Que es calidad de la energía, origen problemas, estándares y big data

Según un estudio reciente publicado por el Electric Power Research Institute (EPRI), las grandes instalaciones industriales en los EE. UU. Pierden más de $ 100 mil millones de dolares cada año debido a problemas de energía.

Cuando las luces parpadean en casa, es una molestia. Pero cuando se interrumpe la energía en una fábrica, puede causar el mal funcionamiento y la avería temprana de equipos caros.

Los eventos sutiles de calidad de energía a menudo pasan por redes de protección tradicionales sin ser detectados y contribuyen a la degradación del equipo con el tiempo. Además, la fuente de muchas perturbaciones de la calidad de la energía son las cargas conectadas a la misma red, lo que provoca que las perturbaciones se propaguen a través de instalaciones y edificios adyacentes.

Para superar los desafíos de calidad de energía, es necesario monitorear la energía entrante del operador de red y las perturbaciones generadas por la carga. Si las partes interesadas aprovechan al máximo la tecnología, su costosa infraestructura se beneficiará de la energía limpia y una vida útil más larga.

En este artículo, se analizarán los impactos de la mala calidad de la energía desde la perspectiva de los equipos industriales y cómo maximizar la salud de la máquina.

¿Que se considera calidad de energía?

La calidad de la energía se refiere a una amplia variedad de variaciones en la energía eléctrica suministrada a los clientes conectados a redes eléctricas publicas.

Puede cubrir problemas de cableado, problemas de conexión a tierra, transitorios de conmutación, variaciones de carga y generaciones de armónicos. En algunos casos, la mala calidad de la energía puede pasar desapercibida y dañar equipos costosos.

En Europa, la calidad de la electricidad que proporciona un operador de red se define mediante los parámetros de referencia establecidos en los códigos de red nacionales y las normas europeas (EN 50160).

Cuando la tensión de alimentación está distorsionada, un dispositivo dibuja corrientes no sinusoidales y puede causar muchos problemas técnicos, como sobrecalentamiento, mal funcionamiento y envejecimiento prematuro. La corriente no senoidal también causa estrés térmico y de aislamiento en los dispositivos de red, como los transformadores y los cables de alimentación.

La mala calidad de la energía finalmente resulta en pérdidas financieras causadas por el tiempo de inactividad del equipo, mayores actividades de mantenimiento y tiempos de vida más cortos.

¿Dónde se originan las perturbaciones de la calidad de la energía?

La Figura 1 resume un estudio que el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica realizó para la distribución de la calidad de energía entre 24 empresas de servicios públicos en los Estados Unidos. La mayoría (85%) de los incidentes de calidad de energía se originan por caídas de voltaje o subidas de tensión, armónicos, problemas en el  cableado y problemas de conexión a tierra.

estudio calidad de potencia Instituto de Investigación de Energía Eléct
Figura 1. Diferentes fuentes de problemas de calidad de energía en a) Estados Unidos b) Europa.

La Figura 2 muestra los resultados de una encuesta europea diferente sobre la Calidad de la Energía, que estimó que los problemas de calidad de la energía en los países de la UE-25 generan pérdidas financieras de más de $ 156 mil millones por año (€ 150 mil millones).

Eventos de calidad de la potencia
Figura 2. Visualización de voltajes y corrientes de red bajo diferentes efectos de distorsión.

En entornos industriales, el inicio y la detención de cargas pesadas puede provocar caídas de tensión y subidas de tensión que mueven los voltajes de la red fuera de las condiciones de funcionamiento estándar. Como la mayoría de los equipos están diseñados para funcionar dentro de una determinada condición de funcionamiento, las caídas y aumentos de voltaje prolongados provocan paradas y cortes del proceso.

En el clima empresarial actual, Muchas compañías están considerando o ya están instalando fuentes de energía renovables generadas localmente, como la solar y la eólica. En muchos casos, las fuentes de generación distribuidas introducen la necesidad de fuentes de alimentación conmutadas en instalaciones eléctricas.

Con la creciente adopción de electrónica de potencia y fuentes de alimentación conmutadas, los armónicos se convertirán en una fuente más común de problemas de calidad de energía en equipos industriales. Estos tipos de fuentes de alimentación pueden inyectar armónicos en las líneas eléctricas y degradar la calidad de la energía para que todo lo relacionado con la red de suministro se vea afectado, incluidos los transformadores y los cables.

Los administradores de instalaciones a menudo pueden observar los impactos de las grandes corrientes armónicas a medida que los componentes de la red se sobrecargan. En algunos casos, los aumentos en las pérdidas totales de 0.1% a 0.5% en los componentes de la red pueden provocar la desconexión de los dispositivos de protección.

Estándares de calidad de energía

Para hacer frente y gestionar la calidad de la energía, uno debe encontrar un método confiable de monitoreo e informes.

Algunos de los estándares clave creados por la industria son IEC 61000-4-30 Clase A y Clase S, IEC61000-4-7 mediciones armónicas e IEC61000-4-15 para parpadeo. La mayoría de las empresas de servicios públicos han adoptado estos estándares de calidad de energía para desarrollar y hacer cumplir las regulaciones.

En ciertos casos, los servicios públicos pueden penalizar a un cliente si los estándares de calidad de energía no cumplen con las regulaciones. Los estándares de la industria no solo establecen una comprensión común de la calidad de la energía en las aplicaciones del mundo real, sino que también dan a los usuarios la confianza de que tendrán datos precisos para resolver problemas y cuestiones relacionadas con eventos.

En redes eléctricas, la caídas de tensión, las subidas, los parpadeos, la variación en las clasificaciones nominales, y distorsión debida a armónicos: todos contienen la información clave sobre la salud eléctrica de la red. La precisión de la medición es la clave para proporcionar resultados confiables y repetibles.

Aplicación de monitoreo de calidad de energía para mejorar la salud de la red y el funcionamiento de las máquinas

Los dispositivos modernos de calidad eléctrica proporcionan información que comparará el rendimiento general del sistema, ayudará en el mantenimiento preventivo, supervisará las tendencias y condiciones, evaluará el rendimiento de la red y la sensibilidad al equipo de proceso, y mejorará las tarifas de energía.

Se puede instalar una red de monitores de calidad de energía en los sistemas de suministro, y sus datos de medición sin procesar se pueden agregar para correlacionar y ayudar a identificar las fuentes de perturbaciones. Los monitores de calidad eléctrica también pueden ser parte del diseño de equipos integrados para una mayor integración y control.

Se puede capturar una firma eléctrica única de una máquina para comprender la salud general. Las conclusiones del análisis y diagnóstico de datos pueden proporcionar información confiable para diseñar algoritmos y productos de protección de próxima generación para mejorar la calidad de la energía.

Si el equipo ya se ha implementado en un entorno de fábrica, el perfil de calidad de energía se puede usar para determinar las mejores técnicas de mitigación. Por ejemplo, el perfil de calidad de energía de una instalación industrial en India reveló distorsiones significativas de las formas de onda de voltaje y corriente. Después de un análisis exhaustivo, se instaló un sistema híbrido de corrección del factor de potencia en la fábrica. Con el nuevo sistema de corrección, el factor de potencia cambió de –0.5 a +0.9 y THD mejoró en un 50%.

Un analizador moderno de calidad de energía

En el pasado, el diseño de un analizador de calidad de energía de alta precisión requería una habilidad técnica significativa y a menudo involucraba el uso de componentes discretos y el desarrollo de algoritmos de medición de calidad de energía personalizados.

Una nueva clase de equipos analizadores (AFE) de calidad de energía integra componentes de alto rendimiento con una ganancia general en los núcleos DSP. Este AFE integrado reduce la complejidad y el costo asociados con el enfoque de diseño discreto y la escritura de algoritmos personalizados.

Datos generales de un analizador de energia
Datos generales de un analizador de energía

El AFE integrado calcula y proporciona parámetros de calidad de energía tales como DIPS (Bajo voltaje), SWELL (Aumento de voltaje), rms, error de secuencia de fase y valores de factor de potencia. También obtiene contenido armónico de frecuencia de línea de la señal de entrada. Analog Devices ha dominado un front-end de monitor de calidad mundial llamado ADE9000. Absorbe la mayor complejidad en los cálculos y simplifica el tiempo y el esfuerzo para implementar un sistema de monitoreo de calidad de energía.

Oportunidades para Big Data Analytics que conducen a una mejor inteligencia energética

A medida que los dispositivos individuales en entornos industriales se vuelven más conectados y se aceleran las implementaciones de IoT, la información de calidad de energía de los equipos distribuidos se recopilará y se aprovechará de nuevas maneras.

Por ejemplo, las partes interesadas pueden analizar tendencias históricas y permitir la detección temprana de un problema emergente. Dentro de una red, los datos en tiempo real de múltiples nodos se pueden usar para identificar y aislar una perturbación. El análisis de datos para el diagnóstico de la máquina, el mantenimiento preventivo y el aislamiento de las cargas problemáticas son nuevas formas de reducir las interrupciones del proceso, aumentar la vida útil del equipo y mejorar el tiempo de actividad.

Resumen

Se espera que la demanda total de energía en todo el mundo crezca aproximadamente un 5% anual. La magnitud y la complejidad de los equipos conectados a la red crecerán y las perturbaciones en la calidad de la energía aumentarán proporcionalmente.

Las empresas modernas dependerán cada vez más de una energía eléctrica limpia, confiable y siempre activa. Al usar la tecnología de monitoreo de calidad de energía de próxima generación, los propietarios de equipos industriales pueden esperar ver menos casos de falla prematura de la máquina o desgaste y beneficiarse de la energía limpia.

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1 comentario en “Que es calidad de la energía, origen problemas, estándares y big data”

  1. Excelente Blog! Facilita la interpretación de los conceptos por el detalle en cada explicación. Muchas Gracias!

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