12.4: Medición de la calidad de la energía

Solía ser con grandes sistemas de alimentación de CA que la “calidad de la energía” era un concepto inaudito, aparte del factor de potencia. Casi todas las cargas eran de la variedad “lineal”, lo que significa que no distorsionaron la forma de la onda sinusoidal de voltaje, ni provocaron que fluyeran corrientes no sinusoidales en el circuito. Esto ya no es cierto. Las cargas controladas por componentes electrónicos “no lineales” son cada vez más frecuentes tanto en el hogar como en la industria, lo que significa que los voltajes y corrientes en los sistemas de energía que alimentan estas cargas son ricos en armónicos: lo que debería ser agradable, los voltajes y corrientes de onda sinusoidal limpios se están distorsionando altamente, lo que es equivalente a la presencia de una serie infinita de ondas sinusoidales de alta frecuencia a múltiplos de la frecuencia fundamental de la línea eléctrica.

Los armónicos excesivos en un sistema de alimentación de CA pueden sobrecalentar transformadores, causar corrientes de conductores neutros extremadamente altas en sistemas trifásicos, crear “ruido” electromagnético en forma de emisiones de radio que pueden interferir con equipos electrónicos sensibles, reducir la potencia de salida del motor eléctrico y puede ser difícil de identificar. Con problemas como estos plagadores sistemas de energía, los ingenieros y técnicos requieren formas de detectar y medir con precisión estas condiciones.

Calidad de energía es el término general dado para representar la libertad de un sistema de alimentación de CA de contenido armónico. Un medidor de “calidad de energía” es aquel que da alguna forma de indicación de contenido armónico.

Una manera sencilla para que un técnico determine la calidad de la energía en su sistema sin un equipo sofisticado es comparar lecturas de voltaje entre dos voltímetros precisos que miden el mismo voltaje del sistema: un medidor es un tipo de unidad de “promedio” (como un medidor de movimiento electromecánico) y el otro es un Tipo de unidad “Verdadero-RMS” (como un medidor digital de alta calidad). Recuerde que los medidores de tipo “promediado” están calibrados para que sus escalas indiquen voltios RMS, con base en el supuesto de que la tensión de CA que se mide es sinusoidal. Si el voltaje es cualquier cosa menos en forma de onda senoidal, el medidor de promedio no registrará el valor adecuado, mientras que el medidor True RMS siempre lo hará, independientemente de la forma de onda. La regla general aquí es esta: cuanto mayor es la disparidad entre los dos metros, peor es la calidad de la energía, y mayor es su contenido armónico. Un sistema de energía con potencia de buena calidad debe generar lecturas de voltaje iguales entre los dos metros, dentro de la tolerancia de error nominal de los dos instrumentos.

Otra medida cualitativa de la calidad de la energía es la prueba del osciloscopio: conectar un osciloscopio (CRT) a la tensión de CA y observar la forma de la onda. Cualquier otra cosa que no sea una onda sinusoidal limpia podría ser una indicación de problemas: (Figura abajo)

Se trata de una onda “sinusoidal” moderadamente fea. ¡Contenido armónico definido aquí!

Aún así, si es necesario un análisis cuantitativo (cifras definitivas, numéricas), no hay sustituto para un instrumento diseñado específicamente para ese propósito. Dicho instrumento se llama medidor de calidad de potencia y a veces es más conocido en círculos electrónicos como analizador de espectro de baja frecuencia. Lo que hace este instrumento es proporcionar una representación gráfica en un CRT o pantalla digital del “espectro” de frecuencia del voltaje de CA. Así como un prisma divide un haz de luz blanca en sus componentes de color constituyentes (cuánto rojo, naranja, amarillo, verde y azul hay en esa luz), el analizador de espectro divide una señal de frecuencia mixta en sus frecuencias constituyentes, y muestra el resultado en forma de histograma: (Figura abajo)

El medidor de calidad de energía es un analizador de espectro de baja frecuencia.

Cada número en la escala horizontal de este medidor representa un armónico de la frecuencia fundamental. Para los sistemas de energía estadounidenses, el “1” representa 60 Hz (el primer armónico, o fundamental), el “3” para 180 Hz (el 3er armónico), el “5” para 300 Hz (el quinto armónico), y así sucesivamente. Los rectángulos negros representan las magnitudes relativas de cada uno de estos componentes armónicos en la tensión de CA medida. Una onda sinusoidal pura de 60 Hz mostraría solo una barra negra alta sobre el “1” sin barras negras mostrando en absoluto los otros marcadores de frecuencia en la escala, porque una onda sinusoidal pura no tiene contenido armónico.

Los medidores de calidad de energía como este podrían denominarse mejor medidores de armónicos, ya que están diseñados para mostrar solo aquellas frecuencias que se sabe que son generadas por el sistema de energía. En los sistemas de alimentación de CA trifásicos (predominantes para aplicaciones de gran potencia), los armónicos pares tienden a cancelarse, por lo que solo los armónicos existentes en medida significativa son los impares.