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CALIDAD DE LA ENERGÍA *Por: Ciro Núñez Gutiérrez, Rodolfo Echavarría Solís, Rosa Isela Lores, José Becerra Huerta, Nathan Khan Salas. Resumen E n este artículo los autores analizan la evolución del concepto calidad de la energía eléctrica (Power Quality). Para ello los autores no se remiten a la primera vez que se citó el término en una revista técnica sino a las primeras aplicaciones eléctricas en donde ya existía interés por la calidad de las formas de onda y su efecto aunque el término aún no estaba acuñado. Al hacer esta evaluación, los autores pretenden ubicar mejor el panorama general del término “Calidad de la Energía Eléctrica” y ofrecer sus conclusiones acerca de lo que puede ser el futuro del concepto en un mundo preocupado por el futuro de la energía. Introducción. Calidad de la Energía Eléctrica (CEE) o Power Quality (PQ por sus siglas en inglés) es quizás uno de los términos más populares e importantes en el ambiente electrotécnico internacional. El mercado de la energía eléctrica mueve mun- dialmente miles de millones de dólares anuales y el correcto funcionamiento de los equipos eléctricos o electrónicos es una preocupación constante en todos los niveles de consumo. Existe además, un compromiso compartido de calidad entre la compañía generadora de electricidad y el usuario ya que por una parte, es una obligación de la compañía generar un suministro constante y de calidad, y por otra, es responsabi- lidad del usuario no contaminar más allá de ciertos niveles permitidos que usualmente son críticos. Sin embargo, ¿en qué momento comenzó a tomar impor- tancia el concepto de calidad de la energía?, ¿qué factores impulsaron a que se diera importancia al estudio de la cali- dad de la energía?, ¿Quiénes fueron pioneros en su estudio y quiénes establecieron los conceptos que hoy se conocen? Los primeros artículos en la literatura técnica que contienen el nombre explícito de “Calidad de la Energía Eléctrica” son de fines de los años 60’s. Sin embargo, su uso se generalizó más en la década de los 70’s y 80’s siendo actualmente muy común e importante. No obstante, los conceptos relaciona- dos con la CEE se pueden encontrar desde finales del siglo XIX. Para analizar esta evolución, los autores han dividido el estudio de la siguiente forma. “Los orígenes”, en donde se tratará del origen de los problemas relacionados con conceptos de CEE., “La etapa de análisis” que fue cuando se establecieron los criterios que permitieron implantar los métodos y procedimientos de análisis así como las normas y estándares actuales. “La interacción con las cargas”, época en la que se detectó el efecto de las cargas, sobre todo de tipo electrónico en la CEE, “El desarrollo de soluciones” de- fine la época en que se desarrollaron las grandes soluciones dedicadas explícitamente a la medición y mejora de la CEE con una fuerte componente de teoría de control. “tenden- cias futuras” y “Conclusiones”. La clasificación anterior no pretende ser absoluta y está basada en una investigación amplia sobre la evolución del término básicamente obtenida en bases de datos tradicionales como la IEEE y enciclopedias como la WIKIPEDIA. Los orígenes La distribución de energía eléctrica en corriente alterna (CA) se inició en 1885 – 86 cuando George Westinghouse encargó a William Stanley la construcción de un transformador para distribución de energía. En 1885 se construyó el primer transformador con voltaje de salida constante y en 1886, se realizó la primera instalación para distribución de energía eléctrica usando 6 transformadores en conexión paralela en el poblado de Great Barrington Massachusetts, la energía la proporcionaba un generador Siemens de 500Vca a 12 Amp y el devanado secundario del transformador proporcionaba 100Vca. Como una primera alerta de seguridad, se con- sideraba que un voltaje mayor a 500Vca en el devanado primario generaba un riesgo grave de fuego que podía poner en peligro la vida 1 78 MUNDO ELECTRICO Nº 80 www.mundoelectrico.com Perspectiva histórica del desarrollo del concepto "Calidad de la energía eléctrica"

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CALIDAD DE LA ENERGÍA

*Por: Ciro Núñez Gutiérrez, Rodolfo Echavarría Solís, Rosa Isela Lores, José Becerra Huerta, Nathan Khan Salas.

Resumen

En este artículo los autores analizan la evolución del concepto calidad de la energía eléctrica (Power Quality).

Para ello los autores no se remiten a la primera vez que se citó el término en una revista técnica sino a las primeras aplicaciones eléctricas en donde ya existía interés por la calidad de las formas de onda y su efecto aunque el término aún no estaba acuñado. Al hacer esta evaluación, los autores pretenden ubicar mejor el panorama general del término “Calidad de la Energía Eléctrica” y ofrecer sus conclusiones acerca de lo que puede ser el futuro del concepto en un mundo preocupado por el futuro de la energía.

Introducción.

Calidad de la Energía Eléctrica (CEE) o Power Quality (PQ por sus siglas en inglés) es quizás uno de los términos más populares e importantes en el ambiente electrotécnico internacional. El mercado de la energía eléctrica mueve mun-dialmente miles de millones de dólares anuales y el correcto funcionamiento de los equipos eléctricos o electrónicos es una preocupación constante en todos los niveles de consumo. Existe además, un compromiso compartido de calidad entre la compañía generadora de electricidad y el usuario ya que por una parte, es una obligación de la compañía generar un suministro constante y de calidad, y por otra, es responsabi-lidad del usuario no contaminar más allá de ciertos niveles permitidos que usualmente son críticos.

Sin embargo, ¿en qué momento comenzó a tomar impor-tancia el concepto de calidad de la energía?, ¿qué factores impulsaron a que se diera importancia al estudio de la cali-dad de la energía?, ¿Quiénes fueron pioneros en su estudio y quiénes establecieron los conceptos que hoy se conocen? Los primeros artículos en la literatura técnica que contienen el nombre explícito de “Calidad de la Energía Eléctrica” son de fines de los años 60’s. Sin embargo, su uso se generalizó

más en la década de los 70’s y 80’s siendo actualmente muy común e importante. No obstante, los conceptos relaciona-dos con la CEE se pueden encontrar desde finales del siglo XIX. Para analizar esta evolución, los autores han dividido el estudio de la siguiente forma. “Los orígenes”, en donde se tratará del origen de los problemas relacionados con conceptos de CEE., “La etapa de análisis” que fue cuando se establecieron los criterios que permitieron implantar los métodos y procedimientos de análisis así como las normas y estándares actuales. “La interacción con las cargas”, época en la que se detectó el efecto de las cargas, sobre todo de tipo electrónico en la CEE, “El desarrollo de soluciones” de-fine la época en que se desarrollaron las grandes soluciones dedicadas explícitamente a la medición y mejora de la CEE con una fuerte componente de teoría de control. “tenden-cias futuras” y “Conclusiones”. La clasificación anterior no pretende ser absoluta y está basada en una investigación amplia sobre la evolución del término básicamente obtenida en bases de datos tradicionales como la IEEE y enciclopedias como la WIKIPEDIA.

Los orígenes

La distribución de energía eléctrica en corriente alterna (CA) se inició en 1885 – 86 cuando George Westinghouse encargó a William Stanley la construcción de un transformador para distribución de energía. En 1885 se construyó el primer transformador con voltaje de salida constante y en 1886, se realizó la primera instalación para distribución de energía eléctrica usando 6 transformadores en conexión paralela en el poblado de Great Barrington Massachusetts, la energía la proporcionaba un generador Siemens de 500Vca a 12 Amp y el devanado secundario del transformador proporcionaba 100Vca. Como una primera alerta de seguridad, se con-sideraba que un voltaje mayor a 500Vca en el devanado primario generaba un riesgo grave de fuego que podía poner en peligro la vida1

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George Westinghouse

William Stanley

Sin embargo, los primeros acercamientos al concepto de la CEE estuvieron marcados por el desconocimiento de las formas de onda “prácticas” ya que teóricamente se sabía que debían ser sinusoidales y de su efecto y análisis en un circuito. Como ejemplo, en 1890-91 en las minas de oro King Mine en Estados Unidos, fue instalado el primer transformador co-mercial que operaba a 3KV, éste era alimentado por un motor síncrono. Con respecto a esta instalación, el ingeniero P. N. Nunn comentaría en una carta enviada el 8 de mayo de 1934 al American Institute of Electrical Engineers (AIEE, antecesor del bien conocido IEEE) en un artículo llamado “primeras experiencias en la industria de la energía eléctrica”: A pesar de sus limitaciones, la corriente alterna parece más factible de ser usada. Fueron instalados un par de alternadores con-vencionales, ambos iguales para garantizar formas de ondas idénticas y equilibradas “¡lo que sea que eso signifique!”.

Para 1890, la corriente alterna era considerada como “un monstruo” dado que no seguía las leyes de Ohm (como en corriente directa) y aparentemente se estorbaba a sí misma en los circuitos. La razón de este comentario era porque no se consideraba aún el factor de potencia. No obstante, en 1893 el profesor André Eugene Blondel inventó el oscilógrafo electromagnético con el cual fue posible medir formas de onda de corriente alterna, con ciertas limitaciones, pero con ello se descubrieron y abordaron los primeros problemas de CEE. A partir de ese momento los equipos de medición estarían, hasta nuestros tiempos, ligados al proceso de análisis de la CEE.

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André Eugene Blondel

Oscilograma

Oscilógrafo electromagnético,

Las limitaciones del oscilógrafo electro-magnético derivaban de que presentaba limitaciones para detectar y registrar en papel transitorios grandes y sobre todo era sensible a vibraciones ya que dependía de elementos mecánicos para dibujar los oscilogramas. Ante este problema, H. J. Ryan construyó un tubo de rayos catódicos por encargo de Mueller Uri2 y con este invento la parte “móvil” disminuyó su peso ya que ahora era un haz de luz prove-niente del choque en una pantalla de electrones acelerados por un campo eléctrico. Así se obtuvieron gráficas de

mucha mayor precisión, entre ellas las primeras figuras de Lissajous y además ¡se pudo medir distorsión en la forma de onda de tensión! No obstante, el dispositivo tenía limitaciones ya que se requería de una alimentación de 5KV a 10KV para formar el campo eléctrico y éste se obtenía a partir de un genera-dor, lo cual resultaba embarazoso para transportar al lugar de las mediciones. J. B. Johnson mejoró el procedimiento haciendo uso de un sistema de bajo voltaje para generar el campo y fue entonces posible usarlo de manera más general dando pauta al principio básico de funcionamiento del osciloscopio. La consecuencia de este nuevo proceso de medición fue permitir la medición de voltajes y corrientes de gran magnitud, detectar distorsiones en las formas de onda, desbalances, desfasamientos y con ello, se impulsó definitivamente el estudio de señales en corriente alterna lo que daría paso a lo que en este artículo se denomina, la época clásica.

La etapa de análisis

El Ingeniero R. C. Clinker publicó el 10 de noviembre de 1905 y el 5 de enero de 1906 en “The Electrician”, sus obser-vaciones acerca de la distorsión medida en el voltaje del secundario de un trans-formador. Aunque otros autores habían captado ya el fenómeno y trataban de demostrarlo analíticamente desde finales del siglo XIX, fue hasta inicios del siglo XX cuando se reportaron las primeras consecuencias prácticas. En 1914, el mismo Ingeniero R. C. Clinker publicó los resultados de unas pruebas realizadas en un transformador elevador de 6.6KV a 12KV en una subestación sin neutro aterrizado3. El fenómeno repor-tado era un caso de resonancia entre la red eléctrica y el devanado secundario del transformador como consecuencia de los armónicos presentes en el voltaje, esto es, un problema clásico de CEE. Se concluyó de la conveniencia de aterri-zar el neutro del devanado secundario pero además, se identificó interferencia telefónica que se producía debido a la

siendo:

E el valor eficaz del voltaje y Eav el valor promedio de medio ciclo de la forma de onda. Este factor no es útil para describir una forma de onda particular, ya que un voltaje puramente sinusoidal puede tener el mismo factor de forma que un voltaje muy distorsionado. No obstan-te, puede ser muy útil para calcular las pérdidas en los transformadores debido a la histéresis del núcleo ya que el flujo magnético se puede expresar como ømax = (E ÷ f) x K, siendo:

× (frecuencia) × (área de sec-ción de hierro en cm2

×número de vueltas).

presencia de armónicos en el voltaje de la red lo cual definía un problema notable de CEE que incluso tiene un apartado en la actual norma IEEE-519. La detección de armónicos de voltaje se asociaba más al funcionamiento del transformador (debido al fenómeno de histéresis principalmente) que al efecto de la carga, por lo que los esfuerzos en ese tiempo estaban encaminados a dos aspectos principales, entender y demostrar qué producía la distorsión y a comprender el efecto de la corriente alterna distorsionada en un circuito.

En este sentido, un gran aporte al avan-ce en la comprensión de ambos aspectos fue impulsado por el Dr. Frederick Be-dell (1891-1984). Uno de sus objetivos principales fue el siguiente: encontrar un factor que permitiera describir la forma de una onda alterna, su distorsión y que asimismo pudiera ser usado para calcular pérdidas en transformadores y efectos en los circuitos, todo contenido en un mismo factor. En este ambicioso reto se fueron proponiendo diversos factores muy útiles para el análisis de la CEE hasta nuestros días, los cuales, sin pretender dar una explicación exhausti-va, se presentan a continuación.

Factor de Forma, aparece en la referen-cia4. Este factor está definido como:

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Figura 1. Factor de forma considerando un tercer armónico para diferentes

ángulos de fase. (a) Obtenido por el Dr. Frederick Bedell

con e=E1max senx+E3max sen(3x-θ3 )+E5max sen(5x-θ5)+...

Siendo Enmax el valor pico de voltaje del n-ésimo armónico y En el valor eficaz del n-ésimo armónico. Para demostrar que el factor de forma no da una idea clara de la forma de onda particular, el Dr. Frederick Bedell realizó varias evaluaciones con distintas formas de onda, diferentes distorsiones y variado ángulo de fase de los armónicos. La figura 1(a) muestra el resultado obtenido por él, considerando únicamente el tercer armónico con diferentes magnitudes y ángulos de fase. La figura 2 muestra la misma gráfica hecha con métodos modernos usando el software MATLAB. En 1915, desde luego no existían herramientas de software ni calculadoras, el procesamiento de datos se realizaba con la regla de cálculo.

Es interesante mostrar la habilidad y dedicación que estos pioneros en el análisis de la CEE mostraban en su trabajo. Una forma más general del factor de forma, considerando una señal distorsionada es:

Figura 2. Obtenido usando Matlab.

Factor de forma considerando un tercer armónico para diferentes

ángulos de fase

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Los factores anteriores pueden ayudar a conocer la distorsión producida por circuitos capacitivos e inductivos.

Hasta ese momento no se tenía aún el factor conocido como distorsión armónica total ni la distorsión armónica de la demanda máxima, sin embargo, existía ya una genuina pre-ocupación por conocer la calidad de las formas de onda en corriente alterna, principalmente, en la salida de los transfor-madores de distribución de subestaciones. Si se desea conocer más sobre la problemática de la calidad de las formas de onda de tensión que ocupaba a los ingenieros de inicios del siglo XX, conviene consultar entre otros a 6, 7 y 8.

Asimismo, existen otros parámetros que se usan para evaluar la CEE que están considerados en las normas actuales y que su estudio y definición viene de inicios del siglo XX. Es el caso de los desbalances en voltaje y en corriente los cuales pueden originar operaciones anómalas en los circuitos si rebasan ciertos límites. En 1913, el Ingeniero Charles Legeyt Fortes-cue trabajaba con aplicaciones del motor de inducción en la sección de transformadores de la compañía Westinghouse, en ese trabajo detectó el efecto que tenía sobre el desem-peño del motor el desbalance de voltaje, pero no existía un procedimiento estándar de análisis. Para 1918 el Ingeniero Fortescue publicó su famoso artículo de 114 páginas 9 en el cual establece que un sistema polifásico desbalanceado puede representarse por la suma de n sistemas balanceados, donde n depende del número de fases. Esta técnica se llamaría después “Transformada de Fortescue” o “Teoría de Compo-nentes Simétricas”, incluso en la actualidad existe un premio otorgado por la IEEE que lleva su nombre y en los equipos modernos que miden la CEE usan como parte de sus ventajas operativas, el algoritmo creado por Fortescue.

Hubo otras dos contribuciones significativas al proceso de análisis de señales de voltaje alterno distorsionadas y que tienen gran significancia en el estudio de la CEE. La primera de ellas es muy usada en la actualidad como una herramienta para determinar la distorsión armónica de voltaje, corriente, potencia (activa, reactiva y aparente) aunque no fue concebi-da con ese propósito. Se trata de la transformada de Park. En 1929, el Ingeniero R. H. Park escribió10, un artículo, dedicado al tratamiento de motores de inducción, señalando las fórmulas para obtener corriente, voltaje, potencia y torque bajo condi-ciones de estado estable y transitorios de carga, también se obtuvieron expresiones para calcular la corriente y el torque en corto circuito trifásico, durante el arranque y cuando hay pequeñas desviaciones en el ángulo de operación. En ese artí-culo se sentaron las bases para simplificar sistemas trifásicos a un equivalente bifásico α-ß lo que permitiría el desarrollo de las transformadas dq y pq 11y12 con lo cual es posible determinar los armónicos de voltaje, de corriente, de potencia, calcular sags de voltaje, obtener referencias de corriente, de voltaje, etc. La otra contribución es en el ámbito de las comunicaciones telefónicas y fue desarrollándose a través de las observaciones y análisis de varios ingenieros a inicios del siglo XX. Así, en

De la figura 1 y 2 puede observarse que una señal distorsio-nada con un tercer armónico, de diferente magnitud y con distinto ángulo de fase puede tener el mismo factor de forma que una señal sin distorsión. Debido a lo anterior, el Dr. Be-dell se dio a la tarea de buscar un factor que describiera con mayor precisión una forma de onda y sus efectos en una red eléctrica en corriente alterna. En 1915, publicó una segunda parte del artículo anterior5 el objetivo era, encontrar un factor que describiera con exactitud la distorsión de una forma de onda, que diera una idea de su forma y que además pudiera ser usado para cálculos en corriente alterna.

En este esfuerzo se fueron creando diversos factores que describen distintos parámetros de una forma de onda alterna y que tienen diferente utilidad. Algunos son vigentes hasta nuestros días, otros han caído en desuso pero pueden ser muy útiles en la descripción de una forma de onda.

Factor de Curva: Es la razón del valor eficaz total de la señal entre el valor eficaz de la componente fundamental.

Factor Armónico: Es la razón del valor eficaz de todos los armónicos, excluyendo la fundamental, entre el valor eficaz de la componente fundamental.

Conociendo el factor armónico se puede conocer con preci-sión el factor de curva, no obstante, el proceso inverso puede dar lugar a errores grandes.

Desviación: Esta se obtenía de manera gráfica mediante la comparación de la forma de onda objeto de estudio contra una señal sinusoidal con el mismo valor eficaz. Sin embargo, este factor no indica si la forma de onda es aguda o plana y para diferentes formas de onda con distintos factores armó-nicos o de curva, se puede tener la misma desviación.

Factor de Cresta:Es la razón del valor pico al valor eficaz de una forma de onda, lo cual para el caso de una señal pu-ramente sinusoidal es 1.4142. Una expresión analítica simple para este factor en términos de la amplitud

Factor de Distorsión Integral y Diferencial: Son la razón de la integral o la derivada de una señal distorsionada en su valor eficaz entre la integral o la derivada de su componente fundamental en su valor eficaz.

(factor diferencial) (factor integral)

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1930 el Ingeniero J. J. Smith publicó un artículo, que a juicio de los autores, hace un análisis matemático para demostrar el acoplamiento debido a la inductancia mutua que se genera entre las líneas telefónicas y las líneas de electricidad debido a la presencia de armónicas. Se presentan pruebas de labora-torio y de campo que permiten comprobar tal interferencia y sustentar el factor conocido como TIF (Telephone Interference Factor). Tal factor tiene su propia sección en la normativa actual de la IEEE 519.

En esta época se sentaron las bases teóricas, validadas con pruebas en campo a niveles de potencia significativos para el análisis del voltaje en alterna, sus efectos, las causas de su deformación y desbalance y cómo se podía analizar. Además, en 1915 el comité de estándares a través de un subcomité de “formas de onda” emprendió un estudio para determinar lo que un estándar debía especificar y que fuera más adecuado en características y valor práctico con relación al voltaje en alterna. Entre tanto, fue inventado el tubo al vacío y con ello empezaron una serie de aplicaciones que revolucionarían el campo de la conversión de la energía eléctrica introduciendo también nuevos problemas asociados a la CEE.

La interacción con las cargas

En 1904 el Ingeniero John Ambrose Fleming creó el primer diodo basado en un tubo al vacío, sus primeras aplicaciones fueron en el campo de la radio, para 1906 (en la noche bue-na de ese año) se escuchaban las primeras transmisiones de radio con música y palabras. Para 1907 el inventor americano Lee de Forest creó el primer tubo al vacío de tres elementos llamado tríodo, ambos son elementos puramente electrónicos. La sofisticación de las aplicaciones creada por la inventiva del hombre pronto llegó al campo de la corriente alterna y con ello los primeros efectos en la CEE producto de la con-versión de la energía. Aunque los primeros usos del diodo y del tríodo fueron las transmisiones radiofónicas, los sistemas de rectificación llegarían a ser una aplicación lógica de estos dispositivos. La figura 3 muestra algunas imágenes de diversos estilos de tubos al vacío.

Los sistemas de rectificación (conversión de la energía eléc-trica de corriente alterna a corriente directa), introducen una distorsión importante a la forma de onda de la corriente, la cual, al circular por la impedancia de la red eléctrica, introduce a

Figura 3. Tubos al vacío

su vez distorsión en el voltaje. En 1922, el Ingeniero D.C. Prince publicó un artículo14, donde se analiza, haciendo uso de la transformada de Fourier, el contenido armónico de la corriente generada por un rectificador de kenotrones (una variedad basada en tubos al vacío) y su efecto en el voltaje al interactuar con la impedancia de la red. Así quedaba sentada la base para lo que después permitiría crear el estándar de valores máximos permitidos de armónicos generados por una carga en función de la relación corriente de corto circuito a corriente máxima de carga. Otro enfoque del mismo problema fue presentado de forma elegante en 1927 por el Ingeniero Eugene Peterson15. En este artículo se analiza la característica de impedancia de elementos no lineales (electrónicos), me-diante cálculos y mediciones lo que lleva a la conclusión de que una impedancia no lineal funciona como un generador de nuevas frecuencias, la idea es interesante y muy usada en la actualidad, por ejemplo, en la representación mediante simulaciones de sistemas eléctricos-electrónicos. El método de medición de la impedancia no lineal se hacía de forma básica con el puente de Weathstone, no obstante, la precisión que logró Peterson fue elevada.

Una carga fundamental en el desarrollo de la industria moder-na es el motor de inducción y su relación con la CEE es directa. En 1929 L. A. Doggett y E. R Queer escribieron un artículo16 en el cual hacían una extensión al análisis de los motores de inducción considerando la distorsión presente en el voltaje. Se presentaron, gráficas descriptivas del desempeño del motor (Torque vs. Factor de Potencia, HP, Eficiencia, Deslizamiento y Corriente) con armónicos en el voltaje de alimentación. Para generar voltajes distorsionados se usaban generadores trabajando a diferentes frecuencias. Un detalle interesante es el método que usaban para medir voltajes o corrientes armónicas, para ello existían complejos muy ingeniosos de tipo analógico pasivo ya que aún no existía el procesamiento digital ni existían los amplificadores operacionales. Otros efectos detectados y analizados durante la época, debido a la distor-sión generada por las cargas, fueron el calentamiento en los conductores17 y en los capacitores usados para corrección de factor de potencia18.

Las nuevas tecnologías y sus aplicaciones traen consigo nuevos problemas pero la inventiva de los ingenieros ofrece alternativas que trascienden en el tiempo. En 1932 el Inge-niero Yuziro Kusunose quien trabajaba en el ministerio de comunicaciones de Japón en la preguerra publicó19. En el que se presentó cómo diseñar un “circuito paralelo resonan-te” para la eliminación de armónicos generados por tubos al vacío. Aunque la aplicación estaba enfocada hacia la teoría de comunicaciones, sirvió para sentar las bases del diseño de filtros para armónicas. En la década de los 30´s, en plena recesión económica y en un ambiente pre bélico las potencias se preparaban a usar tecnologías de punta y eso, a juicio de los autores, impulsó un fuerte avance del conocimiento rela-cionado con la CEE. Fue el caso del artículo publicado por

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Figura 4. Una imagen del apagón de Nueva York del

9 de noviembre de1965.

el Ingeniero C. H. Willis en 193320. En dicho artículo el autor analizó métodos de conmutación de tiratrones (otra variedad de tubos al vacío) para convertidores AC/DC y DC/AC. No existían aún los amplificadores operacionales, y por lo tanto, no se había cerrado aún un lazo de control para los convertidores, no obstante, con el conocimiento pleno del consumo era posible obtener una regulación de carga y de línea razona-blemente buena. El autor concluyó que el inversor y el rectificador activo basado en tiratrones podían ser utilizados para realizar compensación activa del factor de potencia, lo cual era correcto y ten-dría un fuerte desarrollo cincuenta años después y hasta la actualidad.

El cambio de enfoque entre las primeras dos décadas del siglo XX y los años 30’s y 40’s estaba dado, ahora la preocupa-ción era el efecto de la carga en la red eléctrica y en la CEE. Así, en 1939 los autores R. D. Evans y H. N. Muller publi-caron un artículo21. En donde los autores calculan los armónicos de voltaje pro-ducidos por los armónicos de corriente generados por rectificadores activos al interactuar con la impedancia de la red eléctrica. Las ecuaciones no son simples ya que parten de la Transformada de Fourier y son dependientes del valor del orden del armónico generado por el rectificador y su fase así como del valor de la impedancia de la red. De esta for-ma, en este artículo se puede encontrar un análisis matemático muy completo del fenómeno, éste fue evaluado con las herramientas de la época, es decir, con regla de cálculo y se mostraron los resultados teóricos. Sin embargo, los autores fueron más allá y realizaron diversas pruebas experimentales en una instalación industrial donde se tenían 20 rectificadores controlados, cada uno de una capacidad de 2,750KW y 600Vcd en la salida. La potencia total del banco de rectificadores era de 55MW lo que desde luego, representa un impacto significativo sobre la red eléctrica. Pues bien, el error entre lo medido y lo estima-do llegó a ser menor al 2% considerando mediciones ¡hasta el armónico 31! Que-

da para la curiosidad del lector cómo hacían para medir hasta esa frecuencia. En esta época y hasta fines de los años 40´s la tendencia sería analizar el efecto de las cargas sobre la red eléctrica, una preocupación típicamente relacionada con la CEE hasta la fecha. Pero faltaba una componente principal que serían las grandes soluciones dedicadas a mejorar la CEE basadas en electrónica de potencia, lo que daría pie a lo que los autores identifican como “La época contemporánea”.

El desarrollo de soluciones

El 9 de noviembre de 1965 ocurrió un apagón de grandes proporciones en la región Este de Estados Unidos, para la época, existían ya los primeros procesos continuos controlados vía computadora lo que hizo que muchos de éstos se detuvieran y generaran graves pérdidas económicas. Fue tan relevante el apagón que incluso trascendió a la percepción popular tanto que se hicieron películas relacionadas con el evento y la can-ción “Massachusetts” de los Bee Gees describe musicalmente el hecho. Pero desde un punto de vista de CEE era inaplazable el surgimiento de soluciones que dieran respaldo a las cargas más críticas para soportar eventos de esta naturaleza sin las consecuencias tan graves ocurridas en 1965.

En este sentido, en 1968 los Inves-tigadores Jack D. Farber, David C. Griffith y Alton B. Pflienger publicaron los resultados22. Para entonces, el amplificador operacional ya había sido inventado por Planta generadora donde fue utilizado el SAI

Bob Widlar quien trabajaba en Fairchild Semiconductors y hacer un control en lazo cerrado para convertidores de poten-cia era técnicamente posible. En el artículo del Ingeniero Jack D. Farber se introduce el concepto del uso de inversores para estaciones de generación de energía (su uso fue exactamente como el de un Sis-tema de Alimentación Ininterrumpible actual), se discute sobre las protecciones del sistema y se menciona por primera vez como tal el término CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA. Con base en la experiencia adquirida en el apagón, se identificaron las cargas más críticas a ser respaldadas y se analizó la conveniencia de utilizar generadores estáticos basados en inversores. Los requerimientos eran: a) Voltaje bien regulado y b) Frecuencia precisa y constante. Por supuesto, la sugerencia se trataba de un Sistema de Alimentación Ininterrumpible (SAI), que en el artículo mencionado se encuentra en conexión “En Línea”. El esquema de respaldo entonces, constaba de dos SAI’s de 9.3KVA cada uno que garanti-zaban una DATv (Distorsión Armónica Total de voltaje) máxima de 5% con un voltaje de salida regulado V=120 V ± 1% y una frecuencia f = 60Hz ± 1%. El primer SAI era usado para respaldar el funcionamiento de una computado-ra y el otro para un sistema de control de la planta. La figura 6 muestra una fotografía de la planta en la que se uti-lizó el SAI y algunas de las mediciones presentadas por los autores. Obsérvese que la documentación de mediciones se hacía con fotografías del osciloscopio, existía para ello un ingenioso sistema de disparo de una cámara fotográfica tipo polaroid sincronizada con el disparo del osciloscopio.

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Sistema de alimentación ininterrumpible

Mediciones del SAI ante un corte de energía.

La gran interacción de cargas en redes eléctricas pronto llevó a un incremento exponencial en los problemas en las mismas, los métodos de simplificación fueron quedando cortos ya que se podían soslayar elementos que, dentro de un análisis de CEE, no pueden ignorarse. Sin embargo, la tecnología computacional fue desarrollándose y pronto fue posible crear algoritmos de análisis de circuitos aplicables al estudio de la CEE. En 1971 los autores J. Reeve y J. A. Baron publicaron23 un artículo. En este artículo se presentó un mé-todo algorítmico programado en computadora para analizar el comportamiento interactivo entre un sistema generador de corriente directa en alto voltaje (HVDC por sus siglas en inglés) con la red eléctrica en CA, a frecuencia fundamen-tal y a frecuencias armónicas. Se comentaron además las razones por las cuales aparecen armónicos característicos y no característicos en la red eléctrica y fueron incluidos en el algoritmo. Para probar la validez del algoritmo y del programa computacional, se reportaron pruebas en un sistema HVDC basado en un rectificador de 12 pulsos de una capacidad de 80MVA, el éxito mostrado contribuiría a la consolidación del mercado de paquetes de simulación para redes eléctricas lo cual, en la actualidad, es una herramienta muy poderosa en el análisis de la CEE.

Un sistema electrónico de potencia que ha impactado gran-demente en la CEE es el filtro activo de potencia, tanto en su versión paralela como serie han evolucionado hasta llegar

a los FACTS (Flexible AC Transmission System o sistema flexible de transmisión en corriente alterna), DVR (Dynamical Voltage Restorer o restaurador dinámico de voltaje) y STA-TCOM (Static Synchronous Compensator o Compensador Estático Síncrono). Aunque ya se vio que en 1933 se conocía la posibilidad de usar métodos electrónicos para compensar armónicos y corregir el factor de potencia, no fue sino hasta que aparecieron los semiconductores de potencia que fue posible realizar esta tarea de forma efectiva. En 1976 el autor A. Ametani publicó un artículo24,en el cual se analiza un método de reducción de armónicos en la red mediante la inyección de corriente a frecuencia variable a través de un convertidor basado en tiristores con salida en corriente, esto es, un filtro activo de corriente. No obstante, no reporta un método de obtención “en línea” de los armónicos demandados por la carga sino que se debía conocer muy bien el perfil de consumo de ésta. No obstante lo anterior, ya se había creado el primer instrumento para medición de la CEE considerado como tal. Este fue construido en 1975 por Dranetz Engineering Labo-ratories (Ahora Dranetz BMI), este equipo medía disturbios en el voltaje de la red (sags, interrupciones, etc), estaba basado en un microprocesador e imprimía los datos en texto. Tenía limitaciones en su funcionalidad comparado con las versiones modernas pero los mecanismos de sincronización de señales ya estaban desarrollados.

Generaciones más avanzadas de aparatos de medición y compensación de perturbaciones harían su debut a mediados de los años 80’s. A inicios de los años 80’s, se encuentran ya los primeros artículos técnicos que en el título ya consideran de forma explícita la CEE (Power Quality). Es el caso del artículo publicado en 1981 por E. M. Gulachenski y D. P. Symanski25. En este artículo los autores hacen un análisis de la CEE para un sistema de distribución donde había grandes sistemas de cómputo. Se presentó un procedimiento sistemático para analizar la CEE y cómo esta información podía ser usada por un consumidor para seleccionar un equipo acondicionador. El incremento en la importancia de la CEE, para esa década y en lo sucesivo, vendría porque a partir de los años 80’s se realizaba procesamiento masivo de datos vía computadora. Los sistemas de protección avanzaron también en su com-plejidad y grado de robustez para detectar y aislar fallas. Sin embargo, una falla en las líneas, aunque sea correctamente detectada y aislada, si ésta genera un sag de suficiente pro-fundidad y duración puede provocar la “caída” de un sistema de cómputo y la consecuente pérdida de los datos.

Sin embargo, la cantidad de perturbaciones que pueden ocu-rrir en una red eléctrica, tanto en voltaje como en corriente es grande y variada, lo que trajo como consecuencia malos entendidos en conceptos y en muchos casos, abusos por parte de proveedores de soluciones para CEE. Considérense por ejemplo las señales mostradas en la figura 5. En la parte

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(a) (b) (c)

Figura 5 . Ilustraciones de perturbaciones del voltaje de la red eléctrica

superior, la definición de “surge” parece confundirse con “impulso” entre (a), (b) y (c) y el equipo especializado para compensar (a) no es el mismo que para (b). Asimismo, en la parte inferior de la figura, con relación a un “outage”, no es lo mismo lo que ocurre en (a), (b) y (c) aunque técnicamente en los tres ocurre una caída de voltaje hasta cero, el equipo para compensar cada uno de ellos es diferente.

Hay un artículo muy ilustrativo que hace aclaraciones a este respecto que fue publicado en 1988 por Francois D. Martzloff y Thomas Gruzs26. Para la época del artículo, existía confusión entre los términos “surges”, “outages”, “swells” y “sags”. Era normal pues hasta 1972 estas palabras no eran usadas en la jerga técnica. En la actualidad una excelente referencia para aclarar conceptos, es el diccionario de la IEEE27 y por supuesto, las normas y estándares relacionados con la CEE (28,29,30 y 31 por citar algunos). Por otra parte, en esa época ya era muy importante que los equipos de medición tuvieran la capacidad de medir corriente, potencias monofásica y trifásica, energía y factor de potencia además de los eventos usuales de perturbaciones de voltaje. Hasta la fecha, estas mediciones resultan imprescindibles para un buen estudio de CEE, tanto que existen estándares sobre cómo debe ser organizado éste y los datos que debe incluir. Por otra parte, el autor Marltzolff define lo que considera como falacias en el estudio de la calidad de la energía eléctrica y éstas siguen siendo válidas en la actualidad. Como resultado de la gran variedad de perturbaciones de una red eléctrica, la interco-nectividad de cargas, la sensibilidad de algunas de ellas e incluso el carácter crítico de éstas, a fines de los años 80’s se crearon algunos grupos de trabajo para definir y establecer estándares de uso general, por ejemplo el “IEEE Working Group on Monitoring Electrical Quality” y el “IEEE Working Group on Surge Characterization”.

En 1990 el presidente del “IEEE Working Group on Voltage Flicker and Service to Critical Loads” publicó un artículo32. El artículo se enfoca más en el problema de los transitorios de corta duración y su efecto en cargas sensibles desde dos puntos de vista: a) Perturbaciones provenientes de la red

eléctrica y b) Perturbaciones ocasionadas por el usuario. Pero en este artículo se presenta una lista de los acondicionadores que existían para la época, a saber: Varistores, Filtros EMI y de radio frecuencia, Transformadores de aislamiento, Regu-ladores de voltaje, Transformadores ferroresonantes, Motores generadores, Sistemas de alimentación ininterrumpibles. Esta lista pronto estaría más completa al integrarse los filtros activos de potencia. La década de los 90’s tuvo un amplio desarrollo en cuanto a soluciones para mejorar la CEE con base en la electrónica de potencia, también se desarrollaron métodos de detección de perturbaciones en tiempo real tales como la transformada PQ, la transformada DQ, wavelets, etc., basados en plataformas digitales. Pero también, algunos países comenzaron a desarrollar políticas sobre CEE, por ejemplo, en 1998 los autores C. Degand, P. Fauquembergue, M.Reigner y E. Serres publicaron un artículo33. En este artículo se analiza el desarrollo de políticas relacionadas con la CEE en Europa, particularmente en Francia. El esfuerzo pronto permearía en la comunidad internacional debido al reconocimiento de los costos asociados con la CEE. En este esfuerzo, la región Latinoamericana ha participado y por ejemplo en 2006 los autores venezolanos A. Abreu y B. Castellano publicaron un artículo34, en el cual presentan un procedimiento estanda-rizado para realizar un estudio de CEE tal como hacen en la compañía de suministro eléctrico de Venezuela (Energía Eléctrica de Venezuela, ENELVEN). No obstante, países del área como Brasil, México, Argentina, Chile, etc., mantienen grupos importantes de CEE cuyas publicaciones resultaría imposible transcribir y comentar en este artículo pero que, sin embargo, ocupan un lugar importante en la historia y desarrollo de la CEE.

Tendencias Futuras

En opinión de los autores, el mejor de los mundos posibles en el futuro con relación a la CEE sería que los equipos de los usuarios soporten una amplia gama de perturbaciones y no contaminen a la red eléctrica. No obstante, en la literatura técnica no se percibe tal tendencia, lo cual tiene lógica dado que implica un reto económico considerable. En cambio sí se percibe un fuerte desarrollo de equipos acondicionadores de la CEE, tales como Sistemas de Alimentación Ininterrumpibles (SAI), Restauradores Dinámicos de Voltaje (RDV), el desarrollo del concepto de “Custom Power”, etcétera. En este sentido una parte importante que se está desarrollando actualmente y con-tinuará en el futuro, es el uso de herramientas de la teoría de Control Automático aplicado a la mejora del desempeño del equipo acondicionador de la CEE. Existe mucha literatura al respecto y los avances son notables aunque los esquemas más modernos de control son aún en su mayoría parte de equipo de pruebas en los laboratorios, en el futuro impactarán en equipo

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conectado en aplicaciones comunes. Otra parte importante en desarrollo y con un futuro prometedor son las mediciones de la CEE. Cada vez es más evidente la necesidad de conocer el estado que guarda la CEE, detectar dónde son producidos los problemas y prever el efecto que ciertas desviaciones en la alimentación pueden producir en los equipos. Para ello, el uso de algoritmos de procesamiento tienen ya en la actuali-dad un fuerte desarrollo con relación a la CEE y en el futuro seguirán desarrollándose o mejorando las herramientas de procesamiento gracias al avance permanente de la tecnología digital. Otra parte es el desarrollo de estándares, aunque esta parte suele tener un avance mucho más lento por la cantidad de procesamiento, estudio y análisis que hay detrás de cada estándar. No obstante, tanto los comités americanos como los europeos se encuentran en continua revisión, con participa-ción de académicos, industriales, consumidores y gobierno lo cual garantiza una continua evolución hacia la mejora.

Finalmente está el factor educativo, es necesario educar a las nuevas generaciones de ingenieros para que sean capaces de analizar correctamente los conceptos de CEE ya que en su momento serán ellos quienes realicen los estudios y diseñen los equipos con la compatibilidad y robustez necesaria, por supuesto, esta parte es responsabilidad de las universidades, pero es muy deseable que también la industria participe aportando su conocimiento en temas específicos relacionados con la CEE.

Conclusiones

En este artículo, los autores pretenden dar una visión histórica del concepto CEE a partir del uso de la energía eléctrica en corriente alterna y no desde que apareció acuñado el término en los primeros artículos técnicos. Con esto, se trata de ofrecer una visión amplia de la evolución de los avances realizados en cada época, la perspectiva que tenían los ingenieros de inicios del siglo XX y cómo sus aportes fueron alimentando el avance hacia la estructura y concepto actual de CEE. Por otra parte, muchos de los avances, métodos y técnicas usadas en los inicios del estudio de la CEE siguen teniendo vigencia, la ventaja actual es la eficiencia del procesamiento con que se puede realizar un diagnóstico de la CEE. Finalmente, los autores aventuran lo que a su juicio es el futuro de la CEE sin pretender que éste sea el único camino dado que existen una gran variedad de enfoques desde los cuales es posible analizar los problemas asociados con la CEE, y por lo tanto, las soluciones asociadas tienen diferentes tendencias.

Footnotes

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33. C. Degand, P. Fauquembergue, M.reigner, E. Serres, EDF Customized Approach of Power Quality, an Opportunity to Meet Customer’s Expectations, 8th International Conference on Harmonics and Quality of Power, ICHQP’98, october. 1998, pp 190 -196

34. A. Abreu, B. Castellano, Power Quality Site Survey Process for Regulated Electricity Market, Transmission&Distribution Conference and Exposition: Latin America, 2006, TDC’2006, IEEE PES, 15-18 august 2006, pp 1-6, Venezuela

*Por: Ciro Núñez Gutiérrez Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Centro de Investigación y Estudios de Posgrado. Av. Dr. Manuel Nava No. 8, Zona Univer-sitaria, 78290. San Luis Potosí, S.L.P. México. Tel. y Fax (444) 8173381 [email protected]

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