La monitorización de la calidad de energía explica toda una categoría de problemas de planta que de otro modo parecen aleatorios: variadores que disparan durante las tormentas, bancos de condensadores que fallan antes de tiempo, transformadores que se calientan con una carga moderada y penalizaciones por factor de potencia en la factura eléctrica. Este artículo explica los principales fenómenos de calidad de energía, qué miden los instrumentos y cómo transmitir los datos de calidad de energía por MQTT para que los eventos y las tendencias lleguen a las personas que pueden actuar sobre ellos.
Qué significa calidad de energía
En un suministro ideal, la tensión es una onda senoidal perfecta con amplitud y frecuencia nominales, equilibrada entre las tres fases, y la corriente está en fase con la tensión. Los suministros reales se apartan de ese ideal por dos motivos: perturbaciones procedentes de la red y perturbaciones generadas dentro de la planta por sus propias cargas. Las fábricas modernas generan buena parte de sus propios problemas, porque los variadores de velocidad, los rectificadores, los equipos de soldadura, la iluminación LED y las fuentes de alimentación conmutadas consumen corriente no senoidal.
Los fenómenos que te encontrarás
| Fenómeno | Qué es | Causas típicas | Consecuencias típicas |
|---|---|---|---|
| Armónicos | Componentes de corriente y tensión a múltiplos de la frecuencia fundamental, resumidos como THD | Variadores, rectificadores, SAI, drivers LED | Sobrecalentamiento de transformadores, cables y conductores de neutro; daños en condensadores; disparos intempestivos |
| Huecos de tensión | Reducción breve de la tensión RMS, desde medio ciclo hasta unos segundos | Faltas en la red, arranque de motores grandes | Reinicios de variadores y PLC, caída de contactores, lotes desechados |
| Sobretensiones temporales (swells) | Aumento breve de la tensión RMS | Desconexión de cargas grandes, faltas en otras fases | Estrés en aislamientos y electrónica |
| Interrupciones | Tensión cercana a cero | Actuación de protecciones, cortes de red | Paradas completas, tiempo de rearranque |
| Transitorios | Picos muy breves y de gran amplitud | Rayos, maniobras de condensadores | Fallo de componentes, corrupción de datos |
| Desequilibrio | Tensiones o corrientes de fase desiguales | Reparto desigual de cargas monofásicas | Calentamiento de motores, menor vida útil de los motores |
| Flicker | Fluctuaciones rápidas de tensión visibles en la iluminación | Hornos de arco, soldadoras | Quejas, problemas en equipos sensibles |
| Bajo factor de potencia | La potencia reactiva y de distorsión aumentan la corriente para la misma potencia activa | Motores poco cargados, armónicos | Más pérdidas, penalizaciones de la compañía eléctrica, menor capacidad |
Armónicos y THD
La distorsión armónica total (THD) expresa el contenido armónico respecto a la fundamental. La THD de corriente (THDi) a la entrada de un variador puede ser alta mientras la THD de tensión (THDu) en el embarrado principal se mantiene moderada; la distorsión de tensión crece cuando muchas cargas distorsionantes comparten un suministro débil. Los armónicos triples (3.º, 9.º, 15.º) se suman en el neutro de los sistemas de cuatro hilos, por lo que los conductores de neutro de oficinas y salas de datos a veces transportan más corriente que los de fase. IEEE 519 y las normas IEC fijan límites recomendados; cuáles se aplican depende de tu región y del contrato con la compañía eléctrica.
Factor de potencia: desplazamiento y distorsión
La compensación clásica del factor de potencia con condensadores corrige el factor de potencia de desplazamiento, es decir, el desfase entre la tensión y la corriente de la fundamental. Con cargas armónicas importantes, el factor de potencia real también se ve afectado por la distorsión, y añadir condensadores puede crear resonancias que amplifican los armónicos. Monitorizar tanto el factor de potencia de desplazamiento (a menudo mostrado como cos phi) como el factor de potencia real te indica qué problema tienes.
Qué medir y dónde
- Punto de conexión común (acometida): un analizador de calidad de energía con la clase de medida que exijan tu compañía eléctrica y tus contratos. IEC 61000-4-30 define los métodos de medida y la Clase A para instrumentos cuyos resultados deben ser comparables y defendibles.
- Cuadros de distribución principales: medidores multifunción con THD, valores por fase y factor de potencia. Muchos submedidores ya los proporcionan.
- Cargas sensibles o problemáticas: un analizador portátil durante unas semanas, o un medidor fijo si el problema se repite.
Los analizadores generan dos tipos de datos. Los valores agregados (RMS de 10 ciclos, 150 ciclos y 10 minutos, THD, factor de potencia, desequilibrio) forman tendencias continuas. Los eventos (un hueco en L2 hasta el 72 por ciento durante 140 ms) son registros discretos, a veces con una forma de onda capturada.
Transmitir los datos de monitorización de calidad de energía por MQTT
MQTT encaja bien con ambos tipos de datos. Los agregados son telemetría periódica; los eventos son mensajes esporádicos que no deben perderse. Una estructura de topics según ISA-95:
connectmq/plant1/utilities/main-incomer/pq/telemetry every 10 s to 1 min
connectmq/plant1/utilities/main-incomer/pq/event on each sag, swell, interruption
connectmq/plant1/utilities/main-incomer/pq/status retained: online / offline
Un payload de telemetría:
{
"ts": 1760600000,
"v_l1": 229.8, "v_l2": 231.1, "v_l3": 230.4,
"thd_v_l1": 2.9, "thd_v_l2": 3.1, "thd_v_l3": 3.0,
"thd_i_l1": 18.4, "thd_i_l2": 17.9, "thd_i_l3": 19.2,
"pf_true": 0.91, "cos_phi": 0.97,
"unbalance_v_pct": 0.6,
"hz": 50.01
}
Un payload de evento:
{
"ts": 1760600123.482,
"type": "sag",
"phase": "L2",
"residual_pct": 72.0,
"duration_ms": 140,
"source": "PQA-INC-01"
}
Publica los eventos con QoS 1 para que se entreguen al menos una vez, e incluye una marca de tiempo en milisegundos del analizador, no del gateway, para poder correlacionar un hueco con un fallo de variador registrado por un PLC. Las capturas de forma de onda son archivos binarios grandes; guárdalas en el analizador o en una carpeta compartida y publica solo una referencia en el evento, en lugar de enviar megabytes a través del broker.
Convertir eventos en alertas
El suscriptor de Node.js que aparece a continuación escucha todos los topics de calidad de energía de una planta, clasifica los eventos por gravedad y publica una alarma compacta en un topic aparte que los paneles y las pantallas andon pueden mostrar. Usa MQTT.js con MQTT 5 contra el servidor público de pruebas.
// pq-alarms.mjs - npm install mqtt
import mqtt from "mqtt";
const prefix = "connectmq/demo/pq-8w2m/plant1";
const client = mqtt.connect("mqtts://broker.connectmq.com:8883", {
clientId: "pq-alarms-8w2m",
protocolVersion: 5,
});
const limits = { thdV: 5.0, pfTrue: 0.9 };
client.on("connect", () => {
console.log("connected");
client.subscribe(`${prefix}/+/+/pq/#`, { qos: 1 });
});
function publishAlarm(asset, severity, text) {
const topic = `${prefix}/alarms/pq`;
const payload = JSON.stringify({ ts: Date.now() / 1000, asset, severity, text });
client.publish(topic, payload, { qos: 1 });
console.log(severity, asset, text);
}
client.on("message", (topic, buf) => {
const parts = topic.split("/");
const asset = parts.slice(-4, -2).join("/");
const kind = parts.at(-1);
if (kind !== "event" && kind !== "telemetry") return; // ignore status messages
let msg;
try {
msg = JSON.parse(buf.toString());
} catch {
return;
}
if (kind === "event") {
const severe = msg.type === "interruption" || msg.residual_pct < 70 || msg.duration_ms > 500;
publishAlarm(asset, severe ? "high" : "medium",
`${msg.type} on ${msg.phase}: ${msg.residual_pct}% for ${msg.duration_ms} ms`);
} else if (kind === "telemetry") {
const thd = Math.max(msg.thd_v_l1, msg.thd_v_l2, msg.thd_v_l3);
if (thd > limits.thdV) publishAlarm(asset, "medium", `Voltage THD ${thd}%`);
if (msg.pf_true < limits.pfTrue) publishAlarm(asset, "low", `True PF ${msg.pf_true}`);
}
});
Pruébalo publicando un evento ficticio:
mosquitto_pub -h broker.connectmq.com -p 1883 -i pq-test-$RANDOM -q 1 \
-t "connectmq/demo/pq-8w2m/plant1/utilities/main-incomer/pq/event" \
-m '{"ts":1760600123.4,"type":"sag","phase":"L2","residual_pct":65,"duration_ms":140}'
Los valores límite del script son provisionales; fíjalos según tu contrato con la compañía eléctrica, la norma aplicable y la tolerancia de tus equipos. Sin escribir código, las reglas de alerta por umbral del portal de ConnectMQ pueden vigilar directamente campos numéricos como thd_v_l1 o pf_true y registrar cada superación en el registro de alertas. Ten en cuenta que el servidor MQTT público gratuito es solo para pruebas; los datos reales de planta deben ir a un broker privado y autenticado.
Aprovechar los datos
- Correlaciona los huecos con las paradas. Cruza las marcas de tiempo de los eventos con los cambios de estado de las máquinas. Si una línea se detiene tras cada hueco más profundo que cierto nivel, las medidas de inmunidad en variadores o controles (o un pequeño SAI para la alimentación de control) pueden amortizarse rápidamente.
- Sigue la THD a medida que cambia la carga. Añadir variadores o retirar condensadores antiguos modifica los niveles de armónicos. Una tendencia creciente en el embarrado avisa antes de que los transformadores se sobrecalienten.
- Vigila el factor de potencia real. A menudo es la mejora económica más rápida, porque las penalizaciones de la compañía eléctrica aparecen explícitamente en la factura.
- Alimenta los informes energéticos. Los datos de calidad de energía conviven con los contadores de kWh de la submedición eléctrica y en los mismos paneles que la monitorización energética de fábricas, de modo que los equipos de energía y de fiabilidad ven una única imagen. Esos mismos topics pueden incluso colorear los cuadros eléctricos en un gemelo digital 3D de la planta.
Lista de implantación
- Identifica las condiciones de tu contrato con la compañía eléctrica sobre factor de potencia y límites de armónicos.
- Instala o selecciona un analizador en la acometida con la clase de medida adecuada.
- Comprueba qué medidores multifunción existentes ya proporcionan THD y factor de potencia.
- Define topics para telemetría, eventos y estado, con marcas de tiempo del analizador.
- Publica los eventos con QoS 1 y mantén las formas de onda fuera del broker.
- Fija los umbrales iniciales de forma conservadora y ajústalos tras unas semanas de datos.
- Revisa los eventos cada semana junto con los registros de paradas de mantenimiento y producción.
La infraestructura importa
Los eventos de calidad de energía suelen coincidir con perturbaciones en la red de datos y en la alimentación, así que la ruta de datos debe reconectarse limpiamente y el broker debe seguir accesible. Un broker MQTT en la nube, ajeno a las incidencias eléctricas y de TI de la propia planta, con gateways que almacenan los eventos localmente hasta reconectarse, es un patrón robusto, igual de útil en una planta minera en Chile que en una fábrica en Valencia. Si la arquitectura es nueva para ti, empieza por qué hace un broker MQTT. Para ver cómo encaja la calidad de energía en las operaciones digitales en general, consulta la guía de manufactura inteligente.
Transmite tus datos de calidad de energía con ConnectMQ
ConnectMQ te ofrece un broker MQTT gestionado compatible con MQTT 5, con TLS, exploración de topics en vivo, vista de dispositivos ISA-95 y alertas por umbral, listo para gateways de analizadores y servicios de alarmas como el de arriba. Crea un broker Serverless gratuito, sin tarjeta de crédito, y empieza a transmitir tus primeros datos de monitorización de calidad de energía.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre la monitorización de calidad de energía y la monitorización energética?
La monitorización energética mide cuánta energía se consume y cuándo. La monitorización de calidad de energía mide lo bueno que es el suministro, incluidos los armónicos, los huecos, las sobretensiones, el desequilibrio y el factor de potencia, lo que afecta a la fiabilidad y a la vida útil de los equipos.
¿Necesito un analizador de calidad de energía de Clase A?
Para resultados que deban compararse con las mediciones de la compañía eléctrica o usarse en reclamaciones, los instrumentos de Clase A según IEC 61000-4-30 son la referencia. Para tendencias internas y diagnóstico, los medidores multifunción con THD y registro de eventos suelen ser suficientes.
¿Se pueden enviar capturas de forma de onda por MQTT?
Técnicamente sí, dentro del límite de tamaño de mensaje del broker, pero rara vez tiene sentido. Publica resúmenes de eventos por MQTT y guarda las formas de onda en el analizador o en un servidor de archivos, referenciadas en el mensaje del evento.
¿Con qué rapidez deben publicarse los datos de calidad de energía?
Los valores agregados cada 10 segundos a 1 minuto bastan para las tendencias. Los eventos deben publicarse en cuanto el analizador los registra, con la marca de tiempo precisa del propio analizador.
