Calidad de Energía: El Voltaje

EL VOLTAJE ¿Qué es eso?

Cuando compramos un equipo de aire acondicionado, o cuando un reflector, o el repuesto de una lámpara, a veces surge el tema del voltaje: 110 o 220? O cuando viajamos nos encontramos que en otros países los tomacorrientes son diferentes en aspecto y adicionalmente en otro valor de voltaje 220V o 230… eso da la ligera impresión, a quienes no son expertos en el área de que algo no está bien, o se corre un riesgo al conectar equipos de distintos voltajes, más aun cuando sabemos que los artefactos eléctricos tienen tres posibles respuestas: funcionan, no funcionan, o la peor de todas se destruyen. Esa destrucción implica varias consecuencias: se queman o emanan chispas o echan humo o explotan o todas las anteriores.

Pero ¿qué es el voltaje?

Sin entrar en conceptos o tecnicismos profundos de teoría electromagnética, vamos a dar una idea alegórica que permita entender esta magnitud física y no morir en el intento, pues el voltaje es una magnitud que puede ser tan peligrosa que puede causar la muerte.

El uso de la energía eléctrica, su transmisión y distribución, puede compararse con la distribución del agua en sistemas de acueductos. Pues casi que podemos hablar de “fluido eléctrico”. Todos en algún momento hemos tratado de obstaculizar o cerrar el paso de agua de un grifo, o llave de agua o de una manguera o de una fuga en un recipiente roto, usando un dedo o la palma de la mano. Al hacerlo, experimentamos la presión del agua, la cual, si es muy fuerte se nos hace imposible bloquearla. La presión es comparable con el voltaje, si es pequeña es “controlable” si la dejas libre la fuga de agua será pequeña. Por ejemplo una pila AA de 1.5V, si se llegase a hacer un cortocircuito, no habrá explosión ni chispa apreciable, más por el contrario solo agotaremos la vida útil de la pila en cuestión de minutos. Ahora, volviendo al ejemplo del agua, si nos enfrentamos a una presión muy alta, incontenible, por ejemplo, la descarga o chorro de una hidrolavadora, la fuerza con que sale el agua es tal que pudiera herir la piel. Es comparable con voltajes mayores, por ejemplo el voltaje del toma corriente (120V). Si llegase a producirse un cortocircuito, sin protecciones, se puede desencadenar un incendio.

El voltaje es una magnitud eléctrica que expresa la cantidad potencial de energía, energía eléctrica. No fluye, no es movimiento, no es calor, no se ve. Pero es un potencial de energía que está potencialmente presente entre dos puntos, en las pilas o baterías (corriente continua) es llamado polo positivo y polo negativo, en los sistemas eléctricos residenciales, comerciales e industriales (corriente alterna) se identifican como fase, línea, activo a lo que sería equivalente al polo positivo y neutro al equivalente al polo negativo. En el tomacorriente están los dos polos fase y neutro. Allí está el voltaje, el potencial eléctrico entre los polos (terminales) de ese tomacorriente. Listo para entregar energía al artefacto que se conecte. Es equivalente a un grifo o pila de agua con la llave cerrada, ahí está la presión esperando a que se abra la llave, y el agua fluirá. Similarmente al conectar un artefacto al tomacorriente, la energía eléctrica fluirá a este convirtiéndose en otro tipo de energía (luz, rotación, calor, comunicación, etc).

El voltaje, Artefactos eléctricos y dispositivos electrónicos.

La energía eléctrica, es empleada ampliamente en la cotidianidad, tan presente que solo nos percatamos de su influencia cuando estamos en presencia de un apagón. A los inicios de su uso en los centros urbanos era solo para iluminación, luego se implementó en la parte motriz, mediante la aparición del motor eléctrico, en diversas máquinas. Hoy día está presente en equipos más sofisticados, como por ejemplo, los dispositivos de telecomunicaciones domésticos, router, modem, servidor, PC, etc.

Estos equipos son sensibles al valor del voltaje para el cual fueron diseñados en su funcionamiento normal. Ellos se alimentan de la fuente estándar de casa, los 120 voltios del tomacorriente. Cada uno de ellos tienen circuitos electrónicos que hacen manejable el nivel de voltaje de 120V de corriente alterna a pequeñas magnitudes de 5, 9, 12 voltios de corriente continua. Estos circuitos electrónicos tienen una limitante en cuanto al rango de voltaje de entrada. Pero ese potencial eléctrico, llamado voltaje, cuya unidad es el voltio. Debe estar dentro de uno parámetros de calidad para que pueda ser portador de una eficiente conversión de energía sin dañar los artefactos alimentados. Cada vez es más común encontrar equipos o artefactos eléctricos muy sensibles a los niveles de voltaje. Es por ello es que la comunidad internacional, a través de instituciones y/o gremios de profesionales, especialistas e ingenieros han creado instituciones que norma y regulan las características del servicio de distribución eléctrica dentro de unos estándares admisibles a nivel nacional e internacional. De aquí surge el término calidad de energía o Power Quality.

¿Qué es Calidad de Energía o PQ (Power Quality)?

La calidad de energía puede significar cosas diferentes para cada quien, pero esto es generalmente un término muy usado para describir especificaciones y características deseables, de la energía eléctrica, abarcando generación, entrega y uso. En casi todos los casos, la calidad de energía es sinónimo de la calidad de voltaje.

¿Cuáles son los problemas de calidad de energía?

Para la mayor parte de personas, los problemas de calidad de energía son algo relacionado con la energía eléctrica que interfiere con la operación apropiada de sus dispositivos eléctricos. Hay numerosos tipos específicos de problemas de calidad de energía, cada uno con sus propias causas y efectos.

Apagón o Blackout (interrupción momentánea de voltaje)

Caídas de voltaje debajo del 10 % de su valor nominal es llamado “interrupción” o “apagón”. Las interrupciones tienen tres clasificaciones: momentáneo (duración de 0,5 a 3 segundos), temporal (duración de 3 segundos a 1 minuto) y sostenido (duración de más de 1 minuto). Aunque las interrupciones sean la forma más severa de problema de energía, ellos son menos propensos a ocurrir. Las sags de voltaje a menudo son confundidas con una interrupción porque el equipo sale de servicio o la iluminación se apaga esto es porque el voltaje se cayó debajo del punto que estos dispositivos pueden hacer funcionar. Donde los sags y las caídas de tensión típicamente representan más del 92 % de acontecimientos de problema de energía, las interrupciones representan menos del 4 % de tales problemas.

Bajo voltaje (undervoltage o brownout).

El bajo-voltaje es una disminución en el voltaje debajo del 90 % de su valor nominal durante más de un minuto. El bajo voltaje es a veces llamado "un apagón parcial" aunque este término no sea oficialmente definido. El apagón parcial a menudo es usado cuando la compañía eléctrica intencionadamente reduce el voltaje de sistema para acomodar la alta demanda u otros problemas.

Los síntomas de bajo voltaje pueden extenderse desde ninguno hasta funcionamiento defectuoso de equipos o daño prematuro de equipos. El bajo voltaje puede pasar desapercibido hasta que un nuevo equipo sea instalado o el sistema eléctrico sea por otra parte cambiado y la nueva carga combinada produce caídas de voltaje hasta un punto donde los síntomas se hacen aparentes. Además del funcionamiento defectuoso obvio del equipo, el bajo voltaje crónico puede causar aumento de temperatura de ciertos dispositivos como motores los cuales trabajan en sobrecarga si el voltaje es bajo.

El bajo voltaje es generalmente un problema crónico agravado por varios factores más allá del control del usuario final. Las compañías del servicio eléctrico tratan de mantener niveles de voltaje entregados a clientes en el ±5 %. Sin embargo, los factores tales como el uso, picos de alta demanda y otros pueden hacer que el voltaje del servicio eléctrico se caiga dentro de ±10 %. Incluso en condiciones ideales, los usuarios del servicio verán una caída en niveles de voltaje según el comportamiento de la demanda durante el curso del día.

Las características de sistema de distribución también pueden contribuir a situaciones de voltaje crónicamente bajas. Por ejemplo, los clientes al final de línea larga pueden estar sujetos a una caída de voltaje permanente por encima de las variaciones de voltaje de utilidad debida a las pérdidas propias de las líneas.

Sag de Voltaje (voltage sag o voltage dip).

El sag de voltaje también conocido como Dip es una disminución en el voltaje a entre 10 y el 90 % del voltaje nominal para una mitad ciclo a un minuto. Los sags agrupan la gran mayoría de problemas de energía experimentados por usuarios finales. Ellos pueden ser generados tanto internamente como por fuera de una instalación de usuarios finales.

Las causas externas de los sags de voltaje principalmente vienen de la transmisión y red de distribución de la compañía del servicio eléctrico. Su origen obedece a una variedad de causas incluso relámpagos, actividad de animal y humana, y operación normal y anormal de equipos de la compañía eléctrica. Un sag de voltaje generado en líneas de transmisión y/o redes de distribución puede viajar cientos de kilómetros afectando miles de usuarios a la vez.

A veces los sags de voltaje externos pueden ser generados por otros clientes cercanos. La conmutación de grandes cargas eléctricas en paralelo con bancos de condensadores puede generar un sag de suficiente magnitud como para afectar un área local. Si el usuario final es sujeto ya al bajo voltaje crónico, entonces hasta un sag relativamente pequeño en amplitud puede tener efectos perjudiciales.

Los sag causados internamente a la instalación de un usuario final son típicamente generados por la conexión o arranque de grandes cargas eléctricas como motores o electroimanes. Los grandes niveles de los corriente requerida en los arranques de estos tipos de cargas producen reducción del nivel de voltaje disponible a otro equipo que comparta el mismo sistema eléctrico.

Ruido eléctrico. (Electrical noise).

El ruido es una deformación de la forma de onda de voltaje provocado por alta frecuencia, causado por perturbaciones en el sistema de la compañía eléctrica o por equipos tales como maquinas soldadoras, switchgear y cargas no lineales, por lo general el ruido puede pasar desapercibido.Usualmente altos niveles del ruido pueden causar el funcionamiento defectuoso de equipos, recalentándose y ocasionando daños prematuros.

Armónicos.

Los Armónicos son una deformación de la forma de onda que se repite en cada ciclo, que puede ser causada por varios dispositivos incluso variadores de frecuencia, cargas no lineales y balastos electrónicos. Ciertos tipos de equipos de energía (rectificadores) que usan transformadores ferroresonantes pueden añadir la deformación armónica significativa a la forma de onda.

La deformación de forma de onda también puede ser una producidos por fuentes de energía ininterrumpida (UPS) y otros equipos de energía a base de inversores. El UPS realmente no añade la deformación, pero a causa de que el UPS sintetiza digitalmente una forma de onda, se obtiene una forma de onda que puede ser cuadrada o dentada en vez de una onda sinusoidal lisa. Los síntomas de la deformación armónica incluyen el sobrecalentamiento y problemas operacionales en los equipos.

La deformación de forma de onda también puede ser una cuestión con suministros de energía ininterrumpida (UPS) y otros acondicionadores de poder a base de inversor. El UPS realmente no añade la deformación, pero porque el UPS digitalmente sintetiza una forma de onda, aquella forma de onda puede ser cuadrada o dentada más bien que una onda sinusoidal lisa.Los síntomas de la deformación armónica incluyen el sobrecalentamiento y el equipo problemas operacionales.

Notching de voltaje

El Notching es una perturbación de polaridad inversa a la forma de onda del voltaje (que es restada de la forma de onda normal) que dura menos de medio ciclo. El Notching es frecuentemente causado por mal funcionamiento de interruptores electrónicos (estado sólido) o equipos de energía (rectificadores e inversores).El notching afecta generalmente a equipos electrónicos (a base de microprocesadores).

Swell de voltaje (voltage swell)

Un swell es lo opuesto a un sag, es un incremento momentáneo por encima del 110% del nominal entre medio ciclo y un minuto.Los swells son provocados por desconexión de cargas y conmutación de banco de condensadores. Ellos pueden generar mal operación de equipos, y daños prematuros.

Surge trasient.

Los Transients son eventos de variación de amplitud de muy corta duración (subciclo). Los transientes son generalmente provocados por descargas atmosféricas que a través de las líneas eléctricas alcanzan decenas de miles de voltios, causando daños a los equipos conectados a esa línea. También pueden ser provocados por fallas en las líneas o por operación de equipos.Un surge arrester de grado industrial correctamente clasificado es la protección idónea para suprimir los trasients y evitar daños a los equipos.

¿Cómo solucionar un problema de calidad de energía?

Las soluciones a los problemas de calidad de energía son pueden ser por 1) la causa del problema y su efecto, 2) hasta que punto el problema tiene que ser corregido, y 3) el más importantemente, el valor financiero de corregir el problema. No hay existe solución única para cada problema de calidad de energía, pero el primer paso y más crítico es deber entender el problema de raíz y sus efectos.

¿Cómo identifico los problemas de calidad de energía?

Por medio de un informe técnico de análisis del sistema eléctrico, se puede cualificar y cuantificar los problemas de calidad de energía. Para ello es necesario ejecutar un levantamiento detallado del sistema eléctrico existente, así como realizar mediciones con registradores de parámetros eléctricos capaces de almacenar en memoria el comportamiento del sistema, incluyendo eventos de alta velocidad. Esto sin duda, permitirá identificar el origen de esos problemas y en consecuencia, las posibles soluciones.