La mala calidad de la energía

La energía eléctrica es una importante materia prima para todas las operaciones productivas. Como en cualquier otra materia prima, la calidad del suministro es de gran importancia. Los defectos en la producción y los costos que se pueden derivar de ellos deben tomarse en consideración para evitar pérdidas financieras y de productividad.

Por David Chapman.

En términos generales, se estima que los problemas relacionados con la calidad de la energía le suponen al comercio y a la industria de la Unión Europea un costo de alrededor de 10 mil millones de euros al año, mientras que el gasto en medidas preventivas es inferior a 5 por ciento de esta cantidad. La pregunta es evidente: ¿Cuánto dinero se debe invertir en prevención para compensar el riesgo de que se produzcan fallos? La respuesta depende de cada empresa. El primer paso consiste en comprender la naturaleza de los problemas y en estudiar la forma en que cada uno de ellos afecta la actividad empresarial y las pérdidas que pueden ocasionar.

Distorsión armónica
La distorsión armónica, introducida por cargas no lineales en el sistema de alimentación de energía eléctrica, provoca corrientes de una magnitud superior a la esperada y con componentes de frecuencias armónicas. Estas corrientes no pueden medirse adecuadamente con los instrumentos portátiles de bajo costo que utilizan los técnicos de instalación y mantenimiento. Dichos instrumentos dan lecturas con importantes subestimaciones en los valores de las corrientes medidas, con errores de hasta 40 por ciento.

Este error en la apreciación de la magnitud puede hacer que los circuitos se realicen con conductores de secciones excesivamente pequeñas. Incluso, aun cuando la corriente esté dentro de los márgenes del dispositivo de protección contra sobreintensidades instalado, los conductores trabajarán a temperaturas superiores a las normales, disipando mayor cantidad de energía.

Normalmente, estas pérdidas pueden suponer entre 2 y 3 por ciento de la carga. Con frecuencia, el valor del punto de disparo del dispositivo de protección contra sobreintensidades estará demasiado próximo a la corriente real de carga, puesto que ésta fue subestimada y el circuito tenderá a desconectarse a causa de los denominados “disparos intempestivos” de los elementos de protección.

Los componentes de frecuencias armónicas provocan un gran aumento en las pérdidas por corrientes parásitas en los transformadores, debido a que las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia. Al ser superiores las pérdidas, la temperatura de funcionamiento del transformador es más alta de lo normal, por lo que su vida útil se acorta considerablemente. Incluso, los transformadores de poca potencia que alimentan cargas de sistemas informáticos tendrán una vida útil mucho más corta de lo esperado, a menos que se tomen precauciones adecuadas.

Los efectos económicos de los armónicos son el acortamiento de la vida útil de los equipos, la reducción de la eficiencia de la energía y la posibilidad de desconexiones intempestivas de la instalación. El costo de dichas desconexiones, como el de cualquier otra interrupción no prevista, puede ser muy elevado. El acortamiento de la vida útil de los equipos puede resultar muy costoso. Se espera que equipos como los transformadores duren 30 o 40 años; tener que sustituirlos en un plazo de siete a 10 años puede tener consecuencias financieras graves. El costo de las medidas para evitarlo es relativamente pequeño, ya que sólo requiere utilizar buenos sistemas de instalación y una selección adecuada de los equipos. La instalación de cables cuyas secciones sean uno o dos niveles superiores a los mínimos calculados reduce las pérdidas y los costos de funcionamiento, con un incremento muy pequeño en el costo inicial.

Apagones
Los apagones son los problemas más evidentes de calidad de energía y pueden durar desde varios segundos hasta, en un célebre caso extremo, meses. En el Reino Unido, el promedio de duración de un apagón es de 100 minutos y se produce cada 15 meses; pero los sucesos individuales pueden ser muy cortos y mucho más frecuentes. Por supuesto, la red de suministro no es la única fuente de fallos. Dentro de la instalación de un edificio o planta habrá muchas zonas en las que el fallo de un solo componente, cable o conexión puede producir una interrupción del suministro de corriente eléctrica.

La protección contra un corte de suministro de energía eléctrica requiere dos tipos de acciones: la instalación deberá diseñarse de modo que se eliminen los puntos débiles donde pueda producirse un fallo o, al menos, aquéllos que en un estudio se hayan identificado como los de mayor riesgo; por otro lado, deberán tomarse medidas para determinar la necesidad de una fuente de alimentación de emergencia.

Las técnicas que se requieren no son ni difíciles ni particularmente costosas, pero pueden, por sí solas, proporcionar considerables beneficios. Como siempre, estas técnicas son mucho más baratas si se introducen durante la fase inicial del diseño, que si se realizan una vez puesta en servicio la instalación. Las fuentes de energía alternativas pueden resultar muy costosas, tanto de adquirir como de mantener –no tiene sentido, por ejemplo, disponer de un generador de emergencia si no está preparado para un arranque rápido–, y debe estudiarse con cuidado la necesidad y el tipo de alimentación requerida. Al juzgar la viabilidad económica de invertir en una planta generadora de energía en la instalación, debe recordarse que una vez instalada la protegerá contra daños durante muchos años.

Grandes industrias consumidoras de cantidades considerables de energía, como la del acero o la del papel, necesitan una segunda línea de alimentación proveniente de una parte distinta de la red de suministro, de modo que sea muy poco probable que un fallo determinado afecte simultáneamente a las dos fuentes de alimentación. Como alternativa, puede ser viable la generación de toda la energía necesaria en la propia planta si se dispone del adecuado suministro de carburante.

En cualquier caso, es probable que el costo inicial sea muy elevado, pero también lo es el costo potencial de un fallo en el suministro de energía. El papel, por ejemplo, se fabrica en un proceso continuo que requiere velocidades controladas con precisión en cientos de rodillos de una máquina que puede medir hasta 500 metros de longitud; cualquier fallo en el suministro de energía eléctrica, aunque sólo sea una bajada temporal de tensión, provocaría la pérdida de sincronización de los rodillos y haría que todo el proceso se detuviera. Toda la pulpa y el papel en curso de fabricación deberían retirarse de la máquina y de la zona circundante antes de volver a poner en marcha la máquina, lo que supondría muchas horas de trabajo.

Además de la pérdida de producción y del desperdicio de materia prima y de horas de trabajo, la imposibilidad de suministrar la mercancía al cliente es muy importante. El papel para imprimir prensa diaria, digamos, se utiliza en cantidades tan enormes que es imposible, tanto para el proveedor como para el cliente, mantener un stock de reserva. Es preciso que el suministro llegue justo a tiempo, pues el papel de prensa se fabrica, utiliza y desecha en pocos días. El fallo en la entrega de la industria papelera significa que el editor no podrá imprimir y, como las noticias del día anterior no tienen ningún valor, pero sí un costo considerable, las consecuencias financieras serán muy graves. Esta situación puede hacer que el editor decida cambiar de proveedor o modificar los términos del contrato de suministro, introduciendo severas cláusulas de penalización.

En industrias más pequeñas, con menos necesidades de suministro de energía eléctrica, se puede disponer de generadores propios para alimentar los equipos esenciales durante apagones y para reducir los picos de demanda. Esta solución es mucho más barata, pero continúa siendo necesario juzgar su costo en comparación con el de los riesgos de fallo, una valoración que sólo puede hacer el usuario. Debe recordarse que un generador de emergencia necesita cierto tiempo para ponerse en marcha, por lo que se deberá disponer de otra fuente de alimentación de refuerzo, como un UPS, para atender a las cargas sensibles. Un UPS tiene capacidad limitada, por lo que es importante utilizarla exclusivamente para alimentar cargas esenciales, como servidores y las estaciones de trabajo crítico de una red informática.

Figura 1 – Curva ITIC

Bajadas de tensión
Las bajadas, huecos o valles de tensión son disminuciones del valor eficaz de la tensión de alimentación de corta duración, que pueden variar desde una fracción de segundo hasta varios segundos (según UNE-EN 50160, desde 0.01 s hasta 1 min.). Las bajadas de tensión se caracterizan por su duración y la tensión remanente; es decir, el valor mínimo del porcentaje de la tensión nominal eficaz de alimentación que permanece durante el suceso. Es preciso tener en cuenta que una muy corta, pero completa falta de alimentación eléctrica se denomina interrupción, aunque con frecuencia se hace referencia a ella como a una bajada de tensión.

La curva del Consejo Tecnológico de la Industria Informática (ITIC), que se muestra en la Figura 1, describe la tolerancia de los equipos a cualquier tipo de perturbación de la tensión. Las líneas continuas representan las tensiones máximas y mínimas tolerables respecto del tiempo, sin que se produzcan alteraciones en el funcionamiento de los equipos; por ejemplo, los equipos informáticos deben tolerar sobretensiones de cinco veces el valor nominal de la fuente de alimentación de una duración de 0.1 milisegundos (ms), pero sólo una sobretensión del 20 por ciento durante 10 ms. Respecto de las pérdidas de tensión, se puede tolerar una pérdida total de la tensión de alimentación durante 20 ms (un ciclo de la tensión de alimentación), aunque para 100 ms la mínima tensión remanente debe ser el 70 por ciento de la nominal.

Muchas bajadas de tensión las provocan los fallos en la red de suministro, y su severidad depende de las localizaciones relativas del generador, del punto donde se produce el fallo y del punto en el que se realiza la medición. En un estudio realizado por un importante suministrador de energía, se midieron las perturbaciones de tensión en 12 emplazamientos que presentaban una demanda de entre 5 y 30 MVA. A lo largo de un periodo de 10 meses se registraron 858 perturbaciones, 42 de las cuales generaron cortes de suministro y pérdidas económicas. Aunque en los 12 emplazamientos se realizaban operaciones de baja tecnología para la fabricación de productos de poco valor agregado, las pérdidas financieras alcanzaron un total de 600 mil euros (una media de 14 mil 300 euros por suceso o de 50 mil por emplazamiento).

El problema se debe a que la respuesta a las bajadas de tensión de determinados elementos, como los equipos de proceso de datos o reguladores de velocidad de motores, es imprevisible, por lo que no es posible predecir o controlar el comportamiento de un sistema. En el caso de procesos continuos, el efecto de una bajada de tensión es tan grave como la interrupción total del suministro, con los mismos costos de limpieza, pérdida de materias primas y de producción.

Los sistemas de alimentación ininterrumpida online, en los cuales la alimentación de la carga es suministrada continuamente desde una batería de acumuladores, que se carga constantemente desde la red de alimentación, proporcionan por su propia naturaleza inmunidad frente a las bajadas de tensión. Los UPS no conectados a la línea son menos seguros, porque la ausencia de suministro de energía eléctrica debe detectarse antes de que la carga sea conectada al generador interno. Si el umbral de detección es demasiado alto, el UPS se conectará y desconectará con frecuencia de forma innecesaria, mientras que si el límite es demasiado bajo, las bajadas de tensión dañinas puede llegar a la carga. Antes de seleccionar un modelo determinado, deberán consultarse en detalle sus especificaciones.

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Con información de Leonardo Power Quality Initiative