1.4.9. Equipos de medida

Importancia de la Monitorización de Parámetros

La integración de equipos de medida en los cuadros eléctricos de distribución y control representa una necesidad técnica ineludible en el actual paradigma de la eficiencia energética industrial, el mantenimiento predictivo y el control de calidad del suministro eléctrico. La monitorización continua de parámetros básicos como la tensión eficaz por fase, la intensidad de corriente consumida, el factor de potencia ($\cos\varphi$), la distorsión armónica total (THD) y el consumo acumulado de energía activa y reactiva permite detectar de manera temprana anomalías en el funcionamiento de las cargas (como sobrecargas cíclicas de motores o desequilibrios de fases) y evitar penalizaciones económicas en la factura de suministro.

Dependiendo de la magnitud de la corriente a medir, los sistemas se clasifican en medida directa (los conductores activos principales del circuito pasan a través de los propios bornes internos del instrumento de medida, reservado para corrientes moderadas inferiores a $63\text{ A}$) y medida indirecta. Esta última es la norma general en subestaciones y cuadros generales de distribución donde fluyen corrientes de cientos o miles de amperios, requiriéndose el uso de transductores o transformadores de medida para adecuar las señales a niveles seguros y manejables por los multímetros digitales o analizadores de redes de carril DIN.

A lo largo de este tema, estudiaremos los principios de funcionamiento de los Transformadores de Intensidad (TI), las medidas obligatorias de seguridad para evitar su destrucción catastrófica y el conexionado técnico de los analizadores de redes multifunción.

Transformadores de Corriente e Instrumentación

1. Transformadores de Intensidad (TI)

Un transformador de corriente es un dispositivo electromagnético diseñado para reproducir en su devanado secundario una corriente proporcional a la corriente del devanado primario. El devanado primario suele ser la propia pletina o cable de cobre de la fase que pasa por el orificio central de un núcleo toroidal de chapa de silicio. El secundario consta de múltiples espiras de hilo fino que se conectan al analizador de redes. La relación estándar de transformación reduce la corriente a un valor normalizado de salida de $5\text{ A}$ (o $1\text{ A}$ para largas distancias), expresado con relaciones como 100/5, 250/5 o 400/5.

La exactitud de la medida está delimitada por la clase de precisión del transformador (como clase 0.5 para facturación comercial o clase 1 para supervisión interna). Es crítico respetar la polaridad de montaje orientando la cara marcada con $P1$ hacia la acometida de red (origen) y la cara $P2$ hacia la carga (consumo), conectando los bornes secundarios $S1$ y $S2$ al analizador con las mismas fases correspondientes.

2. Analizadores de Redes y Conmutadores Rotativos

El analizador de redes digital es el elemento inteligente del cuadro. Recibe las tres referencias de tensión (tomadas aguas abajo del IGA mediante fusibles de protección de hilo de 2 A) y las tres corrientes de los TIs. Realiza el cálculo matemático en tiempo real del factor de potencia ($\cos\varphi = P / S$), permitiendo diagnosticar la necesidad de conectar baterías de condensadores para evitar penalizaciones por energía reactiva. En cuadros antiguos analógicos, se utilizaban conmutadores rotativos mecánicos de voltímetro para conmutar un único dial físico entre las tensiones de fase ($L1-L2$, $L2-L3$, $L3-L1$) y fase-neutro.

El Factor de Potencia y la Reactiva

La presencia de bobinas en los motores eléctricos introduce un desfase angular entre la onda de corriente y la onda de tensión. Este desajuste hace que el circuito absorba una potencia que no realiza trabajo mecánico útil, denominada potencia reactiva inductiva ($Q$, expresada en voltamperios reactivos o VAr), sobrecargando inútilmente las líneas de cobre. La relación entre la potencia activa útil ($P$, en vatios) y la potencia aparente total ($S$, en voltamperios) define el factor de potencia ($\cos\varphi$):

$$\cos\varphi = \frac{P}{S} = \frac{P}{\sqrt{P^2 + Q^2}}$$

El analizador de redes del cuadro eléctrico de distribución calcula de forma continua este parámetro y, si baja de un umbral regulado (típicamente $0.90$ o $0.95$), envía señales a un subcuadro automático de compensación de reactiva para que conecte condensadores en paralelo que anulen magnéticamente la reactiva del motor, liberando capacidad térmica de conducción en la derivación principal.

import math



# Script para modelar el desfase de potencia reactiva inductiva de un motor

# y calcular la capacidad de condensador necesaria para corregir el factor de potencia.

def calcular_condensador_reactiva(potencia_kw, cos_phi_inicial, cos_phi_objetivo, voltaje_v, frecuencia_hz=50):

    # Ángulos de desfase

    phi_inicial = math.acos(cos_phi_inicial)

    phi_objetivo = math.acos(cos_phi_objetivo)

    

    # Potencia activa en Watts

    p_w = potencia_kw * 1000.0

    

    # Potencia reactiva inicial y final

    q_inicial = p_w * math.tan(phi_inicial)

    q_final = p_w * math.tan(phi_objetivo)

    

    # Potencia reactiva requerida en el banco de condensadores (kVAr)

    q_condensador_var = q_inicial - q_final

    q_condensador_kvar = q_condensador_var / 1000.0

    

    return q_condensador_kvar



# Datos de la carga: Motor de climatización de 30 kW con un factor de potencia de 0.72

potencia = 30.0

cos_inicial = 0.72

cos_final = 0.95

voltaje = 400.0



kvar_necesarios = calcular_condensador_reactiva(potencia, cos_inicial, cos_final, voltaje)



print(f"--- ASISTENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ---")

print(f"Potencia activa del motor: {potencia} kW")

print(f"Factor de potencia original medido: {cos_inicial}")

print(f"Factor de potencia objetivo: {cos_final}")

print(f"------------------------------------------")

print(f"Potencia reactiva de condensador requerida: {kvar_necesarios:.2f} kVAr")

print(f"Recomendación: Instalar un paso de condensadores de {math.ceil(kvar_necesarios)} kVAr en el subcuadro.")