Calidad de energía
En un edificio lleno de computadoras, el neutro puede llevar más corriente que cada fase. Las terceras armónicas de las tres fases no se cancelan: se suman.
01Cuándo la energía «es de buena calidad»
La red ideal entrega una tensión senoidal perfecta, de amplitud y frecuencia constantes y trifásica equilibrada. La calidad de energía mide cuánto se aparta la real de ese ideal, y cómo esas desviaciones afectan a los equipos. La responsabilidad es compartida: la distribuidora responde por la tensión que entrega, y los usuarios, por las perturbaciones que sus cargas inyectan. Los entes reguladores fijan límites de calidad del producto técnico —la tensión y sus perturbaciones— y del servicio técnico —la cantidad y duración de los cortes—.
02Las perturbaciones
| Perturbación | Qué es | Causas típicas | Efectos |
|---|---|---|---|
| Hueco de tensión | Caída del 10 al 90 % durante milisegundos a segundos | Cortocircuitos en la red, arranque de motores grandes | Reinicio de computadoras y variadores, paradas de producción |
| Sobretensión transitoria | Picos de microsegundos a milisegundos | Rayos, maniobras de capacitores | Ruptura de aislaciones y semiconductores |
| Interrupción | Tensión casi nula | Fallas y actuación de protecciones | Pérdida del servicio |
| Armónicas | Componentes de frecuencia múltiplo de 50 Hz | Rectificadores, fuentes conmutadas, variadores, iluminación LED | Calentamiento, sobrecarga del neutro, resonancias |
| Flicker | Fluctuaciones lentas de amplitud | Hornos de arco, soldadoras | Parpadeo visible de la iluminación |
| Desequilibrio | Fases de distinta amplitud o desfase | Cargas monofásicas mal repartidas | Calentamiento de motores trifásicos |
Las normas de referencia son la IEC 61000-4-30, que define cómo medir cada parámetro, y la EN 50160, que fija las características de la tensión de la red pública. Para las armónicas inyectadas por los usuarios se usa también la IEEE 519.
03Armónicas
Una carga no lineal toma corriente no senoidal aunque la tensión lo sea. El caso más común es el rectificador con capacitor de filtro, en la entrada de casi toda fuente electrónica: el capacitor solo se carga cerca del pico de la tensión, y la corriente llega en pulsos angostos. Esa corriente se descompone en una serie de Fourier con armónicas impares, y su contenido se resume en la distorsión armónica total:
Las armónicas múltiplos de tres (3.ª, 9.ª, 15.ª…) de las tres fases están en fase entre sí, así que en el neutro de un sistema trifásico no se cancelan: se suman. Un edificio de oficinas lleno de computadoras puede tener más corriente en el neutro que en las fases.
04El factor de potencia con armónicas
Con tensión senoidal, solo la fundamental de la corriente produce potencia activa. Las armónicas aumentan la corriente eficaz y la potencia aparente sin aportar potencia útil. El factor de potencia real tiene dos factores:
La solución está en la fuente: la corrección activa del factor de potencia (PFC), un conversor elevador que obliga a la corriente de entrada a seguir la forma de la tensión. Los límites de emisión armónica de la IEC 61000-3-2 la hacen necesaria en la práctica en equipos de más de 75 W. En instalaciones existentes se usan filtros pasivos sintonizados o filtros activos que inyectan la corriente armónica opuesta.
Una corriente con fundamental en fase con la tensión y armónicas 3.ª, 5.ª y 7.ª, con los signos de un rectificador con capacitor (pulsos en el pico de tensión). Arriba, un período de la tensión (gris) y la corriente; abajo, su espectro. Se supone la misma carga en las tres fases de un sistema con neutro.
05Cómo se mide
Los analizadores de red registran durante días la tensión y la corriente de cada fase y calculan con métodos normalizados los valores eficaces, las armónicas hasta la 50.ª, los huecos, el flicker y el desequilibrio. Los de clase A, según IEC 61000-4-30, dan resultados comparables entre instrumentos y sirven para reclamos. Todo eso depende de medir valores eficaces verdaderos, como se vio en señales no senoidales: una pinza de valor medio subestima mucho la corriente de una fuente conmutada.
06En el laboratorio
Medir con un analizador de potencia la corriente de entrada de un cargador sin PFC y de una fuente de computadora con PFC: forma de onda, THD, factor de potencia y factor de cresta.
Alimentar tres cargas no lineales iguales, una por fase de un sistema trifásico con neutro, y medir las corrientes de fase y de neutro.
Instalar un registrador en el tablero de un laboratorio y analizar los huecos y las armónicas de tensión registrados.
07Errores frecuentes
- Corregir con capacitores una carga que distorsiona. No mejora el factor de potencia y puede resonar.
- Dimensionar el neutro más fino que las fases. Con cargas electrónicas puede llevar más corriente.
- Medir la corriente con un instrumento de valor medio. Con pulsos angostos lee mucho menos.
- Atribuir a la red lo que inyecta la propia instalación. Las armónicas de tensión suelen venir de las cargas del mismo edificio.
08Autoevaluación
¿Qué THD tiene una corriente con 3.ª del 30 % y 5.ª del 40 %?
\( \sqrt{0{,}09 + 0{,}16} = 0{,}5 \): 50 %.
¿Qué factor de potencia tiene esa carga si su fundamental está en fase con la tensión?
\( 1/\sqrt{1{,}25} \approx 0{,}89 \).
Tres cargas iguales tienen cada una 5 A de 3.ª armónica. ¿Cuánto circula por el neutro?
15 A de 150 Hz.
¿Por qué un variador trifásico sin neutro no carga el neutro con terceras armónicas?
Porque sin conexión al neutro las corrientes de secuencia cero, como las triples, no tienen por dónde circular: un rectificador trifásico de seis pulsos no produce 3.ª armónica.
09Para ampliar
- Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, Surya Santoso y H. Wayne Beaty. Electrical Power Systems Quality. 3.ª ed., McGraw-Hill, 2012. La referencia sobre perturbaciones, su medición y su mitigación.
- Math H. J. Bollen. Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions. IEEE Press, 2000. Los huecos de tensión y sus efectos sobre los equipos, a fondo.
- Francisco C. De La Rosa. Harmonics and Power Systems. CRC Press, 2006. Las armónicas en sistemas de potencia, sus fuentes, efectos y filtros.