Medir la calidad de la energía ¿Qué dispositivos debería utilizar y qué medir?

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Medida de la calidad de la energía
El medir la calidad de la energía y encontrar un error en la red que esté jugando con la energía se considera un trabajo muy remunerado. Cada red eléctrica y sus problemas con armónicos, transitorios o perturbaciones son únicos y necesitan una planificación cuidadosa, preparar el escenario, medir y finalmente comprender dónde está el problema. Eso es lo que hacen los ingenieros de calidad energética.

Este artículo técnico no trata sobre los conceptos básicos de la calidad de la energía, sino sobre los instrumentos de calidad de la energía, cómo leer los datos y qué medir. La medición de la calidad de la energía requiere el uso de la instrumentación adecuada para adaptarse a la aplicación. El usuario del instrumento debe estar bien capacitado en el uso y cuidado de la instrumentación.

El ingeniero debe tener conocimientos en el campo de la calidad de la energía.

¡ Lo más importante es que el ingeniero debe ser consciente de la seguridad . Todos estos factores son igualmente importantes para resolver los problemas de calidad de la energía. Es importante tener en cuenta que el trabajo de calidad de energía requiere paciencia, diligencia y perseverancia. Es muy raro que la solución a un problema se presente accidentalmente, aunque sucede ocasionalmente.

El trabajo de calidad energética tiene sus recompensas. Uno que todo ingeniero de calidad de energía aprecia más es la satisfacción de saber que ha dejado a los clientes más felices que cuando los conoció. Eso es lo que hacen, siempre.

Tabla de contenido:

Analizadores de armónicos
Analizadores de perturbaciones transitorias
Osciloscopios
Registradores de datos y registradores de gráficos
Medidores de verdadero valor eficaz
Consejos de configuración del instrumento

1. Analizadores de armónicos

Los analizadores de armónicos o medidores de armónicos son instrumentos relativamente simples para medir y registrar datos de distorsión armónica. Normalmente, los analizadores de armónicos contienen un medidor con una pantalla de visualización de forma de onda, cables de voltaje y sondas de corriente.

Algunos de los analizadores son dispositivos portátiles y otros están diseñados para uso de mesa. Algunos instrumentos proporcionan una instantánea de la forma de onda y la distorsión armónica correspondiente al instante durante el cual se realiza la medición. Otros instrumentos son capaces de grabar instantáneas, así como un registro continuo de distorsión armónica a lo largo del tiempo.

¡ Evidentemente, las unidades que proporcionan más información cuestan más. Dependiendo del problema de la calidad de la energía, las instantáneas de la distorsión armónica pueden ser suficientes . Sin embargo, otros problemas pueden requerir el conocimiento de cómo cambian las características de distorsión armónica con la carga y el tiempo de la planta.

¿Cuál es la frecuencia armónica de interés más grande que debe incluirse en la medición?

Según la experiencia de Sankaran (el autor del libro “Power Quality”), las mediciones de los armónicos 25 son suficientes para indicar la composición de la forma de onda. Los analizadores de armónicos de varios fabricantes tienden a tener diferentes capacidades de medición de frecuencias armónicas superiores.

Los niveles de distorsión armónica disminuyen sustancialmente con el número armónico . Para determinar con precisión el contenido de frecuencia, la frecuencia de muestreo del instrumento de medición debe ser mayor que el doble de la frecuencia del armónico más alto de interés. Esta regla se denomina criterio de frecuencia de Nyquist.

Según los criterios de Nyquist, para determinar con precisión el contenido de frecuencia de una forma de onda de frecuencia fundamental de 60 Hz hasta el número armónico 25, el instrumento de medición de armónicos debe tener una frecuencia de muestreo mínima de 3000 (25 × 60 × 2) muestras por segundo.

Figura 1 – Pinza amperimétrica para medir corrientes con distorsión de forma de onda debido a armónicos

Por supuesto, las velocidades de muestreo más altas reflejan con mayor precisión la forma de onda real. La medición de datos de armónicos de voltaje requiere cables que se puedan conectar a los puntos en los que se necesitan las mediciones de distorsión. Los cables de voltaje típicos tienen una longitud de 120 a 180 cm. En estas longitudes, la inductancia y capacitancia del cable no son una preocupación, ya que la frecuencia más alta de interés está en el rango de 1500 a 3000 Hz (armónico 25 a 50); por lo tanto, los conductores en los datos de distorsión de voltaje no deben introducir una atenuación o distorsión significativa.

¡ La medición de datos de distorsión armónica de corriente requiere algunas consideraciones especiales. La mayoría de las sondas de corriente utilizan un transformador de núcleo de hierro diseñado para encajar alrededor de los conductores en los que se necesitan mediciones de armónicos. Ver figura 1.
Las sondas de corriente con núcleo de hierro son susceptibles a un mayor error a altas frecuencias y a la saturación a corrientes superiores a los valores nominales. Antes de instalar sondas de corriente para pruebas de distorsión armónica, es necesario asegurarse de que la sonda sea adecuada para su uso en altas frecuencias sin una pérdida significativa de precisión.

Los fabricantes proporcionan datos sobre el rango de frecuencia utilizable para las sondas de corriente. La sonda es útil entre las frecuencias de 5 Hz y 10 kHz para una corriente nominal máxima de 500 A RMS.

Figura 2 – Analizador de armónicos portátil que muestra cables de voltaje y sonda de corriente para mediciones de armónicos de voltaje y corriente.

Debe entenderse que, aunque la sonda podría estar clasificada para su uso en las frecuencias más altas, existe una pérdida de precisión en los datos. El objetivo es mantener la pérdida de precisión lo más baja posible. A frecuencias más altas, las corrientes y distorsiones que normalmente se observan son considerablemente más bajas que en las frecuencias más bajas, y es posible que cierta pérdida de precisión en las frecuencias más altas no sea tan importante.

Normalmente, se puede esperar una pérdida de precisión del 5,0% si la forma de onda contiene niveles significativos de armónicos de orden superior.

La Figura 2 muestra el uso de un instrumento de medición de armónicos portátil. Este instrumento en particular es un dispositivo de medición monofásico capaz de utilizarse en circuitos de hasta 600 VCA.

Tabla 1 – Espectro armónico de voltaje y corriente en un edificio de oficinas

La Tabla 1 proporciona una impresión de los datos de distorsión armónica medidos en un panel de distribución de energía que alimenta un pequeño edificio de oficinas.

La tabla muestra la información de los armónicos de voltaje y corriente hasta la 31ª frecuencia del armónico. Junto con la distorsión armónica, también se da el ángulo de fase relativo entre los armónicos y la tensión fundamental. La información del ángulo de fase es útil para evaluar la dirección del flujo armónico y la ubicación de la fuente de los armónicos.

Figura 3 – Analizador trifásico de armónicos y perturbaciones

Figura 3 – Analizador trifásico de armónicos y perturbaciones para medir armónicos de voltaje y corriente, historial de voltaje y corriente durante un período de tiempo, transitorios de voltaje y potencia, factor de potencia y demanda

Un punto que vale la pena señalar es que los armónicos se muestran como un porcentaje del valor RMS total. La convención IEEE presenta los armónicos como un porcentaje del componente fundamental. El uso de la convención IEEE daría como resultado valores de porcentaje de armónicos más altos. Realmente no importa qué convención se use siempre que se mantenga la misma convención a lo largo de la discusión.

La Figura 3 muestra un analizador de armónicos para medir instantáneas de distorsión armónica y datos históricos de distorsión armónica durante un período específico.

La Figura 4 proporciona la forma de onda actual y un registro del historial actual en el panel durante 5 días. Las instantáneas de distorsión armónica junto con el gráfico histórico son muy útiles para determinar la naturaleza de los armónicos y su patrón de ocurrencia.

Figura 4 – Forma de onda actual y gráfico de historial actual en un panel de iluminación que suministra iluminación fluorescente

2. Analizadores de perturbaciones transitorias

Los analizadores de perturbaciones transitorias son dispositivos avanzados de adquisición de datos para capturar, almacenar y presentar perturbaciones del sistema eléctrico de subciclo de corta duración.  Como era de esperar, las tasas de muestreo de estos instrumentos son altas.

No es atípico que los registradores de perturbaciones transitorias tengan tasas de muestreo en el rango de 2 a 4 millones de muestras por segundo. Las velocidades de muestreo más altas proporcionan una mayor precisión en la descripción de eventos transitorios en términos de su contenido de amplitud y frecuencia. Ambos atributos son esenciales para realizar análisis transitorios.

Figura 5 – Analizador de calidad de energía y perturbaciones transitorias

La amplitud de la forma de onda proporciona información sobre el potencial de daño del equipo afectado. El contenido de frecuencia nos informa sobre cómo los eventos pueden acoplarse a otros circuitos y cómo pueden mitigarse.

La Figura 6 muestra un transitorio que alcanzó una amplitud máxima de 562 V con un contenido de frecuencia de aproximadamente 200 kHz . Una vez que se determina dicha información, se debe determinar la susceptibilidad del equipo. Por ejemplo, un impulso pico de 200 V aplicado a un motor de 480 V podría no tener ningún efecto en la vida útil del motor; sin embargo, el mismo impulso aplicado a un controlador de proceso podría producir una falla inmediata.

Los equipos que contienen fuentes de alimentación o circuitos de filtro de condensadores son especialmente susceptibles a transitorios de tiempo de aumento rápido con contenido de alta frecuencia.

Figura 6 – Conmutación de perturbaciones transitorias con un pico de 562 V y un contenido de frecuencia de 20 kHz

Figura 6 – Conmutación de perturbaciones transitorias con un pico de 562 V y un contenido de frecuencia de 20 kHz

Cuando se mide un tiempo de subida rápido o transitorios de frecuencia más alta, la longitud de los cables utilizados para conectar la instrumentación a los puntos de prueba se vuelve muy importante. En todas estas mediciones, los cables deben mantenerse lo más cortos posible.

Normalmente, las longitudes de cable de 180 cm o menos no deberían introducir errores significativos en las mediciones de transitorios rápidos . A frecuencias más altas, la inductancia del cable, así como la capacitancia, se convierten en factores importantes. El uso de cables de mayor longitud en las mediciones transitorias da como resultado una mayor inductancia y capacitancia y una mayor atenuación de la forma de onda transitoria.

Ø Además, para minimizar la captación de ruido de fuentes externas, los cables de voltaje deben mantenerse alejados de conductores de alto voltaje y alta corriente, equipos de soldadura, motores y transformadores . Los cables deben mantenerse lo más rectos posible sin curvas ni bucles pronunciados. En cualquier caso, el exceso de longitud del cable nunca debe enrollarse en una bobina.
Los transformadores de corriente utilizados en las mediciones de corriente transitoria deben tener una clasificación de corriente máxima al menos igual a las corrientes máximas esperadas; de lo contrario, los picos de corriente se pierden en los datos debido a la saturación de la sonda de corriente.

Figura 7 – Saturación del transformador de corriente que da como resultado la pérdida de información vital de corriente máxima

La Figura 7 indica cómo la saturación de la sonda de corriente resultó en una forma de onda de corriente plana y pérdida de información vital, lo que dificulta el análisis de la calidad de la energía.

3. Osciloscopios

Los osciloscopios son útiles para medir formas de onda repetitivas de alta frecuencia o formas de onda que contienen ruido de alta frecuencia superpuesto en circuitos de potencia y control. Los osciloscopios tienen frecuencias de muestreo e mucho más altas que los analizadores de perturbaciones transitorias.

Son habituales los osciloscopios con frecuencias de muestreo de varios cientos de millones de muestras por segundo. Esto permite que el instrumento registre con precisión el ruido recurrente y las formas de onda de alta frecuencia.

La Figura 8 muestra la forma de onda modulada por ancho de pulso de la entrada de voltaje a un motor de CA de velocidad ajustable . Dichos datos no están dentro de las capacidades de los analizadores de armónicos y los registradores de perturbaciones transitorias. Los osciloscopios de almacenamiento digital tienen la capacidad de capturar y almacenar datos de formas de onda para su uso posterior.

Figura 8 – La forma de onda modulada por ancho de pulso de una salida de variador de velocidad ajustable

Figura 8 – La forma de onda modulada por ancho de pulso de una salida de variador de velocidad ajustable.

Utilizando osciloscopios de almacenamiento digital de múltiples canales, se puede visualizar y almacenar más de un parámetro eléctrico.

La Figura 9 muestra el ruido en la rejilla de tierra de una instalación de fabricación de microchips que no se pudo detectar con otra instrumentación. El ruido en el circuito de tierra fue el responsable del cierre de producción en esta instalación. La selección de sondas de tensión es fundamental para el correcto uso de los osciloscopios. Las sondas de voltaje para osciloscopios se clasifican ampliamente en sondas pasivas y sondas activas.

Las sondas pasivas utilizan componentes pasivos (resistencia y capacitancia) para proporcionar el filtrado necesario y los factores de escala necesarios. Las sondas pasivas generalmente se usan en circuitos de hasta 300 VCA. Las sondas pasivas de mayor voltaje se pueden utilizar en circuitos de hasta 1000 VCA.

Figura 9 – Ruido eléctrico en la rejilla de tierra de un centro informático en una planta de fabricación de microchips

Figura 9 – Ruido eléctrico en la rejilla de tierra de un centro informático en una planta de fabricación de microchips.

La mayoría de las sondas pasivas están diseñadas para medir voltajes con respecto a tierra. Las sondas pasivas, donde la sonda está aislada del suelo, son útiles para realizar mediciones cuando se debe evitar la conexión a tierra. Las sondas activas utilizan componentes activos como transistores de efecto de campo para proporcionar una alta impedancia de entrada a las mediciones.

La alta impedancia de entrada es esencial para medir señales de bajo nivel para minimizar la posibilidad de atenuación de la señal debido a la carga de la propia sonda.

Las sondas activas son más caras que las pasivas. La sonda de corriente de alta frecuencia es un accesorio importante para solucionar problemas con un osciloscopio. Al usar la sonda de corriente, se pueden detectar ruidos parásitos y corrientes de bucle de tierra en la rejilla de tierra.

Figura 10 – Estilo de osciloscopio de analizador de potencia con entradas modulares.

Figura 10 – Estilo de osciloscopio de analizador de potencia con entradas modulares (crédito de la foto: Yokogawa)

4. Registradores de datos y registradores de gráficos

Los registradores de datos y los registradores de gráficos se utilizan en ocaciones para registrar datos de voltaje, corriente, demanda y temperatura en los sistemas de energía eléctrica. Los registradores de datos y los registradores de gráficos son dispositivos de respuesta lenta que son útiles para medir datos en estado estable durante un largo período de tiempo.

Estos dispositivos registran una muestra del evento con una duración predeterminada, como 1 segundo, 2 segundos, 5 segundos, etc. Los datos normalmente se almacenan dentro de los registradores hasta que se recuperan para su análisis. Los datos de los registradores de datos y los registradores de gráficos son suficientes para determinar la variación del voltaje o la corriente en una ubicación particular durante un período prolongado y si no hay necesidad de determinar cambios instantáneos en los valores.

En algunas aplicaciones, esta información es todo lo que se necesita.

Pero, en evaluaciones de calidad de energía que involucran condiciones transitorias, estos dispositivos no son adecuados. La ventaja de los registradores de datos es que son relativamente económicos en comparación con la instrumentación de grabación de calidad de energía. También son más fáciles de configurar y de usar. Los datos del dispositivo pueden presentarse en formato de texto o en formato gráfico.

La figura 11 es el registro de datos actuales a la salida de un transformador de potencia usando un registrador de datos. Los datos se produjeron a razón de una muestra cada 5 segundos. Los registradores de datos y los registradores de gráficos no están diseñados para su instalación directamente en líneas eléctricas. 

¡ Están diseñados para operar utilizando la salida de bajo nivel de los transductores de voltaje, corriente o temperatura adecuados; sin embargo, se debe tener cuidado en la instalación y el enrutamiento de los cables de los transductores para garantizar que la salida de los transductores no se vea comprometida debido a la captación de ruidos parásitos.

Además, los registradores de datos y los registradores de gráficos no proporcionan información sobre la forma de onda de la cantidad medida. Si se necesita ese nivel de información, se debe utilizar un analizador de calidad de energía en su lugar.

Figura 11 – Datos actuales de un registrador de datos para un mes de pruebas

Figura 11 – Datos actuales de un registrador de datos para un mes de pruebas.

5. Medidores de valor eficaz verdadero

El término verdadero valor eficaz se usa comúnmente en aplicaciones de calidad de energía. ¿Qué son los verdaderos medidores RMS? El valor RMS de la corriente o el voltaje puede ser sustancialmente diferente del componente fundamental del voltaje o la corriente. El uso de un medidor que mide el valor promedio o pico de una cantidad puede producir resultados erróneos si necesitamos el valor RMS de la forma de onda.

Para formas de onda ricas en armónicos, los valores promedio y pico serían considerablemente diferentes a las formas de onda que son puramente sinusoidales o cercanas a sinusoidales. Medir el valor promedio o pico de una señal y escalar los valores para derivar un valor RMS conduciría a errores.

Figura 12 – True Rms Meter en acción

Figura 12: Medidor de verdadero valor eficaz en acción (crédito de la foto: Fluke)

Por ejemplo, considere una onda cuadrada de corriente como se muestra en la Figura 13.

Los medidores de lectura promedio y pico indican valores de corriente de 111 A y 70,7 A RMS, respectivamente. La forma de onda cuadrada tiene un valor medio de 100 A. El valor pico de la forma de onda también tiene un valor de 100 A. Para llegar al valor RMS, el valor medio de 100 A se multiplica por 1,11. La relación entre el RMS y el valor medio de una forma de onda sinusoidal pura es 1,11.

El medidor de lectura de pico leería el valor pico de 100 A y lo multiplicaría por 0,707 para llegar al valor RMS de 70,7 A, siendo 0,707 la relación entre el valor RMS y el valor pico de una forma de onda sinusoide pura. Las disparidades en los valores son bastante evidentes.

Figura 13 – Variación en las medidas rms cuando se utilizan diferentes tipos de medidores

La Figura 13 también muestra una forma de onda triangular y los datos de corriente correspondientes que serían reportados por cada uno de los instrumentos de medición.

Los medidores de panel analógicos dan lecturas erróneas al medir corrientes no sinusoidales. Debido a los componentes de frecuencia más alta, los medidores analógicos tienden a indicar valores que son más bajos que los valores reales. La presencia de transformadores de tensión y corriente en el circuito de medida también introduce errores adicionales en las medidas.

¡ Los medidores de verdadero valor eficaz superan estos problemas derivando el efecto de calentamiento de la forma de onda para producir una indicación precisa del valor eficaz . Después de todo, el valor RMS representa el efecto de calentamiento de una señal de voltaje o corriente. La mayoría de los medidores RMS verdaderos no proporcionan ninguna indicación de la forma de onda de la cantidad que se mide.
Para lograr esto, los medidores requieren capacidad de muestreo de señales de alta frecuencia. La frecuencia de muestreo debe satisfacer los criterios de Nyquist para producir resultados razonablemente precisos. Algunos medidores RMS de sobremesa tienen la capacidad de muestreo y los puertos para enviar la información a una computadora para mostrar la forma de onda.

6. Consejos de configuración del instrumento

La configuración de instrumentos para recopilar datos sobre la calidad de la energía es probablemente el aspecto más crítico de las pruebas y también uno que, con mayor frecuencia, puede decidir los resultados finales. La instalación es un momento en el que se debe tener el máximo cuidado.

El primer paso es asegurarse de observar ciertas reglas de seguridad. En la mayoría de los casos, la energía de los equipos eléctricos no se puede apagar para permitir la configuración del instrumento. Los usuarios de las instalaciones quieren la menor cantidad de interrupciones posibles, preferiblemente ninguna. Abrir las cubiertas de cuadros eléctricos y de distribución requiere diligencia y paciencia. El equipo de protección personal (EPP) es un componente importante de las pruebas de calidad de la energía.

¡NOTA IMPORTANTE! El EPP mínimo debe contener guantes eléctricos, gafas de seguridad y ropa ignífuga.

Al retirar las cubiertas de los paneles y configurar las sondas de los instrumentos, es importante que haya alguien más presente en la habitación. Es posible que la segunda persona no esté capacitada en la calidad de la energía, pero debe tener cierta experiencia en electricidad y los peligros asociados con ella.

Agradecimientos a electrical-engineering

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