El impacto del desequilibrio de tensión

Si utiliza sistemas trifásicos, debe tener en cuenta las tensiones desequilibradas, uno de los problemas de energía eléctrica más comunes en las plantas industriales. Las posibilidades de que su planta sufra desequilibrios son altas cuando no se toman medidas para prevenirlos. Lo ideal es detectar los desequilibrios antes de que causen daños graves a los equipos.

A continuación, descubra qué son los desequilibrios de tensión, qué los provoca y cómo puede prevenirlos y comprobarlos para proteger sus sistemas eléctricos.

¿Qué es el desequilibrio de tensión trifásica?

Un sistema eléctrico trifásico está equilibrado o es simétrico cuando las tensiones y corrientes trifásicas tienen la misma amplitud. Un sistema desequilibrado significa que las tensiones de fase son desiguales.

Este desequilibrio mide la diferencia entre las fases de tensión en un sistema trifásico. Este problema de alimentación eléctrica es habitual en las centrales eléctricas industriales o en cualquier planta que haga funcionar grandes máquinas con motores potentes.

Los desequilibrios de tensión pueden afectar a numerosos aspectos de sus operaciones, como la eficiencia del motor, los costes y los daños.

¿Qué causa las tensiones desequilibradas?

La norma ANSI C84.1 establece lo siguiente: Los sistemas de suministro eléctrico deben diseñarse y operarse para limitar el desequilibrio máximo de tensión al 3% cuando se mide en el contador eléctrico en condiciones de vacío. Esto significa que es responsabilidad del usuario verificar el estado de equilibrio de la tensión de su propia planta.

Cuando una tensión está desequilibrada, suele deberse a la distribución de la carga del sistema. Estos desequilibrios pueden producirse en cualquier punto de un sistema, y los sistemas eléctricos desequilibrados pueden ocurrir por muchas razones.

Estas son algunas de las causas más comunes de las tensiones desequilibradas:

• Falta de simetría en las líneas de transmisión
• Grandes cargas monofásicas, como hornos de arco o soldadores
• Baterías de condensadores de corrección del factor de potencia defectuosas
• Transformadores abiertos en triángulo o en estrella
• Bajo par de salida que provoca tensiones mecánicas
• Alta corriente en rectificadores y motores trifásicos
• Desequilibrio de la corriente que circula por los conductores neutros
• Funcionamiento defectuoso del equipo de corrección del factor de potencia
• Suministro eléctrico desequilibrado o inestable
• Banco de transformadores desequilibrado que alimenta una carga trifásica demasiado grande para el banco.
• Cargas monofásicas distribuidas de forma desigual en la misma red eléctrica
• Faltas a tierra monofásicas no identificadas
• Conectores o contactores sueltos, corroídos o picados.

Incluso las condiciones de la planta pueden causar o contribuir al desequilibrio de la tensión. Por ejemplo, los transformadores sobrecargados, el mal funcionamiento de los dispositivos de corrección del factor de potencia, los controles cíclicos y las reactancias desintonizadas pueden provocar desequilibrios. Incluso lo que ocurre en la planta de al lado o más arriba en la línea eléctrica puede afectar al desequilibrio de tensión en sus instalaciones.

Efectos del desequilibrio de tensión

El desequilibrio de la tensión puede ser perjudicial para los motores. Una diferencia en las tensiones de fase provoca corrientes circulantes en los motores trifásicos, lo que resulta en un desequilibrio de corriente de seis a 15 veces mayor que el desequilibrio de tensión. La corriente adicional contribuye a aumentar el calentamiento del motor, que puede ser grave con un desequilibrio suficientemente grande. Esta mayor temperatura del motor degrada el aislamiento circundante, acortando la vida útil del motor y provocando su rotura.

Otros efectos de la corriente y la tensión desequilibradas son el aumento de las pulsaciones, la tensión mecánica, las vibraciones y las pérdidas. Además, son frecuentes los problemas de mantenimiento, como contactos desgastados y conexiones sueltas. Estos problemas pueden hacer que un motor funcione con ruido, a temperaturas elevadas y falle prematuramente.

Además, el desequilibrio de la tensión desviará la proporción de la corriente del devanado del rotor bloqueado, que ya es relativamente alta, la velocidad a plena carga se reducirá ligeramente y el par se reducirá. Si el desequilibrio de tensión es lo suficientemente grande, la capacidad de par reducido podría no ser adecuada para la aplicación y el motor no alcanzaría su velocidad nominal.

La norma NEMA MG-1, establece que los motores polifásicos funcionarán satisfactoriamente en condiciones de funcionamiento a carga nominal cuando el desequilibrio de tensión en los terminales del motor no supere el 1%. Además, el funcionamiento de un motor con un desequilibrio superior al 5% no es recomendable y probablemente dañará el motor.

Aunque generalmente no es deseable, otra acción correctiva puede ser reducir la potencia de un motor. Cuando el desequilibrio de tensión supera el 1%, es necesario reducir la potencia del motor para que funcione correctamente. La curva de reducción de potencia, que se muestra a continuación, indica que en el límite del 5% establecido por NEMA para el desequilibrio, un motor se reduciría sustancialmente, a sólo alrededor del 75% de su potencia nominal.

El desequilibrio de tensión puede ser perjudicial para los convertidores trifásicos de CC utilizados en los variadores de frecuencia (VFD). Los variadores de frecuencia (VFD) problemáticos que presentan disparos molestos, que muestran todos los signos de sobrecarga del circuito, aunque las mediciones muestren lo contrario, pueden tener corrientes de fase desequilibradas. Las corrientes de línea del variador de frecuencia pueden llegar a estar muy desequilibradas debido a una corriente excesiva en una o dos fases. Esto sucede aunque la corriente media de las tres fases esté muy por debajo de la corriente nominal del variador de frecuencia.

La parte frontal de los VFD utiliza una disposición de diodos de alta potencia para convertir la potencia de entrada de CA trifásica y crear el bus de CC como depósito para la sección del inversor de potencia. La corriente que atraviesa la sección rectificadora de entrada se toma en impulsos. Idealmente, el flujo de corriente a través de cada diodo se divide por igual, sin embargo, el desequilibrio de voltaje suministrado a la entrada del VFD provoca una potencia desigual a través de los diodos individuales, lo que resulta en fallos prematuros y frecuentes de los diodos de potencia. La salida desequilibrada de los diodos de corriente creará un mayor contenido armónico. A medida que los impulsos de salida sean más desequilibrados, también aumentarán los armónicos de corriente triples.

¿Por qué es importante?

Las razones más evidentes para preocuparse por el desequilibrio de tensión son la disminución de la eficiencia y el rendimiento del motor, dos factores que afectan a la rentabilidad de su empresa. El rendimiento de cualquier motor varía en función de factores como el tipo de aplicación, la carga y la tensión de alimentación.

Funcionar con una fuente de alimentación con un mayor desequilibrio de tensión aumentará las pérdidas ^I2R-es decir, corriente al cuadrado por resistencia- en el rotor y el estator, lo que significa que una mayor parte de la potencia suministrada se convertirá en calor y una menor parte en trabajo. El motor funcionará más caliente y, en consecuencia, con menos eficacia. Tenga en cuenta que el aumento de las pérdidas del rotor aumentará el “deslizamiento”, por lo que el motor girará un poco más despacio y realizará menos trabajo en un tiempo determinado.

La ecuación básica de Arrhenius establece que la velocidad química se duplica por cada grado C de aumento de la temperatura. Aplicando esta ecuación al aislamiento del motor es fácil ver que cualquier aumento de temperatura reducirá drásticamente la vida útil del motor. La siguiente tabla muestra los efectos de la temperatura del devanado resultante del desequilibrio de tensión.

A medida que los desequilibrios dañan su equipo, su planta experimentará tiempos de inactividad, ya que los motores no funcionan con la eficiencia que deberían. Además del dinero perdido durante el tiempo de inactividad, los motores dañados requerirán costosas sustituciones o reparaciones.

Cómo evitar un sistema eléctrico desequilibrado

Para evitar desequilibrios de tensión, las cargas deben distribuirse por igual entre las fases de un cuadro de distribución. Cuando una fase está más cargada que las demás, la tensión en esa fase será baja, lo que provocará un desequilibrio. La distribución uniforme de las cargas ayuda a evitar que una fase se sobrecargue.

Comprender las causas de un desequilibrio le ayuda a usted y a sus técnicos a buscar las señales y a trabajar para prevenirlas. La mejor manera de prevenir los desequilibrios es comprobar si hay desequilibrios de tensión y determinar qué podría estar causándolos. Incluso si existe un ligero desequilibrio en alguna parte del sistema, realizar las pruebas ahora podría ayudarle a detectarlo antes de que los efectos sean perjudiciales. El ATPOL III™ Energized Electrical Signature Analysis (ESA) Testing Instrument con el software ATPOL 8.0 que lo acompaña puede medir y calcular de forma rápida y precisa el desequilibrio de tensión suministrado a estos caballos de batalla de la industria como parte de las pruebas rutinarias de motores energizados que tardan menos de 1 minuto. El software ATPOL 8.0 calcula el % de desequilibrio de tensión y proporciona el factor de reducción de tensión adecuado.

El ATPOL III™ portátil puede conectarse rápidamente mediante un conector especial a los conectores ALL-SAFE© preinstalados o mediante TC extraíbles y sondas de tensión en cualquier controlador o desconectador de motor de fácil acceso. Para proporcionar una protección adicional a los cada vez más populares VFD, pueden incluso probar la alimentación de entrada a estos costosos controladores para garantizar que no se den las condiciones de desequilibrio de tensión que pueden provocar un desequilibrio de corriente a través de las secciones del rectificador.

Cómo calcular la corriente desequilibrada

Para calcular manualmente el porcentaje de una tensión desequilibrada, primero hay que determinar la corriente o tensión media y la mayor desviación. A continuación, dividirás la desviación por la tensión media y multiplicarás ese número por 100 para obtener tu porcentaje.

El porcentaje de desequilibrio de tensión:

Por ejemplo: V1 = 469

V2 = 478

V3 = 461

Tensión media = 469,33 V2 tiene una desviación máxima 8,66667

% VUB = 100(8,66667/469,33) = 1,84%.

El ATPOL es la herramienta ideal para añadir a su caja de herramientas de mantenimiento predictivo para pruebas de motores energizados. La realización rutinaria de una prueba de motor ESA con ALL-SAFE PRO©permite a las plantas realizar rápidamente una inspección completa de todo el sistema del motor.

El ATPOL III™utiliza el voltaje y la corriente del motor para acceder:

• La condición de la energía entrante
• El estado eléctrico y mecánico del motor y el desequilibrio
• Desalineación
• Condiciones de rodamiento
• Soltura
• Roces de la carga
• Anomalías en el proceso, como cavitación

Las mediciones portátiles pueden realizarse fácilmente desde cualquier motor que no disponga de todas las cajas fuertes utilizando TC portátiles, de pinza o flexibles.

El ATPOL III™ realiza una captura de datos simultánea de las tres fases de tensión y corriente para crear los gráficos, tablas y visualizaciones para utilizar la calidad de la potencia como herramienta de mantenimiento predictivo necesaria para situar sus equipos en lo más alto de las instalaciones de clase mundial. Utilice el desequilibrio de V para predecir el fallo prematuro del aislamiento del bobinado y determinar la reducción de la vida útil del motor causada por el desequilibrio de tensión.

Pruebe con precisión sus motores con ALL-TEST PRO

La comprobación de motores es crucial para garantizar que su equipo funciona correctamente y detectar cualquier error o problema potencial para poder resolverlo. Para garantizar la precisión en las pruebas de sus motores, utilice los productos ALL-TEST. Tanto si está comprobando desequilibrios de tensión como si realiza pruebas sin tensión, nuestros productos pueden ayudarle a determinar el estado de su motor.

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