Cada vez más, la electricidad se considera un producto. Idealmente, la onda de voltaje AC es una onda sinusoidal que alterna desde un pico positivo a un pico negativo 60 veces por segundo (60 Hz) sin deformaciones, picos ni sobretensiones. En la realidad, diversos factores influyen en la calidad de la onda. Ciertas perturbaciones provienen directamente de la fuente de alimentación, como los rayos. Otras perturbaciones provienen de las cargas, en particular de equipos electrónicos que son cargas no lineales y producen armónicos, principalmente debido a sus fuentes de alimentación conmutadas.
Problemas Eléctricos Relacionados con la Calidad de Energía
Los picos de voltaje surgen cuando se apaga equipo que opera con corrientes altas, como aires acondicionados, fotocopiadoras, cafeteras, herramientas eléctricas, etc.
El ruido puede generarse por cualquier frecuencia alta temporal (armónico de 50 kHz a 100 MHz), por radiofrecuencia (RFI) o por la producción de interferencia electromagnética (EMI) emitida por transformadores o motores (a menudo motores de ascensores o fotocopiadoras). Además, los campos magnéticos inducidos por un cable monofásico o por un sistema trifásico desequilibrado pueden deformar imágenes en una pantalla catódica (monitor de computadora) o destruir datos en un disco duro.
Existen dos tipos de ruidos transitorios. El modo normal o transversal se debe a un voltaje inducido entre cualquier par de conductores de fase (línea-línea). Este voltaje normalmente está en el rango de baja frecuencia y causa daños a computadoras personales, redes locales y estaciones de trabajo. El modo común se debe a un voltaje inducido entre cualquier conductor de fase, incluyendo el neutro y tierra. Este voltaje puede causar más daño que el ruido del modo normal, no necesariamente por su presencia (2-3 V), sino por las fluctuaciones que produce. El voltaje de modo común también se produce debido a la presencia de corriente en el neutro (E=IZ) y porque los armónicos triplen en las fases no se cancelan y se suman en el neutro. Como consecuencia, el voltaje de modo común produce diferencias de potencial a tierra con otras tierras.
Las cargas no lineales (computadoras, variadores de velocidad, etc.) generan armónicos. Para ahorrar energía o transformar corriente alterna en corriente continua, su fuente de alimentación toma corriente como porciones de la onda sinusoidal de 60 Hz. Esto provoca deformaciones en la onda sinusoidal y la formación de múltiples frecuencias de 60 Hz. A menudo, las cargas monofásicas producen tripletas (3º, 9º, etc.), mientras que las cargas trifásicas producen 5º y 7º armónicos. Por lo tanto, equipos eléctricos e instalaciones diseñadas para operar a 60 Hz pueden dañarse o desequilibrarse debido a estos armónicos, que son diferentes al fundamental (60 Hz). El principal problema que surge es el sobrecalentamiento de equipos o conductores. La tasa de distorsión armónica (HDR) es la relación entre los armónicos y la carga fundamental, expresada como porcentaje.
Las sobretensiones pueden compararse con los picos de voltaje, pero duran más tiempo: de 15 microsegundos a medio segundo o más. Son causadas principalmente por el apagado de circuitos con cargas elevadas o por la conmutación necesaria de una red de alta potencia (por ejemplo, corrección del factor de potencia, interruptores de vacío). Evidentemente, los equipos electrónicos sensibles como las computadoras pueden dañarse gravemente por estas sobretensiones.
Los hundimientos de voltaje son causados normalmente por la adición de cargas pesadas en una línea eléctrica, como el arranque de un ascensor, fotocopiadora o motor grande. En este caso, la corriente sufre una pérdida del 20% o más durante un período de 15 microsegundos a medio segundo.
Los bajones de tensión duran más que los hundimientos de voltaje. A veces son causados intencionalmente por la compañía eléctrica para evitar un apagón total cuando hay una gran demanda de electricidad.
El parpadeo es una variación de voltaje con una carga de iluminación que provoca que la salida de luz parpadee visiblemente. Esto puede ser causado por la entrada en función de cargas electrodomésticas, pero principalmente se debe a cargas industriales (por ejemplo, arranque o variación de velocidad de motores).
Los cortes de energía pueden durar desde unos pocos microsegundos hasta horas o incluso días. Estas pérdidas totales de corriente normalmente ocurren debido a equipos dañados o líneas eléctricas.
El Factor de Potencia es la relación entre la potencia aparente (VA) y la potencia activa real (W). Los proveedores de energía suministran electricidad con una onda sinusoidal de voltaje a 60 Hz. Si las ondas de corriente y voltaje no están alineadas, la eficiencia del sistema se ve disminuida y la potencia aparente es mayor que la potencia real. En un sistema inductivo, la onda de voltaje está adelantada con respecto a la onda de corriente. En un sistema capacitivo, es la onda de corriente la que está adelantada con respecto a la onda de voltaje. Para compensar el efecto inductivo de los motores, se utiliza la corrección utilizando capacitores para alinear las dos formas de onda. Ahora hay dos causas que contribuyen al deterioro del factor de potencia: cargas inductivas, que influyen en el factor de potencia de desplazamiento, y cargas no lineales cuando los armónicos de corriente no están alineados con la fuente de voltaje. Las empresas de servicios públicos miden el factor de potencia total y consideran ambas causas.
Conocer la causa del deterioro del factor de potencia ayudará a elegir la mejor forma de corregirlo. En algunos casos, corregir problemas armónicos puede rectificar el factor de potencia.
Cálculos del Factor de Potencia: La relación del factor de potencia mide las cantidades relativas de potencia activa productora de trabajo medida en kW frente a la potencia aparente total (kVA). El factor de potencia se define como el coseno (cos) en las siguientes ecuaciones:
Power factor = COS
Power = Vrms Irms COS
PF = kW / kVA
Esta relación se muestra en la Figura 2, Factor de Potencia por Desplazamiento.
El factor de potencia se basa en la frecuencia fundamental de 60 Hz. Las corrientes armónicas generadas por UPS, cargadores de vehículos eléctricos, variadores de velocidad ajustable, balastos electrónicos y equipos electrónicos de oficina están aumentando en las instalaciones modernas. Como resultado, el factor de potencia ahora debe considerarse en relación con las frecuencias armónicas de la frecuencia fundamental de 60 Hz. El factor de potencia convencional ahora se llama factor de potencia por desplazamiento para relacionarlo con el desplazamiento entre las formas de onda de corriente y voltaje del sistema.
El factor de potencia de distorsión, por otro lado, tiene en cuenta las corrientes armónicas que no contribuyen al trabajo real producido por la carga. Se define como la relación entre el componente fundamental de la corriente de línea y la corriente de línea total. El factor de potencia total es una combinación de los factores de potencia por desplazamiento y de distorsión. Esta relación, que se muestra en la Figura 3, se representa como un vector tridimensional con el valor de kVA ilustrado como la diagonal de una caja. Es importante destacar que la línea diagonal de kVA en la caja de la Figura 3 siempre es igual o más larga que la línea de kVA mostrada en la Figura 2. Por lo tanto, el factor de potencia total siempre es igual o menor que el factor de potencia por desplazamiento convencional.
Mediciones del Factor de Potencia
Una instalación a veces puede determinar su factor de potencia revisando su factura de energía o solicitando la información a su proveedor de servicios públicos. El factor de potencia puede medirse o calcularse a partir de otras mediciones como kW, kVA o kVAR.
Las técnicas de medición que consideran solo la frecuencia fundamental de 60 Hz determinan el factor de potencia por desplazamiento. Esto simplemente es el desfase entre las formas de onda de corriente y voltaje. Las técnicas de medición que incluyen los valores eficaces (RMS) de corriente y voltaje tienen en cuenta los efectos de las corrientes armónicas para reflejar tanto los factores de potencia por desplazamiento como de distorsión. Muchos monitores de potencia de estado sólido están disponibles para muestrear las formas de onda de voltaje y corriente y calcular los parámetros eléctricos. Estos dispositivos suelen indicar tanto el factor de potencia por desplazamiento como el total.
Equipamiento
Problemas Eléctricos vs. Computadoras
Debido a las fluctuaciones de voltaje y consideraciones económicas, los fabricantes de computadoras desarrollaron fuentes de alimentación no lineales conocidas como fuentes de alimentación conmutadas. La conversión de energía ya no se realiza a 60 Hz. La conversión de CA a CC se realiza mediante un convertidor que opera en el rango de 20-100 kHz.
Las computadoras personales, estaciones de trabajo, redes locales y otros accesorios que utilizan estas fuentes de alimentación o esta tecnología son muy sensibles a los problemas causados por la energía eléctrica. Los problemas eléctricos pueden causar muchos problemas en cargas lineales y otros dispositivos como transformadores, motores, interruptores automáticos, fusibles, etc.
Estos problemas a menudo son muy evidentes. Mientras tanto, otros problemas eléctricos ocultos son causados por picos de voltaje, sobretensiones, bajones de voltaje, así como por ruido eléctrico en las líneas y pueden tener diferentes consecuencias:
Los picos de voltaje, aunque breves, pueden destruir datos almacenados en discos o cintas magnéticas, modificar la memoria e incluso causar daños graves en equipos (por ejemplo, la rotura del cabezal de lectura de una unidad de disco).
El ruido eléctrico suele ser el peor de estos problemas porque no podemos detectarlo sin instrumentos especializados (por ejemplo, grabadores, osciloscopios, etc.). El ruido puede interferir con las señales de datos causando errores de transmisión entre los componentes de un sistema. Ciertos ruidos en frecuencias altas incluso pueden viajar a través de rutas de circuito y destruir circuitos integrados.
Los armónicos producen un aumento en la resistencia del conductor (efecto piel) y, a su vez, una diferencia de voltaje anormal de modo común (neutro-tierra). Esto provocará la aparición de bucles de tierra indeseables.
Las sobretensiones que exceden los voltajes normales en un 20% afectan los datos numéricos, producen errores en los sistemas de verificación y dañan equipos. Las fluctuaciones temporales producen errores de paridad e interrumpen los sistemas de protección.
Los bajones de voltaje a menudo causan pérdidas e incluso errores no resueltos relacionados con los datos de la memoria central o cuando se están almacenando datos en disco o cinta magnética. En ciertos casos, si el bajón de voltaje dura lo suficiente, puede causar un apagado automático de ciertos equipos.
Problemas Eléctricos en Sistemas Eléctricos No Lineales
Una fuente de alimentación conmutada toma una porción de la energía máxima positiva y también de la energía mínima negativa de la onda sinusoidal. Esto deforma la onda sinusoidal, provocando una nueva forma de onda.
Fourier, el matemático francés, demostró que esta nueva forma de onda puede descomponerse como la suma de muchas ondas (armónicos), donde el fundamental está a 60 Hz, y todos los armónicos presentes, el 2º a 120 Hz, el 3º a 180 Hz, etc.
Un análisis espectral nos da la amplitud de estas ondas y nos permite comparar la importancia relativa de cada una de ellas.
Análisis Espectral de Armónicos | |||
IEE Standard - 519-1992 | |||
Armónico | Amplitud | Armónico | Amplitud |
1 | 1 | 9 | 0.157 |
3 | 0.81 | 11 | 0.024 |
5 | 0.606 | 13 | 0.063 |
7 | 0.37 | 15 | 0.079 |
El valor eficaz (RMS) de una corriente deformada se calcula mediante:
I = Valor eficaz (RMS) de la corriente deformada
IF = Valor eficaz (RMS) del fundamental
IH = Valor eficaz (RMS) de los armónicos
I2, I3, I4, ... IN = Respectivos valores RMS de los armónicos de 2º, 3º, 4º, ... N-ésimo orden
Una ecuación similar se aplica para el voltaje.
Ejemplo:
Con una corriente para la cual el valor eficaz (RMS) es de 100 A en el fundamental (60 Hz) y 80 A en el 3er armónico (180 Hz), el valor eficaz (RMS) de la corriente deformada es por lo tanto:
Sistemas de Distribución Eléctrica
Los armónicos pueden causar que fusibles e interruptores automáticos abran un circuito sin una razón aparente. Una instalación capaz de soportar cierta cantidad de cargas lineales podría no ser capaz de soportarla después de ser reemplazada por cargas no lineales de la misma potencia a 60 Hz. Deberíamos ver una rápida progresión de este tipo de problema a medida que se agreguen nuevas cargas armónicas no lineales o reemplacen cargas lineales tradicionales.
Con programas de ahorro de energía, las empresas de servicios públicos orientan a sus clientes a utilizar tecnologías de suministro de energía conmutada, como variadores de velocidad y balastos electrónicos.
Las leyes de la electricidad no han cambiado, pero nuestro conocimiento de ellas se vuelve esencial:
A medida que aumenta la frecuencia, el metal se vuelve más resistivo (efecto piel).
Algunos armónicos están en secuencias directas (1, 4, 7, 10), otros en secuencias inversas (2, 5, 8, 11), y otros sin secuencia se llaman tripletes (3, 6, 9).
Los armónicos pueden dañar transformadores.
Los armónicos inversos tienen efectos perjudiciales en los motores.
Los armónicos influyen en el factor de potencia. En una fábrica, si encontramos cierta cantidad de armónicos de corriente, ¿hay algún problema?
La ley de Ohm (V=IR), con algunas excepciones, explica las consecuencias de estos armónicos en cargas inductivas y resistivas. Las distorsiones de corriente crearán distorsiones de voltaje según la impedancia de la línea. Es bien sabido que para cualquier instalación con carga no lineal, es muy importante que la impedancia sea lo más baja posible. Siempre se deben prever las consecuencias de una distorsión de corriente en el voltaje o en la distorsión armónica del voltaje que puede causar. Los armónicos de corriente están siempre presentes en cargas no lineales y, si se manejan adecuadamente, no siempre serán fuentes de problemas.
E Standard 519-1992 | ||
Límites de distorsión armónica de voltaje en % de la tensión nominal de frecuencia fundamental. | ||
Bus Voltage at PCC (Vn) | Distorsión armónica individual de voltaje (%). | Distorsión total de voltaje - THDVn (%) |
| 3 | 5 |
| 1.5 | 2.5 |
| 1 | 1.5 |
Conductores Eléctricos
Como se mencionó anteriormente, a mayor frecuencia, mayor es la resistencia del metal. Por lo tanto, la corriente tiende a concentrarse en las superficies exteriores del conductor (efecto piel). El conductor eléctrico, diseñado para 60 Hz, se calentará cuando se le alimente con frecuencias más altas. Por lo tanto, es necesario reclasificar el conductor. Aquí hay una recomendación del estándar IEEE 519-2014 sobre este tema:
Factor de desclasificación del cable en términos del porcentaje de armónicos para un convertidor trifásico de 6 impulsos utilizado en variadores de velocidad (VSDs).
Transformadores Trifásicos:
Problemas en el Neutro
En un transformador delta-estrella de 4 cables a 60 Hz, si las cargas en las fases están bien balanceadas, la corriente (I) en el lado del neutro se cancela a la frecuencia de 60 Hz debido a la suma vectorial de cada una de las fases (con un ángulo de 120º entre cada una).
Según la norma IEEE 519-1992 en un sistema trifásico donde las cargas son exclusivamente computadoras, para una corriente de 100 amperios a 60 Hz, encontramos una corriente de 81 amperios a 180 Hz. Dado que con 120º entre cada fase, a la frecuencia de 180 Hz no hay cancelación en el neutro; este posee una corriente que es la suma de cada corriente de fase a 180 Hz. Por lo tanto, el valor eficaz (RMS) de la corriente en el neutro es mayor que la corriente de fase (ver Problemas Eléctricos en Sistemas Eléctricos No Lineales).
El neutro se calentará si no es de un tamaño adecuado para una carga no lineal. Además, debido a la impedancia del cable, aparecerá una tensión en la carga entre el neutro y la tierra. Esta tensión puede ser muy perjudicial para equipos electrónicos (por ejemplo, señal llevada a tierra).
Calentamiento del Transformador
El transformador se sobrecalienta debido al aumento de pérdidas causadas por las corrientes de EDDY, provocadas por la presencia de armónicos en los conductores del devanado.
Motores
Los motores operan con una rotación positiva a una frecuencia de 60 Hz. Por lo tanto, si la frecuencia es una secuencia negativa (por ejemplo, el 5º armónico de voltaje), la fuerza resultante provocará calentamiento, así como una disminución del par motor total porque este tipo de frecuencia produce un efecto rotacional inverso en el motor. Este fenómeno generará un estrés adicional, lo que provocará fallas prematuras en los motores. Un voltaje desbalanceado provocará una secuencia de rotación negativa.
Variadores de Velocidad
Los variadores de velocidad se han vuelto muy populares en las instalaciones eléctricas industriales, comenzando con motores de corriente continua y posteriormente con motores de corriente alterna. Ambos tipos convierten la corriente alterna y la transforman en corriente continua para controlar la velocidad del motor. Sin embargo, debido a este proceso, generan armónicos de corriente en la línea y son muy sensibles a las fluctuaciones de voltaje.
Norma IEEE 519-1992
Factores de ponderación para diferentes tipos de cargas que producen armónicos.
Protección de Sistemas Eléctricos
Existe una gran cantidad de sistemas de protección eléctrica en el mercado. Las elecciones que hagamos dependerán de las necesidades y la complejidad de su aplicación, así como de su costo.
Interruptores y Fusibles
Al elegir interruptores y fusibles, es crucial considerar los valores de corriente verdaderos RMS (Root Mean Square). Para ello, las mediciones siempre deben tomarse con equipos que calculen el valor verdadero RMS, lo que implica una lectura de corriente que incluya los valores armónicos (ver Problemas Eléctricos en Sistemas Eléctricos No Lineales).
Circuitos de Corte de Picos
(Dispositivo de Protección contra Sobretensiones o SPD)
Estos semiconductores (MOV: varistor de óxido metálico) son apenas conductivos por debajo de cierto voltaje, pero se vuelven conductivos por encima de este voltaje. En un circuito de 120 voltios, si colocamos este semiconductor entre la línea y tierra, cuando ocurra un pico de tensión, el semiconductor se volverá conductivo y descargará este exceso de voltaje a tierra.
Los semiconductores tienen una vida útil finita y, después de cierto número de descargas, pueden volverse ineficaces. Deben reemplazarse con frecuencia, anualmente en algunos casos, si su tolerancia en julios y la corriente máxima de pico se vuelven demasiado bajas. Muchos sistemas no permiten una fácil prueba de los MOV.
Aquí hay algunas características de SPD a considerar:
Pueden estar equipados con un filtro de alta frecuencia (10 kHz-100 MHz).
Deben ser fáciles de reemplazar y venir con luces de advertencia en caso de falla. En ciertos casos, deben estar equipados con una alarma externa.
Las unidades de baja escala pueden volverse ineficientes en seis meses.
Nota: Aunque a menudo se les llama filtros o acondicionadores de línea, los semiconductores solo filtran las altas frecuencias (10 kHz-100 MHz) si están equipados con filtros híbridos. Nunca aíslan las aplicaciones de línea. Se debe agregar un transformador para obtener este tipo de protección.
Transformadores de Acondicionamiento de Línea Monofásicos
Los transformadores de aislamiento a veces están equipados con circuitos de corte de pico y filtros, y pueden tener un aislamiento galvánico. Por lo tanto, se convierten en excelentes acondicionadores de línea que protegen contra ruido y picos.
Transformadores Reguladores de Voltaje
Además de asegurar protección contra picos y sobretensiones, los reguladores de voltaje filtran la mayoría del ruido eléctrico, que a menudo es una fuente oculta de problemas. Los reguladores de voltaje son más caros que los circuitos de corte de pico (SPD), pero protegen mucho mejor, ya que la mayoría está equipada con un transformador de aislamiento. Hay tres tipos de reguladores de voltaje en el mercado: transformadores ferroresonantes, transformadores de conmutación de tomas y reguladores de voltaje electrónicos.
Transformadores Delta-Estrella Aislados
Este tipo de transformador es muy popular. Son menos costosos y también pueden aislar la aplicación de la línea.
Los circuitos de corte de pico, los filtros y un doble blindaje electrostático se pueden agregar como opciones para proteger contra ruidos de modo común y picos de tensión en la línea (para obtener información sobre armónicos, ver el tipo K, Delta-Estrella para Cargas No Lineales).
Debido al aislamiento galvánico, habrá una conexión en el secundario entre el neutro y la tierra que elimina el posible voltaje entre el neutro y la tierra en el secundario del transformador.
Para ser más eficientes, estos transformadores deben instalarse lo más cerca posible de la aplicación.
Dado que los transformadores estándar fueron construidos para soportar cargas lineales, pueden sobrecalentarse y dañarse con cargas no lineales.
Desclasificación de un transformador Delta-Estrella de 4 cables según CBEMA sin factor K:
| PH A | PH B | PPH C | Average |
Amperios RMS | 310 A | 346 A | 337 A | 331 A |
Amperios pico RMS | 705 A | 793 A | 729 A | 742 A |
Entonces:
Entonces: El kVA del transformador x 0.630 = kVA utilizable
Transformadores tipo K Delta-Wye para Cargas No Lineales
En sistemas eléctricos con cargas no lineales, los transformadores de tipo K (K4, K9, K13, K20) juegan un papel crucial. Estos transformadores son transformadores de aislamiento que pueden actuar como acondicionadores de línea si están equipados con pantallas electrostáticas especiales y filtros híbridos de corte de pico tanto en el secundario como en el primario. Están diseñados para soportar las pérdidas adicionales debido a la corriente armónica que circula en los devanados.
El número que indica el factor (K4, K9, K13, K20) es el factor de multiplicación de las pérdidas debido a las corrientes de Foucault en los devanados que este transformador puede soportar, siguiendo la norma UL 15.61.
Sugerencias para Transformadores Tipo K:
K=4: Usar para ciclos de trabajo bajos donde menos del 50% de la capacidad del transformador será cargas no lineales.
K=9: Usar para ciclos de trabajo donde menos del 85% de la capacidad del transformador será cargas no lineales.
K=13: Usar para ciclos de trabajo altos donde el 85% o más de la capacidad del transformador será cargas no lineales.
K=20: Usar para cargas críticas que combinan altos ciclos de trabajo (85% o más de la capacidad del transformador) y alto contenido armónico.
Los transformadores con K-ratings superiores a K=13 son muy raros en sistemas reales.
Para factores de carga altos, también se debe considerar especificar transformadores con baja elevación de temperatura de 115°C.
Filtro de Secuencia Cero:
En casos de armónicos muy severos, como en sistemas UPS o sistemas informáticos centrales, es posible cancelar ciertos armónicos (tripletes) y evitar daños que podrían ser causados al sistema en la línea (larga distancia entre la línea y el transformador) añadiendo un transformador zig-zag mitigador de armónicos.
El transformador zig-zag se ha utilizado durante mucho tiempo para crear un neutro artificial con un sistema Delta de tres fases y tres cables. Este tipo de transformador, colocado cerca de la carga, creará un enlace entre el neutro y las tres fases proporcionando un camino de baja impedancia para los armónicos de secuencia cero (3º, 9º, 15º) y armónicos de secuencia cero de sistemas desequilibrados, y así reducir el voltaje neutro-tierra.
Existen muchos tipos diferentes de instalaciones, pero estos filtros siempre deben estar conectados en paralelo. Es muy importante entender esta tecnología para aplicarla correctamente. Idealmente, este tipo de filtro debe instalarse en proximidad a la aplicación para lograr el mejor rendimiento.
Es crucial considerar que la instalación de estos filtros reducirá la impedancia de la línea e incrementará la corriente de cortocircuito. La protección contra cortocircuitos deberá ser adecuada.
Ángulos de Fase:
A 60 Hz, debido a una diferencia de 120° entre las fases en un sistema trifásico bien equilibrado, la corriente se cancela en el neutro; la misma técnica se aplica para otras frecuencias en diferentes ángulos.
Por ejemplo, con dos variadores de velocidad de capacidad igual, instalando un transformador Delta-Wye (30° respecto al primario) en un motor y un transformador Delta-Delta (0°) en otro, el primario común de los dos transformadores obtendrá una buena cancelación de los armónicos de 5º y 7º.
Con este enfoque, podemos utilizar todas las cargas no lineales y, mediante el desplazamiento de fase de las cargas, atenuar los efectos de ciertos armónicos.
Mientras tanto, debido a la relación entre las distorsiones de corriente y voltaje, la impedancia adquiere dimensiones importantes. Por lo tanto, se han diseñado nuevos transformadores para ofrecer baja impedancia a los armónicos tipo triplet y otros se han diseñado para ofrecer cancelación de impedancia baja para otros tipos de armónicos.
Mientras tanto, debido a la relación entre las distorsiones de corriente y voltaje, la impedancia adquiere dimensiones importantes. Por lo tanto, se han diseñado transformadores nuevos para ofrecer baja impedancia a los armónicos tipo tripletes y otros para ofrecer cancelación de baja impedancia para otros tipos de armónicos.
El Transformador Atenuador de Armónicos (Desfase de 0° o -30° entre Primario y Secundario)
Aunque es posible con un transformador tipo K, dependiendo de la cantidad de armónicos de secuencia cero (tripletes), soportar estas cargas no lineales, ¿cómo se puede saber qué cargas se aplicarán en 6 meses, 1 año o más?
Una construcción especial de interconexiones secundarias produce la cancelación de los armónicos de 3º, 9º y 15º (tripletes). Así que, si construimos un transformador con un primario Delta y un secundario de doble bobinado interconectado para cancelar los armónicos de secuencia cero (tripletes), tendremos:
Un transformador adaptable para cargas no lineales
Una cancelación de baja impedancia de los armónicos de 3º, 9º y 15º
Un mejor equilibrio de fases y menos distorsión de voltaje armónico (secuencia cero de baja impedancia).
Un filtro de corte de pico y una pantalla electrostática también podrían instalarse para protección adicional contra ruido de modo común.
La instalación de este tipo de transformador es igual a la de un transformador ordinario. Muchas aplicaciones existentes utilizan este tipo de construcción.
Debido a su desfase de 0°, es importante señalar que al colocar este tipo de transformador en un sistema compuesto por transformadores Delta-Wye ya existentes (-30º), se obtendrá una cancelación de los armónicos de 5º y 7º. Los armónicos de 5º y 7º de los transformadores intentarán cancelar los armónicos de 5º y 7º que provienen de los transformadores Delta-Wye ya existentes (-30º). Esto también mejorará el factor de potencia.
El Transformador Atenuador de Armónicos Doble Salida
(por ejemplo, -15°, -45°; o 0°, -30° entre los dobles bobinados secundarios de salida)
Este es un transformador con tres fases en el primario y seis en el secundario, por lo que hay dos conjuntos de salidas trifásicas en el secundario. Debido al desfase entre los dos conjuntos de salidas trifásicas:
Una cancelación de los armónicos de 3º, 5º, 7º, 9º, 15º, 17º y otros armónicos como el 19º en el secundario con una diferencia de ángulo de 0º y -30º y baja impedancia.
Una mejora en el equilibrio de las fases.
Una cancelación de los tripletes con solo una diferencia de ángulo de 0º y -60º.
Una cancelación de los armónicos de 5º, 7º, 17º y 19º con una diferencia de ángulo de -15º y -45º, y los tripletes quedan atrapados en el devanado Delta.
Una mejora importante en el factor de potencia (ver descripción del factor de potencia en Problemas Eléctricos Relacionados con la Calidad de la Energía).
Construcción Típica y General para un Transformador en un Entorno Exigente con Cargas No Lineales
Las conexiones de bobina deben ser Delta en el primario y Wye en el secundario. Mejor aún, usar bobinados dobles en el secundario, lo que reduciría las distorsiones armónicas de voltaje causadas por distorsiones de corriente (V=IR); este tipo de bobinado cancela los tripletes (3º, 9º en el secundario) a una impedancia muy baja. Para obtener la mejor resistencia a los choques térmicos y físicos, las bobinas deben estar hechas de cobre, no de aluminio. Para tener la misma resistencia de alambre entre aluminio y cobre, se requeriría 1.6 veces la superficie del alambre de aluminio en comparación con el de cobre.
El valor del factor K debe estar bien establecido con respecto a las cargas anticipadas; por ejemplo, K13 puede aceptar hasta un 33% del fundamental en el 3º armónico, 20% en el 5º, 14% en el 7º y 11% en el 9º.
También puede ser necesario instalar un escudo electrostático a tierra de alto rendimiento. Además, se pueden instalar circuitos de corte de pico y filtros híbridos para hacer el transformador más eficiente en la protección de las cargas en cuestión.
Sistemas de Suministro de Energía de Reserva
Estos sistemas proporcionan una fuente de corriente eléctrica cuando se producen cortes de energía. Tan pronto como se detecta un corte, el interruptor de transferencia pone en marcha el convertidor de CA. Este transforma la corriente que proviene directamente de las baterías en una corriente alterna capaz de alimentar la computadora durante al menos otros 10 minutos.
Estas fuentes de alimentación de respaldo detectan un corte en menos de 4 microsegundos, tiempo suficiente para evitar interrupciones. Estas unidades son muy económicas, pero solo ofrecen filtración mínima y no aíslan galvánicamente (neutro-tierra), lo que significa que no habrá cancelación de voltaje de modo común (neutro-tierra). La importancia de la red determinará si los ahorros realizados valen la pena.
Fuentes de Alimentación Ininterrumpidas (UPS)
Estas unidades aíslan la línea de carga en todo momento y se instalan entre la línea y la carga. Proporcionan constantemente energía para mantener en funcionamiento equipos como computadoras, servidores, terminales, PLC, etc. En situaciones de apagón, suministran una onda sinusoidal perfecta sin tiempo de transferencia ni interrupción. Hay cuatro tipos de UPS.
UPS de Conversión Doble "On Line" Un rectificador interno transforma la corriente alterna en corriente continua. La corriente continua carga las baterías para que siempre estén listas para ser usadas, y un convertidor transforma la corriente de la batería en corriente alterna para alimentar la computadora. Estas fuentes de alimentación suministran energía limpia y garantizan protección contra todo tipo de problemas eléctricos. Se debe prestar especial atención a los interruptores estáticos, que generalmente requieren un transformador especializado para protección. Es importante señalar que el cargador de baterías puede ser una fuente de armónicos que deberá corregirse con filtros o mediante desfases de fase.
UPS de Conversión Simple "On Line"
Un rectificador interno transforma la corriente alterna en corriente continua. Esta corriente carga las baterías mientras la línea alimenta un transformador ferroresonante que aísla, alimenta, filtra y corrige el voltaje de carga. Está siempre listo para ser utilizado cuando ocurre un apagón o anomalía de energía.
Durante un corte de energía, un convertidor transforma la corriente continua de las baterías en corriente alterna para alimentar la carga. Mientras esto ocurre, los capacitores del transformador ferroresonante sostienen la carga saturando el núcleo del transformador. Estas fuentes siempre proporcionan una corriente limpia y garantizan protección contra todo tipo de problemas eléctricos. Este tipo de producto está muy bien adaptado para aplicaciones exigentes debido a su robustez y redundancia.
UPS Interactivos de Conversión Simple "On Line"
Esta tecnología es relativamente nueva. La corriente se alimenta a un transformador de aislamiento especial que utiliza el método de multi-tap para controlar su propio voltaje. Se establece un contacto con un convertidor de doble propósito (cargador y convertidor) que carga las baterías o ayuda a estabilizar la línea. En caso de un apagón, no hay transferencia; el convertidor utiliza las baterías para alimentarse y transforma la corriente continua de las baterías en corriente alterna para alimentar la aplicación.
Centrales eléctricas ininterrumpidas
Normalmente, un motor de corriente continua alimentado por un rectificador conectado al voltaje del circuito de suministro local hace girar un generador. Esto proporciona energía a la carga con una fuente eléctrica independiente del circuito de suministro local. Cuando ocurre un corte de energía, el suministro inicial mantiene funcionando el generador o una batería mantiene el funcionamiento del motor de corriente continua hasta que arranca el generador diésel de respaldo. Entonces, el motor diésel toma el lugar del motor de corriente continua durante la duración del corte de energía.
Instalación de Tomas de Corriente Dedicadas para Equipos Informáticos
Es muy importante verificar la toma de corriente eléctrica antes de enchufar una computadora. De hecho, este suele ser el punto más descuidado del sistema. No debe haber voltaje entre el neutro y la tierra.
El cable neutro está conectado a tierra y al secundario del transformador, con la excepción del voltaje provocado por la corriente de retorno. Esto se debe a los desbalances de fase en un sistema trifásico de cuatro cables o la corriente de un sistema de fase simple (V=IR, muy poco voltaje de modo común (neutro a tierra) que debería verse en la toma de corriente).
Sin embargo, debido a las corrientes armónicas, lo que debería haberse cancelado en un sistema trifásico lineal no se cancela, y se encuentra un voltaje entre neutro y tierra. Además, para complicar las cosas aún más, la presencia de este voltaje de modo común es una indicación de sobretensiones debido a la conmutación del equipo.
Es importante tener en cuenta que cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la resistencia del cable debido a que la corriente fluye en la superficie exterior del mismo. Por lo tanto, el cable actúa como si tuviera un diámetro más pequeño. La impedancia corresponde a la resistencia del cable, que es proporcional a la frecuencia. Cuanto más largo sea el cable, mayor será el voltaje entre neutro y tierra, lo que causará problemas en el circuito eléctrico.
De hecho, una corriente de alta frecuencia calentará los circuitos y dañará las computadoras. Esta situación será causada por la referencia de las señales informáticas a tierra y la protección estándar de la computadora (filtro interno, circuito interno de corte de picos).
El Enfoque Ideal
Es esencial planificar la instalación de tomas de corriente para computadoras, impresoras láser y fotocopiadoras en colaboración con los responsables de los sistemas informáticos. Dependiendo de las necesidades, se podría proceder a la instalación de tomas de color naranja, gris, azul (con SPD) y blanco dedicadas.
Tipo de receptáculos 15A –120V | ||
Color | Tipo | Aplicaciones |
Blanco o Negro | Ordinario | Estandar |
Gris | Ordinario | Impresora-Copiadora |
Azul | Con proteccion | Sensible |
Anaranjado | Tierra dedica | Computadores |
Tomacorrientes dedicados
Un tomacorriente dedicado debería significar un neutro menos cargado y, por lo tanto, una diferencia de voltaje neutro-tierra menos importante, lo cual tiene la ventaja de prolongar la vida útil de los sistemas computarizados. Pero hay más. La mayoría de los equipos electrónicos están protegidos por filtros y circuitos de corte de picos. Sobretensiones y ruido de alta frecuencia pueden encontrarse en la tierra. Si el equipo está conectado a un circuito dedicado, este ruido o sobretensiones se dirigirán al panel. En caso contrario, los picos y el ruido encontrarían un camino a través de los cables de comunicación de otro ordenador (tierra de la señal) y podrían provocar un bucle de tierra.
Las cargas lineales (calefacción, iluminación incandescente, etc.) no se llevan bien con las cargas no lineales (computadoras, impresoras láser y fotocopiadoras). En la familia de cargas no lineales, las computadoras no se llevan bien con las propiedades eléctricas de las impresoras láser y fotocopiadoras que consumen una gran cantidad de corriente de manera abrupta e irregular, afectando el voltaje. Las fluctuaciones de voltaje que provocan pueden dañar seriamente una computadora o incluso simular un corte de energía.
Instalación de Tomacorrientes
Para una instalación adecuada, utilizaremos los tomacorrientes blancos para cargas tradicionales lineales. Luego reservaremos tomacorrientes naranjas dedicados para computadoras y tomacorrientes grises para fotocopiadoras e impresoras láser.
Cada tomacorriente tendrá su propio circuito dedicado con un interruptor automático. Si es necesario colocar varios tomacorrientes en un mismo circuito, deben estar en la misma caja. También tendrán un cable vivo (negro), un neutro (blanco) y un cable de tierra aislado. Además, un cable de tierra desnudo permite la continuidad de las tierras y de la caja.
Nos aseguraremos de balancear los tomacorrientes grises (impresoras y fotocopiadoras) en el panel, así como los naranjas (computadoras) en tres fases. Luego, las tres fases deben acercarse lo más posible al lugar donde se usarán para minimizar los campos magnéticos (una fase a menudo cancela a otra).
Es importante que las fotocopiadoras grandes tengan su propio circuito debido a sus grandes demandas energéticas, que son abruptas e irregulares.
Los tomacorrientes azules con SPD a menudo constituyen un problema, especialmente si su tierra se comparte con un tomacorriente naranja o común (negro), y si otros ordenadores están conectados a él. El circuito interno de corte de picos de este tipo de tomacorriente dirigirá estas sobretensiones a tierra. La sobretensión también podría encontrar un camino más corto (baja impedancia) a través del cable de comunicación del ordenador conectado al tomacorriente naranja. Para evitar este tipo de situación, un tomacorriente azul debería tener su propio circuito (un tomacorriente = un interruptor automático).
Ubicación del Panel
Un panel estará dedicado a cargas lineales y otro a cargas no lineales. El panel dedicado a cargas no lineales será trifásico y estará situado lo más cerca posible de las computadoras para minimizar las posibilidades de distorsión de voltaje. De hecho, con cargas no lineales, encontramos distorsiones de corriente y, según la ley de Ohm (V=IR), la impedancia amplifica la distorsión de corriente para producir una distorsión de voltaje.
Un transformador colocado lo más cerca posible de este panel alimentará el panel de tierra aislada para cargas no lineales. Recuerde que la distancia juega un papel importante.
El neutro del transformador también deberá estar conectado a tierra. En el panel, debe haber un cable para la tierra aislada conectado a un terminal aislado en el panel y otro cable en la caja misma para la tierra de seguridad. Se recomienda conectar una tira metálica plana entre el terminal aislado y la tierra del equipo (mecánica); esto mejorará la igualdad del potencial de tierras y también podría ayudar en la disipación de picos (33 kHz típicos).
Además, el transformador estará compuesto por un devanado delta en el primario y un devanado estrella en el secundario. Será un transformador tipo K equipado con un circuito de corte de picos. Mejor aún, para instalaciones importantes, se recomienda utilizar un transformador con un primario delta y dobles devanados (transformador mitigador de armónicos) en el secundario. Esto proporcionará una mejor salida debido a la cancelación de los armónicos de secuencia cero que aparecerán a muy baja impedancia en el secundario (ver ley de Ohm). También será importante instalar circuitos de corte de picos (SPD), ya sea en el transformador o en el panel de distribución, porque estos filtros híbridos (SPD) seguirán proporcionando una protección mínima para un panel dedicado.
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Capacitancia: La capacitancia es la propiedad de un sistema de dieléctricos y conductores que permite almacenar cargas eléctricas separadas cuando existe una diferencia de potencial entre los conductores. Un capacitor no disipa energía real (vatios).
Convertidor: Un dispositivo que se puede utilizar para cambiar la corriente alterna a corriente continua o viceversa, o cambiar de una frecuencia a otra.
Blindaje de Faraday: Una barrera metálica conectada a tierra que se puede usar para mejorar el aislamiento entre los devanados de un transformador de aislamiento.
Filtro pasa banda: Un filtro que tiene una sola banda de transmisión, donde ninguna de las frecuencias de corte es cero o infinita.
Filtro rechaza banda: Un filtro que tiene una sola banda de atenuación, donde ninguna de las frecuencias de corte es cero o infinita.
Impedancia: La propensión de un circuito o dispositivo a impedir el flujo de corriente. La parte real de la impedancia es la resistencia, y la parte imaginaria es la reactancia.
Inductancia: Representa la propensión de un conductor para almacenar energía en un campo magnético asociado. Se opone al cambio de corriente alterna pero no al flujo de corriente continua. Puede considerarse como la inercia eléctrica.
Joule: Medida de energía. Joule = Potencia x Tiempo. 1 kilovatio = 3.6 x 10^6 joules.
Varistor de Óxido Metálico (MOV): Un semiconductor cuya resistencia varía inversamente con el voltaje aplicado. Dispositivo comúnmente utilizado para limitar o detener transitorios de voltaje.
Voltaje Nominal: Especifica la clase de voltaje. El voltaje real de línea puede variar según la ubicación y la carga del momento. Por ejemplo, un voltaje nominal de 120 V puede tener valores medidos de 108 a 132 VCA.
Potencia: Tasa de transferencia o consumo de energía. Potencia = Voltaje x Corriente (x factor de potencia en circuitos de CA). Unidades: vatios (joules/segundo).
Factor de Potencia: La relación de vatios a voltiamperios.
Reactancia: La oposición al flujo de corriente alterna debido a la inductancia o capacitancia de un componente o circuito. La reactancia es inductiva si la parte imaginaria de la impedancia es positiva; es capacitiva si es negativa.
Rectificador: Un dispositivo que convierte corriente alterna en corriente continua (conduciendo corriente fácilmente en una dirección y de manera insignificante en la dirección opuesta). Un tipo de convertidor.
Resistencia: Propiedad física de un circuito que impide el flujo de corriente alterna en fase con el voltaje, y restringe el flujo de corriente continua. Cuando fluye corriente a través de una resistencia, se desarrolla una caída de voltaje según la ley de Ohm.
Resonancia: La resonancia de un circuito o sistema se refiere al aumento de su respuesta a una excitación periódica. La frecuencia en la que los componentes inductivos y capacitivos de un circuito eléctrico tienen igual reactancia es la frecuencia resonante. Ocurre resonancia cuando una frecuencia armónica coincide con la frecuencia resonante, lo que resulta en corrientes y voltajes muy altos en el circuito.
Rectificador Controlado de Silicio (SCR): Un tipo de tiristor.
Factor de Interferencia Telefónica (TIF): Una medida de la interferencia armónica en circuitos telefónicos que es proporcional a la frecuencia. Una cantidad adimensional que asume que el acoplamiento entre los circuitos de potencia y teléfono es proporcional a la frecuencia.
Tiristor: Un dispositivo semiconductor biestable que consta de tres o más uniones que pueden conmutarse del estado OFF al estado ON, o viceversa. Utilizado para convertir corriente alterna en corriente unidireccional. Puede ser configurado con dispositivos de conmutación para formar un convertidor de tiristor.
Distorsión Armónica Total (THD): También llamado Factor de Distorsión (DF) o Factor de Distorsión Armónica (HDF). No incluye el armónico fundamental.
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