22 julio 2010

Los motores eléctricos ante problemas de calidad e inestabilidad de la red eléctrica (II)

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Desequilibrios

Los sistemas eléctricos trifásicos tendrían tres vectores, cada uno con igual magnitud pero un desfase de 120 º. Un sistema no simétrico o desequilibrado tiene diferencias en alguna de las tres fases.

El desequilibrio entre voltajes puede ser causado por factores como los siguientes:

  • Suministrador de energía.
  • Una distribución no simétrica de cargas simples, en la que una parte desproporcionadamente grande de cargas monofásicas se colocan en una de las tres fases.
  • Un circuito abierto en una fase.
  • Diferentes tamaños de cables en las tres fases.
  • Selección de conexiones equivocadas en el transformador de distribución.
  • Cargas monofásicas que crean factor de potencia bajo.
Cuando un desequilibrio de voltaje alcanza el 5 %, las corrientes de fase pueden diferir tanto como un 40 %. Este tipo de desequilibrios en el suministro de energía puede originar fallos en el motor rápidamente. Por lo tanto, los voltajes de fase en una planta deben controlarse y emprender acciones correctivas si el desequilibrio supera el 1 %.

Los métodos para corregir voltajes desequilibrados incluyen la redistribución de las cargas monofásicas o solicitar a la compañía distribuidora un re-equilibrio en el voltaje.

Transitorios y picos

Los transitorios y picos son a menudo el resultado de una gran actividad de conmutación, tal como la energización de bancos de condensadores. En áreas con grandes cargas inductivas, las empresas generadoras energizan bancos de condensadores para incrementar el factor de potencia, mejorar el voltaje, y reducir las tensiones del sistema que acompañan a grandes cargas reactivas. Desgraciadamente, energizar estos bancos de condensadores puede crear picos de voltajes transitorios que afecten a los equipos sensiblemente.

Los rayos son también una causa común de transitorios. La enorme cantidad de energía liberada puede destrozar controladores y equipos. Es esencial por tanto la puesta a tierra que permita minimizar el riesgo de daño al equipo; sin embargo, los equipos sensibles tales como computadores o sistemas de control automatizados usualmente requieren protección adicional. Los dispositivos utilizados para garantizar la supresión se denominan TVSS y están recomendados para dispositivos altamente sensibles.

Armónicos

Los armónicos son una forma de distorsión de la señal en la cual múltiplos de la frecuencia principal (50 o 60 Hz) se superponen a la forma de onda. La onda senoidal acaba con una apariencia dentada. Los armónicos afectan negativamente el rendimiento de las máquinas inductivas, tales como los transformadores y los motores de inducción. Los armónicos pueden también interferir con la exactitud del equipo de control sensible.

El contenido de armónicos en una señal de energía usualmente se mide en términos de distorsión de armónicos total (THD), como se define en IEEE Standard 519. El equipo eléctrico está diseñado para manejar una cierta cantidad de THD (un valor común es el 5 %). Los armónicos se crean por cargas grandes no lineales tales como los soldadores y variadores de frecuencia variable. VFDs generan señales de armónicos que afectan tanto al suministro de energía de entrada como a las señales de energía enviadas a los motores. Para minimizar el efecto de los armónicos, muchas instalaciones usan dispositivos de filtrado y transformadores de aislamiento con VFDs.

Los armónicos incrementan la cantidad de calor generada en el devanado del motor para una carga particular. Sin embargo, los motores son típicamente mucho menos sensibles que los computadores o los sistemas de comunicaciones.

Factor de potencia

El factor de potencia es el ratio entre la potencia real y la potencia aparente. Muchas compañías eléctricas cargan honorarios adicionales (penalizaciones de factor de potencia) si el factor de potencia de la planta cae por debajo de 0,9. Ya que el motor de inducción típico opera con un factor de potencia del 85 %, muchas instalaciones con grandes motores y bajos factores de potencia se enfrentan a serias penalizaciones si el factor de potencia no se corrige (ver también “La corrección del factor de potencia consigue luz más verde”).

Los problemas con factor de potencia bajo resultan principalmente en altas corrientes de línea requeridas para cumplir con la demanda de potencia real. El flujo de corriente incrementado causa pérdidas resistivas, que derrochan energía. Las cargas de energía reactiva también reducen la capacidad del sistema de distribución de planta creando una caída de voltaje adicional que causa que el equipo trabaje incorrectamente.

El factor de potencia bajo también es causado por motores ligeramente cargados u ociosos que operan por encima del voltaje nominal.

El factor de potencia bajo puede corregirse instalando condensadores en un motor particular, en un centro de control de motores, o en un punto de reparto.

Interferencia electromagnética

PWM de VFDs pueden generar niveles significativos de interferencia electromagnética (EMI), o ruido, y ambos radian del variador y conducidos por el conductor, bandejas de cables y conductores de tierra. Este ruido es generado por un conmutador de voltaje de alta frecuencia. Debido a que la conmutación es tan rápida, el ruido puede estar en el rango de megahercios. A estas frecuencias, el ruido se acopla fácilmente en los conductores de tierra. El ruido puede causar fallos en los circuitos electrónicos tales como computadores, circuitos de control, y comunicaciones.

Hay varias formas de mitigar este ruido; una es usar un modo choke común o filtrar la salida del variador. Otra es una carcasa sobre el alimentador del conducto de metal, del variador al motor.

Soluciones

Los problemas que surgen con estos equipos son sobre todo de calentamientos, controladores que operan de forma inadecuada, sags frecuentes, y otros problemas similares. Esto obliga a las plantas industriales a localizar las causas de los problemas y encontrar resoluciones efectivas en costes. Conforme las plantas son cada vez más automatizadas, hay cada vez más equipos sometidos a problemas de calidad. Por lo tanto, es valioso considerar aquellos métodos que ayudan a prevenir tales problemas. Para detectarlos es interesante el uso de dispositivos de control de la calidad de la energía, que resultan cada vez más baratos. Muchos dispositivos manuales pueden registrar la forma de onda del voltaje y la corriente y pueden volcarse a un ordenador personal para su análisis posterior.

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