo y gestión de la calidad de energía, lo que se traduce en mayor eficiencia energética, reducción de costos y protección de equipos y sistemas eléctricos.

El desarrollo de la solución

Un estudio de distorsión armónica en la industria se realiza para identificar y analizar las posibles fuentes de armónicas en las instalaciones eléctricas y, posteriormente, aplicar soluciones que permitan reducir sus efectos negativos y mejorar la calidad de energía. A continuación, se describe un proceso típico de cómo se lleva a cabo este estudio y la implementación de las soluciones:

1. Evaluación inicial: La empresa de servicios especializada en calidad de energía realiza una evaluación inicial de las instalaciones eléctricas de la industria del plástico, identificando los equipos y procesos que podrían generar armónicas, como variadores de velocidad, rectificadores, motores, entre otros.
2. Instalación de equipo de monitoreo: Se instalan analizadores de calidad de energía en puntos estratégicos de la red eléctrica, como el punto de entrada de la energía, salidas de transformadores y líneas de alimentación a los equipos críticos. Estos dispositivos monitorean y registran parámetros eléctricos, incluyendo las armónicas, durante un periodo determinado.
3. Análisis de datos: Los datos registrados por los analizadores de calidad de energía son analizados por expertos para determinar los niveles de distorsión armónica y su impacto en la red eléctrica. Se identifican las armónicas dominantes y sus posibles fuentes generadoras.
4. Propuesta de soluciones: La empresa de servicios elabora una propuesta con las soluciones adecuadas para tratar la distorsión armónica, como la instalación de filtros activos o pasivos, la corrección del factor de potencia, el reemplazo de equipos obsoletos o ineficientes y la redistribución de cargas.
5. Implementación de soluciones: Una vez aprobada la propuesta, la empresa de servicios procede a instalar y poner en marcha las soluciones seleccionadas para mitigar la distorsión armónica.
6. Verificación y seguimiento: Tras la implementación de las soluciones, se realiza un nuevo monitoreo y análisis de la calidad de energía para verificar la efectividad de las acciones tomadas. La empresa de servicios realiza un seguimiento periódico para garantizar que se mantengan los niveles de distorsión armónica dentro de los límites aceptables.

Las mejoras que obtiene la industria como resultado de este estudio y la implementación de las soluciones pueden incluir una mayor eficiencia energética, menor desgaste y mayor vida útil de los equipos, reducción de paradas no programadas y averías, disminución de costos de mantenimiento y una mejor calidad de energía en general, lo cual se traduce en un mejor rendimiento y competitividad en el mercado.