Basic of Power Quality — 1 (en inglés)

Calidad de potencia

Los equipos eléctricos están diseñados para operar con energía eléctrica que está a un voltay frecuencia específicos y relativamente libre de problemas de calidad, tales como picos de voltay armónicos. Los problemas de calidad de la energía eléctrica pueden reducir el rendimiento y acortar la vida útil de los equipos eléctricos y aumentar el costo operativo de las empresas. 

Los problemas de calidad de energía pueden ser causados por una variedad de condiciones. Un sistema de monitoreo de energía bien diseñado es esencial para identificar problemas y resolverlos rápidamente antes de que se vuelvan costosos.

Este curso le ayudará a entender mejor los tipos de problemas de calidad de energía que ocurren comúnmente en varios tipos de instalaciones y cómo los productos y sistemas de monitoreo de energía pueden ayudarle a minimizar estos problemas. En primer lugar, sin embargo, hay algunos conceptos básicos que tenemos que cubrir.

Corriente continua (DC)

El suministro de corriente para dispositivos eléctricos puede provende una fuente de corriente continua (DC) o una fuente de corriente alterna (ca). Como se discutió en el curso básico de electricidad, los servicios públicos eléctricos generan y distribuyen corriente alterna. Sin embargo, hay muchas fuentes y usos de la energía DC también. Las fuentes de alimentación de cc incluyen una variedad de dispositivos tales como células solares, baterías, circuitos electrónicos que convierten ca a cc, y generadores de cc. 

En un circuito de corriente continua, los electrones fluyen continuamente en una dirección desde la fuente de energía a través de un conductor a una carga y de vuelta a la fuente de energía. La polaridad de tensión para una fuente de corriente continua permanece constante. 

Corriente alterna (ca)

Un generador de ca hace que los electrones fluyan primero en una dirección y luego en otra. De hecho, un generador de ca invierte sus polaridades terminales muchas veces por segundo, causando que la corriente cambie de dirección con cada inversión.

El voltay la corriente altervarían continuamente. La representación gráfica para AC es una onda sinusoidal. Una onda sinusoidal puede representar corriente o volta. La ilustración que acompaña muestra un ciclo de una onda sinusoidal en un gráfico con Dos ejes. El eje vertical representa la dirección y magnitud de la corriente o volta. El eje horizontal representa el tiempo.

Cuando la forma de onda está por encima del eje de tiempo, la corriente está fluyendo en una dirección. Esto se conoce como la dirección positiva. Cuando la forma de onda está por debajo del eje de tiempo, la corriente está fluyendo en la dirección opuesta. Esto se conoce como la dirección negativa. 

Una onda sinusoidal se mueve A través de una rotación completa de 360 grados, que se conoce como un ciclo. Como se discumás adelante en este curso, una onda sinusoidal típica va a través de muchos de estos ciclos cada segundo. 

demanda

El número de ciclos por segundo de voltay corriente producidos por un generador de ca se conoce como la frecuencia de ese voltay corriente. La unidad reconocida para la frecuencia es hertz, abrevihz. 1 Hz es igual a 1 ciclo por segundo. 

Las compañías eléctricas generan y distribuyen electricidad a frecuencias muy bajas. La frecuencia de línea de energía estándar en los Estados Unidos y muchos otros países es de 60 Hz. 50 Hz es la otra frecuencia de línea de energía común utilizado en todo el mundo. La siguiente ilustración muestra 15 ciclos en 1/4 de segundo. Esto equivale a 60 Hz.

Aunque las compañías eléctricas generan electricidad a una frecuencia fija baja, muchos circuitos electrónicos convierten esta baja frecuencia a una frecuencia más alta o una frecuencia variable para su uso en a Variedad de formas. 

La frecuencia es una característica importante de la ca porque muchos dispositivos y circuitos responden de manera diferente a diferentes frecuencias.

La amplitud

Voltay corriente en un circuito de ca sube y baja con el tiempo en un patrón conocido como una onda sinusoidal. Como se discutió anteriormente, una onda sinusoidal completa se conoce como un ciclo, y el número de ciclos en un segundo se conoce como la frecuencia. Además de la frecuencia, una onda sinusosinualtertambién tiene amplitud, que es el rango de variación desde su valor máximo hasta su valor mínimo. La amplitud se puede especificar de tres maneras: valor pico, valor pico a pico y valor efectivo.

El valor pico de una onda sinusoidal es el valor máximo para cada mitad de la onda sinusoidal.

El valor pico a pico es el rango del pico positivo al pico negativo. Esto es el doble del valor máximo. 

El valor efectivo de ca se define en términos de un efecto equivalente de calentamiento cuando se compara con DC. Los instrumentos diseñados para medir voltay corriente alteralterusualmente muestran el valor efectivo. El valor efectivo de un voltao corriente de ca es aproximadamente igual a 0,707 veces el valor de pico.

El valor efectivo también se conoce como el valor RMS. Este nombre se deriva del proceso matemático del cuadrado de la raíz utilizado para determinar el valor efectivo de una forma de onda. 

Valor instantáneo

El valor instantáes el valor en cualquier punto de la onda sinusoidal. La forma de onda de voltaproducida como la armadura de un generador básico de ca de dos polos gira a través de una rotación completa de 360 grados se llama una onda sinusoidal porque el voltainstantáo corriente está relacionado con la función trigonométrica del seno. 

Como se muestra en la ilustración adjunta, el voltainstantá(e) y la corriente (i) en cualquier punto de la onda sinusoidal es igual al valor pico multiplicado por el seno del ángulo. Los valores de seno mostrados en la ilustración se obtienen de tablas trigonométricas. Tenga en cuenta que cada punto tiene un valor instantáneo, pero esta ilustración sólo muestra el seno del ángulo a intervalos de 30 grados.

Potencia de tres fases

Hasta ahora, hemos estado hablando sólo de la energía AC monofásica. La energía monofásica se utiliza cuando las demandas de energía son relativamente pequeñas, como para un hogar típico. 

Sin embargo, las compañías eléctricas generan y distribuyen energía trifásica. La energía trifásica se utiliza en aplicaciones comerciales e industriales donde los requisitos de energía son más altos que los de una residencia típica.

La potencia trifásica, como se muestra en la ilustración adjunta, es una serie continua de tres ciclos de ca superpuestos. Cada onda representa una "fase" Y está compensada por 120 grados eléctricos de cada una de las otras dos fases. Las tres fases se conocen como fases A, B y C.

Rotación de fase

Como se describió anteriormente, las relaciones de fase para el típico voltatrifásico de ca o corriente suministrpor una compañía de energía se pueden mostrar utilizando formas de onda trazadas en un gráfico. Sin embargo, esta relación se puede describir más simplemente con un diagrama que muestra tres vectores de fase. La longitud de cada vector representa la amplitud de una de las fases. Cada uno de estos vectores se separa de los otros dos vectores por 120 grados. 

Cuando el voltatrifásico AC se aplica al estator de un motor trifásico, se produce un campo magnético rot. La flecha en el diagrama de fase en este ejemplo se utiliza para mostrar la dirección de rotación de este campo magnético.

Los diagramas de Phasor, como el que se muestra en la esquina inferior derecha, están disponibles en muchos medidores de potencia de Siemens. 

Cargas lineales

Las cargas de los equipos eléctricos pueden ser lineales o no lineales. Es importante entender las diferencias entre estos dos tipos de cargas y cómo estos tipos de cargas afectan la calidad de potencia.  

Una carga lineal es cualquier carga en la que el voltay la corriente aumentan o disminuyen proporcionalmente. El voltay la corriente pueden estar fuera de fase en una carga lineal, pero las formas de onda de cada uno siguen siendo sinusoidy proporcionadas. Motores, elementos de calefacción resistivos, luces incandescentes y relés son ejemplos de cargas lineales. Las cargas lineales pueden causar un problema en un sistema de distribución si funcionan mal o son demasiado grandes para el sistema de distribución. Sin embargo, cuando se opera dentro de las especificaciones, no causan distorsión armónica, un tipo de distorsión de forma de onda que se discumás adelante. 

Los sistemas de monitorización de potencia son importantes para su uso con todo tipo de cargas. Por ejemplo, pueden identificar cuando las corrientes de carga se están acercando a niveles que causuna sobrecarga y tropedispositivos de protección de sobrecorriente.

Los dispositivos de monitoreo de potencia se pueden utilizar en circuitos de alimentación y de rama, así como en redes de distribución. Por ejemplo, pueden utilizarse para controlar cargas individuales. La certificación LEED, desarrollada por el U. S. Green Building Council, incluso requiere HVAC e iluminación sobre un cierto amperage para ser monitoreindividualmente para su cumplimiento.

Cargas no lineales

Cuando la corriente de carga instantánea no es proporcional al voltainstantá, la carga se considera una carga no lineal. Computadoras, televi, PLC, iluminación de balast, unidades de velocidad variable, y una variedad de dispositivos con fuentes de alimentación electrónicas son ejemplos de cargas no lineales.

Las cargas no lineales pueden distorlas formas de onda, pero la cantidad exacta y el tipo de distorsión varía dependiendo de la carga. La forma de onda que se ve cuando se pasa el ratón sobre el rectángulo rojo es sólo un ejemplo de una forma de onda de corriente de tres fases distor. 

Un buen sistema de monitoreo de calidad de energía es esencial para mantener un sistema de distribución de energía que proporciona energía limpia. La aplicación de la solución incorrecta puede ser costoso y peligroso.

armónicos

Muchos circuitos electrónicos y dispositivos producen frecuencias que son múltiplos de la frecuencia aplicada. Cualquier frecuencia producida que es un múltiplo de la frecuencia original se llama armónico. 

La frecuencia original se conoce como la frecuencia fundamental o de base o el primer armónico. Cada múltiplo de frecuencia es referido por su número. Por ejemplo, el segundo armónico es dos veces la frecuencia fundamental, el tercer armónico es tres veces la frecuencia fundamental, etc.

Los circuitos que producen armónicos normalmente los producen a amplitudes reducidas de la frecuencia fundamental. Además, estos circuitos no producen todos los múltiples armónicos, pero los armónicos específicos producidos dependen del tipo de circuito y los niveles de potencia involucrados.

Los efectos armónicos pueden aparecer como calor en varios lugares tales como neutrde aparatos, transformadores y bancos de condens. Cuando el calor se acumula lo suficiente, el equipo se daña. Los sistemas de monitorización de potencia pueden identificar armónicos y sus fuentes para permitir las correcciones. 

Inductancia e inductores

La resistencia y el voltano no son las únicas propiedades del circuito que afectan el flujo de corriente. Por ejemplo, la inductancia es la propiedad de un circuito eléctrico que se opone a cualquier cambio en la corriente eléctrica. La resistencia se opone al flujo de corriente, pero la inductancia se opone a los cambios en el flujo de corriente. La inductancia es designada por la letra "L". La unidad de medida para la inductancia es el Henry (h).

El flujo de corriente produce un campo magnético en un conductor. La cantidad de corriente determina la intensidad del campo magnético. A medida que aumenta el flujo de corriente, aumenta la intensidad del campo, y a medida que disminuye el flujo de corriente, disminuye la intensidad del campo.

Cualquier cambio en la corriente provoca un cambio correspondiente en el campo magnético que rodea al conductor. La corriente es constante para una fuente de corriente continua regulada, excepto cuando el circuito está encendido y apagado, o cuando hay un cambio de carga. Sin embargo, la corriente altercambia constantemente, y la inductancia se opone continuamente al cambio. Un cambio en el campo magnético que rodea el conductor induce un voltaen el conductor. Este voltaauto-inducido, se conoce como CEM de contador porque se opone al cambio de corriente.

Todos los conductores tienen inductancia, pero los inductores son bobde enrollde alambre para una inductancia específica. Para algunas aplicaciones, los inductores se enrollalrededor de un núcleo de metal para concentrar aún más la inductancia. La inductancia de una bobina está determinada por el número de vueltas en la bobina, el diámetro y la longitud de la bobina, y el material del núcleo. Un inductor se indica generalmente simbólicamente en un dibujo eléctrico como una línea curva.