Eliminar el desequilibrio de tensión

El desequilibrio de tensión degrada el rendimiento y acorta la vida útil de un motor trifásico. El desequilibrio de tensión en los bornes del motor puede provocar un desequilibrio de corriente muy desproporcionado con respecto al desequilibrio de tensión. Las corrientes desequilibradas provocan pulsaciones de par, aumento de las vibraciones y tensiones mecánicas, aumento de las pérdidas que se traducen en un menor rendimiento y sobrecalentamiento del motor, lo que reduce la vida útil del aislamiento del bobinado.

La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) define el porcentaje de desequilibrio de tensión como 100 veces el valor absoluto de la desviación máxima de la tensión de línea respecto a la tensión media en un sistema trifásico, dividido por la tensión media. Por ejemplo, si las tensiones de línea medidas son 462, 463 y 455 voltios, la media es 460 voltios. El desequilibrio de tensión es:

(460 – 455) /460 x 100 = 1.1%

Se recomienda que los desequilibrios de tensión en los bornes del motor no superen el 1%. Los desequilibrios superiores al 1% requieren una reducción de potencia del motor, según la Figura 20-2 de NEMA MG-1-2011, y anularán la garantía de la mayoría de los fabricantes. Entre las causas más comunes de desequilibrio de tensión se incluyen:

– 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 monofásicas a tierra no identificadas

– Un circuito abierto en el primario del sistema de distribución

El rendimiento de un motor de 1.800 revoluciones por minuto (RPM) y 100 caballos de potencia (CV) se indica en función del desequilibrio de tensión y de la carga del motor en la Tabla 1 siguiente. La tendencia general de reducción del rendimiento con el aumento del desequilibrio de tensión se observa para los motores en todas las condiciones de carga.

El desequilibrio de la tensión es probablemente el principal problema de calidad de la energía que provoca el sobrecalentamiento del motor y su fallo prematuro. Si se detectan tensiones desequilibradas, debe realizarse una investigación exhaustiva para determinar la causa. El ahorro de energía y costes se produce cuando se toman medidas correctoras.

Acciones sugeridas

• Supervise periódicamente las tensiones en los terminales del motor para verificar que el desequilibrio de tensión se mantiene por debajo del 1%. Considere la posibilidad de instalar sensores que envíen alarmas en caso de valores o tasas de cambio de valores inaceptables. Las redes de sensores inalámbricos ISA100 pueden ser de interés.
• Compruebe los diagramas unifilares de su sistema eléctrico para verificar que las cargas monofásicas están distribuidas uniformemente.
• Instale indicadores de fallo a tierra según sea necesario y realice inspecciones termográficas anuales. Otro indicador de que el desequilibrio de tensión puede ser un problema es la vibración de 120 hercios (Hz). Si se detecta una vibración de 120 Hz, debe comprobarse inmediatamente el equilibrio de la tensión.

Ejemplo de ahorro de energía por desequilibrio de tensión

Supongamos que el motor de 100 CV sometido a las pruebas de la Tabla 1 funcionó a plena carga durante 8.000 horas al año (h/año), con una tensión desequilibrada del 2,5%. Con un precio de la energía de 0,08 $/kilovatio-hora (kWh), el ahorro anual de energía y costes tras la adopción de las medidas correctoras es:

Ahorro anual de energía = 100 CV x 0,746 kW/CV x 8.000 h/año x (100/93 – 100/94,4) = 9.517 kWh

Ahorro anual = 9.517 kWh x 0,08 $/kWh = 760 $.

El ahorro global puede ser mucho mayor porque una tensión de alimentación desequilibrada puede alimentar numerosos motores y otros equipos eléctricos.

Otras consideraciones

El desequilibrio de tensión provoca un desequilibrio de corriente extremadamente alto. La magnitud del desequilibrio de corriente puede ser de 6 a 10 veces mayor que la del desequilibrio de tensión. Para el motor de 100 CV del ejemplo anterior, las corrientes de línea (a plena carga con un desequilibrio de tensión del 2,5%) estaban desequilibradas en un 27,7%.

Un motor se calentará más cuando funcione con una fuente de alimentación con desequilibrio de tensión. El aumento adicional de temperatura se estima con la siguiente ecuación1 :

Aumento de temperatura total = Aumento de temperatura equilibrado x (1 + 2 x (% de desequilibrio de tensión)2 /100)

Por ejemplo, un motor con un aumento de temperatura de 80°C causado por la resistencia experimentaría un aumento de temperatura de 6,4°C cuando funcionara en condiciones de desequilibrio de tensión del 2%. La vida útil del aislamiento del bobinado se reduce a la mitad por cada 10 °C de aumento de la temperatura de funcionamiento.2

Recursos

National Electrical Manufacturers Association (NEMA)-Visite www.nema.org para obtener información adicional sobre el desequilibrio de tensión.

Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) – Para obtener más información sobre la eficiencia de los motores y sistemas accionados por motor y descargar la herramienta de software MotorMaster+, visite el sitio web de la Oficina de Fabricación Avanzada (AMO) en manufacturing.energy.gov.

Referencias

Reliance Electric, “Suministro eléctrico”, septiembre de 1998.

2 “Detener una fuga costosa: Los efectos de la tensión desequilibrada en la vida útil y el rendimiento de los motores eléctricos trifásicos”. La energía importa. Departamento de Energía de Estados Unidos. Invierno de 2005.

Referencias adicionales

La información de esta hoja de consejos se ha extraído de la publicación de normas NEMA MG-1-2011, Motores y generadores, que puede adquirirse en www.nema.org.