01 Dr. Echavarría Solís

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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 ENERGA

    *Por: Ciro Nez Gutirrez, Rodolfo Echavarra Sols, Rosa Isela Lores, Jos Becerra Huerta, Nathan Khan Salas.

    Resumen

    En este artculo los autores analizan la evolucin del concepto calidad de la energa elctrica (Power Quality). Para ello los autores no se remiten a la primera vez que se cit el trmino en una revista tcnica sino a las primeras aplicaciones elctricas en donde ya exista inters por la calidad de las formas de onda y su efecto aunque el trmino an no estaba acuado. Al hacer esta evaluacin, los autores pretenden ubicar mejor el panorama general del trmino Calidad de la Energa Elctrica y ofrecer sus conclusiones acerca de lo que puede ser el futuro del concepto en un mundo preocupado por el futuro de la energa.

    Introduccin.

    Calidad de la Energa Elctrica (CEE) o Power Quality (PQ por sus siglas en ingls) es quizs uno de los trminos ms populares e importantes en el ambiente electrotcnico internacional. El mercado de la energa elctrica mueve mun-dialmente miles de millones de dlares anuales y el correcto funcionamiento de los equipos elctricos o electrnicos es una preocupacin constante en todos los niveles de consumo. Existe adems, un compromiso compartido de calidad entre la compaa generadora de electricidad y el usuario ya que por una parte, es una obligacin de la compaa generar un suministro constante y de calidad, y por otra, es responsabi-lidad del usuario no contaminar ms all de ciertos niveles permitidos que usualmente son crticos.

    Sin embargo, en qu momento comenz a tomar impor-tancia el concepto de calidad de la energa?, qu factores impulsaron a que se diera importancia al estudio de la cali-dad de la energa?, Quines fueron pioneros en su estudio y quines establecieron los conceptos que hoy se conocen? Los primeros artculos en la literatura tcnica que contienen el nombre explcito de Calidad de la Energa Elctrica son de fines de los aos 60s. Sin embargo, su uso se generaliz

    ms en la dcada de los 70s y 80s siendo actualmente muy comn e importante. No obstante, los conceptos relaciona-dos con la CEE se pueden encontrar desde finales del siglo XIX. Para analizar esta evolucin, los autores han dividido el estudio de la siguiente forma. Los orgenes, en donde se tratar del origen de los problemas relacionados con conceptos de CEE., La etapa de anlisis que fue cuando se establecieron los criterios que permitieron implantar los mtodos y procedimientos de anlisis as como las normas y estndares actuales. La interaccin con las cargas, poca en la que se detect el efecto de las cargas, sobre todo de tipo electrnico en la CEE, El desarrollo de soluciones de-fine la poca en que se desarrollaron las grandes soluciones dedicadas explcitamente a la medicin y mejora de la CEE con una fuerte componente de teora de control. tenden-cias futuras y Conclusiones. La clasificacin anterior no pretende ser absoluta y est basada en una investigacin amplia sobre la evolucin del trmino bsicamente obtenida en bases de datos tradicionales como la IEEE y enciclopedias como la WIKIPEDIA.

    Los orgenes

    La distribucin de energa elctrica en corriente alterna (CA) se inici en 1885 86 cuando George Westinghouse encarg a William Stanley la construccin de un transformador para distribucin de energa. En 1885 se construy el primer transformador con voltaje de salida constante y en 1886, se realiz la primera instalacin para distribucin de energa elctrica usando 6 transformadores en conexin paralela en el poblado de Great Barrington Massachusetts, la energa 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 poda poner en peligro la vida1

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    Perspectiva histrica del desarrollo del concepto "Calidad de la energa elctrica"

  • George Westinghouse

    William Stanley

    Sin embargo, los primeros acercamientos al concepto de la CEE estuvieron marcados por el desconocimiento de las formas de onda prcticas ya que tericamente se saba que deban ser sinusoidales y de su efecto y anlisis 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, ste era alimentado por un motor sncrono. Con respecto a esta instalacin, el ingeniero P. N. Nunn comentara en una carta enviada el 8 de mayo de 1934 al American Institute of Electrical Engineers (AIEE, antecesor del bien conocido IEEE) en un artculo llamado primeras experiencias en la industria de la energa elctrica: A pesar de sus limitaciones, la corriente alterna parece ms factible de ser usada. Fueron instalados un par de alternadores con-vencionales, ambos iguales para garantizar formas de ondas idnticas y equilibradas lo que sea que eso signifique!.

    Para 1890, la corriente alterna era considerada como un monstruo dado que no segua las leyes de Ohm (como en corriente directa) y aparentemente se estorbaba a s misma en los circuitos. La razn de este comentario era porque no se consideraba an el factor de potencia. No obstante, en 1893 el profesor Andr Eugene Blondel invent el oscilgrafo electromagntico 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 medicin estaran, hasta nuestros tiempos, ligados al proceso de anlisis de la CEE.

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    Andr Eugene Blondel

    Oscilograma

    Oscilgrafo electromagntico,

    Las limitaciones del oscilgrafo electro-magntico derivaban de que presentaba limitaciones para detectar y registrar en papel transitorios grandes y sobre todo era sensible a vibraciones ya que dependa de elementos mecnicos para dibujar los oscilogramas. Ante este problema, H. J. Ryan construy un tubo de rayos catdicos por encargo de Mueller Uri2 y con este invento la parte mvil disminuy su peso ya que ahora era un haz de luz prove-niente del choque en una pantalla de electrones acelerados por un campo elctrico. As se obtuvieron grficas de

    mucha mayor precisin, entre ellas las primeras figuras de Lissajous y adems se pudo medir distorsin en la forma de onda de tensin! No obstante, el dispositivo tena limitaciones ya que se requera de una alimentacin de 5KV a 10KV para formar el campo elctrico y ste se obtena a partir de un genera-dor, lo cual resultaba embarazoso para transportar al lugar de las mediciones. J. B. Johnson mejor el procedimiento haciendo uso de un sistema de bajo voltaje para generar el campo y fue entonces posible usarlo de manera ms general dando pauta al principio bsico de funcionamiento del osciloscopio. La consecuencia de este nuevo proceso de medicin fue permitir la medicin de voltajes y corrientes de gran magnitud, detectar distorsiones en las formas de onda, desbalances, desfasamientos y con ello, se impuls definitivamente el estudio de seales en corriente alterna lo que dara paso a lo que en este artculo se denomina, la poca clsica.

    La etapa de anlisis

    El Ingeniero R. C. Clinker public el 10 de noviembre de 1905 y el 5 de enero de 1906 en The Electrician, sus obser-vaciones acerca de la distorsin medida en el voltaje del secundario de un trans-formador. Aunque otros autores haban captado ya el fenmeno y trataban de demostrarlo analticamente desde finales del siglo XIX, fue hasta inicios del siglo XX cuando se reportaron las primeras consecuencias prcticas. En 1914, el mismo Ingeniero R. C. Clinker public los resultados de unas pruebas realizadas en un transformador elevador de 6.6KV a 12KV en una subestacin sin neutro aterrizado3. El fenmeno repor-tado era un caso de resonancia entre la red elctrica y el devanado secundario del transformador como consecuencia de los armnicos presentes en el voltaje, esto es, un problema clsico de CEE. Se concluy de la conveniencia de aterri-zar el neutro del devanado secundario pero adems, se identific interferencia telefnica que se produca 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 til 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 til para calcular las prdidas en los transformadores debido a la histresis del ncleo ya que el flujo magntico se puede expresar como max = (E f) x K, siendo:

    (frecuencia) (rea de sec-cin de hierro en cm2

    nmero de vueltas).

    presencia de armnicos en el voltaje de la red lo cual defina un problema notable de CEE que incluso tiene un apartado en la actual norma IEEE-519. La deteccin de armnicos de voltaje se asociaba ms al funcionamiento del transformador (debido al fenmeno de histresis principalmente) que al efecto de la carga, por lo que los esfuerzos en ese tiempo estaban encaminados a dos aspectos principales, entender y demostrar qu produca la distorsin y a comprender el efecto de la corriente alterna distorsionada en un circuito.

    En este sentido, un gran aporte al avan-ce en la comprensin 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 distorsin y que asimismo pudiera ser usado para calcular prdidas en transformadores y efectos en los circuitos, todo contenido en un mismo factor. En este ambicioso reto se fueron proponiendo diversos factores muy tiles para el anlisis de la CEE hasta nuestros das, los cuales, sin pretender dar una explicacin exhausti-va, se presentan a continuacin.

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

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  • Figura 1. Factor de forma considerando un tercer armnico para diferentes

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

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

    Siendo Enmax el valor pico de voltaje del n-simo armnico y En el valor eficaz del n-simo armnico. Para demostrar que el factor de forma no da una idea clara de la forma de onda particular, el Dr. Frederick Bedell realiz varias evaluaciones con distintas formas de onda, diferentes distorsiones y variado ngulo de fase de los armnicos. La figura 1(a) muestra el resultado obtenido por l, considerando nicamente el tercer armnico con diferentes magnitudes y ngulos de fase. La figura 2 muestra la misma grfica hecha con mtodos modernos usando el software MATLAB. En 1915, desde luego no existan herramientas de software ni calculadoras, el procesamiento de datos se realizaba con la regla de clculo.

    Es interesante mostrar la habilidad y dedicacin que estos pioneros en el anlisis de la CEE mostraban en su trabajo. Una forma ms general del factor de forma, considerando una seal distorsionada es:

    Figura 2. Obtenido usando Matlab.

    Factor de forma considerando un tercer armnico para diferentes

    ngulos de fase

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

    Hasta ese momento no se tena an el factor conocido como distorsin armnica total ni la distorsin armnica de la demanda mxima, sin embargo, exista ya una genuina pre-ocupacin por conocer la calidad de las formas de onda en corriente alterna, principalmente, en la salida de los transfor-madores de distribucin de subestaciones. Si se desea conocer ms sobre la problemtica de la calidad de las formas de onda de tensin que ocupaba a los ingenieros de inicios del siglo XX, conviene consultar entre otros a 6, 7 y 8.

    Asimismo, existen otros parmetros que se usan para evaluar la CEE que estn considerados en las normas actuales y que su estudio y definicin viene de inicios del siglo XX. Es el caso de los desbalances en voltaje y en corriente los cuales pueden originar operaciones anmalas en los circuitos si rebasan ciertos lmites. En 1913, el Ingeniero Charles Legeyt Fortes-cue trabajaba con aplicaciones del motor de induccin en la seccin de transformadores de la compaa Westinghouse, en ese trabajo detect el efecto que tena sobre el desem-peo del motor el desbalance de voltaje, pero no exista un procedimiento estndar de anlisis. Para 1918 el Ingeniero Fortescue public su famoso artculo de 114 pginas 9 en el cual establece que un sistema polifsico desbalanceado puede representarse por la suma de n sistemas balanceados, donde n depende del nmero de fases. Esta tcnica se llamara despus Transformada de Fortescue o Teora de Compo-nentes Simtricas, 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 anlisis de seales 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 distorsin armnica de voltaje, corriente, potencia (activa, reactiva y aparente) aunque no fue concebi-da con ese propsito. Se trata de la transformada de Park. En 1929, el Ingeniero R. H. Park escribi10, un artculo, dedicado al tratamiento de motores de induccin, sealando las frmulas para obtener corriente, voltaje, potencia y torque bajo condi-ciones de estado estable y transitorios de carga, tambin se obtuvieron expresiones para calcular la corriente y el torque en corto circuito trifsico, durante el arranque y cuando hay pequeas desviaciones en el ngulo de operacin. En ese art-culo se sentaron las bases para simplificar sistemas trifsicos a un equivalente bifsico - lo que permitira el desarrollo de las transformadas dq y pq 11y12 con lo cual es posible determinar los armnicos de voltaje, de corriente, de potencia, calcular sags de voltaje, obtener referencias de corriente, de voltaje, etc. La otra contribucin es en el mbito de las comunicaciones telefnicas y fue desarrollndose a travs de las observaciones y anlisis de varios ingenieros a inicios del siglo XX. As, en

    De la figura 1 y 2 puede observarse que una seal distorsio-nada con un tercer armnico, de diferente magnitud y con distinto ngulo de fase puede tener el mismo factor de forma que una seal sin distorsin. Debido a lo anterior, el Dr. Be-dell se dio a la tarea de buscar un factor que describiera con mayor precisin una forma de onda y sus efectos en una red elctrica en corriente alterna. En 1915, public una segunda parte del artculo anterior5 el objetivo era, encontrar un factor que describiera con exactitud la distorsin de una forma de onda, que diera una idea de su forma y que adems pudiera ser usado para clculos en corriente alterna.

    En este esfuerzo se fueron creando diversos factores que describen distintos parmetros de una forma de onda alterna y que tienen diferente utilidad. Algunos son vigentes hasta nuestros das, otros han cado en desuso pero pueden ser muy tiles en la descripcin de una forma de onda.

    Factor de Curva: Es la razn del valor eficaz total de la seal entre el valor eficaz de la componente fundamental.

    Factor Armnico: Es la razn del valor eficaz de todos los armnicos, excluyendo la fundamental, entre el valor eficaz de la componente fundamental.

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

    Desviacin: Esta se obtena de manera grfica mediante la comparacin de la forma de onda objeto de estudio contra una seal 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 arm-nicos o de curva, se puede tener la misma desviacin.

    Factor de Cresta:Es la razn del valor pico al valor eficaz de una forma de onda, lo cual para el caso de una seal pu-ramente sinusoidal es 1.4142. Una expresin analtica simple para este factor en trminos de la amplitud

    Factor de Distorsin Integral y Diferencial: Son la razn de la integral o la derivada de una seal 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 public un artculo, que a juicio de los autores, hace un anlisis matemtico para demostrar el acoplamiento debido a la inductancia mutua que se genera entre las lneas telefnicas y las lneas de electricidad debido a la presencia de armnicas. 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 seccin en la normativa actual de la IEEE 519.

    En esta poca se sentaron las bases tericas, validadas con pruebas en campo a niveles de potencia significativos para el anlisis del voltaje en alterna, sus efectos, las causas de su deformacin y desbalance y cmo se poda analizar. Adems, en 1915 el comit de estndares a travs de un subcomit de formas de onda emprendi un estudio para determinar lo que un estndar deba especificar y que fuera ms adecuado en caractersticas y valor prctico con relacin al voltaje en alterna. Entre tanto, fue inventado el tubo al vaco y con ello empezaron una serie de aplicaciones que revolucionaran el campo de la conversin de la energa elctrica introduciendo tambin nuevos problemas asociados a la CEE.

    La interaccin con las cargas

    En 1904 el Ingeniero John Ambrose Fleming cre el primer diodo basado en un tubo al vaco, sus primeras aplicaciones fueron en el campo de la radio, para 1906 (en la noche bue-na de ese ao) se escuchaban las primeras transmisiones de radio con msica y palabras. Para 1907 el inventor americano Lee de Forest cre el primer tubo al vaco de tres elementos llamado trodo, ambos son elementos puramente electrnicos. La sofisticacin de las aplicaciones creada por la inventiva del hombre pronto lleg al campo de la corriente alterna y con ello los primeros efectos en la CEE producto de la con-versin de la energa. Aunque los primeros usos del diodo y del trodo fueron las transmisiones radiofnicas, los sistemas de rectificacin llegaran a ser una aplicacin lgica de estos dispositivos. La figura 3 muestra algunas imgenes de diversos estilos de tubos al vaco.

    Los sistemas de rectificacin (conversin de la energa elc-trica de corriente alterna a corriente directa), introducen una distorsin importante a la forma de onda de la corriente, la cual, al circular por la impedancia de la red elctrica, introduce a

    Figura 3. Tubos al vaco

    su vez distorsin en el voltaje. En 1922, el Ingeniero D.C. Prince public un artculo14, donde se analiza, haciendo uso de la transformada de Fourier, el contenido armnico de la corriente generada por un rectificador de kenotrones (una variedad basada en tubos al vaco) y su efecto en el voltaje al interactuar con la impedancia de la red. As quedaba sentada la base para lo que despus permitira crear el estndar de valores mximos permitidos de armnicos generados por una carga en funcin de la relacin corriente de corto circuito a corriente mxima de carga. Otro enfoque del mismo problema fue presentado de forma elegante en 1927 por el Ingeniero Eugene Peterson15. En este artculo se analiza la caracterstica de impedancia de elementos no lineales (electrnicos), me-diante clculos y mediciones lo que lleva a la conclusin 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 representacin mediante simulaciones de sistemas elctricos-electrnicos. El mtodo de medicin de la impedancia no lineal se haca de forma bsica con el puente de Weathstone, no obstante, la precisin que logr Peterson fue elevada.

    Una carga fundamental en el desarrollo de la industria moder-na es el motor de induccin y su relacin con la CEE es directa. En 1929 L. A. Doggett y E. R Queer escribieron un artculo16 en el cual hacan una extensin al anlisis de los motores de induccin considerando la distorsin presente en el voltaje. Se presentaron, grficas descriptivas del desempeo del motor (Torque vs. Factor de Potencia, HP, Eficiencia, Deslizamiento y Corriente) con armnicos en el voltaje de alimentacin. Para generar voltajes distorsionados se usaban generadores trabajando a diferentes frecuencias. Un detalle interesante es el mtodo que usaban para medir voltajes o corrientes armnicas, para ello existan complejos muy ingeniosos de tipo analgico pasivo ya que an no exista el procesamiento digital ni existan los amplificadores operacionales. Otros efectos detectados y analizados durante la poca, debido a la distor-sin generada por las cargas, fueron el calentamiento en los conductores17 y en los capacitores usados para correccin de factor de potencia18.

    Las nuevas tecnologas 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 Japn en la preguerra public19. En el que se present cmo disear un circuito paralelo resonan-te para la eliminacin de armnicos generados por tubos al vaco. Aunque la aplicacin estaba enfocada hacia la teora de comunicaciones, sirvi para sentar las bases del diseo de filtros para armnicas. En la dcada de los 30s, en plena recesin econmica y en un ambiente pre blico las potencias se preparaban a usar tecnologas de punta y eso, a juicio de los autores, impuls un fuerte avance del conocimiento rela-cionado con la CEE. Fue el caso del artculo publicado por

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    Figura 4. Una imagen del apagn de Nueva York del

    9 de noviembre de1965.

    el Ingeniero C. H. Willis en 193320. En dicho artculo el autor analiz mtodos de conmutacin de tiratrones (otra variedad de tubos al vaco) para convertidores AC/DC y DC/AC. No existan an los amplificadores operacionales, y por lo tanto, no se haba cerrado an un lazo de control para los convertidores, no obstante, con el conocimiento pleno del consumo era posible obtener una regulacin de carga y de lnea razona-blemente buena. El autor concluy que el inversor y el rectificador activo basado en tiratrones podan ser utilizados para realizar compensacin activa del factor de potencia, lo cual era correcto y ten-dra un fuerte desarrollo cincuenta aos despus y hasta la actualidad.

    El cambio de enfoque entre las primeras dos dcadas del siglo XX y los aos 30s y 40s estaba dado, ahora la preocupa-cin era el efecto de la carga en la red elctrica y en la CEE. As, en 1939 los autores R. D. Evans y H. N. Muller publi-caron un artculo21. En donde los autores calculan los armnicos de voltaje pro-ducidos por los armnicos de corriente generados por rectificadores activos al interactuar con la impedancia de la red elctrica. Las ecuaciones no son simples ya que parten de la Transformada de Fourier y son dependientes del valor del orden del armnico generado por el rectificador y su fase as como del valor de la impedancia de la red. De esta for-ma, en este artculo se puede encontrar un anlisis matemtico muy completo del fenmeno, ste fue evaluado con las herramientas de la poca, es decir, con regla de clculo y se mostraron los resultados tericos. Sin embargo, los autores fueron ms all y realizaron diversas pruebas experimentales en una instalacin industrial donde se tenan 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 elctrica. Pues bien, el error entre lo medido y lo estima-do lleg a ser menor al 2% considerando mediciones hasta el armnico 31! Que-

    da para la curiosidad del lector cmo hacan para medir hasta esa frecuencia. En esta poca y hasta fines de los aos 40s la tendencia sera analizar el efecto de las cargas sobre la red elctrica, una preocupacin tpicamente relacionada con la CEE hasta la fecha. Pero faltaba una componente principal que seran las grandes soluciones dedicadas a mejorar la CEE basadas en electrnica de potencia, lo que dara pie a lo que los autores identifican como La poca contempornea.

    El desarrollo de soluciones

    El 9 de noviembre de 1965 ocurri un apagn de grandes proporciones en la regin Este de Estados Unidos, para la poca, existan ya los primeros procesos continuos controlados va computadora lo que hizo que muchos de stos se detuvieran y generaran graves prdidas econmicas. Fue tan relevante el apagn que incluso trascendi a la percepcin popular tanto que se hicieron pelculas relacionadas con el evento y la can-cin 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 ms crticas 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 haba 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 tcnicamente posible. En el artculo del Ingeniero Jack D. Farber se introduce el concepto del uso de inversores para estaciones de generacin de energa (su uso fue exactamente como el de un Sis-tema de Alimentacin Ininterrumpible actual), se discute sobre las protecciones del sistema y se menciona por primera vez como tal el trmino CALIDAD DE LA ENERGA ELCTRICA. Con base en la experiencia adquirida en el apagn, se identificaron las cargas ms crticas a ser respaldadas y se analiz la conveniencia de utilizar generadores estticos 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 Alimentacin Ininterrumpible (SAI), que en el artculo mencionado se encuentra en conexin En Lnea. El esquema de respaldo entonces, constaba de dos SAIs de 9.3KVA cada uno que garanti-zaban una DATv (Distorsin Armnica Total de voltaje) mxima 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 fotografa de la planta en la que se uti-liz el SAI y algunas de las mediciones presentadas por los autores. Obsrvese que la documentacin de mediciones se haca con fotografas del osciloscopio, exista para ello un ingenioso sistema de disparo de una cmara fotogrfica tipo polaroid sincronizada con el disparo del osciloscopio.

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  • CALIDAD DE LA ENERGA

    Sistema de alimentacin ininterrumpible

    Mediciones del SAI ante un corte de energa.

    La gran interaccin de cargas en redes elctricas pronto llev a un incremento exponencial en los problemas en las mismas, los mtodos de simplificacin fueron quedando cortos ya que se podan soslayar elementos que, dentro de un anlisis de CEE, no pueden ignorarse. Sin embargo, la tecnologa computacional fue desarrollndose y pronto fue posible crear algoritmos de anlisis de circuitos aplicables al estudio de la CEE. En 1971 los autores J. Reeve y J. A. Baron publicaron23 un artculo. En este artculo se present un m-todo algortmico programado en computadora para analizar el comportamiento interactivo entre un sistema generador de corriente directa en alto voltaje (HVDC por sus siglas en ingls) con la red elctrica en CA, a frecuencia fundamen-tal y a frecuencias armnicas. Se comentaron adems las razones por las cuales aparecen armnicos caractersticos y no caractersticos en la red elctrica 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 xito mostrado contribuira a la consolidacin del mercado de paquetes de simulacin para redes elctricas lo cual, en la actualidad, es una herramienta muy poderosa en el anlisis de la CEE.

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

    a los FACTS (Flexible AC Transmission System o sistema flexible de transmisin en corriente alterna), DVR (Dynamical Voltage Restorer o restaurador dinmico de voltaje) y STA-TCOM (Static Synchronous Compensator o Compensador Esttico Sncrono). Aunque ya se vio que en 1933 se conoca la posibilidad de usar mtodos electrnicos para compensar armnicos 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 public un artculo24,en el cual se analiza un mtodo de reduccin de armnicos en la red mediante la inyeccin de corriente a frecuencia variable a travs de un convertidor basado en tiristores con salida en corriente, esto es, un filtro activo de corriente. No obstante, no reporta un mtodo de obtencin en lnea de los armnicos demandados por la carga sino que se deba conocer muy bien el perfil de consumo de sta. No obstante lo anterior, ya se haba creado el primer instrumento para medicin de la CEE considerado como tal. Este fue construido en 1975 por Dranetz Engineering Labo-ratories (Ahora Dranetz BMI), este equipo meda disturbios en el voltaje de la red (sags, interrupciones, etc), estaba basado en un microprocesador e imprima los datos en texto. Tena limitaciones en su funcionalidad comparado con las versiones modernas pero los mecanismos de sincronizacin de seales ya estaban desarrollados.

    Generaciones ms avanzadas de aparatos de medicin y compensacin de perturbaciones haran su debut a mediados de los aos 80s. A inicios de los aos 80s, se encuentran ya los primeros artculos tcnicos que en el ttulo ya consideran de forma explcita la CEE (Power Quality). Es el caso del artculo publicado en 1981 por E. M. Gulachenski y D. P. Symanski25. En este artculo los autores hacen un anlisis de la CEE para un sistema de distribucin donde haba grandes sistemas de cmputo. Se present un procedimiento sistemtico para analizar la CEE y cmo esta informacin poda ser usada por un consumidor para seleccionar un equipo acondicionador. El incremento en la importancia de la CEE, para esa dcada y en lo sucesivo, vendra porque a partir de los aos 80s se realizaba procesamiento masivo de datos va computadora. Los sistemas de proteccin avanzaron tambin en su com-plejidad y grado de robustez para detectar y aislar fallas. Sin embargo, una falla en las lneas, aunque sea correctamente detectada y aislada, si sta genera un sag de suficiente pro-fundidad y duracin puede provocar la cada de un sistema de cmputo y la consecuente prdida de los datos.

    Sin embargo, la cantidad de perturbaciones que pueden ocu-rrir en una red elctrica, 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. Considrense por ejemplo las seales 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 elctrica

    superior, la definicin 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 relacin a un outage, no es lo mismo lo que ocurre en (a), (b) y (c) aunque tcnicamente en los tres ocurre una cada de voltaje hasta cero, el equipo para compensar cada uno de ellos es diferente.

    Hay un artculo muy ilustrativo que hace aclaraciones a este respecto que fue publicado en 1988 por Francois D. Martzloff y Thomas Gruzs26. Para la poca del artculo, exista confusin entre los trminos surges, outages, swells y sags. Era normal pues hasta 1972 estas palabras no eran usadas en la jerga tcnica. En la actualidad una excelente referencia para aclarar conceptos, es el diccionario de la IEEE27 y por supuesto, las normas y estndares relacionados con la CEE (28,29,30 y 31 por citar algunos). Por otra parte, en esa poca ya era muy importante que los equipos de medicin tuvieran la capacidad de medir corriente, potencias monofsica y trifsica, energa y factor de potencia adems de los eventos usuales de perturbaciones de voltaje. Hasta la fecha, estas mediciones resultan imprescindibles para un buen estudio de CEE, tanto que existen estndares sobre cmo debe ser organizado ste 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 energa elctrica y stas siguen siendo vlidas en la actualidad. Como resultado de la gran variedad de perturbaciones de una red elctrica, la interco-nectividad de cargas, la sensibilidad de algunas de ellas e incluso el carcter crtico de stas, a fines de los aos 80s se crearon algunos grupos de trabajo para definir y establecer estndares 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 public un artculo32. El artculo se enfoca ms en el problema de los transitorios de corta duracin y su efecto en cargas sensibles desde dos puntos de vista: a) Perturbaciones provenientes de la red

    elctrica y b) Perturbaciones ocasionadas por el usuario. Pero en este artculo se presenta una lista de los acondicionadores que existan para la poca, a saber: Varistores, Filtros EMI y de radio frecuencia, Transformadores de aislamiento, Regu-ladores de voltaje, Transformadores ferroresonantes, Motores generadores, Sistemas de alimentacin ininterrumpibles. Esta lista pronto estara ms completa al integrarse los filtros activos de potencia. La dcada de los 90s tuvo un amplio desarrollo en cuanto a soluciones para mejorar la CEE con base en la electrnica de potencia, tambin se desarrollaron mtodos de deteccin de perturbaciones en tiempo real tales como la transformada PQ, la transformada DQ, wavelets, etc., basados en plataformas digitales. Pero tambin, algunos pases comenzaron a desarrollar polticas sobre CEE, por ejemplo, en 1998 los autores C. Degand, P. Fauquembergue, M.Reigner y E. Serres publicaron un artculo33. En este artculo se analiza el desarrollo de polticas relacionadas con la CEE en Europa, particularmente en Francia. El esfuerzo pronto permeara en la comunidad internacional debido al reconocimiento de los costos asociados con la CEE. En este esfuerzo, la regin Latinoamericana ha participado y por ejemplo en 2006 los autores venezolanos A. Abreu y B. Castellano publicaron un artculo34, en el cual presentan un procedimiento estanda-rizado para realizar un estudio de CEE tal como hacen en la compaa de suministro elctrico de Venezuela (Energa Elctrica de Venezuela, ENELVEN). No obstante, pases del rea como Brasil, Mxico, Argentina, Chile, etc., mantienen grupos importantes de CEE cuyas publicaciones resultara imposible transcribir y comentar en este artculo pero que, sin embargo, ocupan un lugar importante en la historia y desarrollo de la CEE.

    Tendencias Futuras

    En opinin de los autores, el mejor de los mundos posibles en el futuro con relacin a la CEE sera que los equipos de los usuarios soporten una amplia gama de perturbaciones y no contaminen a la red elctrica. No obstante, en la literatura tcnica no se percibe tal tendencia, lo cual tiene lgica dado que implica un reto econmico considerable. En cambio s se percibe un fuerte desarrollo de equipos acondicionadores de la CEE, tales como Sistemas de Alimentacin Ininterrumpibles (SAI), Restauradores Dinmicos de Voltaje (RDV), el desarrollo del concepto de Custom Power, etctera. En este sentido una parte importante que se est desarrollando actualmente y con-tinuar en el futuro, es el uso de herramientas de la teora de Control Automtico aplicado a la mejora del desempeo del equipo acondicionador de la CEE. Existe mucha literatura al respecto y los avances son notables aunque los esquemas ms modernos de control son an en su mayora parte de equipo de pruebas en los laboratorios, en el futuro impactarn 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 ms evidente la necesidad de conocer el estado que guarda la CEE, detectar dnde son producidos los problemas y prever el efecto que ciertas desviaciones en la alimentacin pueden producir en los equipos. Para ello, el uso de algoritmos de procesamiento tienen ya en la actuali-dad un fuerte desarrollo con relacin a la CEE y en el futuro seguirn desarrollndose o mejorando las herramientas de procesamiento gracias al avance permanente de la tecnologa digital. Otra parte es el desarrollo de estndares, aunque esta parte suele tener un avance mucho ms lento por la cantidad de procesamiento, estudio y anlisis que hay detrs de cada estndar. No obstante, tanto los comits americanos como los europeos se encuentran en continua revisin, con participa-cin de acadmicos, industriales, consumidores y gobierno lo cual garantiza una continua evolucin hacia la mejora.

    Finalmente est 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 sern ellos quienes realicen los estudios y diseen los equipos con la compatibilidad y robustez necesaria, por supuesto, esta parte es responsabilidad de las universidades, pero es muy deseable que tambin la industria participe aportando su conocimiento en temas especficos relacionados con la CEE.

    Conclusiones

    En este artculo, los autores pretenden dar una visin histrica del concepto CEE a partir del uso de la energa elctrica en corriente alterna y no desde que apareci acuado el trmino en los primeros artculos tcnicos. Con esto, se trata de ofrecer una visin amplia de la evolucin de los avances realizados en cada poca, la perspectiva que tenan los ingenieros de inicios del siglo XX y cmo sus aportes fueron alimentando el avance hacia la estructura y concepto actual de CEE. Por otra parte, muchos de los avances, mtodos y tcnicas 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 diagnstico de la CEE. Finalmente, los autores aventuran lo que a su juicio es el futuro de la CEE sin pretender que ste sea el nico 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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    4. Frederick Bedell, Form Factor and its significance, 32d annual convention of the American Institute of Electrical En-gineers, Deer Park, Md, june 29, 1915, pp 1135-1142

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    12. H. Akagi, A. Nabae, S. Atoh, Control Strategy of Active Power Filters Using Multiple Voltage-Source PWM Converters, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-22, No. 3, 1986.

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    30. Voltage Disturbances, Standard EN 50160, Voltage Cha-racteristics in Public Distribution Systems. By IEE.

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    *Por: Ciro Nez Gutirrez Universidad Autnoma de San Luis Potos, Centro de Investigacin y Estudios de Posgrado. Av. Dr. Manuel Nava No. 8, Zona Univer-sitaria, 78290. San Luis Potos, S.L.P. Mxico. Tel. y Fax (444) 8173381 [email protected]

    Rodolfo Echavarra Sols, Rosa Isela Lores, Jos Becerra

    Huerta, Nathan Khan Salas. Universidad Politcnica de Victoria Ave. Nuevas Tecnologas S/N Parque Cien-tfico y Tecnolgico TECNOTAM Km. 5.5 Carretera Victoria Soto la Marina C.P. 87137 Ciudad Victoria, Tamaulipas Mxico Tel. 52 - (834) 1720383

    rechavarrias, 0830119, 0730163, [email protected]

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