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Power quality
(Calidad de la alimentación eléctrica)

El termino “power quality” (calidad de la alimentación eléctrica), se define como:

“El concepto de alimentar y poner a tierra todo equipo electrónico sensitivo de manera apropiada para la correcta operación del mismo”

Hoy en día, la mayor parte de los equipos que nos rodean, como electrodomésticos, equipos de oficina, computadoras personales, televisores, equipos de sonido, etc. Se basan en circuitos electrónicos controlados por microprocesadores o microcontroladores, volviéndose por lo tanto muy sensibles a los disturbios eléctricos.

Un “power quality problem” (problema con la alimentación eléctrica), de acuerdo al libro eléctrico esmeralda de la IEEE es:

“Cualquier problema de alimentación manifestado en voltaje, corriente o desviaciones de frecuencia que traen como consecuencia una falla o un mal funcionamiento del equipo alimentado”

Por lo tanto, si queremos que nuestros equipos electrónicos trabajen adecuadamente y sin problemas, no solo se trata de conectarlos y usarlos, sino que debemos alimentarlos con energía de calidad.

Hay que tener en cuenta que lo que reciben nuestros equipos eléctricos y electrónicos proveniente del contacto que esta en la pared es su alimentación, y por lo tanto de ella dependen para funcionar adecuadamente.

Un ejemplo sencillo de esto seria el caso de un futbolista, si a dicho futbolista no lo alimento adecuadamente, es casi seguro que no va a rendir en la cancha al momento del juego, o incluso algo peor, se podría morir a media cancha y todo por falta de una buena alimentación.

Bien, pues lo mismo pasa con los equipos electrónicos (especialmente con los mas sensibles).

Para asegurar la calidad en la alimentación, debemos comenzar por tener una instalación eléctrica adecuada, es decir, con componentes de buena calidad, con contactos correctamente polarizados, con una buena tierra física, y con cableado optimo de acuerdo al nivel de corriente que se vaya a manejar.

Adicionalmente para proteger completamente a las cargas sensibles, debemos intercalar entre estas y el contacto de la pared un equipo que les brinde la protección que requieren. Estos equipos pueden ser:

•  Supresores de picos
•  Reguladores de voltaje
•  UPS

Pero antes de continuar, pongamos en claro algunos términos.

Carga o equipo sensible:

Es aquella carga que requiere de un suministro eléctrico de alta calidad (libre de disturbios) para funcionar adecuadamente.

(Por ejemplo una computadora personal)

Carga critica:

Es aquella que al dejar de funcionar o al hacerlo incorrectamente pone en peligro la seguridad personal y/o causa grandes perjuicios económicos.

(Por ejemplo un sistema sustentador de vida en un hospital o un sistema informático bancario)

Disturbio eléctrico:

Todo evento que reduzca la calidad eléctrica y pueda por lo tanto afectar al equipo alimentado.

Veamos pues los algunos disturbios eléctricos, sus causas y los efectos que ocasionan en nuestros equipos.

Disturbios eléctricos

En la figura 1 vemos como debería ser la forma de onda presente entre vivo y neutro de nuestra instalación.

Figura 1

Forma de onda senoidal pura

Pero desgraciadamente casi nunca se presenta de esa forma, sino con un sinnúmero de alteraciones. Así que comencemos a analizarlas.

Ruido eléctrico

(Electrical line noise)

Definición:

El ruido eléctrico se compone de la suma de señales indeseables a la señal original, normalmente estas señales son de una frecuencia mucho mayor que la de la señal sobre la cual están montadas.

Figura 2

Acercamiento de una onda senoidal con ruido

 Causa:

El ruido eléctrico puede ser causado por interferencias tanto de radiofrecuencias (RFI) como electromagnéticas (EMI).

La interferencia por radiofrecuencia puede ser ocasionada por vivir muy cerca de una estación transmisora de radio o televisión y la interferencia electromagnética, ya sea por inducción de campos magnéticos cercanos (un transformador grande muy cercano) o por chispas y tormentas eléctricas.

Motores eléctricos, radiación de microondas, controles de iluminación o de velocidad entre otros, también son causantes de ruido eléctrico.

 Efectos:

Los efectos que el ruido eléctrico produce en los equipos, pueden ser entre otros:

• Líneas blancas al azar en monitores y pantallas de televisiones
• Sonido con ruidos de fondo en equipos de sonido en general
• En computadoras personales, puede generar que los programas no respondan así como perdida o corrupción de datos a tal grado de que la PC se quede “ciclada”
• Comportamientos “extraños” en algunos equipos
• Daño permanente de circuitos

Bajones de voltaje

(Sag)

Definición:

Un sag ocurre cuando el voltaje desciende momentáneamente a un 85 u 80% por debajo de su valor habitual (en nuestro caso 120V)

La duración de un sag va de ½ ciclo hasta 3600 ciclos, por lo tanto a nuestra frecuencia de red (60Hz) seria desde 8.33mS hasta 1 Minuto.

Figura 3

Bajón de voltaje o Sag

Causa:

Los bajones de voltaje o sags se originan cuando se encienden equipos “pesados” o de gran consumo como aires acondicionados, planchas, hornos de microondas, refrigeradores, motores grandes, maquinas de soldar, etc.

Efectos:

• Apagado de equipos
• Sobrecalentamiento en los aparatos
• Daño permanente de circuitos
• Perdida o corrupción de datos en equipos informáticos
• Parpadeo (flicker) en las fuentes de iluminación (sobre todo si estas son incandescentes)

Bajo voltaje

(Undervoltaje, brownout )

Definición:

El estado de bajo voltaje ocurre cuando el nivel de voltaje eficaz desciende por mas de un minuto por debajo de su valor habitual (por debajo de 120V)

Un brownout difiere de un sag en que dura mucho mas tiempo.

Figura 4

Bajo voltaje (undervoltaje, brwownout)

 Causa:

Los bajos voltajes ocurren por exceso en la demanda de electricidad, por deficiencias en la instalación eléctrica, transformadores defectuosos, etc.

Efectos:

• Apagado de equipos
• Sobrecalentamiento en los aparatos
• Daño permanente de circuitos
• Perdida o corrupción de datos en equipos informáticos
• Reducción de la vida útil de los equipos

Interrupción, apagón

(Power failure, Blackout )

Definición:

Un apagón o interrupción eléctrica es una condición de cero voltaje en la línea de alimentación, mantenida por mas de 2 ciclos (.033S)

Figura 5

Interrupción, apagón (Power failure, blackout)

 Causa:

Las causas, pueden ser disyuntores disparados, fusibles quemados, fallas en la red de distribución, postes derribados, etc.

Efectos:

• Apagado de equipos
• Daño permanente en el hardware (sobre todo en discos duros)
• Perdida de datos en equipos informáticos

Subidas de voltaje

(Power surge, swell )

Definición:

Aumento en el nivel de voltaje de un 110% o mas con duraciones que van desde el ½ ciclo hasta 600 ciclos (8.33mS – 10S)

Figura 6

Subidas de voltaje (Power surge, swell)

 Causa:

La causa mas común es el apagado de cargas de alto consumo, aunque también fallas en transformadores de distribución y en las centrales generadoras se pueden incluir como causantes.

Efectos:

• Sobrecalentamiento de equipos
• Daño permanente en el hardware (todo el hardware de una PC esta expuesto)
• Daño en fuentes de alimentación
• Perdida de datos en equipos informáticos
• Reducción de la vida útil de los equipos
• Parpadeo (flicker) en las fuentes de iluminación (sobre todo si estas son incandescentes)

Sobre voltaje

(Overvoltage )

Definición:

Aumento en el nivel de voltaje de un 110% o mas con duración mayor a 10 segundos.

Figura 7

Sobre voltaje (Overvoltage)

 Causa:

Los sobre voltajes ocurren por falta de carga, por deficiencias en los transformadores, fallas en subestaciones o fallas en las centrales generadoras.

Efectos:

• Avería casi segura
• Sobrecalentamiento de equipos
• Daño permanente en el hardware (todo el hardware de una PC esta expuesto)
• Daño en fuentes de alimentación
• Perdida de datos en equipos informáticos

Distorsión armónica

(Harmonic distortion )

Definición:

Distorsión de la forma de onda original

Figura 8

Distorsión armónica (Harmonic distortion)

Forma de onda original en rojo, Forma de onda con distorsión en café.

 Causa:

Esta distorsión es causada por la demanda no lineal de corriente por parte de los equipos, la mayor parte de los equipos electrónicos que existen hoy en día hacen uso de fuentes conmutadas las cuales tiene la característica de consumir corriente de una forma discontinua.

Así que cualquier equipo que use fuente conmutada o que funcione con circuitos PWM generara este tipo de distorsión.

Efectos:

• Sobrecalentamiento de equipos
• Averías diversas si el porcentaje de distorsión es elevado
• Daño en fuentes de alimentación

Variaciones de frecuencia

(Frecuency variation )

Definición:

Cambio de frecuencia superior a ± 3Hz

Figura 9

Variación de frecuencia (Frecuency variation)

 Causa:

Mala operación de los generadores de tensión, fuentes de poder con inestabilidades de frecuencia (inversores, generadores o UPS)

Efectos:

• Perdidas de información
• Averías diversas si la desviación es elevada
• Daño en fuentes de alimentación
• Apagado del equipo

• En computadoras personales, puede generar que los programas no respondan así como inhibición total de la misma

• Comportamientos “extraños” en algunos equipos

Picos de voltaje

(Voltage spikes, transient voltage surge, notch )

Definición:

Cambios de voltaje transitorios de muy poca duración (menos de un semiciclo) pero de valores de voltaje muy elevados (mas de 1000V en algunos casos).

Estos transitorios se pueden sumar al voltaje original (voltage spikes, transient voltage surges) o restar (notch)

Figura 10

Muescas

Figura 11

Picos de voltaje

 Causa:

Tormentas eléctricas, fugas en el dieléctrico de los transformadores, arqueo dentro de los equipos que manejen tensiones altas (como televisiones y monitores de computadoras), descargas electroestáticas, conmutación de cargas inductivas (apagado-encendido, encendido-apagado)

Efectos:

• Perdidas de información
• Averías diversas de hardware
• Daño en circuitos impresos (pistas quemadas)
• Componentes quemados (varistores, fusibles, diodos, capacitores, etc.)
• Apagado del equipo

Solucionando problemas

Veamos entonces que tipos de equipos necesitamos para proteger a nuestros aparatos dependiendo de el o los problemas que se nos presenten en nuestra instalación eléctrica. La protección básica es la de picos de voltaje, ya que estos se presentan muy a menudo, de hecho muchas de las veces nosotros mismos los generamos sin darnos cuenta de ello. Si solo deseamos proteger a un equipo contra picos de voltaje basta con conectarlo a un supresor de picos y conectar este a la red eléctrica. Las versiones mas básicas de supresores de picos vienen en forma de barras de multicontactos o como enchufes de múltiples salidas. Su funcionamiento lo basan en varistores de oxido metálico (MOV’s). Estas barras dentro de sus especificaciones técnicas tienen un valor que se mide en Joules, el cual nos habla de la absorción de energía de la barra. Entre mayor sea este valor mas seguridad nos brindara la barra.

Figura 12 MOV     Figura 13 Barra de multicontactos con supresor de picos

Los varistores, usualmente vienen conectados entre vivo y neutro, aunque en barras de mayor calidad se conectan entre vivo y neutro, entre vivo y tierra y entre neutro y tierra, brindando de esta manera mayor protección. Para obtener valores elevados de absorción, se conectan varios MOV’s en paralelo. Adicionalmente algunas barras de este tipo incluyen conectores telefónicos los cuales también vienen protegidos contra picos de voltaje. Aunque, hago la aclaración de que este tipo de protección no sirve de nada si no se tiene una buena tierra física. Ahora que si deseamos proteger mas aun a nuestros equipos necesitamos algo mas que un simple supresor de picos. Por ejemplo, un supresor de picos no sirve de nada cuando hay voltaje bajo, ni cuando hay una distorsión armónica mucho menos cuando “se va la luz”, es mas si hubiera un sobrevoltaje por demasiado tiempo, los varistores se quemarían. Así que el siguiente paso en cuanto a protección se refiere, son los reguladores de voltaje, de los cuales hay básicamente dos tipos:

• Electrónicos con cambiador de tap
• Ferroresonantes

Los del primer tipo son hoy en día los mas comunes, se basan en un transformador que tiene un secundario con varios “tap’s” (derivaciones) y un circuito comparador de tensión que acciona dichos tap’s para aumentar o disminuir el valor de voltaje de acuerdo con el voltaje de entrada. Un regulador de este tipo nos protege también contra picos de voltaje, bajos voltajes, sobre voltajes, sobre corrientes, en algunos modelos se incluye la protección de la línea telefónica y en algunos otros filtros contra ruido eléctrico. Usualmente este tipo de reguladores tiene en su panel frontal indicadores de estado, la configuración mas común es la de tres led’s indicando, de izquierda a derecha Voltaje bajo, “Voltaje normal”, y Voltaje alto. Se deduce que, por lo tanto solo tiene 2 puntos de comparación (alto y bajo). La mayoría de estos reguladores nos mienten acerca del led de en medio ya que lo único que realmente indica este led es que el equipo esta conectado y encendido y no que el nivel de voltaje esta correcto como nos quieren hacer creer los fabricantes.

Figura 14 Reguladores electrónicos

Figura 15 Entrada Vs. Salida

Los reguladores Ferroresonantes son muy confiables ya que tienen pocos componentes y por lo tanto pocas probabilidades de falla, también son muy rápidos ya que no tienen partes mecánicas ni circuitos que los controlen (responden en menos de 1½ ciclos). Son la mejor elección para proteger a un equipo electrónico sensible. Su rango de regulación es excelente, ya que pueden mantener el voltaje en su salida prácticamente fijo dentro de un amplio margen de voltajes de entrada, es mas pueden mantener voltaje en la salida sin voltaje en la entrada (durante medio ciclo). En pruebas se ha demostrado que con 35V de entrada un ferroresonate de 1000VA entregaba en su salida 110V dándole abasto a cuatro PC’s. Este tipo de reguladores es de uso rudo y prácticamente es libre de mantenimiento. También nos protege contra sobre corrientes, sobre voltajes, bajos voltajes, subidas de voltaje, bajones de voltaje, picos de voltaje, ruido eléctrico y distorsión armónica. Desgraciadamente son muy grandes, pesados, ruidosos, consumen bastante energía (son ineficientes) que desperdician en calor y son muy sensibles a un cambio de frecuencia. Figura 16 Reguladores ferroresonantes

Figura 17 Voltaje de entrada Vs. Voltaje de salida

Solo resta hablar de los no break’s o UPS (Uninterruptible Power Supply) que son ni mas ni menos fuentes de alimentación interrumpidas tal y como su nombre lo dice. Hay tres tipos de UPS, y estos son:

•  De respaldo (Standby, offline)
•  De línea interactiva (Line interactive)
•  De doble conversión (Online, double conversion)

Cada uno de ellos nos brinda diferentes tipos de protección, por ejemplo, uno del tipo “Offline” (el mas común y barato), no hace mas que protegernos de interrupciones en el servicio eléctrico y en algunos modelos contra picos de voltaje. Se basa en un sensor de voltaje, un cargador, una batería recargable y un inversor. Si el voltaje de la línea esta correcto, entonces se pasa a la salida directamente y a la vez se carga la batería, si el voltaje esta bajo, inestable, o ausente, entonces se apaga el cargador, se enciende el inversor y este es el que le dará alimentación al equipo. Figura 18 UPS

El segundo tipo de no break, el de línea interactiva, es un tipo híbrido el cual proporciona regulación de voltaje dentro del mismo UPS. La regulación la hace cambiando taps del secundario de su transformador principal. Desgraciadamente la batería en este tipo de no break sufre mucho, sobre todo si el lugar donde esta conectado sufre de disturbios eléctricos seguidamente, pues este tipo de UPS hará los cambios muy seguidos a respaldo de batería. Lo mejor de los no breaks es el de tipo online o de doble conversión, ya que brinda un total aislamiento de la red eléctrica pues primero convierte la señal de alterna proveniente del contacto en directa la cual carga a la batería permanentemente. Posteriormente esta señal de directa se convierte en alterna nuevamente por medio de un inversor. Por lo tanto son prácticamente la solución ideal a todos los problemas eléctricos. Desgraciadamente son muy caros (aunque su costo-beneficio es muy aceptable), requieren de un monitoreo casi constante del estado de sus baterías, continuamente se tienen que cambiar las baterías para que pueda operar correctamente, son muy sensibles al la temperatura,

Información recopilada por: Ing. Emmanuel Fernando Herrera Cortés.

Espero sus comentarios 🙂