Utilizar soluciones de mitigación de la calidad de la energía para proteger la infraestructura eléctrica de las plantas de tratamiento de aguas

Los costos de electricidad pueden representar hasta el 40% del presupuesto de funcionamiento de una planta de tratamiento de aguas. Por eso, es vital que la planta funcione con la máxima eficiencia. Sin embargo, las bombas, los motores, los equipos de iluminación y los compresores de la planta estarán expuestos a problemas de calidad eléctrica (PQ) como distorsión armónica, muescas en la línea, caídas y subidas de tensión y ruido eléctrico. Estos problemas de calidad del aire provocan ineficiencias, cortes de suministro y daños en los equipos.

Los equipos de mitigación de PQ resuelven problemas en las plantas de tratamiento de aguas. Productos como transformadores de aislamiento de accionamiento, reguladores de cableado, acondicionadores de línea eléctrica, dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) y filtros de seguimiento activo trabajan para mejorar la eficiencia, evitar cortes y proteger contra daños a valiosos activos eléctricos.

Este artículo describe brevemente los problemas de calidad de los equipos eléctricos de las plantas de tratamiento de aguas. A continuación, se presenta el equipo de mitigación de PQ de SolaHD que puede aplicarse para afrontar estos problemas y aprovechar al máximo la eficiencia.

Problemas PQ

Aunque el suministro de energía a una planta de tratamiento de aguas (Figura 1) puede ser fiable en general, a menudo surgen problemas de calidad de la energía. Estos problemas se manifiestan como distorsiones armónicas no deseadas, caídas y subidas de tensión y ruido eléctrico.

Figura 1: El suministro de energía a una planta de tratamiento de agua puede estar sujeto a problemas de calidad de la energía que pueden causar ineficiencias, cortes y daños en los equipos. (Fuente de la imagen: SolaHD)

Los problemas de calidad del aire en una planta de tratamiento de agua pueden tener su origen en fuentes externas, como los rayos, o internas, como los propios equipos eléctricos. Por ejemplo, los variadores de velocidad de menor calidad pueden generar distorsiones armónicas que se crean cuando una carga no lineal consume corriente en impulsos (Figura 2). Los armónicos obligan a los conductores a transportar corrientes a frecuencias distintas de los 60 Hz del suministro estándar.

Figura 2: Los armónicos se crean cuando una carga no lineal consume corriente en impulsos y obliga a los conductores a transportar corrientes a frecuencias distintas de los 60 Hz del suministro estándar. (Fuente de la imagen: SolaHD)

Al dibujar una corriente no lineal en puntos específicos a lo largo de la onda sinusoidal de tensión, en lugar de la onda sinusoidal completa, los equipos eléctricos generan frecuencias armónicas que son un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Los armónicos de baja frecuencia (por ejemplo, 180 Hz, 300 Hz o 420 Hz) están causados por distorsiones de corriente de baja frecuencia y corrientes desfasadas que circulan por el sistema eléctrico. Los armónicos de alta frecuencia (entre 1 kHz y 3 kHz) están causados por la conmutación de corrientes elevadas en cargas de alta potencia no lineales conmutadas electrónicamente.

Otro fenómeno armónico, la muesca de línea (line notching), está causado por la conmutación de los rectificadores de corriente en los equipos de tratamiento de agua, como los accionamientos de motores de corriente continua, los arrancadores de motor y las fuentes de alimentación. Las muescas en línea suelen producirse por la conmutación en los rectificadores controlados por silicio (SCR). Durante el breve tiempo en que la corriente se transfiere de un SCR conductor a otro, se genera un cortocircuito. El nuevo SCR comienza a conducir mientras que el SCR anterior continúa conduciendo durante un breve periodo. Esto provoca un cortocircuito fase-fase, normalmente de unos pocos microsegundos (µs), el tiempo suficiente para disminuir la tensión. El entallamiento de la línea puede producirse en cualquier punto del semiciclo de CA, ya que el ángulo de conmutación no es constante y cambia para satisfacer las necesidades de la carga.

Aunque hay varias fuentes externas e internas de problemas de calidad de la energía, alrededor del 80% están causados por caídas de tensión. El IEEE define un hueco como una reducción de la tensión del 10% al 90% por debajo de la tensión normal a 60 Hz. La duración de un evento de pandeo es inferior a 60 segundos (s) pero superior a 8 milisegundos (ms) (Figura 3).

Figura 3: Una caída de tensión es una reducción de la tensión de entre el 10% y el 90% y es responsable del 80% de los problemas de PQ. (Fuente de la imagen: SolaHD)

Aunque las subidas de tensión son menos frecuentes que las bajadas, son igual de problemáticas. Una subida de tensión es una condición de sobretensión con un aumento temporal del nivel de tensión de medio ciclo de frecuencia a unos segundos (Figura 4). Estas perturbaciones pueden deberse al apagado de grandes cargas de equipos en la planta de tratamiento de aguas o a otros sucesos como la conmutación de capacitores de corrección del factor de potencia (PFC).

Figura 4: Una subida de tensión es un aumento temporal del nivel de tensión que dura entre medio ciclo de frecuencia y unos segundos. (Fuente de la imagen: SolaHD)

Otros problemas de tensión y ruido

Los equipos eléctricos y los sistemas de distribución pueden introducir otros problemas de tensión, como transitorios de tensión, interrupciones y desequilibrios. También conocidos como picos de tensión, los transitorios son aumentos sustanciales de tensión que duran apenas unas µs (Figura 5). Los rayos, las conmutaciones mecánicas, las conmutaciones de capacitores o baterías de capacitores, la reenergización de los sistemas eléctricos tras un fallo, la conmutación de transformadores y la parada repentina de determinados equipos son fuentes de transitorios.

Figura 5: Los transitorios son aumentos sustanciales de tensión que duran apenas unas µs. (Fuente de la imagen: SolaHD)

Las interrupciones de tensión son fallos en el suministro que duran entre unos segundos y decenas de segundos. Las interrupciones de más de cinco segundos suelen denominarse interrupciones sostenidas. Las causas típicas son accidentes o fallos de los equipos en la red de generación o distribución de la empresa de energía.

El desequilibrio de la tensión es uno de los problemas más comunes de los sistemas trifásicos. Una condición de equilibrio normal es cuando las tres tensiones de fase son idénticas en magnitud y los ángulos de fase están desplazados 120°. Si una fase se carga demasiado en comparación con las demás, la tensión será más baja en esa fase, provocando un desequilibrio.

El ruido de conmutación eléctrica puede generarse en cualquier equipo al encenderse o apagarse debido a la entrada o salida de tensión o corriente. El ruido crea variaciones rápidas de tensión que producen efectos indeseables o dañan los circuitos electrónicos (Figura 6).

Figura 6: El ruido eléctrico produce rápidas variaciones de tensión que pueden dañar los circuitos electrónicos. (Fuente de la imagen: SolaHD)

El impacto de los problemas de calidad de las instalaciones

Los problemas de calidad del agua se manifiestan de diversas formas que afectan a la eficiencia, fiabilidad y longevidad de los equipos de las plantas de tratamiento de agua. Por ejemplo, los armónicos pueden afectar a los equipos de las plantas de tratamiento de agua sobrecalentando los conductores neutros y los transformadores, disparando los disyuntores, creando una corriente neutra elevada, reduciendo la capacidad del sistema e incluso aflojando los conectores eléctricos.

La muesca de línea crea armónicos de alta frecuencia que pueden dañar los sensibles componentes electrónicos lógicos y de comunicación de una instalación de tratamiento de aguas. Además, el flujo de corriente adicional generado por la entalladura sobrecarga los filtros de interferencias electromagnéticas (EMI) y los filtros de línea. Además, el entalle de la tensión puede generar pérdidas adicionales en los capacitores PFC y provocar elevadas temperaturas de funcionamiento.

Los problemas durante una caída de tensión incluyen las bombas de agua que utilizan motores de CA con carga de par constante, que consumen más corriente, reducen la eficiencia y, a veces, disparan los relés de sobrecarga.

Las subidas de tensión no suelen provocar una avería inmediata de los equipos, pero los sistemas pueden sobrecargarse y debilitarse por la exposición repetida. Las marejadas también pueden provocar falsos disparos de los disyuntores y otros dispositivos de protección. Otro problema asociado a las subidas de tensión es la degradación del aislamiento, que puede poner en peligro el funcionamiento seguro de una planta de tratamiento de agua al provocar incendios.

Las interrupciones del suministro eléctrico detienen el funcionamiento de las plantas de tratamiento de agua y pueden reducir la vida útil de los equipos eléctricos. Además, muchos circuitos de control de motores y sistemas de control de procesos no están diseñados para reiniciarse automáticamente tras una interrupción de tensión.

El desequilibrio de la tensión puede provocar graves daños en los equipos. Por ejemplo, cuando un motor de inducción se alimenta con una tensión desequilibrada, las corrientes de línea suelen ser varias veces la magnitud del desequilibrio de tensión. Esto significa que un motor alimentado con un desequilibrio de tensión del 5% podría tener un desequilibrio de corriente del 20 al 30%. La corriente adicional causará pérdidas resistivas (I²R) en el motor, lo que provocará un aumento de la temperatura de decenas de °C.

El ruido eléctrico es un grave problema para los sensores y controles de estado sólido que se encuentran en las plantas de tratamiento de aguas porque funcionan a velocidades rápidas y niveles de potencia extremadamente bajos. Cuanto menor sea la tensión de la señal, menor será la amplitud de la tensión de ruido que puede tolerarse.

Mitigar los problemas de PQ

La mitigación de armónicos puede lograrse utilizando transformadores de aislamiento de accionamiento que realizan tres funciones esenciales: cambio de tensión, reducción de la corriente de tierra inducida por el accionamiento y reducción del ruido en modo común. Los transformadores deben soportar el calor de las cargas no lineales. Un ejemplo es el transformador de aislamiento de accionamiento 23-22-112-2 de SolaHD. Este transformador toma una entrada de 120 V o 240 V, proporciona una salida de 120 V y ofrece una distorsión armónica de salida (a plena carga dentro del rango de entrada) del 3% del contenido RMS total. El valor efectivo, o RMS, de un armónico describe la potencia media del componente armónico a lo largo de un periodo.

El transformador de aislamiento de accionamiento tiene una salida casi libre de armónicos gracias a la incorporación de una bobina de neutralización (Figura 7). Para ver cómo funciona, considere el dispositivo como un transformador convencional con la bobina de neutralización desconectada. La bobina ahora en circuito abierto tiene una tensión inducida en ella cuando una parte del flujo magnético pasa a través de la pata central del núcleo hacia las patas exteriores. Esta tensión tiene un alto contenido de armónicos impares debido al flujo de fuga del devanado de salida.

Figura 7: El transformador de aislamiento de accionamiento 23-22-112-2 tiene una salida casi libre de armónicos gracias a la incorporación de una bobina de neutralización. (Fuente de la imagen: SolaHD)

El flujo de fuga puede volver al devanado de salida por dos caminos. Una vía evita la bobina de neutralización y la otra se conecta a la bobina de neutralización. Al controlar la reluctancia de estas trayectorias magnéticas, es posible controlar el grado de flujo secundario acoplado a la bobina de neutralización. La bobina de neutralización se conecta con su polaridad aditiva a la bobina secundaria (o de salida).

La salida de este transformador de aislamiento tiene una tensión constante y está casi totalmente libre de armónicos. Los armónicos siguen presentes en la bobina de neutralización; sin embargo, como el flujo del devanado secundario induce esos armónicos, los armónicos de cada bobina están aproximadamente 180° desfasados, lo que provoca su cancelación.

SolaHD también ofrece el regulador de cableado fijo MCR 63-23-125-4 de 250 voltios-amperios (VA) (Figura 8) para la reducción de armónicos. El regulador ofrece entradas de 120 V, 208 V, 240 V o 480 V con una salida de 120 V. La distorsión armónica de salida (a plena carga dentro del rango de entrada) es del 3% del contenido RMS total.

Figura 8: El regulador cableado MCR 63-23-125-4 ofrece una distorsión armónica de salida del 3% del contenido RMS total. (Fuente de la imagen: SolaHD)

El regulador de cableado está construido con la tecnología de transformador ferrorresonante de SolaHD. La ferrorresonancia es una técnica de diseño de transformadores que crea dos trayectorias magnéticas separadas en el dispositivo con un acoplamiento limitado entre ellas. Una ventaja de este diseño es que la corriente de entrada contiene una corriente armónica despreciable en relación con la fundamental. El lado de salida del transformador cuenta con un circuito de tanque resonante paralelo y extrae potencia del primario para sustituir la potencia suministrada a la carga.

El transformador de ferroresonancia forma un circuito no lineal en el que la resonancia se utiliza para reducir los cambios en la tensión de alimentación y proporcionar una tensión más constante a la carga.

La reluctancia del transformador cambia bruscamente a partir de una determinada densidad de flujo magnético (saturación). El transformador permite que una vía magnética (la vía resonante) esté en saturación mientras que la otra permanece insaturada. Al funcionar de este modo, los cambios posteriores en la tensión primaria no modifican la tensión saturada o secundaria, y se consigue la regulación.

Los acondicionadores de potencia se utilizan para proteger los sistemas de procesos críticos contra las caídas de tensión.

Los reguladores de tensión y las fuentes de alimentación con inmunidad a la caída de tensión también protegen contra las caídas de la tensión de alimentación.

Las subidas de tensión pueden tratarse con SPD, que pueden instalarse en la entrada de servicio, en los paneles de derivación o cerca de cargas electrónicas sensibles. Cuando se produce una subida de tensión, el SPD desvía la corriente hacia el cable de tierra. La alimentación se cortocircuita a tierra para los impulsos transitorios que superan un umbral, mientras que el flujo de corriente normal no se ve afectado.

El SPD STCHSP121BT1RU de SolaHD (Figura 9) ofrece supresión de sobretensiones para alimentación de CA y líneas de señal de baja tensión. El supresor ofrece filtrado de ruido en modo común y en modo normal y protección de varistor de óxido metálico (MOV). El tiempo de respuesta a un transitorio es inferior a 5 nanosegundos (ns) y la máxima corriente de sobretensión soportada es de 39 kiloamperios (kA). Los SPD también ofrecen protección contra las tensiones transitorias provocadas por sucesos como la caída de rayos, aunque no sustituyen a un sistema integral de protección contra rayos.

Figura 9: El supresor de SPD STCHSP121BT1RU ofrece filtrado de ruido en modo común y normal y protección MOV. (Fuente de la imagen: SolaHD)

La mitigación del ruido se realiza mediante filtros de seguimiento activos como el SolaHD STFV025-24L. Esta unidad rastrea continuamente la línea de alimentación de CA de entrada y responde cuando detecta ruido de alta frecuencia. El filtro elimina el ruido de baja tensión y alta frecuencia mediante un filtro inductor-capacitor (LC) de paso bajo. Los filtros de resistencia LC (LCR) se utilizan para reducir el ruido de alta frecuencia y bajo consumo. Las inductancias situadas en cada fase y en los conductores neutros están dimensionadas para gestionar el consumo máximo de corriente de la línea. El tiempo de respuesta para el STFV025-24L es <5 ns, y la reducción transitoria para una onda de anillo típica de Categoría A (6 kV, 200 A, 100 kHz) es <10 V pico.

Conclusión

Es vital prevenir los problemas de calidad del aire para mejorar la eficiencia, evitar cortes y proteger contra daños a valiosos activos eléctricos. Estos problemas incluyen la distorsión armónica, las caídas y subidas de tensión, las tensiones transitorias y el ruido eléctrico. Para hacerles frente es necesario un planteamiento múltiple. Trabajar con un proveedor como SolaHD, que puede proporcionar una amplia gama de equipos de protección, incluidos transformadores de aislamiento de accionamiento, reguladores de cableado, acondicionadores de potencia, SPD y filtros de línea activos, facilita la provisión de las protecciones necesarias.