Markus Bakker, Fluke Corporation
Es bien conocido que las medidas de la calidad eléctrica realizadas en motores y accionamientos pueden mejorar la eficiencia de los sistemas eléctricos y minimizar los costes. Sin embargo, existen varios problemas ocultos relacionados con el uso de la energía que pueden generar un aumento significativo de los costes, además de provocar daños en los equipos y un perjudicial tiempo de inactividad.
Centrarse en estos seis aspectos sobre la calidad eléctrica permite desvelar estos seis problemas ocultos y disminuir los costes, así como mejorar el rendimiento de las instalaciones en su conjunto.
Desequilibrio
En un sistema trifásico equilibrado, las tensiones y las corrientes de cada fase deben ser iguales o tener valores extremadamente similares de la amplitud y fase. Cualquier desequilibrio entre ellas puede disminuir los niveles de rendimiento o incluso provocar un fallo prematuro. El rendimiento deficiente del motor se produce debido al antipar y al fallo prematuro del motor porque el desequilibrio genera un calor excesivo en el bobinado.
Los costes más elevados se pueden ocasionar por la sustitución del motor y la pérdida de ingresos provocada por los fallos para proteger el circuito junto con el tiempo de inactividad correspondiente y los costes laborales para solucionar el problema. Pero el desequilibrio también afecta a los costes energéticos ya que reduce el rendimiento del motor.
Una de las mejores formas de identificar problemas de desequilibrio de tensión por adelantado, consiste en observar la tensión medida en la conexión a la red eléctrica (acometida). Según la norma sobre calidad eléctrica EN50160, el desequilibrio de tensión, al ser la relación entre los componentes de la secuencia negativa y positiva, debe ser inferior al 2% en el punto de conexión. Si la tensión no está bien equilibrada en la acometida, el suministro eléctrico estará desequilibrado en toda la instalación y debe ser reparado lo antes posible por el operario de la red de distribución.
El desequilibrio puede estar presente en una sola carga o en un ramal en la infraestructura eléctrica interna, por ejemplo, un motor eléctrico o incluso un conjunto de motores. Por eso es aconsejable comprobar la tensión de entrada y la corriente de entrada teniendo en cuenta que el desequilibrio de estos dos parámetros no debería superar el 2% y el 6%, respectivamente. El desequilibrio de corriente es una consecuencia directa del desequilibrio de tensión y, si la tensión está equilibrada, la causa del desequilibrio de corriente es desequilibrio de las cargas.
Distorsión armónica total
Medir la distorsión armónica total permite conocer qué proporción de la distorsión de la tensión o la corriente se debe a armónicos en la señal. Si bien es normal que haya una cierta distorsión, si está por encima del 5% en cualquier fase es preciso investigar más. Si no se aborda este nivel de distorsión, puede generar problemas como la circulación de una corriente elevada hacia los conductores neutros, los motores y los transformadores que se calientan (que afecta a la duración del aislamiento), una eficiencia deficiente del transformador (o la necesidad de utilizar un transformador más grande para adaptarse a los armónicos) y ruido audible y vibraciones por la saturación del núcleo del transformador (el ruido y la vibración son un desperdicio de energía).
La mayor parte de la distorsión armónica total se debe a la disminución de la vida útil de motores y transformadores. Desde luego, si el equipo afectado forma parte de un sistema de producción, los ingresos se pueden ver reducidos ya que los armónicos disminuyen la eficiencia del motor y el transformador, así como su rendimiento.
La mejor manera de identificar estos problemas es realizar las medidas tomando como referencia el nivel normal de los motores, transformadores y conductores neutros que sirven a las cargas electrónicas. Es importante supervisar los niveles de corriente y las temperaturas en los transformadores para asegurar que no sean excesivos y comprender que la corriente del neutro nunca debería superar la capacidad del conductor neutro.
Los armónicos a menudo tienen su origen en determinadas máquinas o instalaciones eléctricas y solo se producen si estos activos están en funcionamiento. Por tanto, resulta de mucha ayuda registrar las medidas junto con la hora, de modo que la presencia intermitente de armónicos se pueda relacionar directamente con determinados procesos.
Los armónicos citados hasta ahora llegan hasta el 50º armónico y se derivan de la frecuencia fundamental de la tensión, que es de 50Hz. Ante el auge que experimenta la aplicación de la electrónica de potencia, como los variadores o convertidores de frecuencia, los componentes de armónicos más frecuentes pueden contaminar la red. Estos componentes no están relacionados con la potencia fundamental y son provocados por la conmutación antes citada. Estos “supraarmónicos” interfieren con los equipos de control de procesos e incluso pueden detener estos procesos.
Transitorios
Los dispositivos electrónicos también son muy vulnerables a los transitorios. Se trata de pulsos de tensión cuya duración es extremadamente corta (menos de 10 milisegundos) pero su tensión puede ser muy elevada (hasta 6kV). Los pulsos pueden ser provocados por la conmutación de grandes cargas, la descarga de condensadores e incluso por relámpagos. Cuando se ven afectados por un transitorio, los dispositivos electrónicos se pueden desconectar o pueden afectar a los procesos para los que están programados.
Para cerciorarse de que los problemas han sido causados por transitorios se necesario utilizar un dispositivo de medida que tenga una velocidad de muestreo suficientemente alta para capturar el evento. Es vital que estos dispositivos tengan una conexión a tierra y el evento capturado se visualice de forma que se pueda deducir el origen del pulso de tensión.
La única manera de que estos dispositivos “vuelvan a conectarse” tras un episodio de este tipo es efectuar un reinicio manual, lo cual significa que los procesos de producción se han de detener. Además, es preciso comprobar la calidad de todos los productos elaborados desde que tuvo lugar el evento. Para proteger los dispositivos frente a transitorios se pueden instalar descargadores de sobretensión que guíen el pulso de tensión hasta tierra antes de conduzcan a los dispositivos electrónicos.
Caídas de tensión
Una caída de tensión es una disminución temporal del nivel de tensión que se puede deber a las cargas añadidas sin que los responsables de la planta sean conscientes de ello. Estas cargas pueden absorber la tensión del sistema durante poco tiempo si absorben altas corrientes de arranque. Como resultado de ello los equipos electrónicos se pueden reiniciar o se activa la protección de la sobrecorriente. Las caídas en una o dos fases de las cargas trifásicas pueden hacer que las otras fases absorban una corriente más elevada como compensación.
Las caídas de tensión pueden reducir los ingresos si, por ejemplo, se reinicia un ordenador o un sistema de control, se desconecta un variador de frecuencia variable y se acorta la vida útil de un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI), como resultado de los frecuentes ciclos de carga. Toda estrategia de mantenimiento preventivo debe incluir medidas de supervisión en motores, SAIs, variadores de frecuencia y cuadros eléctricos que alimentan controles industriales o equipos informáticos. La consecuencia obvia de esta acción sería minimizar el tiempo de inactividad y los costes.
Para evaluar la severidad de una caída es primordial medir la “profundidad” de la caída (como porcentaje de la tensión nominal) y su longitud (en milisegundos). A partir de estos dos parámetros es posible realizar una comparación con los límites del ITIC (Information Technology Industry Council). Los equipos electrónicos pueden asumir las caídas de tensión siempre que se encuentren dentro de esos límites. Si no es así, hay que destinar esfuerzos a atenuar estas caídas. Un problema con las caídas es que a menudo ocurren de forma intermitente, por lo que las medidas se han de programar para capturarlas automáticamente. Si se supera un nivel de activación definido previamente, el equipo de medida empezará a registrar el evento.
Pico de demanda
Los niveles de consumo de las instalaciones industriales (y comerciales) son supervisados por las compañías eléctricas varias veces por hora con el fin de conocer su demanda media de energía. Al arrancar, las plantas de producción en concreto tienden a consumir una gran cantidad de energía y esto puede influir sobre cómo las compañías eléctricas pueden calcular sus cargas en función del pico de demanda (la demanda media más alta durante todos los intervalos en un ciclo de facturación).
La forma de reducir estos costes es escalonar los ciclos de carga para atenuar la demanda y minimizar el consumo total de energía en cualquier momento. Para llevarlo a cabo es importante verificar qué intervalo de demanda utiliza la compañía eléctrica y medir la demanda de energía a lo largo del tiempo en la acometida mediante un registrador de calidad eléctrica. También facilitará la identificación de cargas significativas que aparezcan de modo concurrente, midiendo la demanda para comprobar las lecturas para cada carga.
En el caso de que las instalaciones superen los niveles contratados de picos de la demanda es posible que las compañías eléctricas apliquen multas significativas. Por tanto, es esencial prevenir excesos de gasto y regular los costes energéticos para proteger los ingresos y reducir los gastos.
Factor de potencia
No toda la potencia generada y transportada hasta el usuario final se utiliza eficientemente y es la potencia activa (medida en kW) que paga el usuario final. La potencia reactiva, que también forma parte del suministro eléctrico transportado a través de la infraestructura, no se usa y no se cobra al usuario final, por lo que se puede considerar un desperdicio. Esto significa que elementos de la infraestructura como cables, interruptores y transformadores están dimensionados para transportar la potencia total, pero solo una parte de esta infraestructura se usa eficientemente. Esta potencia total se denomina potencia aparente y se mide en kVA.
La proporción entre la potencia activa y la potencia aparente indica la eficiencia en el uso de la energía, y si es igual a 1 significa que se usa y se cobra toda la potencia aparente; cuando más bajo es ese número, menos eficiente es el uso de la potencia aparente. Dado que los proveedores de energía no pueden cobrar la energía reactiva al usuario final, se establece un límite en el contrato. Si se supera este límite puede haber una multa significativa. La proporción entre la potencia activa y la potencia aparente se denomina “coseno de phi” o “factor de potencia de desplazamiento” y lo ideal es que nunca esté por debajo de 0,95.
Además de la multa, otra consecuencia negativa de un mal coseno de phi puede ser el sobrecalentamiento de la infraestructura. Para evitar este problema es necesario instalar bancos de condensadores cerca de cargas elevadas como motores con una potencia de más de 50kW o en un punto central cerca del cuadro de distribución.
Los armónicos también pueden afectar al factor de potencia. Si hay presencia de armónicos, la compensación mediante condensadores no basta por sí sola, por lo que es primordial recurrir al filtrado para reducir el efecto negativo de los armónicos.
Afrontar estos seis problemas ocultos relacionados con el uso de la energía permite minimizar el gasto innecesario, el tiempo de inactividad y los daños en los equipos, así como obtener la máxima productividad y eficiencia.
