Ingeniería Eléctrica

1. Calidad de la Energía Eléctrica
Angelo Rafael Pereira Ayabaca
Escuela de ingeniería Eléctrica, Universidad de Cuenca
Cuenca, Ecuador
angelo.pereiraa91@ucuenca.ec
carlos.sanangov@ucuenca.ec
Abstrac— Todas las fábricas o empresas, desde la
más pequeña hasta las grandes industrias necesitan un
suministro eléctrico de buena calidad. En la actualidad,
prácticamente todas las operaciones comerciales e
industriales se controlan mediante equipos con alto
contenido de dispositivos electrónicos e informáticos.
Estas y otras cargas eléctricas importantes están
expuestas a las perturbaciones presentes en la red q
afectan a la calidad del sistema eléctrico, provocando así
una mala calidad de energía. Analizaremos muchos
parámetros acerca de las distorsiones y problemas para
tratar de contrarrestarlos mediante el uso de equipos
específicos y consejos para mejorar la calidad de energía
eléctrica, principalmente desde las instalaciones del
usuario, principal creador de problemas de distorsiones
que afectan a la red eléctrica.
I. INTRODUCCIÓN
La norma IEEE 1159-95 define “Power Quality” como
“Una gran variedad de fenómenos electromagnéticos que
caracterizan la tensión y la corriente en un instante dado y en
un punto determinado de la red eléctrica”
Siendo muchos los conceptos acerca de la definición de
Calidad de Energía, podemos definir “Calidad de la Energía
Eléctrica” o “Power Quality” como la ausencia de
perturbaciones, interrupciones o disturbios que provocan
deformación en la onda senoidal de tensión y/o corriente
Forma de onda senoidal sin perturbación
Varios de los disturbios eléctricos son causados por la
compañía suministradora de energía eléctrica, sin embargo,
la mayoría de ellos son originados por los equipos de
propiedad del usuario, es decir, dentro de la instalación
eléctrica. Las cargas que provocan este tipo de disturbios son
equipos con alto contenido de dispositivos electrónicos
como: rectificadores, fuentes de poder de los equipos de
cómputo, balastros electrónicos, cables largos o de reducida
sección, UPS, variadores de velocidad de motores de CD y
CA (en sus diferentes aplicaciones: elevadores, equipo de
aire acondicionado, bombas de agua, etc.), entre otros,
provocando así la onda deformada.
Forma de onda senoidal con perturbaciones
Anomalías en la iluminación (luces y monitores que
parpadean), mal funcionamiento de ordenadores
(generalmente se cuelgan), motores sobrecalentados,
disparos intempestivo de protecciones y sobrecalentamiento
en los demás equipos son efectos típicos de una falta de
calidad del suministro eléctrico. Si estos problemas se
ignoran se pueden producir paradas indeseables de la
producción de las fábricas, fallos en los equipos, situaciones
de riesgo para la seguridad de las personas y un elevado
consumo de energía.
II. FUNDAMENTOS DE LA CALIDAD DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
La Calidad Eléctrica nos indica el grado con el que una
instalación eléctrica soporta la operación eficiencte de todas
sus cargas, la calidad se degrada por las perturbaciones que
se generan en la propia instalación o que proceden del
exterior.
En la actualidad, todas las empresas tanto de
Generación y Distribución tienen el deber de estar en la
capacidad de responer o afrontar dos aspectos fundamentales
como son:
1) Aumentar la capacidad de la generación y
distribución de la energía eléctrica para soportar
una creciente en la demanda de consumo de
energía.
2) Asegurar una buena calidad de energía eléctrica
suministrada con el único objetivo de garantizar el
correcto funcionamiento de los equipos o
máquinas conectados a las redes de distribución.
Cuando se produce algún problema en el suministro
eléctrico se suele culpar a la Empresa Eléctrica, sin embargo,
la mayoría de los problemas se originan en las propias
instalaciones del usuario o consumidor. Esto se debe a los
equipos electrónicos e informáticos utilizados que durante el
funcionamiento normal de estos equipos “electrónicos”, étos
pueden generar perturbaciones que se transmiten por toda la
instalación eléctrica, originando así problemas que
conllevan a la mala calidad de energía.

2. III. PROBLEMAS QUE AFECTAN A LA
CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Las principales clasificaciones de los problemas de
calidad de energía son el estado de Equilibrio y Transitorios.
La Tabla 1 contiene una lista de los problemas de calidad
eléctrica más frecuentes.
Tabla 1. Características seleccionadas de distorsión de la
onda de corriente alterna.
Las perturbaciones que afectan a la calidad del
suministro de energía eléctrica son:
a) Huecos y Sobretensiones.- Un hueco es una
reducción brusca de la tensión por debajo del 90%
de su valor nominal y puede durar de 10ms a 1
minuto. Los huecos son las perturbaciones
eléctricas mas frecuentes; originan fluctuaciones
en la iluminación, reinicialización de los
ordenadores o paradas intempestivas de variadores
de velocidad. Su origen suele estar en la conexión
o desconexión de una gran carga como un
comprensor de aire acondicionado o un gran
motor. Una sobretensión es un incremento súbito
de la tensión por encima de un 10% de su valor
nominal. Las sobretensiones provocan el disparo
de las protecciones automáticas, dañan a los
motores y reducen la vida útil de las luminarias.
Las sobrtensiones suelen originarse por un
descenso de la carga aguas arriba (hidroeléctricas).
b) Distorsión Armónica.- Es la alteración de la
forma de onda senoidal de la tensión y tiene su
origen en las cargas de la instalación que
consumen corrientes a frecuencias distintas del 60
Hz. Los armónicos provocan sobrecalentamientos
en cables, motores y transformadores, asi como el
disparo intempestivo de interruptores, relés,
disyuntores o fusibles.
Los armónicos son múltiplos enteros de una frecuencia
fundamental de un proceso periódico. Una tensión periódica
v (t) de período T se resuelve mediante una serie de Fourier:
Los términos individuales en la suma se llaman
armónicos, y a. es un término dc. A veces la serie de Fourier
está escrito como una suma de doble cara, y que la forma es
equivalente a la indicada. Además, hay formas
exponenciales y rectangulares de la suma. La frecuencia
fundamental se relaciona con el periodo T de la siguiente
manera:
Algunos ingenieros, en el análisis de señales (no
repetitivo) aperiódicas, se han encontrado con los
componentes de señal que no son múltiplos enteros de la
fundamental, y éstos han sido llamados Fraccional o Inter-
Armónicos.
Los principales problemas en la calidad de la energía
eléctrica en relación a los armónicos han sido:
1) Estudio del Flujo de Potencia Armónica.-
Esta es una herramienta de software para analizar
cómo los armónicos se propagan en los sistemas
de energía eléctrica. El método utilizado es el de
Newton-Raphson.
2) Inyección de Análisis de Corriente.- Esta es
una técnica de software para el análisis de los
efectos de la inyección de señales de armónicos en
sistemas de potencia.
3) Pérdidas.- Las pérdidas en los dispositivos
magnéticos (máquinas, transformadores)
dependen de los armónicos presentes. El análisis
preciso es bastante compleja, y existen varios
métodos y normas para este propósito.
4) Fraccional e inter Armónicos.- Estas señales
no son verdaderamente armónicos en el sentido de
las Series de Fourier, sin embargo, siendo no
entero existen múltiplos de la frecuencia de
potencia en sistemas de energía como resultado de
conmutación asíncrona, los efectos no lineales, y
aperiodicidad.
5) Métodos Probabilísticos de Análisis. Algunos
investigadores se han propuesto este método para
analizar la probabilidad de la aparición de
armónicos.
6) Instrumentación. Las cuestiones de ancho de
banda, rango dinámico, efectos de la interacción
de la tensión y la potencia creadora actual (y la
potencia reactiva), y la normalización de los
métodos han sido un punto de enfoque en la
ingeniería de calidad de la energía.
Una razón principal de interés en armónicos es la
presencia de tensiones y corrientes en estado sólido no
sinusoidales como circuitos conmutados. Por ejemplo, la de
seis pulsos de tres fases, puente rectificador de Graetz
producen armónicos de corriente en el lado de la carga, y
estos armónicos se propagan en la red de distribución. Un
puente de pulso produce armónicos de la orden np ± 1 donde
n = 0,1,2…, en el caso ideal. Los detalles de estos armónicos
dependen del ángulo de retardo del rectificador, la
inductancia del circuito de alimentación, la carga del
rectificador de corriente continua, y otros parámetros del
circuito. Otras fuentes comunes de señales periódicas no
sinusoidales, y por lo tanto son armónicos como variadores
de velocidad, inversores, y las lámparas fluorescentes
compactas.
c) Desquilibrio.- El desequilibrio de tensión hace
referencia a la diferencia entre las 3 tensiones de
un sistema trifásico. Para mantener el equilibrio en
tensión es necesario hacer un reparto simétrico de
lascargas en las 3 fases. Un desequilibrio en

3. tensión de mas del 2% ocasiona el fallo prematuro
de los motores y otras cargas trifásicas. Las cargas
mas alejadas del cuadro principal sufren mayores
desequilibrios por lo que se deben comprobar con
mayor frecuencia.
d) Flicker.- Es el parpadeo apreciable en la
iluminación incandescente por efecto de la
fluctuación periódica de la tensión a frecuencias
de hasta 30 Herzios. El Flicker se origina
generalmente en las cargas que funcionan en un
régimen cíclico de arranque y parada. Aunque el
Flicker no afecta a los equipos es incómodo para
las personas siendo perceptible y hasta puede
provocar dolor de cabeza.
e) Transitorios.- Los Transitorios son bruscos
aumentos de la tensión con duración de milésimas
de segundos. Pueden destruir los componentes
electrónicos de los equipos, bloquear los
ordenadores, generar errores en la trasmisión de
datos digitales o dañar el aislamiento de motores y
otros equipos. Los Transitorios se producen en la
conexión y desconexión de grandes equipos o
incluso por los rayos
Los ejemplos de los transitorios son impulsos causados
por descargas atmosféricas o de conmutación. El análisis de
frecuencias basado ha sido común desde los tiempos de
Fourier; Sin embargo, el análisis de frecuencia no es ideal
para el análisis de transitorios, porque el análisis de Fourier
(frecuencia) se basa en las funciones de seno y coseno, que
no son transitorios. Esto resulta un muy amplio espectro de
frecuencias en el análisis de transitorios. Una solución al
problema es hacer un llamamiento a la utilización de los
transitorios para analizarlos. Como ejemplo, considere la
habitual Transformada de Fourier de un voltaje v (t),
El espectro de V (ω), la transformada de Fourier de V
(t), muestra el espectro de frecuencia (es decir, las
frecuencias componentes presentar) en el voltaje v (t). El
análisis de un gran ancho de banda usando Transformadas
de Fourier implica cálculo considerable debido a que el
análisis debe llevarse a cabo a través de una muy amplia
gama de frecuencias. Sin embargo, uno puede usar los
transitorios en la definición de la transformada integral; tal
es el caso en el uso de las ondas de transformación:
En esta transformación, la tensión V transitoria (t) se
resuelve en sus ondas componentes denotados w (n, b, t) en
la integral. Los términos a y b representan el factor de escala
de tiempo r dilatación de la ondícula, y B representa el
cambio, o en el que el wavelet se encuentra en el tiempo.
El término f (a) es un factor de escala. Un wavelet es un
transitorio en sí como se ve en la Figura 1. Un wavelet (w)
es una función matemática, que a su vez es un transitorio con
propiedades oscilatorias especializados. El espectro de
ondas de v (t) es a menudo más estrecha que el espectro de
frecuencias.
IV. ÍNDICES DE CALIDAD DE ENERGÍA
Varios índices son de uso común para la cuantificación
de la calidad de la energía eléctrica. Estos índices son
convenientes para la condensación de tiempo y dominio de
la frecuencia fenómenos de formas de onda complejas en un
solo número. Las curvas de aceptabilidad de potencia
también se han utilizado como medidas convenientes de
potencia. El más común de los índices de calidad de energía
se muestra en la Tabla 2.
Estos índices tienen las propiedades generales que son
relativamente de calcular, que se calculan utilizando
procedimientos estandarizados y por lo tanto pueden ser
comparados de la aplicación con precisión, muchos de los
índices se interpretan fácilmente , y muchos son
comúnmente utilizados por los ingenieros en ejercicio.
Las principales dificultades encontradas de los índices
es que la mayoría no se adaptan a los transitorios, a las
señales aperiódicas, e inclusive, algunos ignoran las
complejidades de los circuitos trifásicos, y algunos se
definen de manera ambigua.
Tabla 2. Índices de calidad de energía común
V. NORMAS PARA VALORAR LA
CALIDAD DEL SUMINISTRO DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
Es muy utilizada la norma IEEE-519-92 que referentes a la
emisión de armónicos de tensión establece las siguientes
prescripciones:
Distorsión de tensión en
los Armónicos
individuales, %
Distorsión
total
thd, %
Hasta 69 Kv 3.0 5.0
69 – 161 Kv 1.5 2.5
Más 1.0 1.5
Para bajas tensiones se establecen valores normativos
mayores que los arriba indicados, siendo los valores
máximos del thd hasta 1 kVde 6% para los impares y 3%
para los pares.
Número de orden de los armónicos individuales
Icc/Icarga <11 11<h<17 17<h<23 23<h<35 35<h thd
<50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5
>50 3.0 1.5 1.15 0.45 0.22 3.75
Nota: los armónicos pares se limitan al 25% de los impares

4. En el caso de K2 y K0 se establecen los valores de 2%
como normal y 4% como máximo para ambos en cualquier
nivel de tensión.
VI. SOLUCIONES Y CONSEJOS
La calidad de la energía depende del propio
consumidor, las inspecciones regulareses de la alimentacion
eléctrica dentro de la propia instalación pueden ahorrar
mucho tiempo y dinero.
El análisis de la calidad eléctrica se centra en el registro
de unos pocos parámetros cuya tendencia permite anticipar
si se puede producir un mal funcionamiento a futuro de los
equipos o incluso una para crítica de la producción. La
estabilidad de la tensión, su deformación armónica y el
desequilibrio son buenos indicadores de la calidad del
suministro eléctrico.
Solo los intrumentos diseñados para medir y registrar
los parámetros de calidad eléctrica ofrecen la información
necesaria para establecer las soluciones oportunas.
Los Analizadores Eléctricos son uno de ellos, presentan
la evolución temporal de estos parámetros lo que permite
predecir su tendencia, entre ellos se encuentran:
1) Cámara Termográfica.- Es interesante utilizar
una cámara termográfica para detectar puntos
calientes o sobrecalentaminetos en conductores,
conexiones, cuadros de distribución y motores
eléctricos. Son los primeros indicios en problemas
de calidad eléctrica que requieren un análisis mas
profundo con un instrumento específico.
2) Analizadores Portátiles de Calidad
Eléctrica.- Ayudan a detectar perturbaciones
como Armónicos y Variaciones de tensión en
cargas monofásicas y trifásicas, asi como
determinar su magnitud al instante. Los resultados
de las medidas se muestran en la pantalla del
analizador. Las funciones de análisis integradas
permiten localizar e identificar el origen de las
perturbaciones antes de que se deriven a
problemas mayores.
3) Los Registradores de Calidad Eléctrica.- Se
configuran para capturar durante una semana por
ejemplo las perturbaciones intermitentes en la red
o para validar la calidad del suministro eléctrico en
el punto de entrega de la empresa eléctrica. Estos
instrumentos de registro de análisis sirven también
para estudiar las cargas y determinar si el sistema
eléctrico podría admitir otras nuevas
perturbaciones. Los resultados se analizaran
posteriormente en un ordenador dando un informe
del problema.
Los Analizadores Portátiles y Registradores de Calidad
de la Energía Eléctrica son dos tipos de instrumentos pueden
medir una serie de parámetros en los que se incluyen:
Calidad de la Tensión según las normas aplicables, Captura
detallada de Huecos y Sobretensiones, Registro de
Armónicos de tensión y Corriente, Captura de Transitorios y
registro de otros parámetros como el Factor de Potencia.
Para asegurarnos de tener una energía eléctrica de
calidad, se debe analizar y estudiar la propia instalación del
consumidor, debido a que son los principales portadores y
donde se originan los factores de las perturbaciones y por
tanto la existencia de una mala calidad eléctrica.
Para impedir aquello debemos seguir importantes
consejos:
a) Al estudiar las pesturbaciones de la instalación se
debe empezar a analizar desde la carga sospechosa
hasta concluir en el punto de entrega de la Empresa
Eléctrica, de esta forma se sabrá en que ounto
desaparece el problema y podrá encontrar su
origen. Además de comprobar el problema, las
inspecciones periódicas son importantes para
identificar las áreas problempaticas antes de que
interfieran en puntos vitales de la instalación.
b) Debemos comprobar la tensión.una tensión estable
y de valor correcto es imprescindible para el
correcto funcionamiento de los
equipos.Comprobar que la tensión se encuentra
dentro de la banda del 90% al 110% de la tensión
nominal indicada en la placa del equipo.
c) Se debe medir la tensión neutro-tierra para saber
cuan sobrecargado está el sistema eléctrico.
d) Medir el número de huecos y sobretensiones.
Cuanto mas frecuentes y prolongados sean, mas
probables serán los problemas en la instalación.
e) El aumento de la corriente es otro factor a
considerar debido a que puede suponer una
degradación de la carga. Se debe asegurar que el
valor medido es inferior al mecionado en las
características de la placa. Una elevada corriente
de neutro puede indicar una existencia de
armónicos o desequilibrios.
f) Medir el desequilibrio de tensión. En sistemas
trifásicos, el desequilibrio implica un problema en
la tensión de red o un defecto en la carga. El
desequilibrio se mide en %, a mayor porcentaje,
mayor desequilibrio.
g) Es muy importante e interesante medir el Factor
de Potencia, que es la relación entre la cantidad de
energía utilizada y la suministrada por la empresa
eléctrica. Un factor de potencia del 100% implica
una utilización óptima de la energía suministrada.
Valores inferiores al 85% revelan un consumo
claramente ineficiente. Las Empresas Eléctricas
penalizan o multan un bajo factor de potencia, por
lo tanto, se debe comprobar regularmente el factor
de potencia, caso contrario, el nivel total a pagar
tendrá un alza notable.