Estudio de calidad de la energía y armónicas: medición de distorsión de voltaje y corriente

Qué es

Un estudio de armónicas registra cuánto se aparta de una onda senoidal limpia el voltaje y la corriente en un punto elegido, y descompone esa desviación en sus componentes armónicos. Los equipos construidos con electrónica de potencia, incluidos los inversores y rectificadores de los sistemas de almacenamiento de energía con baterías y los rectificadores que alimentan sistemas de corriente continua, toman o inyectan una corriente que no es senoidal, y esa corriente produce distorsión en el voltaje del sistema al que están conectados. El estudio mide ambos lados: la distorsión de corriente, que describe lo que la instalación inyecta, y la distorsión de voltaje, que describe la condición de la alimentación en el punto de conexión. Las mediciones se toman en un punto definido, por lo común la interconexión con la compañía eléctrica o la distribución principal, con un analizador de calidad de la energía y los transductores de corriente y voltaje adecuados al sistema. Dentro de las pruebas de aceptación, el estudio suele ser opcional o especificarse para convertidores grandes, y puede incluir un registro de la calidad de la energía durante el arranque, cuando el equipo se pone en línea por primera vez.

Por qué se realiza

La distorsión armónica es un problema silencioso. Calienta transformadores, cables y neutros más de lo que explicaría la carga fundamental, hace que los capacitores se sobrecalienten o entren en resonancia, perturba relevadores de protección y medidores, y puede alterar electrónica sensible, variadores y comunicaciones. Como la distorsión de voltaje en un punto de conexión la comparten todos los clientes alimentados desde él, un convertidor grande puede degradar el servicio de los vecinos además del de su propietario, y por eso las compañías eléctricas y las normas imponen límites a lo que una instalación conectada puede inyectar. Un estudio en la puesta en servicio responde a la pregunta práctica de si el equipo nuevo cumple esos límites en el sistema real, con la impedancia real de la alimentación y no solo en la hoja de datos del fabricante. También registra la referencia: la condición de la alimentación antes y después de que el equipo opere. Cuando más tarde aparecen quejas, una referencia vale mucho más que una instantánea tomada cuando el problema ya está presente.

El principio

Toda onda periódica que no sea una senoide pura puede describirse como una suma de senoides a la frecuencia fundamental y a múltiplos enteros de ella, llamados armónicas. Las cargas no lineales, como los rectificadores y los inversores, toman corriente en pulsos, por lo que su corriente contiene armónicas cuyos órdenes dependen del diseño del convertidor. Cuando esa corriente fluye por la impedancia de la alimentación, crea una caída de voltaje a cada frecuencia armónica, y eso es lo que distorsiona el voltaje. La distorsión se resume de dos maneras. La distorsión armónica total compara el contenido armónico combinado con la fundamental. Para la corriente, una medida más significativa compara el contenido armónico con la corriente de demanda máxima de la instalación, de modo que un momento de carga ligera no exagere la distorsión aparente. También se examinan los órdenes armónicos individuales, porque los límites suelen aplicarse a cada orden además de al total. Cuánta distorsión de voltaje produce una corriente determinada depende de la fortaleza de la alimentación en el punto de conexión, y por eso la relación entre la corriente de cortocircuito disponible y la corriente de carga gobierna los límites aplicables.

Cómo se realiza

El estudio comienza con la definición del punto de medición, que normalmente es el punto de acoplamiento común donde la instalación se conecta al sistema, y con el diagrama unifilar, la placa del convertidor y las características de la alimentación. Se conecta un analizador de calidad de la energía de una clase adecuada para medir armónicas a los voltajes y, mediante transductores de corriente, a las corrientes en ese punto, y se confirman su reloj, sus rangos y sus ajustes. La medición se ejecuta durante un periodo suficientemente largo para captar los estados de operación que importan, con el equipo a varios niveles de potencia y, en un sistema de almacenamiento, en los modos de carga y de descarga. El instrumento registra el contenido armónico, la distorsión total y el comportamiento del voltaje y de la corriente en el tiempo, y puede captarse el comportamiento de arranque cuando el equipo se pone en línea por primera vez. Se aplican las reglas de seguridad para trabajar cerca de conductores energizados, y las conexiones se hacen de modo que el instrumento no pueda abrir un circuito de transformador de corriente. Se anotan el estado de operación del equipo durante la medición, la configuración de la alimentación y cualquier otra carga significativa del sistema, ya que todo ello da forma al resultado.

Qué se registra

El registro identifica la instalación y el punto de medición, describe el instrumento, su clase y su estado de calibración y los transductores usados, e indica cómo se agregaron los datos. Recoge la distorsión medida, el estado de operación de los equipos durante cada parte del estudio y las condiciones de la alimentación en ese momento. También indica cómo se determinaron la demanda y la fortaleza de la alimentación en el punto de conexión, porque los límites aplicables dependen de ellas. Estos detalles importan porque los niveles de armónicos varían con la carga y con el resto de la red, de modo que un resultado solo tiene sentido junto con las condiciones que lo produjeron.

Cómo se juzgan los resultados

Los resultados se juzgan con límites que dependen de la fortaleza de la alimentación respecto de la instalación, del nivel de voltaje del sistema y del orden armónico. La distorsión de voltaje en el punto de conexión se compara con límites propios de la clase de voltaje, para la distorsión total y para las armónicas individuales. La distorsión de corriente se compara con límites que dependen de la relación entre la capacidad de cortocircuito en el punto de conexión y la corriente de demanda máxima de la instalación, aplicados a los órdenes individuales y a la distorsión total de demanda. Las mediciones se evalúan normalmente en términos estadísticos durante el periodo de medición, y no con una lectura pico aislada. IEEE 519-2022 es la norma publicada para el control de armónicas en sistemas de potencia y fija los límites y la guía de medición. ANSI/NETA ATS-2025 incluye el estudio entre los puntos de aceptación eléctrica de los sistemas de almacenamiento de energía con baterías, donde es opcional durante el arranque. Para las tablas de límites y los detalles de su aplicación, use sus propias copias con licencia, que siguen siendo la autoridad.

Variaciones

En la aceptación el estudio establece si una instalación nueva basada en convertidores cumple los límites y crea una referencia para más adelante. A lo largo de su vida, el mismo estudio puede repetirse tras cambios en la instalación o en la alimentación, o en respuesta a una queja. El tipo de equipo cambia lo que se espera. Un sistema de almacenamiento de energía con baterías tiene dos modos, carga y descarga, con comportamiento armónico distinto en cada uno, y el sistema debe observarse en ambos. Un rectificador que alimenta un sistema de corriente continua toma una corriente cuyo contenido armónico depende de su disposición de pulsos y de su carga. El punto de medición también varía: una instalación de gran escala se mide en la interconexión de media tensión, mientras que una instalación menor puede medirse en una barra principal de baja tensión. Las alimentaciones débiles amplifican el efecto en el voltaje de una corriente dada, de modo que el mismo equipo puede cumplir en un sistema fuerte y fallar en uno débil. El método y los límites siguen la norma aplicable en cada caso.