Protección de tensión en carga sensible

La automatización industrial ha alcanzado niveles de sofisticación muy elevados que requieren de una red eléctrica pública sólida y de suministro continuo, regla que se rompe, pues los suministros son susceptibles de sufrir variaciones e interrupciones erráticas e impredecibles.

Por Grupo ABB.

Las alternativas en el mercado, aunque pocas, han garantizado la integridad de los equipos, reduciendo los gastos por reparación o pérdida. Con una sistematización industrial en rápido aumento, la actual norma DIN EN 50160 [1], que define las características de calidad de las tensiones suministradas, basada en los requisitos mínimos europeos, ya no puede considerarse idónea para las complejas plantas industriales modernas.

El problema no deja de agravarse, pues los equipos de producción son cada vez más sensibles y vulnerables frente a las desviaciones de esos requisitos mínimos.

Figura 1. Duración característica y tensión remanente de los distintos problemas de tensión

Problemas en las redes
En las redes eléctricas pueden presentarse varios problemas con la tensión: sobretensiones transitorias, caídas de tensión, flicker o parpadeo (fluctuaciones periódicas de la tensión), cortes del suministro, desequilibrios y armónicos de tensión. Las bajadas de tensión (también denominadas caídas de tensión) se caracterizan por amplitudes por debajo de 90 % de la tensión nominal y constituyen los problemas más frecuentes de calidad de la electricidad. Una caída de tensión implica una reducción de la raíz cuadrática media (RMS, por sus siglas en inglés) de la tensión, asociada con una configuración concreta de la forma de onda, que se identifica por su duración y tensión residual (ver figura 1).

Aunque las causas principales de las bajadas de tensión son perturbaciones atmosféricas, como rayos y tormentas, las averías y los episodios de conmutación de la red también pueden dar lugar a caídas de tensión de corta duración. Según las estadísticas del Electric Power Research Institute (EPRI), más de 92 % de todas las caídas de tensión presentan una profundidad de entre 10 y 30 %, y una duración de menos de 1 s. La profundidad y la duración de las caídas de tensión dependen de muchos factores: características de la red local (mallado, impedancias y tomas de tierra); nivel de tensión de la avería producida; distancia hasta la avería; cargas y su comportamiento con la bajada de tensión, etcétera.

En el mundo industrial, estos sucesos pueden tener consecuencias, como lesiones, materiales inutilizados, tiempos prolongados para una nueva puesta en servicio, anomalías o defectos en las máquinas, actividades prolongadas de reparación o mantenimiento, acciones de servicio costosas, reducción de la calidad de la producción, pérdidas de ingresos o sanciones contractuales. Los costes de incidentes de ese tipo pueden ascender rápidamente a varios cientos de miles de pesos, especialmente en industrias de producción continua, como las de semiconductores o automóviles, o las químicas.

Figura 2. Bajadas de tensión en una fábrica de  semiconductores a lo largo de diez años

Integridad de la alimentación eléctrica
El factor decisivo que determina las medidas de protección necesarias es la sensibilidad de la carga. Algunas entidades, como el Information Technology Industry Council, y documentos como el SEMI F47 [3] o la serie IEC/TR 61000 [4], definen los requisitos de inmunidad contra la tensión en equipos y aparatos eléctricos. En la figura 2, se muestran las caídas de tensión en una fábrica de semiconductores durante 10 años, así como las inmunidades a la tensión para el equipo de producción, de acuerdo con las tres normas industriales mencionadas.

Puede observarse que los requisitos varían según las industrias, y que, en este caso particular, algunas caídas de tensión son más profundas que las normas definidas.

Podría pensarse que la solución más sencilla es aumentar las normas para las cargas individuales; sin embargo, ésta sería una medida muy descentralizada, que sólo resuelve parcialmente el problema, ya que las aplicaciones y los aparatos reales, como accionamientos y suministros de electricidad, tendrían que equiparse con componentes completamente distintos y sobredimensionados. Esto requeriría un diseño radicalmente diferente y encarecería considerablemente esos bienes de equipo. Además, no sería una solución adecuada para las fábricas existentes.

La segunda opción para evitar caídas de tensión es optimizar la propia red. A pesar de ello, las importantes medidas de protección implícitas llevarían a un importante aumento de precios. Puesto que las fluctuaciones de tensión suelen ser de naturaleza estocástica y, por lo tanto, impredecible en su localización y momento de aparición, habría que reconstruir toda la red y aplicar un concepto distinto de protección.

Los recursos básicos más usuales para proteger las cargas críticas, como servidores, centros de cálculo y equipos de comunicación, contra las fluctuaciones de tensión son los Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI) dinámicos y los sistemas de almacenamiento de energía por volantes de inercia. Dependiendo de la industria y del proceso de fabricación, a menudo solamente se protege entre 5 y 20 % de la carga total de una fábrica, debido a los elevados costes de inversión y explotación correspondientes.

Las elevadas pérdidas eléctricas de los SAI de doble conversión (entre 4 y 8 %) y las grandes exigencias de mantenimiento asociadas con las baterías u otros medios de almacenamiento disuaden a las empresas industriales de proteger totalmente toda la producción frente a las fluctuaciones de tensión. Debe llegarse a un compromiso entre la frecuencia de aparición de los incidentes y el impacto financiero correspondiente, por un lado, y los valores de instalación y explotación, por el otro.

Protección eficaz
La cartera de productos que se manejan para eliminar esta serie de problemáticas es cerrada, pero algunos de los existentes, gracias a su avanzada tecnología, están capacitados para proteger los equipos y las cargas industriales sensibles contra las fluctuaciones de tensión y las caídas de hasta 30 % y 30 s mediante la inyección de una tensión  correctiva, o bien resguardar los procesos contra una parada total, por ejemplo, puenteando durante el tiempo necesario para arrancar los generadores diesel de reserva.

Estos dos tipos de sistemas son empleados en fábricas de semiconductores de todo el mundo, así como en las plantas de obleas para aplicaciones fotovoltaicas, en los procesos de automóviles, entre otros, dentro de la industria de la transformación.

Figura 3. El PCS100 AVC ofrece una plataforma para mejorar la calidad de la energía eléctrica

Operación
El sistema protector de equipos se compone de dos etapas de convertidor que no están conectadas en el recorrido de la corriente entre la carga y el suministro (ver figura 3).

En su lugar, la inyección de la tensión correctora se efectúa por medio de un transformador entre la red eléctrica y la carga crítica (ver figura 4). Esta configuración reduce el riesgo de efectos negativos sobre la carga. Asimismo, con el bypass redundante que desconecta el AVC de la red del cliente cuando se producen ciertas condiciones de fallo interno en el lado del cliente.

El equipo, además, asegura una corrección rápida y total de las caídas de tensión trifásica de hasta 70 % de la tensión nominal y de 55 % de la tensión nominal en las de tensión monofásica, durante 30 s. En el caso de caídas de tensión más profundas, realiza una corrección parcial, lo que a menudo evitará la desconexión de la carga. Todos los modelos pueden corregir de forma continua las fluctuaciones de tensión de ±10 % de la tensión de la red e incluso eliminar desequilibrios de la tensión de alimentación.

Por su parte, el sistema de protección contra cortes breves funciona al desconectar la carga de la alimentación de la red mediante un interruptor estático (desconexión de la red eléctrica) y se encarga de la alimentación cuando la tensión de suministro desciende a 90 % de la tensión nominal.

El aparato está disponible para tensiones de suministro de hasta 480 V y una potencia nominal de 2.4 MVA. Debido a su disposición en derivación ofrece varias ventajas sobre los sistemas SAI clásicos. Puesto que ninguna corriente de cortocircuito pasa a través del dispositivo, los clientes industriales no tienen necesidad de cambiar su protección actual. Además, una avería interna o una corriente de cortocircuito excesiva no puede dar lugar a una desconexión de la red entre el generador y la carga. Con un rendimiento de 99 %, el sistema tiene, asimismo, un funcionamiento mucho menos costoso que los sistemas SAI clásicos. Como medio de almacenamiento, el sistema utiliza normalmente condensadores de altas características, que ofrecen hasta 500 mil ciclos de trabajo y requieren únicamente un pequeño mantenimiento preventivo. De este modo, la vida del medio de almacenamiento no se verá reducida por la utilización “real” del sistema, como suele pasar con las baterías. Los ciclos de carga y descarga sólo tienen un impacto muy pequeño en la vida de estos condensadores de altas características.

Figura 4. El PCS100 AVC se compone de dos etapas de convertidor que no están conectadas en el recorrido de la corriente entre la carga y el suministro

Figura 5. El sistema de SAI offline PCS100 UPS-I se encarga de la alimentación cuando la tensión de suministro baja al 90 por ciento de la tensión nominal

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Grupo ABB
Es líder en tecnologías de energía y automatización. Como una de las primeras compañías mundiales de ingeniería, ayuda a sus clientes a utilizar la energía eléctrica de forma efectiva, a aumentar la productividad industrial y a reducir el impacto ambiental de forma sostenible. El Grupo opera en alrededor de 100 países y emplea cerca de 135 mil personas.

Referencias
[1] DIN EN 50160:2011-02. Merkmale der Spannung in offentlichen &Elektrizitatsversorgungsnet &zen. Berlín. Beuth.

[2] Ratering-Schnitzler, B. ETG Kongress 2001, RWE Net AG Dortmund, Versorgungsqualitat aus Sicht eines Energieversorgers.

[3] SEMI F47-0706:2006-05 Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage SAG Immunity. Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI) San José add “CA.” Calif./USA: www.semi.org

[4] IEC/TR 61000 Electromagnetic compatibility (EMC). Ginebra, Suiza Bureau Central de la Comission Electrotechnique Internationale.