Cuando hablamos de Calidad de la Energía, normalmente nos referimos a las características de un sistema de suministro y distribución de energía eléctrica. Sin embargo, el término se usa más frecuentemente para referirse a los problemas que surgen entre la red de suministro y los centros de carga que reciben la energía, los cuales se hacen más evidentes cuando el usuario final reporta fallas en su instalación y equipos, derivado de condiciones inadecuadas encontradas en la energía eléctrica que los alimenta.
Los problemas de Calidad de la Energía agrupan una variedad de perturbaciones en la red eléctrica, que pueden ser originadas por diversos factores tanto externos como internos de la misma instalación. En general, podemos hablar de problemas de Calidad de la Energía, cuando encontramos diferencias entre las características de las ondas senoidales de voltaje y corriente de la red de suministro y las encontradas en un sistema eléctrico alimentado por esa red.
Para determinar las condiciones reales de Calidad de la Energía eléctrica de un sistema, se debe considerar la medición y evaluación de los principales parámetros eléctricos de éste. Es decir, el voltaje, la corriente, la frecuencia, el factor de potencia y los armónicos de corriente, así como el comportamiento de la demanda de energía a través del tiempo. Estas mediciones se deben realizar en el punto de conexión con la red de quien suministra la energía eléctrica, para tomar en cuenta la contribución total del sistema.
La Calidad de la energía eléctrica se determina con base en la magnitud, número y grado de perturbaciones que se tengan en la instalación eléctrica de los parámetros anteriormente mencionados.
¿Cuáles son las consecuencias de no mantener una buena Calidad de la Energía Eléctrica?
Algunos de los perjuicios de una mala calidad de la energía eléctrica son: elevadas corrientes en los alimentadores, incremento en la potencia aparente de los transformadores y, en consecuencia, el tamaño de la instalación eléctrica en general, un incremento en las pérdidas eléctricas en los conductores, aumento de la caída de voltaje, entre otros.
Asociado a problemas de calidad de la energía están el bajo desempeño o incluso fallas mayores de equipos y componentes conectados a un suministro eléctrico con parámetros de calidad y confiabilidad de energía por debajo de lo requerido por los equipos para su adecuada operación.
Así mismo y dependiendo el país en el que se encuentre el centro de carga, existen diversas normativas que aplican penalizaciones o multas para los usuarios que alteren dentro de ciertos rangos la calidad de la energía e impacten en la red de distribución eléctrica. Tal es el caso del Código de Red en México o bien las penalizaciones por bajo factor de potencia estipuladas por CFE para ciertas tarifas.
La mayoría de los problemas de calidad de la energía se derivan de las diferencias entre las características de la energía suministrada por la compañía eléctrica, y las características de los centros de carga que se alimentan. Estas diferencias se deben principalmente al efecto que tienen las cargas alimentadas, sobre la forma de onda de la fuente que los alimenta; en las cargas resistivas, la corriente circula en fase con el voltaje que las alimenta, en el caso de las cargas inductivas (cargas como motores, generadores, transformadores, etc) , la corriente se desfasa del voltaje en un ángulo negativo con respecto a la referencia inicial, decimos que la corriente se “atrasa”, y en el caso de las cargas capacitivas, la corriente se produce en un ángulo positivo respecto al del voltaje de alimentación, en este caso decimos que la corriente se “adelanta”.
¿Cuáles son las fuentes más comunes que alteran la Calidad de la Energía Eléctrica?
La mayoría de los problemas de calidad de la energía se derivan de las diferencias entre las características de la energía suministrada por la compañía eléctrica, y las características de los centros de carga que se alimentan. Estas diferencias se deben principalmente al efecto que tienen las cargas alimentadas, sobre la forma de onda de la fuente que los alimenta; en las cargas resistivas, la corriente circula en fase con el voltaje que las alimenta, en el caso de las cargas inductivas (cargas como motores, generadores, transformadores, etc) , la corriente se desfasa del voltaje en un ángulo negativo con respecto a la referencia inicial, decimos que la corriente se “atrasa”, y en el caso de las cargas capacitivas, la corriente se produce en un ángulo positivo respecto al del voltaje de alimentación, en este caso decimos que la corriente se “adelanta”.
Existe también el caso de las llamadas cargas “no lineales”; a través de estas cargas circulan corrientes que no van en fase con el voltaje que las alimenta, sino en puntos intermedios de la onda senoidal, estas corrientes que no forman parte de la frecuencia fundamental se conocen como corrientes armónicas, y son causa de muchos problemas de calidad de la energía en la industria eléctrica.
¿Cómo puedo corregir la mala Calidad de la Energía Eléctrica?
Dependiendo del tipo de maquinaria y equipos que utilice en su operación se debe seleccionar el tipo de dispositivo y sus características más adecuado para mejorar y mantener una adecuada calidad de energía.
Los dos sistemas más comúnmente empleados para mantener una buena calidad de energía en los centros de carga son:
Bancos de corrección de potencia
Filtros de armónicos
Otra posible solución puede incluir compartir los estudios de calidad de energía realizados en centros de carga con equipos y operación similar. Esto podría ayudar a identificar el comportamiento esperado del sistema eléctrico y hacer una suposición más informada sobre el equipo que debe ser instalado de manera previa al inicio de operaciones. Esto es comúnmente empleado por empresas con múltiples centros de carga como cadenas de hoteles, tiendas de conveniencia, sucursales bancarias etc. aunque todavía sería sólo una aproximación a la operación real de cada centro de carga.
Nuestra recomendación para la selección y cálculo de equipos de corrección de potencia y de los filtros de armónicos, es el de realizar un estudio de calidad de la energía poco después de la entrada en operación del centro de carga para determinar el más adecuado con base en las condiciones de operación lo más reales posibles.
Lo anterior ya que el poder determinar las afectaciones de calidad de energía de manera anticipada a que la instalación eléctrica funcione a plena carga y en condiciones operativas normales es sumamente compleja de determinar, y a menudo implica el uso de costosos programas informáticos de simulación que, sin embargo, rara vez son precisos a cuando se realizan mediciones con carga.
Normalmente, un estudio de la calidad de la energía se realiza cuando todas las cargas del sistema eléctrico están instaladas y funcionan con normalidad; se instala un analizador de red en los transformadores para observar el "comportamiento" de los parámetros eléctricos pertinentes (perfil de demanda de potencia, horas de consumo máximo, factor de potencia, entrada de armónicos, etc.), los bancos de condensadores y sus filtros de armónicos pueden entonces seleccionarse en función de los parámetros observados, para ajustarse mejor a los requisitos del sistema.
Otra recomendación que hacemos es que el tamaño del condensador no exceda el diez por ciento de la capacidad nominal de los transformadores, esto se debe a que los condensadores, una vez instalados en paralelo con un transformador (inductor) para corregir el factor de potencia del sistema, pueden producir efectos o resonancia armónica en el sistema, lo que puede generar corrientes eléctricas a niveles mucho más altos que la corriente esperada directamente de las cargas.
Una de las principales preocupaciones expresadas por los propietarios de los centros de carga, es que puede haber penalizaciones de la empresa de servicios públicos debido al bajo factor de potencia, y esa es la razón por la que quieren comprar los equipos de corrección de factor de potencia con antelación. Es importante resaltar que esta no es una opción viable, ya que, como se mencionó anteriormente, estos equipos ni siquiera pueden ser calculados con precisión. Además, la compra de un equipo que no cumpla con su trabajo puede ser más costosa en el futuro, ya que puede tener que ser ajustado o reemplazado por completo.
Si los estudios de calidad de la energía se realizan poco después de la entrada en operación, la selección, compra e instalación de los equipos de corrección de potencia y los filtros de armónicos se logrará a tiempo para compensar todas las cuestiones relativas a todos los problemas eléctricos relacionados tanto con la calidad de la energía eléctrica como con la facturación.
Otra posible solución puede incluir compartir los estudios de calidad de energía realizados en centros de carga con equipos y operación similar. Esto podría ayudar a identificar el comportamiento esperado del sistema eléctrico y hacer una suposición más informada sobre el equipo que debe ser instalado de manera previa al inicio de operaciones. Esto es comúnmente empleado por empresas con múltiples centros de carga como cadenas de hoteles, tiendas de conveniencia, sucursales bancarias etc. aunque todavía sería sólo una aproximación a la operación real de cada centro de carga.
Algunos de los estándares de referencia relacionados más importantes son:
IEC 61000-4-30 “Testing and measurement techniques – Power quality measurement methods”
IEEE 1159-2009 “Recommended practice for monitoring electric power quality”
IEEE Std 519-2014 Recommended Practice and Requeriments for Harmonic Control in Electric Power Systems
IEEE Std. 18-2012 Standard for shunt power capacitors
Si necesitas ayuda para garantizar la calidad de la energía eléctrica dentro de tus proyectos no dudes en contactarnos ¡Nosotros te ayudamos!
David Monroy
Experto Eléctrico
David Monroy Gama, Ingeniero Eléctrico especialista en el ahorro y uso eficiente de la energía con más de 9 años de experiencia en el diseño de proyectos eléctricos y diagnósticos energéticos. Ha colaborado en proyectos en una amplia gama de sectores; infraestructura, hotelería, retail, corporativos, usos mixtos etc.
