El buen funcionamiento de equipos electrónicos, principalmente en la industria, depende de la calidad de la energía eléctrica que los alimenta. La preocupación por este hecho no está sólo en la instalación correcta del equipo, sino también en la monitorización de la propia energía que puede traer deformaciones como, por ejemplo, las debidas a los cambios de forma de onda, presencia de transitorios y brotes e incluso variaciones indebidas la tensión.
¿De qué modo los problemas de energía que afectan a los equipos deben ser encarados y cómo detectarlos es el tema de este artículo, de gran importancia para todos los que trabajan con instalaciones de las más variadas. También veremos de qué manera podemos medir tensiones y corrientes en una red "sucia" usando un multímetro de características especiales para este propósito, que es el True RMS.
ENERGÍA LIMPIA
La forma de onda de la tensión alternada suministrada por la red de energía eléctrica, en teoría, debe ser senoidal con una frecuencia de 60 Hz, como muestra la figura 1.
Sin embargo, por diversos motivos, como por ejemplo, la utilización de dispositivos que emplean fuentes conmutadas o incluso dispositivos de conmutación de potencia muy rápidos como los que hacen uso de TRIAC y SCR, las formas de onda de las corrientes y tensiones encontradas en una instalación eléctrica pueden sufrir alteraciones dejando de ser "limpias" o "puras".
Estas alteraciones pueden afectar sensiblemente el funcionamiento de equipos sensibles conectados, alimentados por la misma red de energía, y hasta de los propios causantes de los problemas.
En las industrias, por ejemplo, donde la cantidad de equipos alimentados que pueden causar deformaciones es grande y igualmente grande la cantidad de equipos sensibles que pueden ser afectados por una energía "no limpia", la preocupación en "medir" y controlar la calidad de la energía. la energía es importante, exigiendo un constante monitoreo o análisis cuando se constata cualquier tipo de anormalidad en el funcionamiento de un equipo cuya causa pueda estar en la energía que él usa.
El multímetro común no atiende a las necesidades del técnico o ingeniero que necesita medir la energía de una red que tenga problemas de deformación de las corrientes y tensiones, transitorios o brotes. Para que el lector sepa diferenciar los multímetros que pueden detectar la calidad de la energía y cómo saber hasta dónde una energía con mala calidad puede afectar sus equipos, preparamos este artículo, de gran importancia para todos los que se preocupan por la calidad de la energía que llega hasta su lugar de trabajo o de un cliente, tales como instalaciones industriales, comerciales o locales en las que funcionan equipos sensibles.
ARMÓNICA
Conforme explicamos, una tensión alternada considerada "pura" o "limpia" es aquella que tiene una forma de onda perfectamente senoidal.
En la práctica, sin embargo, ocurren deformaciones como las ilustradas en la figura 2.
El matemático inglés Fourier demostró que una señal de cualquier forma de onda, en realidad, puede ser descompuesto en señales senoidales de amplitudes diferentes y frecuencias que partiendo de un valor fundamental van teniendo valores múltiples de éste, frecuencias éstas denominadas armónicas.
Así, la señal que tiene el doble de la frecuencia fundamental es llamada segundo armónica, lo que tiene el triple es llamado tercera armónica, y así sucesivamente.
Se demuestra también que el inverso es válido: una señal de cualquier forma de onda puede ser formada por la combinación de señales senoidales de frecuencias múltiples y amplitudes diferentes.
De esta forma, una tensión alternada que una deformación como la indicada en la figura 3, puede ser analizada como formada por una tensión en la frecuencia fundamental de mayor amplitud (60 Hz) y diversas otras tensiones de menor amplitud con frecuencias múltiples denominadas armónicas.
La distorsión de una señal es medida por la Tasa de Distorsión Armónica, o abreviadamente THD, que es dada por un porcentaje (%).
La tasa de distorsión armónica total de una señal o forma de onda se calcula con la siguiente expresión:
Donde: THD (%) = distorsión armónica total
V2, V3, V4, .... Vn = amplitudes de la segunda, tercera, etc, armónicas
Vf = amplitud de la señal fundamental
Dependiendo de la forma de onda, los armónicos pueden extenderse a valores muy altos de frecuencias causando, por ejemplo, interferencias en equipos de comunicaciones.
En la tabla siguiente tenemos los armónicos y sus intensidades relativas para una señal que se obtiene en la salida de un rectificador de onda completa. Esta señal consiste en una "onda" cuya forma se muestra en la figura 4.
El proceso de cálculo de esas intensidades implica la Transformada de Fourier que permite determinar el "coeficiente" o intensidad relativa de cada armónica partiendo de la función que describe la forma de onda analizada.
|
Armónica |
Intensidad Relativa |
Intensidad Porcentual (%) |
|
Fundamental |
(2 /π)U |
63,6 |
|
2o |
(4 / 3π) /U |
42,3 |
|
3o
|
0 |
0 |
|
4o
|
(4 / 15π) U |
8,5 |
|
5o
|
0 |
0 |
|
6o
|
(4 /35π)U |
3,6 |
|
7o
|
0 |
0 |
Un control de potencia que emplea SCR o TRIAC es un ejemplo de ello. La conmutación rápida de estos dispositivos, generando en la carga una tensión con forma de onda como la indicada en la figura 5, también es responsable por la producción de armónicos que se extienden hasta la banda de VHF de TV.
Un control de potencia de estas causas interferencias en televisores que aparecen en forma de pequeños riesgos en la imagen. Lo mismo ocurre con los licuadores, las afeitadoras y los equipos industriales que utilizan motores con escobillas.
PROBLEMAS CAUSADOS POR LA ENERGÍA "SUJA"
Pero no son solamente interferencias que causan una tensión alternada con deformaciones o distorsiones, y que la hacen rica en armónicos.
Si un equipo es alimentado por una tensión no pura que tiene una tasa de distorsión armónica elevada, pueden producirse pérdidas de energía.
Los transformadores, en particular, son componentes sensibles a este problema, pudiendo presentar hasta más del 50% de pérdidas si se alimentan con una tensión muy distorsionada.
Las cargas alimentadas por tensión distorsionada pueden tener todavía un factor de potencia muy pobre sobrecargando el sistema.
Los controles de potencia con TRIAC son ejemplos de estos dispositivos que pueden tener su desempeño mejorado con el uso de golpes, que suavizan la forma de onda de la energía consumida disminuyendo así el THD.
Otro problema a ser considerado es que los armónicos de corriente pueden también distorsionar la forma de onda de la tensión, y con eso eso causa armónicos de tensión. Las distorsiones de la tensión pueden afectar a motores eléctricos y bancos de capacitores.
En los motores eléctricos, por ejemplo, la secuencia negativa de armónicos (5ª, 11ª, 17ª, etc.) así llamada porque su secuencia (ABC o ACB) es opuesta a la secuencia fundamental, como ilustra la figura 6, produce campos magnéticos rotativos. Estos campos "giran" en la dirección opuesta al campo magnético fundamental y pueden causar no sólo un sobrecalentamiento del motor como hasta oscilaciones mecánicas en el sistema motor-carga.
En el caso de los bancos de capacitores, lo que sucede es que la reactancia de un banco de capacitores disminuye con el aumento de la frecuencia, haciendo que drene energía a través de los armónicos de mayor frecuencia. Este aumento de energía drenado por los capacitores puede causar pérdidas y sobrecargas en el dieléctrico, capaces incluso de llevar los capacitores a una falla.
En cuanto a los de equipos que operan con apenas una fase, tales como computadoras personales, reactores y otros, los problemas también existen.
Para estos equipos son especialmente dañinas las armónicas impares como el 3ª, 5ª, 7ª, etc.
También tenemos la acción dañina de los armónicos denominados triples que son la 3ª, 9ª y 15ª. En el caso de que se produzca un error en el sistema, se debe tener en cuenta que, en el caso de que se produzca un error, en un sistema de 3 fases con 4 conductores. El resultado de esto es una sobrecarga del conductor de neutro, lo que puede significar problemas si no está correctamente dimensionado para soportar esta corriente adicional.
El mismo problema puede surgir en transformadores con bobinado en delta donde los armónicos son reflejados para el primario causando sobrecalentamiento semejante al que ocurre cuando tenemos una corriente trifásica no balanceada.
Una manera importante de verificar si existen corrientes armónicas en una instalación se mide en el conductor neutro de la instalación trifásica, en un sistema de 4 hilos.
Sin embargo, una elevada distorsión armónica de la forma de onda de la tensión disponible en la red de energía sólo traerá problemas si el sistema no está diseñado para manipularlo.
En general, THDs de hasta 8% no representan problemas para los equipos, mismos los más sensibles.
Un conductor de neutro, así como cualquier otro, presenta una impedancia que, en el valor fundamental de la tensión de la red no es significativa, pero esta impedancia podrá asumir valores relevantes, significando producción de calor y pérdida de energía en frecuencias más altas como las de armónicas más alta.
Es necesario estar atento al suministro de energía limpia para los equipos de una instalación, principalmente donde existen equipos sensibles siendo alimentados.
FACTOR DE CRESTA
Se denomina factor de cresta de cualquier forma de onda a la relación entre el valor de pico y el valor RMS (raíz cuadrada cuadrática o valor mediano cuadrático).
Para una forma de onda perfectamente senoidal, el factor de cresta, es de 1,4142 (raíz cuadrada de 2) como muestra la figura 7.
Sin embargo, es fácil percibir que si tenemos una forma de onda con picos de mayor intensidad y corta duración, vea en la figura 8, el factor de cresta será mayor, ya con signos más "aplanados" el factor de cresta será menor.
MEDINDO TENSIONES ALTERNADAS DISTORCIDAS
Las escalas de corrientes y tensiones alternas de instrumentos simples como los multímetros, se calibran para dar una indicación de valor RMS en promedio cuando se trata de una señal sinusoidal de 60 Hz.
Este valor corresponde al 70,7% del valor de pico y toma en cuenta que el signo senoidal (corriente o tensión) medido no tiene ninguna distorsión, como se observa en la figura 9.
Sin embargo, si la tensión o corriente medida tiene una distorsión con deformaciones que representen la presencia de armónicos, los multímetros comunes no podrán responder a las frecuencias más altas, no indicando su presencia. El resultado neto de esta distorsión es que el instrumento pasa a indicar un valor que no corresponde al RMS (Root Mean Square real o "True").
En otras palabras, a partir del momento en que se mide una tensión o corriente alterna en una instalación en la que hay deformaciones de la forma de onda, no podemos garantizar una precisión de lectura, y eso es más frecuente de lo que se puede imaginar. El valor indicado por el instrumento no tiene en cuenta la presencia de armónicos ni la presencia de "crestas".
Para medir la tensión o la corriente en instalaciones que alimente cargas que puedan deformar la corriente, o aún en una red que tenga tales problemas, deben ser utilizados instrumentos con características especiales capaces de trabajar incluso con corrientes no senoidales.
Existen básicamente dos formas de medir los valores reales o "true" RMS de tensiones y corrientes senoidales en una instalación eléctrica. Son ellas:
a) Osciloscopio digital
El osciloscopio digital permite registrar la forma de onda de la señal fundamental y también verificar las distorsiones y la amplitud de cada armónica.
b) Multímetro True-RMS o alicate amperométrico True-RMS
Una manera más simple de medir una tensión RMS considerando su forma de onda real y no sólo para las senoidales, es con un multímetro True-RMS.
Estos instrumentos tienen en su hoja de especificación la información de que pueden realizar tal tipo de medida, a diferencia de los multímetros comunes que, como vimos, responden sólo al signo senoidal, cuando entonces dan una indicación precisa.
Con el alicate amperométrico se puede medir la corriente en un cable verificando si existen armónicos o distorsión, sin la necesidad de interrumpir la instalación para la conexión del instrumento.
• Los circuitos
¿Qué diferencia un multímetro común de un True-RMS?
Para responder a las variaciones rápidas de la tensión que ocurren cuando existen armónicos o picos rápidos deben ser usados ??circuitos que tengan en cuenta la presencia de esas señales.
Esto no ocurre con los instrumentos analógicos donde la inercia del sistema mecánico impide que ellos puedan tener una respuesta eficiente a los componentes de mayor frecuencia de la tensión.
Una manera simple de conseguir instrumentos capaces de medir el valor real (true) de una corriente RMS es a través de circuitos que hagan uso de sensores de efecto Hall.
Estos sensores se pueden utilizar para detectar la energía involucrada en la transferencia de la señal, lo que no considera picos o armónicos en dispositivos que no se introducen eléctricamente en el circuito.
Un circuito muy interesante para la medida de tensión True-RMS como "solución alternativa" empleando un multímetro común en la escala de resistencias, se muestra en la figura 10.
Este circuito se basa en el hecho de que el brillo "real" de la lámpara depende de la potencia total aplicada a ella, lo que tiene en cuenta todos los componentes (de todas las frecuencias) existentes en la señal que la alimenta.
Así, una vez que se realiza una calibración usando una tensión sinusoidal pura, eligiendo entonces los resistores de valores apropiados para las diversas bandas de tensiones involucradas y un multímetro en la escala de resistencias, es posible medir tensiones "True-RMS" en la escala de resistencia desde que se haya elaborado una "tabla de conversión".
La lámpara puede ser pequeña, de 5 W, para 120 V, blanca y el LDR acoplado para recibir su luz directamente, sin influencia de la iluminación externa.