EL UNIVERSO DE MAXWELL

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Calidad de la energía

Rodolfo A. Echavarría Solís

Una gran cantidad de fenómenos ocurren, sin que nos demos cuenta, en los alambres de transmisión y distribución de la energía eléctrica. En esta ocasión comentaremos sobre la importancia de que la red eléctrica posea buenas características.

 

ANTECEDENTES

Antes de iniciar, analicemos algunas de las características de la corriente alterna (CA) y la corriente directa (CD). En esta última la corriente circula siempre en el mismo sentido y el voltaje tiene una polaridad fija, por lo que se representa como una línea recta. Por otro lado, la CA presenta un voltaje que cambia de polaridad cada medio ciclo siguiendo una forma de onda sinusoidal, y su corriente va alternando su sentido cada medio ciclo.

La gran ventaja de la CA consiste en que puede aumentar o disminuir su valor de una manera sencilla, utilizando un transformador. De esta manera, al elevar el voltaje para transmitirlo a grandes distancias, se disminuye su corriente, y por lo tanto, bajan las pérdidas en las líneas de transmisión.

El establecimiento de la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica en CA se dio a finales del siglo XIX, cuando George Westinghouse, apoyado en los inventos de Nikola Tesla construyó la primera central hidroeléctrica en las cataratas del Niágara, ganando así la “guerra de las corrientes eléctricas” a Thomas A. Edison.

Aunque al inicio, el comportamiento de la CA era algo que muy pocas personas comprendían, ya que parecía que no cumplía con las leyes de circuitos eléctricos, su uso quedó plenamente establecido. La energía eléctrica ha sido fundamental para el desarrollo de la civilización y para alcanzar el nivel de comodidad en que vivimos en muchos países del mundo.

 

CALIDAD

La calidad de la energía eléctrica, o simplemente “calidad de la energía” (power quality, en inglés), es un término que ha cobrado gran importancia desde los años setenta. Se define como “Cualquier problema de potencia manifestado en una desviación del voltaje, corriente o frecuencia, lo cual resulta en una falla o mala operación de los equipos del usuario”. La importancia que ha tomado este concepto se debe principalmente a las razones que a continuación se detallan.

Actualmente, las cargas conectadas a la red eléctrica, como las tarjetas de control basadas en microprocesadores, son más sensibles a cualquier perturbación. Hace varias décadas lo que se conectaba principalmente a la red eran focos incandescentes y ventiladores, los cuales no se veían tan afectados por las perturbaciones (sólo cierta variación en la iluminación del foco y en la velocidad del ventilador).

Al mismo tiempo que existen cargas más sensibles, ahora se encuentran conectados una infinidad de equipos que distorsionan la red eléctrica, como los convertidores de potencia (cargadores de baterías para computadoras portátiles y celulares, brazos robots industriales, balastros electrónicos, entre otros).

Además, existe una mayor conciencia, especialmente de los usuarios industriales, acerca de los conceptos relacionados con la calidad de la energía eléctrica, ya que ésta incide directamente en la competitividad de las empresas. Como último punto, podemos anotar que las normas relacionadas se han vuelto más exigentes.

 

PERTURBACIONES

Entre las perturbaciones existentes en la red, las más comunes se refieren a variaciones de voltaje, que se pueden presentar en forma de sobrevoltaje o bajo voltaje. Otro problema importante es el corte de energía (conocido como “apagón”).

La calidad de la energía incide directamente en la productividad de las empresas. Analicemos este ejemplo: un corte de energía de unos cuantos segundos puede parar un proceso de producción. Aunque regrese la energía eléctrica de forma casi instantánea, el proceso ya se detuvo y su reinicio no es automático ni inmediato. Es necesario eliminar toda la materia prima que quedó atrapada en el proceso, reiniciar las computadoras y, en algunos casos, recurrir a un técnico especializado; además de que el personal de turno estará sin laborar varias horas.

Si esa línea del proceso produce mil piezas por hora, y cada pieza se vende en diez dólares, podemos calcular cuánto dejará de ganar la empresa cuando un corte de energía eléctrica de unos segundos detiene el proceso durante varias horas.

Otros de los problemas es el relacionado con el factor de potencia, ¿qué significa este término? Básicamente, se refiere al uso eficiente de la energía que proporciona la compañía generadora, la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Cuando se tiene un valor bajo de factor de potencia, CFE multa a la industria, ya que le demanda energía que no es aprovechada y, en esa lógica, recibe una bonificación cuando el valor es alto. Debido a que representa un aspecto económico muy importante, todos los usuarios industriales conocen bien este parámetro.

Los armónicos son voltajes o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo entero de aquella a la cual está diseñado el sistema (60 Hertz, en México). Un efecto importante de los armónicos de corriente sobre los alambres es el llamado “efecto piel” el cual consiste en que, conforme aumenta la frecuencia, la corriente empieza a fluir únicamente por la periferia del alambre (imaginemos una tubería de agua en la que ésta sólo fluye por las paredes), lo que ocasiona un sobrecalentamiento en los conductores, transformadores y motores.

 

CORRECTORES

Conforme han aparecido más perturbaciones, se han desarrollado equipos para corregirlas, entre los cuales destacan los reguladores de voltaje y los sistemas de alimentación ininterrumpible (UPS).

Los reguladores de voltaje son utilizados desde la aparición de los primeros sistemas de generación de energía eléctrica. Su función consiste en mantener el voltaje de salida constante, o dentro de un margen estrecho ante variaciones en el voltaje de entrada. Su aplicación puede dividirse en dos grupos: los de alta tensión, que podemos observar en las subestaciones eléctricas, y los de baja tensión, que se colocan a la entrada de los equipos que se requiere proteger –las computadoras, por ejemplo–. Son ampliamente usados en México, en especial en zonas donde se presentan grandes variaciones de voltaje.

El nueve de noviembre de 1965 ocurrió un apagón de grandes proporciones en la región noreste de Estados Unidos y, para esa época, ya existían los primeros procesos continuos controlados por computadora, lo que hizo que muchos de estos se detuvieran y generaran grandes pérdidas económicas. Fue tan relevante dicho apagón que trascendió a la percepción popular a través de películas, libros, canciones y leyendas urbanas.

Esto dejó en claro que, por muy buena calidad que tuviera la red eléctrica, no podía llegar al nivel de confiabilidad que requieren ciertos equipos, por lo que era inaplazable el surgimiento de soluciones que dieran respaldo a las cargas más críticas ante un corte. Los UPS (conocidos en México también como “No break”) convierten la energía de entrada para mantener cargada una batería y, al existir un corte, la batería suministra electricidad al sistema.

El UPS es capaz de compensar interrupciones, por lo que representa una solución común para computadoras y ciertas aplicaciones que nunca pueden quedarse sin alimentación de energía eléctrica, como los bancos, los procesos industriales y los hospitales, por ejemplo. Sin embargo, presentan como serias desventajas su tamaño, peso y, sobre todo, un costo muy elevado.

 

CONCLUSIÓN

Los problemas de calidad de la energía eléctrica empezaron con la aparición de las primeras redes de transmisión y distribución de CA, aunque su importancia empezó a hacerse patente a partir de los años setenta. En el futuro estas perturbaciones seguirán presentes, e incluso podrían aumentar con la integración de los sistemas de cogeneración de energías renovables. Sin embargo, siempre será posible implementar nuevas soluciones e incluso, prevenir los problemas antes de que se presenten en la red eléctrica.

 

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