Aspectos de la calidad de la energía (II)

Existen diferentes herramientas que permiten realizar un adecuado diagnóstico de la calidad de energía que se consume. Esto es importante para analizar los costos y desempeño de la energía que se utiliza en su instalación. por Ígor Abrahão Paranhos*

En la primera entrega de este artículo vimos algunos temas relacionados con el monitoreo de la energía y las estrategias que se pueden implementar para obtener el mejor desempeño energético, lo cual conlleva a resultados satisfactorios en términos económicos y de desempeño de sistemas. Ahora veremos como se maneja la corriente armónica y qué soluciones existen para algunos tipos de alteraciones eléctricas. Armónicas
A partir de la década del 90, cuando el volumen de equipamientos electrónicos comenzó a equipararse con el de los eléctricos, las perturbaciones armónicas se tornaron bastante importantes dentro de la CEE (Calidad de la Energía Eléctrica), debido a su frecuente incidencia, a los notables peligros que ellas acarrean y por la complejidad de su comprensión y mitigación. Constantemente se observa a los consumidores de energía reclamar a las concesionarias sobre la deficiencia de la CEE, mientras, son sus propios equipos los que causan tales disturbios, por utilizar componentes de electrónica de potencia, como diodos, tiristores, triacs, transistores, etc. Una tensión o corriente armónica puede ser definida como una señal sinusoidal, cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia fundamental. Las inter armónicas son señales no múltiplos de la frecuencia fundamental, que pueden ser originadas de cargas como cicloconversores y hornos a arco. Cuando se habla de armónicas impares, dependiendo del orden (3°, 5°, 7°...), ellas pueden tener una secuencia positiva donde, en el caso de un motor (3F+N), ellas tienden a impulsar el rotor en el mismo sentido que el componente fundamental, causando sobre corriente y aumento en la temperatura (lo que significa desperdicio de energía y reducción de la vida útil de la máquina); o una secuencia negativa, donde las cuales harían fuerza para que el motor gire en el sentido opuesto, causando también recalentamiento; o secuencia cero, que no tendrían influencia en el sentido de giro del motor, pero se suman algebraicamente a la corriente del neutro, implicando serias consecuencias.
Una señal eléctrica compuesta por la fundamental más las armónicas puede ser descompuesta. El espectro armónico es una representación de la forma de onda en el dominio de la frecuencia, donde es posible verificar porcentualmente los niveles (amplitud) de cada orden. Estas informaciones son muy importantes, pues cada armónica tiene sus peculiaridades, y debe ser tratada de una forma particular. También es muy importante la información de la distorsión armónica total, de tensión o corriente, que provee una visión general de la presencia de esas alteraciones. La ecuación 1 muestra como puede ser calculada esa información, donde “h1” es la amplitud de la fundamental, y los demás valores (2, 3, 4..n) son los órdenes de las armónicas. Ecuación 1
Entre los diversos efectos causados por las armónicas en la CEE, una de ellas, e importante de ser observada, es el efecto en el factor de potencia (FP). Como la presencia de esas señales, de frecuencia diferente de la fundamental, influye en la potencia aparente, consecuentemente alteran el FP. Es decir, cuanto mayor sea el nivel de distorsión armónica, mayor será la potencia aparente, y menor el FP. La Figura 2 muestra la influencia de las armónicas en el triángulo de potencias, pudiéndose observar que la potencia armónica (H) modifica la figura para una geometría tridimensional. Figura 2 – Triángulo de potencias incluyendo armónicas

Para ejemplificar en números, el gráfico de la Figura 3 muestra dos señales puramente sinusoidales, una de tensión, en verde, y otra de corriente, en azul, y también una señal de corriente con armónicas hasta el 15° orden, en rojo. A través de la ecuación 2, donde el numerador representa la potencia activa, y el denominador la potencia aparente, se calculó el FP para la corriente no distorsionada, cuyo valor fue igual a 0.866, y para la corriente con armónicas, donde se obtuvo FP=0.835, probando que la presencia de armónicas hizo que el FP fuese menor. El hecho recién ejemplificado puede revelar el motivo por el cual, en determinados momentos, la inserción de un mayor número de capacitores en la red no elevará el FP al valor unitario. Las unidades capacitivas corrigen, tan solo, el desfasaje de la fundamental de corriente con la de tensión (factor de potencia de desplazamiento). Otros ejemplos de consecuencias indeseables que las armónicas pueden generar, además de calentamiento en conductores y disminución del FP, ya citados, son los disparos de dispositivos de protección; y el fenómeno de la resonancia; vibraciones y acoplamientos; aumento de la caída de tensión; elevación de la tensión entre neutro y tierra, entre otros. Ecuación 2
Figura 3 - Señal de tensión puramente sinusoidal, y corrientes, con y sin armónicas
Soluciones para algunas alteraciones
Por el hecho de existir varios tipos de alteraciones en la energía eléctrica, existen muchos dispositivos y tecnologías para la corrección de los mismos. Las herramientas encontradas en el mercado son aplicadas a los principales problemas y, encontrar el casamiento correcto entre el dispositivo y la falla a ser reparada es uno de los grandes desafíos, requiriendo un proceso de análisis. La Tabla 3 muestra posibles herramientas para algunas alteraciones comunes. Es interesante comprender que los dispositivos para la corrección de las alteraciones deben “administrar” la energía, y no eliminarla. La energía de impulsos debe ser controlada, de forma de no perjudicar a las cargas protegidas, por ejemplo. Constantemente son desarrollados estudios para el desarrollo de nuevas herramientas y tecnologías para el tratamiento de los problemas de CEE. Muchos estudios son académicos, y otros desarrollados en la industria, para la colocación de sus productos en el mercado.
No obstante, sea posible el tratamiento de algunas alteraciones por medio de elementos simples, como el supresor de irrupción transitoria de tensión (TVSS), filtros de línea, filtros de ruidos, filtros pasivos de armónicas, transformadores de aislación y bancos de capacitores, también existen equipamientos avanzados, basados en micro-controladores y estrategias de control modernas, para la supervisión y actuación en tiempo real. Tabla 3: Posibles tratamientos para disturbios comunes
Se pueden citar, entre otros equipamientos sofisticados, los filtros activos, que tienen la ventaja sobre los filtros pasivos de compensar los efectos de las armónicas sin perjudicar la frecuencia fundamental. Esto es ventajoso pues no introducen resonancias que puedan diversificar las alteraciones armónicas conforme la frecuencia aplicada. Los filtros activos, que pueden también tener una parte pasiva (siendo conocidos como híbridos), son una herramienta muy poderosa para el tratamiento de la CEE. Entretanto, para potencias mayores, el costo aún es alto.

Conclusiones
La utilización de la energía eléctrica siempre fue muy importante para el desarrollo humano. Más recientemente, con el empleo de componentes de electrónica de potencia, y debido a la utilización de circuitos sensibles a la calidad de la energía, acciones para la monitorización y control de los posibles problemas vienen ganando bastante valor e interés. Es percibido que existe una fuerte tendencia para la integración de los datos de informaciones eléctricas en los sistemas de gestión, a partir del conocimiento de que el costo financiero con la cuenta de energía es relevante para la rentabilidad de las empresas, y que las compañías quieren tener un mayor dominio contable, estén geográficamente distribuidas o no. De esa forma, herramientas para esta supervisión y auxilio en la toma de decisiones han sido cada vez más utilizadas. De forma general, los problemas de CEE han incumbido financieramente a los consumidores, y por ello industrias y usuarios de diferentes sectores están prestando más atención a las alteraciones existentes. Entre las perturbaciones más conocidas, las cuales poseen particularidades diferentes (efectos nocivos y formas de mitigación), se destacan las armónicas, que son de compleja comprensión y corrección, y presentan una incidencia considerable, debido a la aparición de cargas no lineales. No obstante los problemas de CEE requieren estudios avanzados para su resolución, son diversas las herramientas y tecnologías desarrolladas para la implementación de acciones correctivas. Además de componentes pasivos; instrumentos y equipos bastante elaborados son actualmente encontrados en el mercado, para permitir que los consumidores de energía puedan convivir con las alteraciones presentes en ella, dentro de límites aceptables. Es importante destacar que este asunto es bastante extenso, y el abordaje aquí desarrollado debe ser complementado en otras literaturas. *Ígor Abrahão Paranhos, Ingeniero de Desarrollo de Full Gauge Controls.