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Capítulo 1.

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Definición y conceptos de Calidad de Potencia

Calidad de Potencia es la rama de la Ingeniería Eléctrica que estudia las condiciones a

cumplir por la Energía Eléctrica recibida por el usuario, de manera tal que le facilite

cumplir las funciones para la que se la adquiere, permitiendo el funcionamiento de sus

equipos dentro de las condiciones de diseño, alcanzando así el rendimiento y vida útil

nominales.

La disponibilidad de energía eléctrica con Calidad adecuada se encuentra sumamente

relacionada con el rendimiento y la vida útil. Puede decirse que la deficiencia en

Calidad de Potencia es todo aquel apartamiento de tensión, en magnitud, frecuencia o

forma de onda que conduce al daño, falla o mal funcionamiento del equipo de uso final.

Como se ve en el párrafo anterior, el área de estudio puede denominarse indistintamente

Calidad de Potencia o Calidad de Energía, ya que el factor tiempo que las relaciona está

implícito en el uso de la electricidad. No obstante el término Calidad de Potencia es más

usado en EE.UU. en cambio en Europa se prefiere la denominación Calidad de Energía.

En nuestro medio se han impuesto términos como Calidad de Producto Técnico,

Calidad de Servicio Técnico y Calidad de Servicio Comercial, que se encuentran

claramente definidos en la reglamentación nacional y en los contratos de concesión de

las empresas distribuidoras de energía eléctrica ya privatizadas. La calidad de producto

técnico, como fue mencionado, está relacionada con las características de la tensión que

recibe el usuario, el concepto de calidad de servicio técnico expresa la disponibilidad de

esa potencia en bornes del usuario. La calidad de servicio comercial se refiere

exclusivamente a temas contractuales y de trato comercial entre el usuario y la

distribuidora.

En este momento resulta oportuno indicar que el término calidad de servicio técnico

coincide plenamente con el significado de Confiabilidad (también denominada

Fiabilidad, que en inglés se expresa como Reliability). La confiabilidad se relaciona

mucho más con la continuidad del servicio que con las características de la tensión

suministrada, o sea con la existencia de energía eléctrica. No obstante, ambos conceptos

se entrecruzan, ya que como se estudiará más adelante, uno de los eventos clásicos de

Calidad de Potencia (producto técnico), en el caso límite o extremo se transforma en un

problema de Confiabilidad (servicio técnico). Por ello los principales índices que la

definen se basan en las interrupciones, cantidad y duración, que solo se considera que

existe cuando su duración es mayor que tiempos de 1 a 3 minutos (en los contratos de

concesión vigentes en la República Argentina se toman los tres minutos) [1].

En cambio, la calidad de producto técnico se la considera frecuentemente como

sinónimo de “adecuación” o “usabilidad”, ya que las características de la tensión

(magnitud, frecuencia y forma de onda) determinan la habilidad de un determinado

elemento, equipo o sub-sistema para cumplir continuamente y en forma satisfactoria con

la función para la cual ha sido concebido.

Estos conceptos dan lugar a la diferencia entre la noción de Calidad de Potencia y

Confiabilidad, el primero significa la propiedad de disponer de energía eléctrica en

cantidad y calidad adecuada a los equipos a ser alimentados, en cambio el segundo

concepto se reduce a disponer de tal energía.

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Por todo lo mencionado, podemos considerar a la temática Confiabilidad incluida en el

concepto más amplio de Calidad de Potencia.

La Calidad de Potencia no es un tema nuevo de estudio, sino un análisis desde distinto

punto de vista, con la agregación de temas incorporados previamente a otras áreas de

estudio, considerando la solución a problemáticas que hasta hace unos años se dejaban

de lado. Los problemas o fenómenos relacionados con la actual calidad de potencia,

existen desde hace muchos años pero sus magnitudes y efectos eran poco importantes,

de modo que su atenuación no se consideraba necesaria y por lo tanto su análisis se

relegaba a estudios especiales [2, 3].

Para poder continuar el análisis en forma ordenada, debemos definir de manera

simplificada, a los siguientes elementos:

Perturbación: Cualquier apartamiento de las condiciones nominales en la alimentación

de potencia o de señal, ya sea de carácter permanente como transitorio.

Evento: Perturbación relacionada con momento de ocurrencia y duración, y de carácter

no permanente.

Equipo de uso final: Dispositivo que transforma finalmente a la energía eléctrica en

otro tipo de energía de aplicación directa.

Equipo sensible: Dispositivo que presenta alteraciones en su operación cuando recibe

alimentación eléctrica ligeramente distinta de la correspondiente al régimen nominal.

Resulta necesario definir que se entiende por la operación incorrecta del equipo de uso

final mencionada previamente, que puede subdividirse en cuatro niveles:

Falla o mal funcionamiento: Operación que aparenta ser normal ya que el equipo

“funciona”, sin embargo su capacidad de entregar trabajo no es la de diseño, por

ejemplo la intensidad luminosa emitida por una lámpara es inferior al nominal, un motor

no es capaz de desarrollar la potencia indicada en su chapa característica, etc. El efecto

desaparece una vez que se ha alcanzado el nivel satisfactorio de calidad de potencia

(CP).

Salida de servicio: El equipo interrumpe la tarea que estaba realizando,

recomenzándola automáticamente, retornando a condiciones iniciales quedando a la

espera de la orden de re-arranque o bloqueándose en una de las etapas del trabajo. Esta

es la manifestación clásica de los equipos que poseen control microprocesado, que

disponen de protección interna, que bloquea su funcionamiento cuando su operación

puede ser errónea o inducir a errores de su proceso, como es el caso de las

computadoras, variadores de velocidad de motores, controladores lógicos programables

(PLC, programmable logic controller), etc. La operación se restablece por arranque

manual una vez que se han alcanzado nuevamente las condiciones satisfactorias de CP.

Esta detención, en general, no produce daño solo pérdida de datos o de información de

lo que se estaba procesando cuando se produjo la interrupción automática.

Daño incipiente: Fenómeno de muy difícil cuantificación, que representa un consumo

de vida útil a mayor velocidad que la nominal. Puede también denominarse

envejecimiento acelerado o consumo acelerado de vida útil. Solo se pone de manifiesto

por una reducción de vida útil y puede detectarse mucho tiempo después de que la causa

se presentó, siendo altamente dificultoso relacionar el daño con la causa que lo inició. El

ejemplo más característico y típico de causa de este fenómeno son las sobretensiones de

corta duración. En general el mecanismo de falla por daño incipiente puede explicarse

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con el concepto simple de la “gota que colma el vaso”. Una vez que el daño es notable,

el equipo requiere de reparación antes de ser puesto nuevamente en funcionamiento.

Deterioro manifiesto: Es un efecto de detección inmediata, ya que se interrumpe su

funcionamiento debido a que la protección lo desconecta o caso contrario hay daño muy

superior con consecuencias muy notables (olor, humo, llamas, etc.). Similar al caso

anterior, para poder usarlo se requiere su reparación.

De la lectura de los párrafos anteriores surge claramente la existencia de cuatro actores

o participantes en los problemas relativos a Calidad de Potencia, que son [3]:

a. Empresa distribuidora de energía eléctrica

b. Usuario de equipo de uso final

c. Ente regulador de los servicios eléctricos

d. Fabricante del equipo de uso final

Si la interacción entre los cuatro participantes del problema de Calidad de Potencia no

está claramente especificada, conduce a la existencia de una relación tirante, por no

decir mala, entre ellos. Existen infinidad de ejemplos de la tirantez citada.

En la actualidad se está volviendo cada día más evidente la necesidad de incorporar un

nuevo participante, el quinto, la Municipalidad o Alcaldía. La municipalidad tiene la

responsabilidad indelegable de la seguridad de los habitantes de la zona de influencia de

la misma (poder de policía), de ahí la necesidad de reglamentar y fiscalizar las

instalaciones eléctricas interiores del usuario [5].

Como partícipes secundarios pueden considerarse a las instituciones normalizadoras y a

las que emiten las reglamentaciones a cumplir por parte de las instalaciones eléctricas,

que en la República Argentina son el Instituto Argentino de Racionalización de

Materiales (IRAM) y la Asociación Electrotécnica Argentina (AEA).

1.2. Historia

Muchas de las irregularidades presentes en la actualidad en nuestros sistemas eléctricos,

perturbaciones tales como debidas a tormentas eléctricas intensas (con gran cantidad de

rayos y relámpagos), cortocircuitos, cargas excesivas y/o súbitas, deformación de onda

por cargas no lineales, etc., existen desde los inicios de la utilización masiva de la

energía eléctrica, o sea no son nuevas [2].

La razón por la que ahora la calidad es crítica radica en los siguientes hechos:

- la amplia difusión de equipos contaminantes,

- el incremento de potencias unitarias,

- la competencia de mercado,

- el aumento de la sensibilidad de aparatos de uso final y

- las mayores exigencias por parte del usuario.

Por ejemplo, la presencia de armónicas en los sistemas se ha sufrido siempre aunque en

menor medida, existiendo publicaciones sobre el tema con más de cien años de

antigüedad. La polución en los sistemas eléctricos fue introducida inicialmente por las

cargas no lineales, como transformadores e inductores, pero el nivel de perturbación

nunca alcanzó los niveles actuales. La tercera armónica producida por la saturación de

los circuitos magnéticos se conoce desde hace mucho tiempo, teniéndose solo en cuenta

en aquellos casos donde producía interferencias en los circuitos telefónicos y en las

transmisiones radiales [6]. La componente desformada se reducía a pequeños

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porcentajes, no mayores al 3 – 5 % de la carga nominal del sistema. La atenuación de

esta componente, la disminución de sus efectos o directamente el ignorarla, no resultaba

demasiado arriesgado fundamentalmente en razón de su magnitud. Algo de alarma tuvo

lugar durante los años 1950 cuando las acuciantes necesidades energéticas (crisis

petrolera) condujeron al empleo masivo de capacitores en paralelo, con el objeto de

liberar carga en los sistemas eléctricos. El uso de tales equipos, que por tener su

impedancia inversamente proporcional a la frecuencia, magnificó la presencia de

armónicas en corriente. Tal problema no pasó de ser un fugaz inconveniente, que se

solucionó mediante el sobre-dimensionamiento del equipo, del circuito y de las

protecciones, apareciendo el necesario y famoso múltiplo 1,43 entre las corrientes

nominales del dispositivo protector y el capacitor, conjuntamente con los restantes

múltiplos señalados en las normas específicas.

El real problema de contaminación armónica aparece a fines de la década de 1970 y

principios de la década de 1980 con el comienzo de la amplia difusión de la electrónica

de potencia, debido a sus características específicas no lineal y conmutación sumamente

veloz [2]. Para el año 2000, aproximadamente del 20 al 30 % de la energía eléctrica

producida en los países desarrollados era procesada por electrónica de potencia,

estimándose que tal porcentaje se incrementará al 50 – 60 % para el año 2010. Tal

incremento es principalmente debido al veloz crecimiento de las habilidades y

capacidades de la electrónica de potencia, cuya tendencia en incremento de tensión de

trabajo se muestra en la Figura 1.1 [7].

Figura 1.1, Tendencia de crecimiento de la tensión de trabajo de los semiconductores de

potencia.

En la actualidad, se está produciendo una verdadera carrera entre la polución creada por

la electrónica de potencia y su creciente sensibilidad por una parte y en el otro el diseño

de nuevos dispositivos correctivos o de mitigación, basados también en electrónica de

potencia. O sea que la electrónica de potencia se encuentra en los dos campos, como

generador y como corrector de contaminación.

Otro caso de generador de problemas de calidad de potencia es el horno de arco, el cual

se encuentran en funcionamiento en los sistemas eléctricos desde hace varios años,

siendo su principal efecto causado por el considerable tamaño en lo que se refiere a la

potencia del sistema donde se conecta. A la fecha, potencias de 160 MW y aún 200 MW

no son inusuales. En los últimos años no han habido demasiados cambios tecnológicos

en tales equipos, salvo lo que se refiere a la introducción del horno de corriente

contínua.

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Por otra parte, las reducciones de tensión y apagones, no son nuevos, pero a medida que

pasa el tiempo el usuario ha ido incrementando su dependencia de la energía eléctrica y

al mismo tiempo se ha vuelto más exigente. En los comienzos de los sistemas de

iluminación eléctrica, un apagón significaba volver a encender las lámparas de gas,

kerosén o velas, sin mayores problemas ni molestias. En cambio hoy, una disminución

de la tensión de muy corto tiempo, ya es suficiente para detener complejos procesos

industriales, cuyas pérdidas económicas alcanzan cifras muy elevados [3].

En escala muy inferior, la falta de energía en una casa de familia por solo unas

fracciones de segundo puede resultar sumamente molesta, ya que se pierde la

programación de numerosos equipos digitales, como el contestador telefónico, vídeo-

cassettera, relojes (despertadores), microondas, etc. Los hogares de países desarrollados

tienen conectados en forma permanente un promedio de 10 a 12 equipos contando con

relojes digitales, número que en Argentina a modo de ejemplo, se reduce a

aproximadamente 6 unidades.

Lógicamente, el proceso de aumento de sensibilidad del sistema ha ido empeorando en

forma gradual, y no es lo mismo en distintas ubicaciones geográficas, diferentes

usuarios, momentos del día, época del año, etc.

El usuario advertido de los problemas que le ocasiona la baja calidad se protege

mediante el agregado de elementos que muchas veces no representan la mejor solución,

llegando el caso de que tal elemento genera un nuevo problema, siendo el caso típico el

empleo masivo de fuentes auxiliares (uninterruptible power suply, UPS), equipos que

generan contaminación armónica y parpadeo. Otro ejemplo es el uso extendido de los

reguladores de voltaje, que mantienen constante la tensión de salida que alimenta un

equipo sensible, a costa de un incremento de la corriente tomada de la red, lo cual

produce una mayor caída de tensión con mayor perjuicio a los usuarios que no

instalaron un regulador similar.

Un ejemplo muy demostrativo de lo afirmado en el párrafo anterior es ofrecido por la

computadora personal, que requiere de un incremento en precio de solo el 1 % para

poder evitar el 80 % de las salidas de servicio que sufre en la actualidad. Sin embargo,

tal mejora usualmente no se incorpora al equipo estándar. Para entender la causa

debemos recordar que la computadora es realmente un conjunto de elementos que

provienen de distintos fabricantes, siendo la fuente de alimentación el componente que

debe ser mejorado. Este 1 % sobre el precio de la computadora, representa un 20 %

sobre el precio de la fuente, lo que deja fuera de competencia al fabricante de la misma

ya que el usuario no está reclamando tal capacidad “extra”. Sin embargo el usuario por

desconocimiento le debe agregar una UPS que cuesta mucho más que los porcentajes

citados previamente y que como se mencionó, genera otros problemas de Calidad de

Potencia.

1.3. ¿Por qué el concepto está volviendo día a día, más y más importante?

Las condiciones del ambiente en el que se fabrican, compran y operan los equipos de

uso final, y específicamente los sensibles, hoy en día son las siguientes:

1. El equipo sensible se va a volver más sensible por razones de su precio y

competición de mercado.

2. Los equipos contaminantes continuarán contaminando más, debido al aumento del

costo de incorporación o de construcción del equipo o costo adicional para

compensación y también por la falta de fuerza de las reglamentaciones.

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3. Los equipos sensibles y contaminantes se usarán más, extendiendo su aplicación no

solamente a la industria y comercio sino prácticamente a todos los sectores del

sistema eléctrico.

4. El rendimiento (ahorro de energía, uso de variadores de velocidad y equipos de

corrección del factor de potencia, los que aumentan la inyección de armónicos en el

sistema de potencia) y el costo se consideran hoy casi al mismo nivel en la toma de

decisiones.

5. La desregulación y privatización exacerbará la situación debido a la feroz

competencia entre empresas eléctricas.

6. El nivel de desregulación y de control sobre las empresas eléctricas de potencia y las

de comunicaciones y/o señales (teléfono, video-cable, redes de datos, etc.), es muy

distinto, encontrándonos con que siempre se culpa a la empresa eléctrica cuando

muchos de los problemas se generan o transmiten por las instalaciones de las

restantes empresas.

7. Las reglamentaciones o normas, los dispositivos de medición y las técnicas de

análisis son cada día más precisas, poderosas y sofisticadas.

8. Elevado costo involucrado en cualquier problema de calidad de potencia y su

solución, debido a las pérdidas económicas causadas a las cargas industriales y

comerciales.

9. Cada día más disputas respecto a problemas de Calidad de Potencia se ventilan y

resuelven en el sistema judicial, con los consiguientes costos legales involucrados.

Estos nueve hechos interactuarán hasta que se alcance una solución consensuada entre

los cinco o más sectores involucrados, que se estima tendrá lugar durante la presente

década.

1.4. ¿Quien tiene la culpa?

La visión de cada uno de los cinco (o quizás siete) sectores del problema de CP es

diferente. Los distintos sectores, empresa eléctrica, usuario, fabricante de equipos, etc.

se culpan entre ellos de ser el origen del problema, debiendo el Ente Regulador

dilucidar la disputa. En lo que todos ellos coinciden es que aproximadamente el 50 % de

los problemas son debidos a causas naturales. La Figura 1.2 muestra a modo de ejemplo

las percepciones del usuario y de la empresa eléctrica, según una investigación

efectuada por una empresa eléctrica Norteamericana [8].

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Figura 1.2, Percepción acerca de los culpables de los problemas de calidad [8].

Del análisis de la figura 1.2, pueden extraerse tres detalles interesantes:

- Hay una elevada incidencia de causas naturales, del orden del 50 %. Esta elevada

incidencia no implica que no puedan evitarse los problemas por ellas causados o

atenuar sus efectos, por medio del uso de la tecnología apropiada. Puede encontrarse

en las reglamentaciones en uso, la definición del problema de causas naturales

(imposibilidad sobreviniente de caso fortuito) como “la acción de las fuerzas de la

naturaleza que no hayan podido preverse o que previstas no hayan podido ser

evitadas” [9]. En este concepto se encuentra claramente indicado que se trata de

fenómenos naturales con solicitaciones mayores a las condiciones de diseño que

aconsejan las reglas del buen arte. En otras palabras, si la línea aérea en un punto

geográfico determinado, se diseña para soportar vientos de 120 km/h, su caída por

vientos inferiores a los indicados no es causa natural sino defecto de materiales o

construcción, adjudicada a la empresa eléctrica. Obviamente la incidencia será

distinta si hablamos de una línea aérea expuesta a numerosos eventos o si nos

referimos a una línea subterránea de igual potencia y tensión, con también gran

diferencia de costos de construcción y operación.

- El usuario colabora como causante del 20 al 25 % de los problemas, ya que sus

equipos perturban al sistema eléctrico. Además parte de los equipos de un usuario

determinado afectan a otros dispositivos del mismo usuario, interacción que muchas

veces ocurre con el desconocimiento del dueño de los mismos. Ambas visiones, de

la empresa y usuario, son prácticamente coincidentes.

- El efecto del vecino es de considerable importancia, ya que el usuario que perturba

al sistema, molesta a la empresa eléctrica y además al usuario cercano. El usuario

afectado solo puede reclamar ante la empresa eléctrica ya que no posee relación

contractual con el usuario perturbador. En tal caso el sistema eléctrico brinda el

camino para la transmisión de la perturbación. Esta interacción usuario

contaminante – empresa eléctrica – usuario afectado produce el nacimiento de los

conceptos de “usuario culpable” y de “usuario inocente”, tema que se profundizará

más adelante.

- La empresa eléctrica acepta la responsabilidad de un porcentaje pequeño de

perturbaciones, basándose en el concepto de que la empresa no ha modificado su

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forma de operar el sistema en los últimos cincuenta o más años. Por lo cuál, cree que

si los equipos de uso final del usuario ahora son más afectados que antes, no es su

responsabilidad o culpa.

La situación en nuestro medio es bastante diferente, ya que luego de haber sufrido por

varios años la falta de calidad de la potencia suministrada por las normalmente

ineficientes empresas estatales, el usuario reacciona ahora contra las empresas privadas

como vengándose cuando y donde puede. Apelando siempre la respuesta negativa del

reclamo inicial dada por la empresa eléctrica, ante el organismo regulador (ENRE o

similar Provincial) por perturbaciones o daños a equipos debidos a fenómenos muchas

veces inexistentes. La respuesta del ente regulador puede encontrarse dentro de un

amplio espectro, desde un extremo donde actúa casi como “socia y amiga” de la

empresa eléctrica negando todas las apelaciones, hasta el otro extremo que

generalmente concluyen con la orden de indemnizar o pagar por la reparación o

reposición dada a la empresa. Normalmente la orden del Ente no posee apoyatura

técnica de peso, basándose en el segundo caso fundamentalmente en darle la razón al

usuario considerado como más débil, por lo que las empresas están en el momento

capacitando al personal a fin de poder responder técnicamente al reclamo.

La clara diferenciación de las responsabilidades es sin duda una de las tareas más

difíciles del ente regulador.

1.5. ¿Cómo se descubre la presencia de un problema de calidad de potencia?

El problema puede tener varios síntomas lo cual podría también depender del tipo de

problema involucrado, algunos de ellos son muy claros, tales como [2]:

- Frecuentes interrupciones

- Elevado número de equipos dañados

- Los equipos sensibles experimentan frecuentes salidas de servicio

- Parpadeo de lámparas

- Interferencia de las comunicaciones

- Conductores sobrecalentados

- Transformadores con temperatura de trabajo excesiva

En cambio otros son mucho más vagos o sutiles, tales como:

- Vibración en conductos metálicas

- Los equipos sensibles pierden frecuentemente programas y ajustes

- Motores ruidosos

- Equipos con fallas de operación esporádicas

- Voltaje contra tierra en lugares inesperados

- Reducida vida útil de equipos

- Parpadeo de lámparas

Del análisis de los problemas descritos, puede verse que la individualización de las

causas de los problemas de Calidad de Potencia no es siempre una tarea directa ni

sencilla, siendo en algunos casos más un arte que una ciencia, donde el factor suerte es

muy importante.

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1.6. Objetivos del estudio de Calidad de Potencia

El estudio de la Calidad de Potencia puede deberse a necesidades y objetivos bastante

amplios y variados, como los siguientes:

- Maximizar la productividad y rentabilidad de la instalación del usuario final

mediante mejoras en la calidad de potencia.

- Determinar la calidad de potencia del suministro de energía eléctrica, desde el punto

de vista del usuario, en un punto determinado del sistema, como por ejemplo para la

toma de decisiones en lo que respecta a la radicación de una industria que emplea

equipos sensibles.

- Estudio económico de pliegos de ofertas para la concesión de servicios eléctricos.

- Evaluar las exigencias o requerimientos relacionados con la calidad de potencia

dentro de las instalaciones del usuario.

- Redacción de reglamentaciones y especificación de límites de nivel de

perturbaciones en régimen permanente y durante transitorios.

- Estudio de ofertas para la adquisición de equipos de medición y monitoreo de

Calidad de Potencia.

- Dilucidar disputas entre los participantes del sistema, normalmente entre la empresa

distribuidora y el usuario o entre usuarios.

- Construcción de cuadros tarifarios.

- Elaborar recomendaciones para la mejora de la calidad, sugiriendo:

. Modificaciones del sistema de suministro

. Modificaciones de las instalaciones del usuario

. Consideraciones sobre el diseño de equipos sensibles y correctores.