Eliminare lo squilibrio di tensione

Lo squilibrio di tensione degrada le prestazioni e riduce la durata di un motore trifase. Lo sbilanciamento della tensione ai morsetti del motore può causare uno sbilanciamento della corrente molto sproporzionato rispetto allo sbilanciamento della tensione. Le correnti sbilanciate provocano pulsazioni di coppia, aumento delle vibrazioni e delle sollecitazioni meccaniche, aumento delle perdite con conseguente riduzione dell’efficienza e surriscaldamento del motore, che riduce la durata dell’isolamento degli avvolgimenti.

Lo squilibrio di tensione percentuale è definito dalla National Electrical Manufacturers Association (NEMA) come 100 volte il valore assoluto della deviazione massima della tensione di linea dalla tensione media su un sistema trifase, diviso per la tensione media. Ad esempio, se le tensioni di linea misurate sono 462, 463 e 455 volt, la media è 460 volt. Lo squilibrio di tensione è:

(460 – 455) /460 x 100 = 1.1%

Si raccomanda che gli squilibri di tensione ai terminali del motore non superino l’1%. Sbilanciamenti superiori all’1% richiedono il declassamento del motore, secondo la Figura 20-2 di NEMA MG-1-2011, e annullano la garanzia della maggior parte dei produttori. Le cause più comuni di squilibrio della tensione sono

– Funzionamento difettoso delle apparecchiature di correzione del fattore di potenza

– Alimentazione sbilanciata o instabile

– Banco di trasformatori sbilanciati che alimentano un carico trifase troppo grande per il banco stesso

– Carichi monofase distribuiti in modo disomogeneo sullo stesso sistema elettrico

– Guasti monofase a terra non identificati

– Un circuito aperto sul primario del sistema di distribuzione

L’efficienza di un motore da 1.800 giri al minuto (RPM) e 100 cavalli (CV) è indicata come funzione dello squilibrio di tensione e del carico del motore nella tabella 1 qui sotto. La tendenza generale alla riduzione dell’efficienza con l’aumento dello squilibrio di tensione si osserva per i motori in tutte le condizioni di carico.

Lo squilibrio di tensione è probabilmente il principale problema di qualità dell’alimentazione che provoca il surriscaldamento del motore e il suo guasto prematuro. Se si rilevano tensioni sbilanciate, è necessario effettuare un’indagine approfondita per determinarne la causa. I risparmi energetici e di costo si verificano quando si adottano le azioni correttive.

Azioni suggerite

• Monitorare periodicamente le tensioni ai terminali del motore per verificare che lo squilibrio di tensione sia mantenuto al di sotto dell’1%. Considerate l’installazione di sensori che inviano allarmi in caso di valori inaccettabili o di tassi di variazione dei valori. Le reti di sensori wireless ISA100 possono essere di interesse.
• Controllare gli schemi unifilari dell’impianto elettrico per verificare che i carichi monofase siano distribuiti in modo uniforme.
• Installare indicatori di guasto a terra come richiesto ed eseguire ispezioni termografiche annuali. Un altro indicatore che indica che lo squilibrio di tensione può essere un problema è la vibrazione a 120 Hz. La presenza di vibrazioni a 120 Hz deve indurre a verificare immediatamente il bilanciamento della tensione.

Esempio di sbilanciamento della tensione per il risparmio energetico

Si supponga che il motore da 100 hp testato come mostrato nella Tabella 1 sia stato caricato a pieno carico e abbia funzionato per 8.000 ore all’anno (ore/anno), con una tensione sbilanciata del 2,5%. Con un prezzo dell’energia di 0,08 dollari/kilowattora (kWh), i risparmi annuali di energia e di costi dopo l’adozione delle azioni correttive sono:

Risparmio energetico annuale = 100 CV x 0,746 kW/cv x 8.000 ore/anno x (100/93 – 100/94,4) = 9.517 kWh

Risparmio annuo = 9.517 kWh x 0,08 $/kWh = 760 $.

Il risparmio complessivo può essere molto maggiore perché una tensione di alimentazione sbilanciata può alimentare numerosi motori e altre apparecchiature elettriche.

Ulteriori considerazioni

Lo squilibrio di tensione provoca uno squilibrio di corrente estremamente elevato. L’entità dello squilibrio di corrente può essere da 6 a 10 volte superiore a quella dello squilibrio di tensione. Per il motore da 100 CV dell’esempio precedente, le correnti di linea (a pieno carico con uno squilibrio di tensione del 2,5%) erano sbilanciate del 27,7%.

Un motore si surriscalda quando funziona su un’alimentazione con uno squilibrio di tensione. L’aumento di temperatura aggiuntivo è stimato con la seguente equazione1 :

Aumento di temperatura totale = Aumento di temperatura bilanciato x (1 + 2 x (% di sbilanciamento della tensione)2 /100)

Ad esempio, un motore con un aumento di temperatura di 80°C causato dalla resistenza subirebbe un aumento di temperatura di 6,4°C quando funziona in condizioni di squilibrio di tensione del 2%. La durata dell’isolamento degli avvolgimenti si riduce della metà per ogni aumento di 10°C della temperatura di esercizio.2

Risorse

National Electrical Manufacturers Association (NEMA) – Visitare il sito www.nema.org per ulteriori informazioni sullo squilibrio di tensione.

Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) – Per ulteriori informazioni sull’efficienza dei motori e dei sistemi a motore e per scaricare lo strumento software MotorMaster+, visitare il sito web dell’Advanced Manufacturing Office (AMO) all’indirizzo manufacturing.energy.gov.

Riferimenti

Reliance Electric, “Alimentazione elettrica”, settembre 1998.

2 “Fermare una perdita costosa: Gli effetti della tensione sbilanciata sulla durata e sull’efficienza dei motori elettrici trifase”. Questioni di energia. Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Inverno 2005.

Riferimenti aggiuntivi

Le informazioni contenute in questa scheda sono estratte dalla pubblicazione MG-1-2011 degli standard NEMA, Motori e generatori, disponibile all’indirizzo www.nema.org.