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Calidad de Energía

Con ella se evitan perturbaciones eléctricas que afectan a los suministros. A través de su estudio se buscan soluciones integrales para evitar pérdidas económicas y mejorar el rendimiento de los equipos.

Por Antonia Tapia.

“Algunos equipos que se utilizan para mejorar la calidad de energía son los supresores de picos, fuentes ininterrumpidas de voltaje (UPS) y acondicionadores de línea”.

En los últimos tiempos, el concepto sobre calidad de energía eléctrica ha cobrado mayor relevancia. Su definición, a modo general, expresa las características que debe cumplir la alimentación, transmisión y consumo de la electricidad. En este término están involucrados tanto el generador como el consumidor, y su amplitud cubre gran variedad de perturbaciones, como aquellas que se encuentran en la onda de voltaje, amperaje, frecuencia, armónicas y factor de potencia.

Implicaciones de una mala calidad de energía eléctrica
• Regulación de tensión: basta un poco de imaginación y recordar cuando hemos presenciado en casa variaciones de la  intensidad luminosa de los focos. Esto es debido a una mala regulación de la tensión de alimentación del suministrador, lo que provoca malestar que puede convertirse en daños físicos, como dolor de cabeza. Todo esto sin mencionar el daño a los equipos que son alimentados con una tensión inestable.
• Fallas en el sistema de tierras: un mal sistema de tierras es una bomba de tiempo que puede derivar en daños físicos al personal o al equipo, ya que puede generar una descarga eléctrica a través del cuerpo de una persona.
• Transitorios: la falta de protección contra estos eventos aleatorios provoca la falla de los equipos. Es algo así como un seguro: vale más tenerlo y no necesitarlo, que necesitarlo y no tenerlo.
• Armónicas: generalmente, son consecuencia de equipos modernos que han desarrollado una importante mejora en los procesos productivos, sólo que requieren de un mayor cuidado en el sistema eléctrico.
• Factor de potencia: la falta de compensación del factor de potencia en el sistema eléctrico industrial provocará importantes pérdidas en los transformadores y en las líneas de alimentación, y sobre todo, fuertes multas en caso de que el factor de potencia sea menor al mínimo permitido por las empresas generadoras.

Fuente: Ing. Eduardo Aguilar,
director Técnico de Reasa.

Al respecto, Rodrigo Jiménez López, especialista del Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética de la Asociación de Normalización y Certificación (ANCE), explica que cuando se habla de calidad de la energía se tiene que contemplar, tanto para  tensión como para corriente, la forma de onda, la frecuencia, amplitud de la onda (magnitud), la posición angular entre la tensión y la corriente (F.P.), la continuidad (interrupciones), el balanceo y los transitorios.

Se dice que la electricidad presenta buena calidad cuando el equipo eléctrico opera correcta y confiablemente, sin recibir o generar daño a sí mismo o a otros equipos al someterse a un esfuerzo adicional. Contrariamente, si éste presenta malfuncionamiento o produce inconvenientes en otros componentes, se considera que no es confiable y que es sensible a la mala calidad del suministro de energía eléctrica.

A mediados de la década de 1970, el concepto sobre calidad de energía eléctrica cobró mayor notoriedad debido a que, en esos años, comenzaron a aparecer dispositivos electrónicos digitales controlados por microprocesadores. En ese sentido, la introducción de nuevas tecnologías y la proliferación de sus usuarios implicaron que los antiguos estándares de energía eléctrica quedaran obsoletos y que su funcionamiento ya no fuera confiable.

En la actualidad, si las instalaciones no tienen una buena calidad de energía, los equipos eléctricos no podrán desempeñarse adecuadamente y, en su operación, afectarán su rendimiento y productividad, causando pérdidas económicas y daños a los equipos.

Sergio Armando Ruíz Fragoso, gerente de Marca en Grupo Alcione, afirma que, si se trabaja con una mala calidad de energía eléctrica, se comenzará a tener una serie de problemas que afecta tanto a la instalación eléctrica, como a los equipos que se conectan a ella. Ejemplos de esto son el daño o mal funcionamiento de tarjetas electrónicas, la ineficiencia en transformadores, así como el calentamiento en cables y terminales. Estos factores, sostiene el especialista, van en detrimento de la seguridad en instalaciones y vida útil de equipos, además de que elevan costos operativos y de mantenimiento.

De igual forma, el ingeniero Roberto Figueroa Cerritos, director General de Ingeniería y Mantenimiento Eléctrico Figueroa (IMEF), también remarca la importancia de la calidad de energía eléctrica y subraya que en los bancos o empresas de telecomunicaciones las variaciones en tensión o cortes de energía significan pérdidas por miles o millones de dólares.

Dentro del concepto de calidad de energía, los parámetros que se incluyen en él son confiabilidad del servicio, desviaciones de la frecuencia, desviaciones y fluctuaciones de tensión, entre las  que se encuentran desviaciones de la tensión nominal o del trabajo, fluctuaciones rápidas de la tensión, modulaciones de la onda de tensión y sobretensiones. Otros aspectos: distorsión de la onda de tensión y de corriente, y asimetría de las tensiones trifásicas.

En México, en términos generales, la alimentación de energía eléctrica suele encontrarse dentro de los parámetros aceptables; sin embargo, Eduardo Aguilar, director Técnico de Reasa, indica que “hay casos excepcionales en los que se tiene una alimentación deficiente, generalmente relacionada con el nivel de tensión, la cual suele tener variaciones fuera del rango ofrecido en el contrato con el suministrador, que es de +/- 10 por ciento de la tensión nominal”      .

Generalmente, esta variación suele presentarse, en baja tensión, en los sectores residenciales y comerciales; sobre todo, en aquellas zonas en las que es frecuente encontrar los popularmente denominados “diablitos”; es decir, el robo indiscriminado de electricidad. En el caso de tarifas industriales, también se suele detectar una distorsión armónica elevada, la cual es recurrente en aquellos lugares ubicados cerca de grandes consumidores, como los de la industria metalmecánica.

Problemas que influyen en la calidad de la energía eléctrica
Externos. Ocasionados por factores fuera del sistema de referencia, pueden ser:

  • Descargas atmosféricas, que ocasionan valores de tensión o de corrientes muy elevados, de corta duración y de alta frecuencia, que afectan a los aislamientos de los equipos.           
  • Accidentes viales que afectan postes y conductores de alimentación.      
  • Agentes meteorológicos, como viento, nieve, lluvia, terremotos, tornados, etcétera, que dañan la infraestructura de alimentación eléctrica a los usuarios.     

Internos. Ocasionados por Factores dentro del sistema, pueden ser:       

  • Mala selección del calibre de los conductores: si el calibre es menor, provocará calentamientos y pérdidas elevadas; si es mayor, provocará pérdidas económicas al usuario por instalaciones más caras de lo requerido.  
  • Malas prácticas de cableado en canalizaciones, lo que provoca pérdidas excesivas o riesgos de operación.
  • Mala selección de protecciones para las cargas, como interruptores, fusibles, etc.
  • Mal señalamiento en centros de cargas, que provoque riesgos de accidentes para el usuario y para el equipo.

Fuente: Ing. Eduardo Aguilar, director Técnico de Reasa.

Disturbios relacionados
Existen diferentes problemas relacionados con este término. Uno de ellos son las interrupciones. Éstas suelen ser causadas por la operación inducida de los interruptores automáticos de circuito o de otros fusibles. Las interrupciones se pueden clasificar en prolongadas o momentáneas.

Otra de las dificultades asociadas con la calidad son los voltajes transitorios. Este concepto hace referencia a la variación de voltaje, la cual consiste en la amplitud de onda y en el valor RSM de la señal. Son originados por operaciones de conmutación o descargas atmosféricas. Los transitorios pueden ser originados por los usuarios debido a la conexión y desconexión de sus propias cargas, o por las operaciones de conmutación de la compañía suministradora.

Los disturbios también afectan la calidad de la energía. Un disturbio es un transitorio de corta duración en la forma de voltaje CA, el cual se caracteriza por una breve discontinuidad repentina en la forma de la onda.

Los disturbios externos son producidos por las descargas atmosféricas, mientras que los internos se originan por la operación de dispositivos de desconexión, conmutación electrónica, arranque de motores, entre otros. Asimismo, éstos pueden ser en forma de impulso u oscilatorios.

Los ruidos de alta frecuencia también están relacionados con la calidad de la energía. Éstos son señales eléctricas adicionales de alta frecuencia que producen efectos no deseables en los circuitos de control en los que se presentan.

Estos problemas pueden dividirse en ruido en modo común, el cual es el ruido en voltaje que aparece balanceado y en fase con la corriente de los conductores a tierra, y el ruido en modo transversal, que son señales de ruido múltiple entre los conductores de potencia activa que alimentan a una carga, mas no entre los conductores de tierra o de referencia que existen en el circuito. Producen mal funcionamiento en equipos electrónicos, errores en la electrónica digital y en datos.

Otro inconveniente es el factor de potencia. Éste es un indicador cualitativo y cuantitativo que indica el correcto aprovechamiento de la energía eléctrica.

Los sistemas de tierras también deben tenerse en cuenta para mejorar la calidad. El propósito de aterrizar los sistemas eléctricos responde a la necesidad de limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o por contactos no intencionales con cables de voltajes más altos.

Finalmente, las distorsiones armónicas también son un problema recurrente. Las armónicas son tensiones y corrientes cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia del sistema. Éstas son un efecto indeseable por el calentamiento que originan algunas cargas lineales y no lineales.

“Las armónicas son un tipo de contaminación en las instalaciones eléctricas, originadas en mayor medida por las nuevas tecnologías, como los drivers, inversores, variadores de velocidad, lámparas con balastro electrónico o equipos electrónicos con fuentes conmutadas”, explica Rodrigo Jiménez López.

Algunos de los efectos perjudiciales que se originan por las armónicas son los daños en transformadores, motores y capacitores. Esta contaminación también causa distorsión en la forma de onda de tensión para los clientes finales e interferencias en sistemas de comunicaciones y radio, a raíz de componentes armónicas de orden alto y operaciones inadecuadas de fusibles/protecciones y mediciones incorrectas de la potencia.

La utilización de las diferentes normas, entre las que se incluye IEEE-519-92, disminuye los problemas anteriores. Entre muchas ventajas, ayudan a proteger la integridad y seguridad de las redes públicas de suministro. Además, permiten tener una calidad de energía aceptable para todos (compañía suministradora/clientes) y aseguran que los equipos de las instalaciones de los usuarios funcionen correctamente. También, evitan que los equipos se degraden y reduzcan su tiempo de vida útil.

Estudios de calidad de energía, mayor eficiencia y ahorro energético
Sin duda, la calidad de energía eléctrica es imprescindible para el rendimiento eficaz de los equipos. Armando Ramos Oramas, director General de Aro Sistemas, agrega que los problemas de calidad en la energía eléctrica interfieren en la seguridad de las personas que laboran en las instalaciones y con la infraestructura misma: “Medir la calidad eléctrica y el estado de las instalaciones es de gran ayuda para determinar y apoyar la eficiencia y productividad de la empresa”.

La importancia de los estudios de calidad de la energía es uno de los aspectos fundamentales para el desarrollo de la sociedad, ya que la energía eléctrica forma parte integral del funcionamiento de diversos sectores, como el industrial, comercial, de servicio, transporte, comunicación, doméstico, entre otros.

Un estudio de calidad de energía eléctrica, precisa Sergio Armando Ruíz Fragoso, involucra diversos pasos que van desde revisar los consumos históricos, las facturas por la energía consumida, hasta la vigencia del diagrama unifilar en lo referente a normas aplicables. “Con los datos obtenidos, se determinan los puntos por monitorear mediante un Analizador de Redes Eléctricas con certificado de calibración. Los reportes se complementan con información que se recaba de la instalación y equipos eléctricos. Derivado de la interpretación integral de todo ello, se obtiene una ‘radiografía’ de la forma y condiciones en que se usa la energía eléctrica. Conocer la situación actual de consumo es fundamental para emprender, de forma ordenada, acciones encaminadas a mejorar la calidad de energía eléctrica, así como para disminuir su consumo.”

Este tipo de estudios, que no tienen más de dos décadas de existencia, es muy frecuente en ramos que emplean equipo sensible con microprocesadores, como el sector de las telecomunicaciones o el industrial. Sin embargo, en el ámbito comercial, residencial y de servicios, también pueden ser incorporados.

Respecto de este tema, el ingeniero Roberto Figueroa Cerritos demuestra que un sistema profesional de tierras, complementado con apartarrayos y supresores de picos, protege las instalaciones y los equipos conectados; y lo más importante, no deja de ser accesible. “Es importante mencionar que estos sistemas son mucho más económicos de lo que se piensa. El precio de un kit residencial está sobre unos 8 mil pesos y uno comercial sobre 25 mil”.

Cabe resaltar que las técnicas de monitoreo y estudios de calidad de energía, entre muchos otros beneficios, están íntimamente ligados con la eficiencia energética y con la reducción de los consumos de energía en las instalaciones.

“Con estos estudios se pude encontrar de raíz la causa de los problemas eléctricos en los equipos. De esa forma, es posible plantear medidas efectivas, entre las que se pueden detectar las posibilidades de ahorro energético”, explica el ingeniero Salvador Chávez Negrete, gerente de Ingeniería y Consultoría Avanzada en Soluciones de Energía (ICASE).

En los estudios de calidad de energía se utilizan analizadores de redes eléctricas, los cuales deben estar calibrados por laboratorios acreditados. Es por eso que el apego a las normas y la capacitación son fundamentales para que este tipo de trabajos sea eficiente.

“Una solución integral para mejorar los problemas de calidad de energía es cumplir al ciento por ciento con las Normas Mexicanas de Instalaciones Eléctricas, revisar el sistema de tierras, saber si requerimos bancos de capacitores, comprobar que se tienen supresores de voltaje y apartarrayos secundarios; confirmar la vida de las baterías en los UPS que se tengan, reafirmar los voltajes que nos entregan los reguladores que pudiéramos tener y, por último, analizar el requerimiento de filtros de armónicos”, indica el ingeniero Roberto Figueroa.

En cuanto a costos, estos estudios suelen ser accesibles. Su valor depende del tamaño del inmueble y de los equipos que se tengan. Con ellos se puede ahorrar dinero, y su precio es proporcional al beneficio que se obtiene, ya que siempre es más económico prevenir que corregir.

“Nunca será costoso prevenir si consideramos que hay empresas a las que una tarjeta electrónica de maquinaria le puede costar 10 mil dólares cada vez que falla, y un estudio por una semana puede costar desde 2 mil dólares”, subraya el ingeniero.

Sin embargo, los especialistas afirman que en algunos sectores aún falta bastante para que los clientes comprendan las numerosas ventajas que ofrece este tipo de estudios. “Invertir en calidad y en ahorro de energía es rentable, ya que se cumple con los tiempos de retorno de tres años que solicitan las instituciones nacionales, como el Fideicomiso para el Ahorro de la Energía Eléctrica, o internacionales, como el Banco Mundial o el Banco Interamericano de Desarrollo. Además, si se involucran sistemas fotovoltaicos, son 7 años, y se pueden aprovechar los estímulos fiscales”, precisa Ruíz Fragoso.

De cara al futuro
La falta de cultura de prevención y la ausencia de legislación influyen para que los estudios de calidad en energía eléctrica no sean tan atractivos para los clientes. En el mismo sentido, la idea de ahorrar y abaratar costos utilizando materiales de baja calidad y empleando equipos poco eficientes es materia frecuente.

Por otro lado, los contratistas afirman que la calidad de la energía eléctrica suministrada se encuentra dentro de los estándares internacionales; sin embargo, coinciden en que a la Comisión Federal de Electricidad aún le resta mucho por mejorar.

Entre las perspectivas a futuro y los requerimientos, los especialistas reclaman que las empresas suministradoras sean más exigentes en la medición y fijación de límites de distorsión. Del mismo modo, esperan que los fabricantes de equipo incorporen elementos de protección, como reactores de línea, medidores de calidad de energía y supresores de transitorios, que hoy el usuario debe anexar de manera adicional al sistema.

En otro aspecto, el ingeniero Eduardo Aguilar resalta que la presencia cada vez más difundida de cargas no lineales, como computadoras, alumbrado de alta eficiencia, entre otras, provoca la necesidad de realizar estudios de calidad de energía antes de proponer una solución a problemas como el bajo factor de potencia o la elevada distorsión armónica.

Finalmente, el ingeniero Roberto Figueroa Cerritos concluye: “Como contratistas debemos de visualizar nuevas maneras de dar valor a nuestros trabajos. Dotar de nueva tecnología a nuestros diseños u obras permite a nuestros clientes y usuarios finales reducir costos en la operación normal de sus instalaciones”.
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