La calidad de la energía eléctrica es el grado en el que el voltaje, la frecuencia y la forma de onda de un sistema de suministro de energía se ajustan a las especificaciones establecidas. Una buena calidad de la energía se puede definir como un voltaje de suministro constante que se mantiene dentro del rango prescrito, una frecuencia de CA constante cercana al valor nominal y una forma de onda de curva de voltaje suave (que se asemeja a una onda sinusoidal ). En general, es útil considerar la calidad de la energía como la compatibilidad entre lo que sale de una toma eléctrica y la carga que está enchufada a ella. [1] El término se utiliza para describir la energía eléctrica que impulsa una carga eléctrica y la capacidad de la carga para funcionar correctamente. Sin la energía adecuada, un dispositivo eléctrico (o carga) puede funcionar mal, fallar prematuramente o no funcionar en absoluto. Hay muchas formas en las que la energía eléctrica puede ser de mala calidad y muchas más causas de esa energía de mala calidad.
La industria de la energía eléctrica comprende la generación de electricidad ( corriente alterna ), la transmisión de energía eléctrica y, en última instancia, la distribución de energía eléctrica a un medidor de electricidad ubicado en las instalaciones del usuario final de la energía eléctrica. Luego, la electricidad se desplaza a través del sistema de cableado del usuario final hasta que llega a la carga. La complejidad del sistema para trasladar la energía eléctrica desde el punto de producción hasta el punto de consumo, combinada con las variaciones en el clima, la generación, la demanda y otros factores, brindan muchas oportunidades para que se vea comprometida la calidad del suministro.
Si bien la "calidad de la energía" es un término conveniente para muchos, lo que en realidad describe el término es la calidad del voltaje (en lugar de la potencia o la corriente eléctrica ). La potencia es simplemente el flujo de energía y la corriente que demanda una carga es en gran medida incontrolable.
La calidad de la energía eléctrica puede describirse como un conjunto de valores de parámetros, tales como:
A menudo resulta útil pensar en la calidad de la energía como un problema de compatibilidad: ¿el equipo conectado a la red es compatible con los eventos que ocurren en la red y la energía que entrega la red, incluidos los eventos, es compatible con el equipo que está conectado? Los problemas de compatibilidad siempre tienen al menos dos soluciones: en este caso, o bien limpiar la energía o bien hacer que el equipo sea más resistente.
La tolerancia de los equipos de procesamiento de datos a las variaciones de voltaje se caracteriza a menudo por la curva CBEMA , que indica la duración y la magnitud de las variaciones de voltaje que se pueden tolerar. [3]
Idealmente, el voltaje de CA es suministrado por una empresa de servicios públicos como una tensión sinusoidal que tiene una amplitud y frecuencia determinadas por las normas nacionales (en el caso de la red eléctrica ) o las especificaciones del sistema (en el caso de una fuente de alimentación no conectada directamente a la red eléctrica) con una impedancia de cero ohmios en todas las frecuencias .
Ninguna fuente de energía real es ideal y generalmente puede desviarse al menos de las siguientes maneras:
Cada uno de estos problemas de calidad de la energía tiene una causa diferente. Algunos problemas son resultado de la infraestructura compartida. Por ejemplo, una falla en la red puede causar una caída de tensión que afectará a algunos clientes; cuanto mayor sea el nivel de la falla, mayor será el número de afectados. Un problema en el sitio de un cliente puede causar un transitorio que afecte a todos los demás clientes en el mismo subsistema. Los problemas, como los armónicos, surgen dentro de la propia instalación del cliente y pueden propagarse a la red y afectar a otros clientes. Los problemas de armónicos se pueden solucionar mediante una combinación de buenas prácticas de diseño y equipos de reducción de eficacia probada.
El acondicionamiento de potencia consiste en modificar la potencia para mejorar su calidad.
Se puede utilizar un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) para desconectar la red eléctrica si se produce una condición transitoria (temporal) en la línea. Sin embargo, las unidades SAI más económicas generan una energía de mala calidad por sí mismas, similar a imponer una onda cuadrada de mayor frecuencia y menor amplitud sobre la onda sinusoidal. Las unidades SAI de alta calidad utilizan una topología de doble conversión que descompone la energía de CA entrante en CC, carga las baterías y luego refabrica una onda sinusoidal de CA. Esta onda sinusoidal refabricada es de mayor calidad que la alimentación de CA original. [5]
Se utilizan un regulador de voltaje dinámico (DVR) y un compensador de serie síncrono estático (SSSC) para compensar las caídas de voltaje en serie.
Un protector contra sobretensiones o un simple condensador o varistor pueden proteger contra la mayoría de las condiciones de sobretensión, mientras que un pararrayos protege contra picos severos.
Los filtros electrónicos pueden eliminar armónicos.
Los sistemas modernos utilizan sensores denominados unidades de medición fasorial (PMU) distribuidos por toda la red para supervisar la calidad de la energía y, en algunos casos, responder a ellos de forma automática. El uso de estas funciones de redes inteligentes de detección rápida y autorreparación automática de anomalías en la red promete ofrecer energía de mayor calidad y menos tiempo de inactividad, al mismo tiempo que respalda la energía de fuentes de energía intermitentes y generación distribuida , que, si no se controlan, degradarían la calidad de la energía.
Un algoritmo de compresión de calidad de energía es un algoritmo utilizado en el análisis de la calidad de la energía. Para proporcionar un servicio de energía eléctrica de alta calidad, es esencial monitorear la calidad de las señales eléctricas, también denominada calidad de la energía (PQ), en diferentes ubicaciones a lo largo de una red eléctrica . Las empresas de servicios eléctricos monitorean cuidadosamente las formas de onda y las corrientes en varias ubicaciones de la red de manera constante, para comprender qué conduce a eventos imprevistos, como cortes de energía y apagones. Esto es particularmente crítico en sitios donde el medio ambiente y la seguridad pública están en riesgo (instituciones como hospitales, plantas de tratamiento de aguas residuales, minas, etc.).
Los ingenieros utilizan muchos tipos de medidores [6] que leen y muestran formas de onda de energía eléctrica y calculan parámetros de las formas de onda. Miden, por ejemplo:
Para poder monitorear de manera adecuada los eventos imprevistos, Ribeiro et al. [7] explica que no es suficiente visualizar estos parámetros, sino también capturar datos de formas de onda de voltaje en todo momento. Esto es impracticable debido a la gran cantidad de datos involucrados, lo que causa lo que se conoce como el "efecto botella". Por ejemplo, a una frecuencia de muestreo de 32 muestras por ciclo, se recogen 1.920 muestras por segundo. Para medidores trifásicos que miden formas de onda de voltaje y corriente, los datos son de 6 a 8 veces más. Las soluciones más prácticas desarrolladas en los últimos años almacenan datos solo cuando ocurre un evento (por ejemplo, cuando se detectan altos niveles de armónicos del sistema de energía ) o, alternativamente, almacenan el valor RMS de las señales eléctricas. [8] Sin embargo, estos datos no siempre son suficientes para determinar la naturaleza exacta de los problemas.
Nisenblat et al. [9] propone la idea de un algoritmo de compresión de calidad de energía (similar a los métodos de compresión con pérdida ) que permite a los medidores almacenar de forma continua la forma de onda de una o más señales de energía, independientemente de si se identificó o no un evento de interés. Este algoritmo, conocido como PQZip, proporciona a un procesador una memoria que es suficiente para almacenar la forma de onda, en condiciones de energía normales, durante un largo período de tiempo, de al menos un mes, dos meses o incluso un año. La compresión se realiza en tiempo real, a medida que se adquieren las señales; calcula una decisión de compresión antes de recibir todos los datos comprimidos. Por ejemplo, si un parámetro permanece constante y varios otros fluctúan, la decisión de compresión retiene solo lo que es relevante de los datos constantes y retiene todos los datos de fluctuación. Luego descompone la forma de onda de la señal de energía de numerosos componentes, durante varios períodos de la forma de onda. Concluye el proceso comprimiendo los valores de al menos algunos de estos componentes durante diferentes períodos, por separado. Este algoritmo de compresión en tiempo real, que se ejecuta independientemente del muestreo, evita lagunas en los datos y tiene una relación de compresión típica de 1000:1.
Una función típica de un analizador de potencia es la generación de un archivo de datos agregados en un intervalo determinado. Lo más habitual es utilizar un intervalo de 10 minutos o 1 minuto, tal y como especifican las normas IEC/IEEE PQ. Durante la operación de dicho instrumento se crean tamaños de archivo significativos. Como han demostrado Kraus et al. [10], la relación de compresión de dichos archivos utilizando el algoritmo de cadena Lempel–Ziv–Markov , bzip u otros algoritmos de compresión sin pérdida similares puede ser significativa. Al utilizar la predicción y el modelado en las series temporales almacenadas en el archivo de calidad de potencia real, la eficiencia de la compresión posterior al procesamiento suele mejorar aún más. Esta combinación de técnicas simplistas implica ahorros tanto en el almacenamiento de datos como en los procesos de adquisición de datos.
La calidad de la electricidad suministrada está establecida en normas internacionales y sus derivadas locales, adoptadas por diferentes países:
EN50160 es el estándar europeo para la calidad de la energía, que establece los límites aceptables de distorsión para los diferentes parámetros que definen el voltaje en la energía eléctrica de CA.
La norma IEEE-519 es la directriz norteamericana para sistemas de energía. Se define como una "práctica recomendada" [11] y, a diferencia de la norma EN50160, esta directriz se refiere tanto a la distorsión de corriente como a la de voltaje.
La norma IEC 61000-4-30 es la norma que define los métodos para supervisar la calidad de la energía. La edición 3 (2015) incluye mediciones de corriente, a diferencia de las ediciones anteriores que solo se relacionaban con la medición de voltaje.
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