Caídas de voltaje

Cómo estos fenómenos afectan a la industria de los ascensores y los pasos que se pueden tomar para mitigar sus efectos

por el Dr. Albert So y el Dr. WL Chan

Sus autores se inspiraron por primera vez para investigar el tema de las caídas de voltaje en 2004 después de que una caída grave debido a una fuerte tormenta eléctrica en Hong Kong provocó la parada de más de 50 ascensores, atrapando a un gran número de pasajeros. Normalmente, cuando un ascensor no funciona y sus pasajeros quedan atrapados, la administración del edificio llama primero al contratista de mantenimiento. Y, si hay alguna lesión potencial en el pasajero, se necesita ayuda de la policía y luego se busca a los bomberos. Esta práctica es, quizás, habitual en cualquier parte del mundo. Pero, si pensamos en una situación en la que cientos de ascensores se disparan al mismo tiempo debido a un problema de energía eléctrica (caídas de voltaje y apagones son dos posibles causas a considerar), ¿es probable que se cuente con un apoyo adecuado tanto de los contratistas de mantenimiento como de los bomberos? está disponible para rescatar a miles de pasajeros atrapados? Además, después de una serie de caídas de voltaje seguidas de paradas inmediatas de ascensores en algún lugar a lo largo del hueco del ascensor en Hong Kong de 2004 a 2006, se inició el debate sobre quién debería asumir la responsabilidad: ¿la empresa de electricidad, el fabricante del ascensor y / o el contratista de mantenimiento?

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería:
♦ Comprender por qué la calidad de la energía eléctrica se ha convertido en un problema importante.
♦ Conocer la definición y los atributos con los que evaluar la calidad de la energía eléctrica de un sistema.
♦ Tener más conocimiento sobre caídas de voltaje.
♦ Comprender el efecto de las caídas de voltaje en los sistemas de ascensores.
♦ Tener una idea de varias soluciones para mitigar el efecto de las caídas de voltaje en los sistemas de ascensores.

Los problemas de calidad de la energía son cada vez más preocupantes, porque los dispositivos como los controles computarizados, los variadores de velocidad, los dispositivos inteligentes inteligentes automatizados y los sensores son sensibles a las fluctuaciones en el voltaje de suministro. Los usuarios y fabricantes generalmente no son conscientes del impacto de las caídas de voltaje cuando compran o producen nuevos equipos. Una vez que el equipo está en funcionamiento y sufre una parada debido a caídas de voltaje, la empresa de servicios públicos suele ser criticada por la mala calidad de la energía. Esta es la razón por la que los usuarios exigen cero fluctuaciones de voltaje de una empresa de servicios públicos, en lugar de esperar que el fabricante proporcione equipos eléctricos con la compatibilidad de calidad de energía adecuada.

Calidad de la energía eléctrica y caídas de tensión

Las caídas de voltaje causadas por condiciones climáticas adversas podrían ser inevitables. El término "caída de voltaje" es utilizado por el comercio en los Estados Unidos, mientras que "caída de voltaje" se usa ampliamente en Europa. Una de las mejores referencias al tema de la calidad de la energía eléctrica es la Norma 1159-2009 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) sobre la práctica recomendada para monitorear la calidad de la energía eléctrica. Según la norma, el término "calidad de la energía" se refiere a una amplia variedad de fenómenos electromagnéticos que caracterizan el voltaje y la corriente en un momento dado y en una ubicación determinada del sistema de energía. El reciente aumento en la atención a la calidad de la energía eléctrica se ha debido a la popularidad de los dispositivos electrónicos de potencia activos (no lineales), como rectificadores o choppers de alta potencia nominal en los que las tres fases no se consumen por igual y / o la forma de onda de la corriente no es sinusoidal más larga. El estándar hace uso de un enfoque de compatibilidad electromagnética (EMC) para describir los fenómenos de calidad de la energía.

Según la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), EMC describe la capacidad de los sistemas o componentes electrónicos y eléctricos para funcionar correctamente cuando están muy juntos. En la práctica, esto significa que las perturbaciones electromagnéticas a otros de cada elemento del equipo deben ser limitadas y que cada elemento debe tener un nivel adecuado de inmunidad a las perturbaciones en su entorno. El objetivo final es asegurarse de que todos los equipos puedan disfrutar de un alto nivel de confiabilidad y seguridad al trabajar junto con otros equipos.

IEC clasifica los principales fenómenos que causan perturbaciones electromagnéticas en grupos. El grupo de “fenómenos conducidos de baja frecuencia” está relacionado con armónicos, fluctuaciones de voltaje, caídas e interrupciones de voltaje, desequilibrio de voltaje, variaciones de frecuencia de potencia, voltajes de baja frecuencia inducidos y la existencia de componentes de CC en una red de CA. Si bien este grupo suele afectar más a la industria de los ascensores, existen otros grupos como los "fenómenos radiados de baja frecuencia" relacionados con campos magnéticos y eléctricos, y los "fenómenos conducidos de alta frecuencia" relacionados con corrientes o voltajes de onda continua inducidos, transitorios unidireccionales , transitorios oscilatorios, etc.

Dichos fenómenos podrían evaluarse para un estudio de estado estable de acuerdo con IEC 61000-2-5 mediante atributos que incluyen amplitud, frecuencia, espectro, modulación, impedancia de la fuente, profundidad de la entalladura y área de la entalladura. Para un estudio de estado no estacionario, están involucrados atributos alternativos, como la tasa de aumento, la duración, la tasa de ocurrencia y el potencial energético.

Por ejemplo, en la norma, para describir una categoría de "variaciones de raíz cuadrada media (rms) de larga duración", la duración típica de una interrupción, subtensión, sobretensión o sobrecarga de corriente es superior a 1 min., Mientras que la amplitud de la interrupción es de 0.0 por unidad (pu), la de subtensión es de 0.8-0.9 pu y la de sobretensión es de 1.1-1.2 pu. Aquí, 1.0 pu, que es una cantidad adimensional, se refiere al 100% del valor de la tarifa. La duración de las variaciones de frecuencia industrial suele ser inferior a 10 s. de largo, mientras que la amplitud de variación es de ± 0.1 Hz.

Ahora llegamos a las caídas de tensión. Una caída de voltaje se refiere a un período breve, generalmente de hasta 1 minuto, cuando se reduce la magnitud del voltaje suministrado a un sistema. El término "hinchamiento" es inverso al hundimiento. En el estándar, una categoría conocida como “variaciones rms de corta duración” se usa para incluir hundimientos, oleajes e interrupciones. Los hundimientos instantáneos (una magnitud de 0.1 a 0.9 pu) y los hinchamientos (una magnitud de 1.1 a 1.8 pu) tienen una duración de 0.5 a 30 ciclos (es decir, 0.0083 a 0.5 s. En un sistema de 60 Hz). Las interrupciones momentáneas (una magnitud inferior a 0.1 pu) tienen una duración de 30 ciclos (0.5 s.) A 3 s. Los hundimientos momentáneos (una magnitud de 0.1 a 0.9 pu) y los oleajes (una magnitud de 1.1 a 1.4 pu) tienen una duración de 30 ciclos (0.5 s.) A 3 s. Las interrupciones temporales (una magnitud inferior a 0.1 pu), los hundimientos (una magnitud de 0.1 a 0.9 pu) y los oleajes (una magnitud de 1.1 a 1.2 pu) tienen duraciones de más de 3 s. a 1 min.

La caída de voltaje es solo un problema dentro de toda la familia de problemas de calidad de la energía eléctrica, que también incluye:

• Aumentos de voltaje repentinos pero muy cortos, que generalmente se denominan "picos", "impulsos" o "sobretensiones"
• Subtensiones, a veces llamadas "caídas de voltaje", que provocan la atenuación de las bombillas incandescentes (diferente de los "apagones" [sin voltaje])
• Armónicos, es decir, la existencia de componentes de alta frecuencia con frecuencias que son múltiplos de las fundamentales, como 50 Hz o 60 Hz, que pueden provocar interferencias y una baja eficiencia energética.

Una caída de voltaje no se considera una falla o interrupción de energía, que a menudo solo dura hasta 0.2 s., Después de lo cual se restablecerá el suministro de energía normal. (Tenga en cuenta que la definición formal, sin embargo, permite una existencia prolongada de hasta 0.5 s. Para un hundimiento instantáneo). Puede haber muchas causas de tal evento, la mayoría de las cuales están asociadas con las malas condiciones climáticas. Durante una tormenta, los rayos a menudo golpean las líneas de transmisión aéreas responsables de la transmisión de energía eléctrica desde la planta generadora a las subestaciones. Estas líneas aéreas se encuentran generalmente en los suburbios, a través de las crestas de las montañas o en las llanuras, donde son los objetos cercanos más altos. Aunque la punta de las torres de transmisión está conectada por un cable blindado o protegido con conexión a tierra para protección, mientras que el voltaje de transmisión (digamos, a 400-800 kV) está un poco más cerca del voltaje de los rayos, todavía hay posibilidades de que la sobrecarga líneas siendo golpeadas por ellos.

Después de golpear un conductor de fase, el rayo continúa su camino hacia el suelo, ya sea a través de la propia torre o inmediatamente hacia abajo (Figura 1). De esta forma, se produce una pequeña caída de tensión (Figura 2), porque la trayectoria del rayo desde el conductor de fase hasta el suelo es prácticamente un cortocircuito intermitente. Además de la interferencia de terceros debida a proyectos de ingeniería, las interferencias externas, como plantas, animales y objetos voladores, también pueden provocar caídas de tensión.

Al mismo tiempo, las sobretensiones originadas por los rayos son las principales causas de descargas disruptivas en las líneas eléctricas aéreas. Estos pueden provocar interrupciones breves o permanentes, así como caídas de tensión en las redes de distribución. Además, las sobretensiones provocadas por rayos también pueden dañar los componentes de energía y los dispositivos electrónicos conectados a estas redes.

 Riesgos de caídas de voltaje o apagones

Cuando sus autores investigaron los incidentes antes mencionados en Hong Kong, la primera etapa involucró una sesión de lluvia de ideas con representantes de la industria local de ascensores. Posteriormente, se llevaron a cabo pruebas reales en el sitio con un generador de caída de voltaje artificial. Finalmente, algunas de las soluciones propuestas se probaron in situ.

Se descubrió que la mayoría de las caídas de tensión prácticas se producen dentro de un período de 0.2 s. Su impacto podría estar en los controladores de ascensores, accionamientos electrónicos de potencia, puertas y circuitos de seguridad. De estos, los accionamientos del motor son en su mayoría susceptibles. Esto se debe a que, ante una caída repentina de voltaje, el variador podría aumentar automáticamente la corriente transitoria suministrada al motor, lo que probablemente dañaría los circuitos electrónicos del variador. Incluso si el circuito permanece en buen estado, todavía existe la posibilidad de que el variador y / o el controlador se disparen debido a una sobrecarga de corriente. Una vez que se produce el disparo, se aplicaría el freno y la cabina del ascensor se detendría en algún lugar a lo largo del hueco del ascensor con los pasajeros atrapados dentro. (Aquí, "disparo" se refiere al circuito eléctrico y no tiene nada que ver con los dispositivos de seguridad que se enumeran obligatoriamente en los códigos de seguridad). Entonces se plantearía la cuestión de si estos dispositivos electrónicos podrían arrancarse en frío automáticamente. En caso afirmativo, el automóvil podría reanudar el funcionamiento normal después de un tiempo y llevar a los pasajeros a una parada de seguridad.

Se encontró que durante el disparo, algunos controladores perdieron el registro de la posición actual de la cabina del ascensor. Después de restablecer el funcionamiento normal, el automóvil se conduciría lentamente para buscar algún indicador de posición a lo largo del hueco del ascensor. Si no se pudiera encontrar nada dentro de 45-60 s., Todo el sistema se dispararía nuevamente, resultando en atrapamiento de pasajeros.

Hay varias preocupaciones aquí, desde el punto de vista de los pasajeros. Primero, el automóvil experimenta un frenado repentino sin ninguna etapa de desaceleración suave inmediatamente después del disparo, lo que posiblemente resulte en lesiones personales. En segundo lugar, aún se desconoce si el controlador podría reiniciarse para enviar a los pasajeros a un aterrizaje seguro. De acuerdo con ASME 17.1 y EN 81-1, durante el frenado de emergencia, bajo una condición de carga completa abajo, la desaceleración al frenar no debe ser más de 1 g (9.8 mps2 / 32 fps2). Para una persona normal y sana, dicha desaceleración no es crítica, aunque la desaceleración normal del frenado está muy por debajo de ese valor. Sin embargo, para un pasajero anciano o enfermo, su peso repentinamente duplicado cuando viaja hacia abajo puede causar una caída y lesiones. Incluso si el automóvil se está moviendo hacia arriba, la reacción en las plantas de los pies de los pasajeros desde el piso del automóvil se reduce repentinamente de manera significativa durante la desaceleración de emergencia, lo que también puede causar una caída. Aunque la acción de frenado de emergencia de un ascensor todavía se considera segura, es totalmente indeseable.

Otra preocupación está relacionada con la captura de pasajeros. Si el controlador no se puede arrancar en frío o restablecer para que funcione nuevamente, o no puede conducir el automóvil para actualizar su posición actual en 45-60 s. Con la velocidad de mantenimiento, el automóvil podría continuar deteniéndose (o volver a detenerse), y los pasajeros tendrían que esperar al rescate. El atrapamiento de pasajeros, aunque todavía se considera seguro en la industria de los ascensores, puede poner en peligro a los pasajeros, ya sea debido a su edad, mala salud o propensión a evacuar por sí mismos. Algunos pasajeros pueden comenzar a sentirse incómodos después de quedar atrapados en un espacio cerrado por tan solo 10 minutos. Esta preocupación no es solo un posible resultado de la caída de voltaje, sino un cierto resultado de un apagón.

La confiabilidad de las plantas de energía eléctrica es cada vez mayor debido al avance de la tecnología. En consecuencia, algunos ciudadanos que viven en áreas metropolitanas casi han olvidado el riesgo de apagón. Cuando cientos de ascensores se detienen repentinamente con miles de pasajeros atrapados dentro de un distrito, tanto los contratistas de mantenimiento como los bomberos no pueden asistir a todos los sitios para rescatar a los pasajeros a tiempo.

Soluciones

Afortunadamente, la probabilidad de que un rayo golpee directamente un cable de fase de una línea de transmisión aérea y cause una caída de voltaje no es alta. Además, según nuestra encuesta en Hong Kong, la mayoría de los controladores de ascensores modernos pueden reiniciarse automáticamente después de dispararse debido a una caída de voltaje. Además, nuestra prueba encontró que bajo una caída de voltaje menos grave (digamos, con un voltaje de al menos 0.8 pu), la mayoría de los controladores y variadores de ascensores no se ven afectados. Si bien no se puede evitar que ocurran caídas de voltaje debido a rayos y apagones, se debe hacer algo para mitigar su impacto por el bien de la seguridad, la salud y la comodidad de los pasajeros.

Se podría instalar un dispositivo de transporte para hacer frente a la parada repentina de la cabina del ascensor durante una breve caída de tensión de hasta 0.2 s. Uno de estos dispositivos es un tipo de respaldo de CC capaz de mantener un bus de CC más o menos estable dentro del variador durante una caída de voltaje al aumentar temporalmente el voltaje de suministro y transferir energía desde un capacitor incorporado dentro del dispositivo. Sin embargo, esta solución solo es aplicable a convertidores con un bus de CC, como un convertidor rectificador con modulación de ancho de pulso.

Los dispositivos de tránsito se han instalado en escaleras mecánicas en Hong Kong desde 2005. De acuerdo con el Código de prácticas de la región sobre el diseño y la construcción de ascensores y escaleras mecánicas, anexo a la enmienda 8 de la edición de 2000, el sistema de frenado de una escalera mecánica comienza a funcionar automáticamente operar en un lapso de 0.2 s. de una caída de tensión de alimentación continua de más del 10% de la tensión de alimentación, o con una caída de tensión superior al 60% de la tensión de alimentación (sin ningún retraso), si la escalera mecánica está equipada con un dispositivo de este tipo para mantener el funcionamiento durante el suministro de energía caídas de tensión. Una parada repentina de una escalera mecánica podría resultar en lesiones a decenas de pasajeros que viajen en ella, lo que explica por qué la autoridad de Hong Kong permite dicha instalación en escaleras mecánicas. Habiendo dicho eso, la autoridad ha tenido grandes preocupaciones sobre el uso de un dispositivo de este tipo en los ascensores. Las preocupaciones se deben a la falta de estándares internacionales y opciones de productos en la industria. Un retraso de frenado en 0.2 s. parece ser otra preocupación. ¿Es un retraso así de crítico?

Siempre que ocurra algo anormal durante el funcionamiento de un ascensor, el freno debe aplicarse a tiempo. Tradicionalmente, el freno se aplica por medio de un resorte cuando se quita la alimentación de CC del solenoide. Recientemente, varios investigadores y fabricantes han introducido el control activo de frenos tanto en ascensores como en escaleras mecánicas. [1 y 2] Mediante el uso de frenado activo o inteligente, la tasa de desaceleración está bajo un control moderado de modo que no se garantiza ningún deslizamiento entre la polea y los cables de elevación. . Además, si el freno mecánico convencional se usa aquí solo como freno de estacionamiento, se pueden mantener tasas de desgaste más bajas. Esta tecnología se ha aplicado a automóviles y trenes durante décadas. Según EN 81-1, la deceleración en caso de frenado de emergencia debe ser de 0.2-1 g. Se supone aquí que la velocidad nominal de un ascensor es de 5 mps y la tasa de desaceleración se mantiene constante en 0.2 g (1.96 mps2). El tiempo necesario para detener el automóvil viene dado por la velocidad / desaceleración = 2.55 s. El retraso debido a la intervención del dispositivo de transporte solo representa el 8% de toda la acción.

Además del impacto en el variador, el controlador también es muy sensible a las caídas de voltaje. Aunque no es práctico instalar un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) en todo el sistema de ascensores, con vistas a decenas de kilovatios, no es una inversión irrazonable hacer una copia de seguridad de las tarjetas del controlador electrónico utilizando un UPS para garantizar que no se produzcan disparos. a una caída de voltaje (y, por lo tanto, no es necesario reiniciar).

Una vez que el elevador se detiene repentinamente (independientemente de una caída de voltaje o un apagón), la estrategia más importante es llevar a todos los pasajeros atrapados al rellano seguro más cercano para dejarlos salir del automóvil. Esto podría hacerse mediante la instalación de un dispositivo de rescate de emergencia. Este dispositivo se hace cargo temporalmente del controlador, el accionamiento y el freno del sistema de ascensor una vez que se produce el disparo. Luego verifica qué lado es más pesado (es decir, el lado del automóvil o el lado del contrapeso). Si el lado del automóvil es más pesado, el dispositivo baja el automóvil al rellano más cercano, abre las puertas del auto / rellano, las cierra después y estaciona el automóvil en este rellano hasta que los técnicos de mantenimiento lleguen al lugar para restablecer todo. Existe un conjunto similar de procedimientos operativos si el lado del automóvil es más liviano, pero luego el automóvil se eleva hasta el aterrizaje seguro más cercano. En cualquier caso, una batería incorporada garantiza que el dispositivo de rescate de emergencia funcione normalmente el tiempo suficiente para rescatar a todos los pasajeros atrapados. Desde el punto de vista de los autores, los dispositivos de rescate de emergencia son particularmente útiles para abordar tanto las caídas de voltaje como los apagones. Se han instalado a gran escala; por ejemplo, todos los ascensores que dan servicio a las urbanizaciones de viviendas públicas en Singapur están equipados con ellos.

Por último, incluso si los pasajeros quedan atrapados en una situación de emergencia de este tipo, es importante que se dé a conocer su citación de ayuda. En edificios comerciales o industriales sin personal durante los fines de semana, se han producido incidentes en los que un pasajero atrapado se había quedado solo durante horas antes de ser rescatado. Un sistema de “alarma, monitoreo y comunicación a distancia” puede ser el último recurso para rescatar efectivamente a los pasajeros atrapados. Todo el Capítulo 14 de la Guía D de CIBSE: Sistemas de transporte en edificios, edición 2010 analiza las razones de las alarmas y el monitoreo remotos, las funciones del mismo, la información disponible del sistema y su interfaz con el sistema de gestión del edificio. Mediante este sistema, los pasajeros atrapados pueden hacer que un centro de servicio los conozca e incluso comunicarse con el personal del centro.

Conclusión

Algunos ascensores son sensibles a los problemas de calidad de la energía y dejan de funcionar, atrapando a los pasajeros. Se han discutido diferentes formas de abordar este problema, incluidos los dispositivos de transporte, los UPS, los dispositivos de rescate de emergencia y los sistemas remotos de alarma, monitoreo y comunicación. Se espera que los lectores no olviden los riesgos de los problemas de calidad de la energía y se preparen para ellos antes de que ocurra una emergencia relacionada.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 103 de este número.
♦ Tras un apagón en todo el distrito, ¿cómo se puede rescatar a los pasajeros atrapados cuando cientos de ascensores no funcionan?
♦ ¿Qué dispositivos son sensibles a las variaciones del suministro de energía eléctrica?
♦ ¿Qué son la calidad de la energía, la compatibilidad de la calidad de la energía y la compatibilidad electromagnética?
♦ ¿Qué se entiende por dispositivo electrónico activo o no lineal?
♦ ¿Qué son los “fenómenos conducidos de baja frecuencia”?
♦ ¿Cuál es la principal diferencia entre subtensión y caída de tensión?
♦ ¿Qué componente dentro de un sistema de ascensor se cree que es más sensible a las caídas de voltaje?
♦ ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un dispositivo de transporte?

Referencias
[1] K. Seaborne, L. Al-Sharif y D. Austin. “Sistemas de frenado de escaleras mecánicas inteligentes basados ​​en electricidad”, ELEVATOR WORLD, noviembre de 2010, págs. 98-108.
[2] R. Kondo, H. Kigawa, T. Ueda, M. Shibata, J. Hashimoto, A. Chida y H. Marumo. “Desarrollo de un sistema de control de frenos para ascensores”, ELEVATOR WORLD, enero de 2011, págs. 66-72.