Problemas comunes, causas fundamentales y formas probadas de mitigación

La manufactura industrial moderna depende de contar con una fuente de energía eléctrica estable y limpia. A medida que las plantas industriales incorporan nuevas cargas como variadores de frecuencia (VFD), automatización, robótica, cargas de alta potencia y procesos térmicos electrificados, las redes eléctricas que las alimentan se tornan más sensibles a las perturbaciones. El resultado es conocido: interrupciones intempestivas del servicio, tiempos de parada prolongados, sobrecalentamiento de equipos y variaciones en la calidad de los productos.

Aquí intentamos explicar qué se entiende por “Calidad de la Energía”, cuál es su importancia en los procesos de manufactura industrial, cuáles son las perturbaciones más comunes, cuáles son sus causas y cómo mitigarlas.

Más adelante, en la sección de “Soluciones”, veremos cómo se adaptan las tecnologías que disponen Leyden y Merus Power para este propósito, en particular los Filtros Activos y los Compensadores Híbridos de Calidad de Energía.

¿QUÉ ES LA CALIDAD DE LA ENERGÍA?

La Calidad de la Energía es un concepto que describe en qué medida la tensión, la corriente y la frecuencia alimentadas a los equipos industriales, se ajustan a las condiciones ideales para un funcionamiento confiable.

En un sistema ideal, la tensión se mantiene estable y en el nivel correcto, la frecuencia es estable y la forma de onda de la corriente es limpia y sinusoidal.

Sin embargo, en las redes industriales reales, se producen desviaciones. Cuando ocurre cualquier desviación que ocasiona el mal funcionamiento de un equipo, su degradación acelerada o su funcionamiento ineficiente, nos encontramos ante un problema de mala Calidad de la Energía.

¿Por qué es importante la Calidad de la Energía en la fabricación?

La fabricación requiere cargas de alta potencia combinadas con un control preciso. Esta combinación hace que una Calidad de la Energía deficiente se convierta en un serio riesgo para la producción, y no sólo en un detalle eléctrico.

Esto es así porque los impactos comunes incluyen:

• Tiempos de parada forzosa y pérdida de rendimiento: incluso caídas de tensión muy breves pueden afectar a los variadores de frecuencia (VFD) y las celdas robóticas.
• Defectos de calidad del producto: la inestabilidad de la tensión puede afectar procesos industriales tales como la soldadura, la extrusión, el recubrimiento de superficies y el control térmico.
• Desgaste prematuro y fallas de los equipos: los armónicos y el desbalance de carga aumentan la temperatura en transformadores, motores y cables.
• Mayores costos energéticos y limitación de la capacidad de alimentación: la potencia reactiva y las corrientes armónicas aumentan las pérdidas y consumen una parte importante de la capacidad de transformadores y alimentadores.

 

¿POR QUÉ ES NECESARIA UNA BUENA CALIDAD DE ENERGÍA?

Los siguientes son problemas comunes de Calidad de la Energía en instalaciones industriales:

• ARMÓNICOS

Los armónicos son distorsiones de la forma de onda causadas por cargas no lineales, que consumen corrientes con frecuencias que se desvían de la frecuencia fundamental (50 ó 60Hz). Fuentes típicas: variadores de frecuencia, rectificadores, sistemas de energía initerrumpida (UPS), soldadoras y diversas cargas electrónicas de potencia.

• Síntomas típicos y su impacto en la planta:

• Sobrecalentamiento de transformadores y cables → mayores pérdidas, salas eléctricas sometidas a mayores temperaturas, envejecimiento acelerado del equipamiento y necesidad anticipada de su reemplazo, o bien una reducción en la potencia disponible.
• Disparos intempestivos de los sistemas de protección → paradas de línea inesperadas, reinicios y tiempo que se consume en la resolución de fallas intermitentes.
• Sobrecalentamiento de motores, ruido y menor eficiencia → menor vida útil del motor, necesidad de mantenimiento no planificado y posible inestabilidad de los procesos en variadores críticos.
• Sobrecargas y posibles fallas en los bancos de capacitores (especialmente debido a fenómenos de resonancia) → fallas repetidas en los capacitores, mayores costos de mantenimiento y menor rendimiento de la corrección del Factor de Potencia.

Impacto general: menor confiabilidad, mayores costos del ciclo de vida y menos capacidad disponible para agregar nuevas cargas a las líneas de producción

• OSCILACIONES BRUSCAS DE LA TENSIÓN

Las caídas y picos de tensión son desviaciones breves de la tensión de alimentación. Tanto las caídas como los picos suelen durar entre milisegundos y algunos segundos. Las causas típicas incluyen arranques de motores, conmutación de grandes cargas, fallas aguas arriba del sistema de alimentación y operaciones de conmutación de la red.

• Síntomas típicos y su impacto en la planta:

• Reinicios o disparos de los variadores de frecuencia (VFD) → paradas repentinas de las líneas, retrasos en la producción y pérdida de tiempo en el reinicio y la resolución de fallas.
• Caída de los contactores de maniobra → el equipo comandado se desenergiza inesperadamente, lo que provoca paradas y aumenta el desgaste debido a las repetidas conmutaciones.
• Interrupciones de las líneas de robots y reinicios no planificados → pérdida de tiempo de ciclo, posibles mermas y scrap, y tiempo adicional necesario para reubicar la línea en su posición inicial, resecuenciar las operaciones y estabilizar el proceso.

Impacto general: eventos frecuentes y breves que se traducen en tiempo de inactividad real, riesgos de pérdida de calidad en etapas sensibles de la manufactura, y una mayor carga de trabajo para el personal de mantenimiento en la resolución de problemas operativos.

• PARPADEO (FLICKER)

El parpadeo o flicker es una oscilación rápida y repetitiva de la tensión. Se evidencia principalmente en las oscilaciones rápidas de la iluminación, pero también puede desestabilizar los procesos industriales. Las fuentes típicas causantes de flicker incluyen los procesos de soldadura, los hornos de arco, los molinos y trituradoras, los balancines, prensas y cargas pesadas cíclicas.

• Síntomas típicos y su impacto en la planta:

• Parpadeo de la luz visible → es una clara señal de la fluctuación de la tensión, que a menudo indica que la red eléctrica está sobrecargada debido a cargas que cambian rápidamente.
• Inestabilidad de los procesos, dado que los controles de proceso reaccionan a las variaciones de la tensión →lo que ocasiona resultados inconsistentes del proceso, mayor exigencia de ajuste de los parámetros y menor rendimiento en las etapas sensibles.
• Quejas de los usuarios de las instalaciones vecinas, ya que el parpadeo suele propagarse hacia la red de alimentación → posibles exigencias para mitigarlo, especialmente si el parpadeo afecta a alimentadores compartidos u operaciones industriales cercanas.

Impacto general: Dificultad en controlar la producción en áreas con cargas fluctuantes, mayor riesgo de mermas y scrap o necesidad de reprocesamiento, y posibles problemas al entorno si el parpadeo se extiende más allá de las instalaciones propias.

• DESEQUILIBRIO DE LAS CARGAS TRIFÁSICAS

El desequilibrio se produce cuando las tensiones o corrientes de fase en un sistema trifásico son diferentes entre sí. Las causas típicas de esto son las cargas monofásicas distribuidas en forma despareja, las conexiones defectuosas, y en general problemas en el diseño del sistema de distribución de una planta industrial.

• Síntomas típicos y su impacto en la planta:

• Sobrecalentamiento y pulsaciones del torque de los motores → disparos intempestivos, problemas de vibraciones y mayor estrés mecánico y eléctrico en los equipos accionados.
• Reducción de la vida útil y de la eficiencia del motor → reemplazos prematuros de motores, mayores costos operativos y variadores críticos menos fiables.
• Mayores pérdidas y riesgo operativo → desperdicio de energía, equipos sometidos a mayores temperaturas y mayor probabilidad de fallas en las partes de la red sometidas a tensión.

Impacto general: mayores tiempos de parada y de mantenimiento de los motores, mayores pérdidas de energía y un funcionamiento menos estable de los procesos accionados por motores (bombas, ventiladores, cintas transportadoras, etc).

• TRANSITORIOS

Los transitorios son picos de tensión u oscilaciones rápidas, a menudo causados ​​por operaciones de conmutación o descargas atmosféricas (rayos). Las causantes típicas incluyen la conmutación de capacitores, la operación de interruptores, la conmutación de cargas inductivas y las descargas atmosféricas cercanas.

Síntomas típicos y su impacto en una planta industrial:

• Fallas y reinicios inesperados de los sistemas de control → paradas repentinas, pérdida de ciclos de producción, pérdidas de tiempo en la búsqueda de las causas, ya que los eventos son de corta duración y por lo tanto son fáciles de pasar inadvertidos.
• Daños en componentes electrónicos sensibles → fallos en los módulos de E/S, variadores, fuentes de alimentación y tarjetas de control, además de un mayor consumo de repuestos y costos de reparación.
• Errores de comunicación y fallos en los sensores → automatización inestable, falsas alarmas y problemas de calidad intermitentes, ya que las señales de retroalimentación pierden fiabilidad.

Impacto general: problemas aleatorios difíciles de diagnosticar, desgaste más rápido de los componentes electrónicos y mayor tiempo de inactividad en líneas altamente automatizadas, en las que los controles y la comunicación deben mantenerse estables y confiables.

CAUSAS DE LA MALA CALIDAD DE LA ENERGÍA EN INSTALACIONES INDUSTRIALES

• Causas internas

Los problemas internos suelen estar relacionados con el comportamiento de la carga, las prácticas utilizadas en la instalación o el propio diseño del sistema eléctrico:

• Alta concentración de electrónica de potencia (variadores, rectificadores, UPS)
• Arranques frecuentes de motores y cargas que varían rápidamente
• Compensación de potencia reactiva no protegida contra armónicos
• Baja potencia de cortocircuito en las barras críticas (debilidad de la red interna)
• Transformadores, cables y tableros eléctricos obsoletos o de tamaño insuficiente
• Problemas de conexión y de puesta a tierra que aumentan la sensibilidad

• Causas externas

Las perturbaciones externas provienen de la red de alimentación aguas arriba o de cargas distorsivas vecinas:

• Fallas en la red de alimentación y eventos de despeje de fallas (caídas de tensión)
• Operaciones de conmutación de la compañía proveedora del servicio
• Fenómenos meteorológicos y rayos
• Cargas industriales fluctuantes cercanas que afectan la estabilidad de la tensión
• Alimentadores largos o con capacidad de suministro limitada, que aumentan la debilidad de la red

EFECTOS DE LA MALA CALIDAD DE LA ENERGÍA EN LAS LÍNEAS DE PRODUCCIÓN

Los problemas de Calidad de la Energía suelen presentarse como una combinación de síntomas:

• Tiempos de paradas de proceso no planificadas, debidos a disparos de protecciones y reinicios
• Menor productividad general de los procesos, por interrupciones y reinicios repetidos
• Mermas, scrap y necesidad de reprocesamiento, resultantes de la inestabilidad de los procesos
• Mayores necesidades de mantenimiento por sobrecalentamiento y fallas prematuras de los componentes
• Mayores pérdidas de energía y reducción de la capacidad útil en cables y transformadores

Un punto clave: los problemas suelen reforzarse mutuamente. Por ejemplo, las corrientes armónicas pueden sobrecalentar los equipos, aumentando la impedancia y las pérdidas, y haciendo que el sistema sea a su vez más sensible a nuevas perturbaciones.

EL VERDADERO COSTO DE LA MALA CALIDAD DE LA ENERGÍA

• En los Centros de Datos y Tecnologías de la Información

Incluso pequeñas perturbaciones eléctricas pueden ser muy costosas. Los problemas comunes incluyen armónicos, desequilibrios de fases, interrupciones y transitorios.

• En hospitales e instalaciones críticas

Estos sitios están repletos de cargas sensibles y tienen una tolerancia muy baja a las perturbaciones. La continuidad, la coordinación de la protección y la compatibilidad entre los sistemas de alimentación ininterrumpibles y otros sistemas electrónicos de potencia, son preocupaciones fundamentales.

• En las instalaciones de potabilización de agua y de tratamiento de aguas residuales

Los sistemas de bombeo y los sopladores accionados por variadores de frecuencia pueden generar armónicos y alta demanda de potencia reactiva. Los largos tendidos de cable y las condiciones ambientales severas, pueden añadir inestabilidad en la tensión y problemas de confiabilidad.

• En la industria manufacturera y pesada

Aquí son comunes los armónicos provocados por variadores de frecuencia y rectificadores, así como las caídas de tensión ocasionadas por el arranque de grandes motores, o las fallas y el flicker proveniente de los sistemas de alimentación, a su vez causados por cargas cercanas de alta variabilidad.

CÓMO MEJORAR LA CALIDAD DE LA ENERGÍA – GUÍA DE BUENAS PRÁCTICAS Y SOLUCIONES

Antes de seleccionar cualquier método de mitigación, es necesario realizar mediciones de la Calidad de la Energía existente. Estas mediciones y su posterior análisis permiten confirmar qué es lo que realmente está afectando la calidad del servicio eléctrico en la instalación (ya sean armónicos, desequilibrio de fases, fluctuaciones de tensión, transitorios, etc.), así como la frecuencia con la que ocurren esos eventos, y además determinar si la fuente de las perturbaciones es interna de la carga o proviene de aguas arriba del sistema de alimentación. Sobre esa base será posible elegir una solución que aborde la causa raíz, de manera que, luego de implementada la solución, se pueda verificar la mejora. En Leyden ofrecemos soluciones y herramientas de dimensionamiento en línea para respaldar la evaluación inicial y la definición del alcance del proyecto.

• Filtrado Activo de Armónicos y balanceo de carga

Los Filtros Activos de Leyden/Merus Power® son una solución de filtrado activo de armónicos diseñada para entornos industriales con cargas no lineales. Se utilizan para reducir la distorsión armónica y también para el balanceo de carga activo, lo que ayuda a mejorar la simetría trifásica en redes donde el desequilibrio es un problema. Los Filtros Activos Merus® A2 son una solución escalable, versátil y duradera, diseñada y fabricada en Finlandia con la innovadora tecnología Merus® e implementada en forma exclusiva por Leyden en Argentina

• Sistemas Híbridos para problemas combinados

Los sistemas híbridos de Leyden/Merus Power HPQ® permiten gestionar armónicos, fluctuaciones de tensión y potencia reactiva en un único enfoque coordinado. Esto resulta útil en instalaciones donde ya existe una corrección tradicional del Factor de Potencia, pero donde las cargas dinámicas y los armónicos aún siguen generando problemas de inestabilidad o de fluctuaciones de tensión en la red.

• Herramientas de dimensionamiento: calcule las necesidades antes de completar un proyecto

• Calculadora de Armónicos Merus®

Ayuda a estimar los niveles de corriente armónica y el filtrado activo de armónicos necesario para alcanzar el nivel de compensación deseado.

• Calculadora de Desbalance Merus®

Ayuda a estimar el desequilibrio de carga y el balanceo activo de carga necesario para alcanzar el nivel de desequilibrio objetivo.

• ¿POR QUÉ ACUDIR A LEYDEN/MERUS POWER?

Leyden y Merus Power han formado una alianza estratégica centrada en brindar soluciones de Calidad de la Energía, por medio de los Filtros Activos de Armónicos Merus® A2 y los Compensadores Híbridos de Calidad de Energía Leyden/Merus® HPQ, diseñados ambos para entornos industriales donde coexisten armónicos, fluctuaciones de tensión y necesidades de compensar la potencia reactiva.

Existen dos razones claras por las que este enfoque constituye una solución única y  definitiva para los problemas de Calidad de Energía en la industria manufacturera:

• Respuesta en tiempo real para cargas modernas y dinámicas: La mitigación activa reacciona a los cambios en el mismo momento en que ocurren, lo cual es importante cuando las perturbaciones se deben a la dinámica cambiante del proceso y no a sus condiciones de estado estacionario.
• Un portafolio que soluciona inconvenientes tanto en plantas con un solo problema (que puede ser ya sea de armónicos o de desequilibrio de cargas), mediante los Filtros Activos Merus® A2, o bien en plantas con problemas combinados de armónicos, fluctuaciones de voltaje y potencia reactiva, mediante los Sistemas Híbridos Leyden/Merus® HPQ.

CONCLUSIONES

Una buena calidad de la energía ya no es solo un detalle técnico; es un factor determinante en la productividad de un proceso industrial, en la calidad del producto y en la vida útil del equipamiento de producción.

Leyden y Merus Power, aliadas estratégicamente, ayudan a las plantas industriales a gestionar los problemas de armónicos, desequilibrio de cargas y otros problemas de Calidad de la Energía, con soluciones inteligentes y efectivas.

¿CÓMO PODEMOS AYUDARLO?

Si Ud. desea una estimación rápida, nuestras calculadoras de armónicos y desequilibrio están disponibles en línea. Si desea entrar más en detalles sobre la situación de su planta o proceso, no dude en contactarnos. Obtendrá nuestro mejor asesoramiento sin compromiso alguno. Nuestros Asesores Técnicos están a su disposición.