L’impatto dello squilibrio di tensione

Se utilizzate sistemi trifase, dovete essere consapevoli delle tensioni sbilanciate, uno dei problemi di alimentazione elettrica più comuni per gli impianti industriali. Le probabilità che il vostro impianto presenti degli squilibri sono elevate se non si adottano misure per prevenirli. L’ideale è individuare gli squilibri prima che causino gravi danni alle apparecchiature.

Di seguito, scopriremo cosa sono gli squilibri di tensione, quali sono le loro cause e come è possibile prevenirli e testarli per proteggere i sistemi elettrici.

Che cos’è lo squilibrio di tensione trifase?

Un sistema elettrico trifase è bilanciato o simmetrico quando le tensioni e le correnti trifase hanno la stessa ampiezza. Un sistema sbilanciato significa che le tensioni di fase sono disuguali.

Questo squilibrio misura la differenza tra le fasi di tensione in un sistema trifase. Questo problema di alimentazione elettrica è comune nelle centrali elettriche industriali o in qualsiasi impianto che utilizza grandi macchine con motori potenti.

Gli squilibri di tensione possono avere un impatto su numerosi aspetti delle vostre attività, tra cui l’efficienza del motore, i costi e i danni.

Quali sono le cause delle tensioni sbilanciate?

La norma ANSI C84.1 stabilisce che: I sistemi di alimentazione elettrica devono essere progettati e gestiti in modo da limitare lo sbilanciamento massimo della tensione al 3% quando viene misurato al contatore elettrico in condizioni di assenza di carico. Ciò significa che è responsabilità dell’utente verificare le condizioni di equilibrio della tensione del proprio impianto.

Quando una tensione è sbilanciata, spesso è dovuta alla distribuzione del carico del sistema. Questi squilibri possono verificarsi in qualsiasi punto di un sistema e lo squilibrio dei sistemi di alimentazione può verificarsi per molte ragioni.

Ecco alcune delle cause più comuni di tensioni sbilanciate:

• Mancanza di simmetria nelle linee di trasmissione
• Grandi carichi monofase, come forni ad arco o saldatrici
• Batterie di condensatori di rifasamento difettose
• Trasformatori a triangolo o a squadra aperti
• Bassa coppia in uscita che provoca sollecitazioni meccaniche
• Corrente elevata in raddrizzatori e motori trifase
• Sbilanciamento della corrente nei conduttori di neutro
• 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
• Connettori o contattori allentati, corrosi e bucherellati

Anche le condizioni dell’impianto possono causare o contribuire allo squilibrio di tensione. Ad esempio, trasformatori sovraccarichi, dispositivi di correzione del fattore di potenza malfunzionanti, controlli ciclici e reattori disadattati possono causare squilibri. Anche ciò che accade nell’impianto vicino o più lontano sulla linea elettrica può influenzare lo squilibrio di tensione nel vostro impianto.

Effetti dello squilibrio di tensione

Lo squilibrio di tensione può essere dannoso per i motori. Una differenza nelle tensioni di fase provoca correnti circolanti nei motori trifase, con uno squilibrio di corrente da sei a 15 volte superiore allo squilibrio di tensione. La corrente supplementare contribuisce ad aumentare il riscaldamento del motore, che può essere grave con uno sbilanciamento sufficientemente elevato. L’aumento della temperatura del motore degrada l’isolamento circostante, riducendo la durata del motore e causandone l’esaurimento.

Altri effetti dello squilibrio di corrente e tensione sono l’aumento delle pulsazioni, delle sollecitazioni meccaniche, delle vibrazioni e delle perdite. Inoltre, i problemi di manutenzione, come i contatti usurati e i collegamenti allentati, sono comuni. Questi problemi possono causare un funzionamento rumoroso, temperature elevate e guasti prematuri del motore.

Inoltre, lo sbilanciamento della tensione farà perdere la proporzione della corrente dell’avvolgimento del rotore bloccato, che è già relativamente alta, la velocità a pieno carico sarà leggermente ridotta e la coppia sarà ridotta. Se lo squilibrio di tensione è sufficientemente grande, la capacità di coppia ridotta potrebbe non essere adeguata all’applicazione e il motore non raggiungerà la velocità nominale.

Lo standard NEMA MG-1 stabilisce che i motori polifase devono funzionare correttamente in condizioni di funzionamento a carico nominale quando lo squilibrio di tensione ai terminali del motore non supera l’1%. Inoltre, il funzionamento di un motore con uno squilibrio superiore al 5% è sconsigliato e probabilmente provocherà danni al motore.

Anche se in genere non è auspicabile, un’altra azione correttiva può essere il declassamento del motore. Quando lo squilibrio di tensione supera l’1%, il motore deve essere declassato per poter funzionare correttamente. La curva di declassamento, mostrata di seguito, indica che al limite del 5% stabilito dal NEMA per lo squilibrio, un motore verrebbe declassato in modo sostanziale, fino a raggiungere solo il 75% circa della sua potenza nominale.

Lo squilibrio di tensione può essere dannoso per i convertitori CC trifase utilizzati negli azionamenti a frequenza variabile (VFD). Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) problematici che presentano un fastidioso trip, che mostrano tutti i segni di un sovraccarico del circuito, anche se le misurazioni mostrano il contrario, possono avere correnti di fase sbilanciate. Le correnti di linea del VFD possono diventare molto sbilanciate a causa di una corrente eccessiva in una o due fasi. Questo accade anche se la corrente media delle tre fasi è ben al di sotto della corrente nominale del VFD.

Il front-end dei VFD utilizza una serie di diodi ad alta potenza per convertire l’alimentazione trifase in ingresso in corrente alternata e creare il bus in corrente continua come serbatoio per la sezione dell’inverter. La corrente che attraversa la sezione del raddrizzatore d’ingresso viene prelevata a impulsi. Idealmente, il flusso di corrente attraverso ciascun diodo è equamente diviso, ma lo sbilanciamento della tensione fornita all’ingresso del VFD causa una potenza disuguale attraverso i singoli diodi, con conseguenti guasti prematuri e frequenti dei diodi di potenza. L’uscita sbilanciata dei diodi di corrente creerà un maggiore contenuto armonico. Quando gli impulsi di uscita diventano più sbilanciati, aumentano anche le armoniche triple di corrente.

Perché è importante?

Le ragioni più evidenti per preoccuparsi dello squilibrio di tensione sono la riduzione dell’efficienza e delle prestazioni del motore, che incidono entrambe sulla redditività dell’azienda. L’efficienza di un motore varia a seconda di fattori quali il tipo di applicazione, il carico e la tensione di alimentazione.

Il funzionamento con un’alimentazione con uno sbilanciamento di tensione maggiore aumenterà le perdite ^I2R(cioè la corrente al quadrato per la resistenza) nel rotore e nello statore, il che significa che una parte maggiore della potenza erogata sarà convertita in calore e una minore in lavoro. Il motore si surriscalda e, di conseguenza, diventa meno efficiente. Si noti che l’aumento delle perdite del rotore aumenterà lo “slittamento”, quindi il motore girerà un po’ più lentamente e farà meno lavoro in un determinato tempo.

L’equazione di base di Arrhenius afferma che il tasso chimico raddoppia per ogni aumento di temperatura di un grado C. Applicando questa equazione all’isolamento del motore, è facile capire che qualsiasi aumento di temperatura ridurrà drasticamente la durata del motore. La tabella seguente mostra gli effetti della temperatura degli avvolgimenti dovuti allo sbilanciamento della tensione.

Quando gli squilibri danneggiano le apparecchiature, l’impianto subisce dei fermi macchina perché i motori non funzionano in modo efficiente come dovrebbero. Oltre al denaro perso durante i tempi di inattività, i motori danneggiati richiederanno costose sostituzioni o riparazioni.

Come prevenire un sistema di alimentazione sbilanciato

Per evitare lo squilibrio di tensione, i carichi devono essere equamente distribuiti tra le fasi di un quadro. Quando una fase viene caricata più pesantemente delle altre, la tensione su quella fase sarà bassa, con conseguente squilibrio. Una distribuzione uniforme dei carichi aiuta a evitare il sovraccarico di una fase.

Comprendere le cause di uno squilibrio aiuta voi e i vostri tecnici a individuare i segnali e a lavorare per prevenirli. Il modo migliore per prevenire gli squilibri è verificare la presenza di squilibri di tensione e determinarne la causa. Anche se c’è un leggero squilibrio da qualche parte nel sistema, fare un test ora può aiutare a prenderlo prima che gli effetti siano dannosi. Lo strumento di prova ATPOL III™ Energized Electrical Signature Analysis (ESA), con il software ATPOL 8.0 che lo accompagna, è in grado di misurare e calcolare con rapidità e precisione lo squilibrio di tensione fornito a questi cavalli di battaglia del settore, nell’ambito dei test di routine sui motori sotto tensione che richiedono meno di un minuto. Il software ATPOL 8.0 calcola la percentuale di squilibrio della tensione e fornisce il fattore di declassamento della tensione appropriato.

L’ATPOL III™ portatile può essere collegato rapidamente utilizzando un connettore speciale ai connettori ALL-SAFE© preinstallati o utilizzando TA e sonde di tensione rimovibili in qualsiasi controllore o sezionatore del motore facilmente accessibile. Per fornire una protezione aggiuntiva ai sempre più diffusi VFD, possono anche testare l’alimentazione in ingresso a questi costosi controllori per garantire che non si verifichino condizioni di sbilanciamento della tensione che possono portare a uno sbilanciamento della corrente attraverso le sezioni del raddrizzatore.

Come calcolare la corrente sbilanciata

Per calcolare manualmente la percentuale di una tensione sbilanciata, è necessario innanzitutto determinare la corrente o la tensione media e la deviazione maggiore. Quindi, si divide la deviazione per la tensione media e si moltiplica il numero per 100 per ottenere la percentuale.

La percentuale di sbilanciamento della tensione:

Ad esempio: V1 = 469

V2 = 478

V3 = 461

Tensione media = 469,33 V2 ha una deviazione massima di 8,66667

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

L’ATPOL è lo strumento ideale da aggiungere alla cassetta degli attrezzi della manutenzione predittiva per il test dei motori sotto tensione. L’esecuzione di routine di un test motore ESA con ALL-SAFE PRO©consente agli impianti di eseguire rapidamente un’ispezione completa dell’intero sistema motore.

ATPOL III™utilizza la tensione e la corrente del motore per accedere:

• La condizione di potenza in ingresso
• Le condizioni elettriche e meccaniche del motore e lo squilibrio
• Disallineamento
• Condizioni del cuscinetto
• Allentamento
• Sfregamenti del carico
• Anomalie nel processo, come ad esempio la cavitazione

Le misure portatili possono essere effettuate facilmente da qualsiasi motore che non disponga di tutte le sicurezze utilizzando TA portatili, a morsetto o flessibili.

ATPOL III™ esegue l’acquisizione simultanea dei dati di tutte e tre le fasi di tensione e corrente per creare grafici, tabelle e visualizzazioni che consentono di utilizzare la qualità dell’alimentazione come strumento di manutenzione predittiva necessario per posizionare le apparecchiature ai vertici delle strutture di livello mondiale. Utilizzare lo squilibrio V per prevedere il guasto prematuro dell’isolamento degli avvolgimenti e determinare la riduzione della durata del motore causata dallo squilibrio di tensione.

Test accurati sui motori con ALL-TEST PRO

Il test del motore è fondamentale per garantire il corretto funzionamento dell’apparecchiatura e per individuare eventuali errori o potenziali problemi in modo da poterli risolvere. Per garantire l’accuratezza dei test sui motori, utilizzare i prodotti ALL-TEST. Sia che si tratti di verificare gli squilibri di tensione o di eseguire test senza tensione, i nostri prodotti possono aiutarvi a determinare lo stato del vostro motore.

L’ATP conosce i motori. ATP è specializzata in soluzioni con e senza tensione per le prove sul campo. I prodotti ATP sono trasportabili sul campo, leggeri, facili da usare, precisi e consentono di rilevare con la massima tempestività i potenziali problemi, per far funzionare l’impianto in modo efficiente e sicuro.