20 diciembre 2010

Cómo proteger los equipos ante las bajadas bruscas de voltaje (I)



Las bajadas repentinas de voltaje de corta duración pueden ser comunes en algunas redes de distribución. Su duración típica puede ser  de varios ciclos del sistema de frecuencia o llegar a algunos segundos. El interés de estas bajadas del voltaje estriba en el impacto que pueden tener en los equipos del usuario final. Los procesos industriales pueden funcionar incorrectamente o dejar de hacerlo y originar pérdidas financieras significativas.

La tensión cae como consecuencia de incrementos de corta duración en la magnitud de la corriente, y también pueden producirse por cortocircuitos o caídas a tierra lo cual supone una preocupación aún mayor para los clientes. En este artículo hablamos de varios aspectos relativos a la inmunidad de los equipos e instalaciones, así como de áreas en las que se requiere un conocimiento adicional. La compatibilidad entre equipos o instalaciones y el suministro de energía eléctrica pueden mejorar de diferentes formas: alterndo la red de distribución; instalando equipos de mitigación en la interface entre el equipo sensible y la red; y mejorando el equipo o la instalación. En este artículo describimos la última forma de conseguirlo.

1) VALORACIÓN DE LA INMUNIDAD DE EQUIPOS Y PROCESOS

El impacto de las características de las bajadas bruscas de voltaje (magnitud, duración y otros) en la inmunidad del equipo puede ilustrarse de una forma cuantitativa.

Un concepto útil es el "tiempo de inmunidad del proceso". Se hace una dístinción entre fallos de equipos y fallos del proceso. Esta distinción permite una mejor valoración económica del impacto de la bajada del voltaje en las instalaciones industriales.

La economía que se consigue con la inmunidad ante las bajadas bruscas de voltaje es un hecho bien comprendido.

B) DESCRIPCIÓN DE LAS BAJADAS BRUSCAS DE VOLTAJE

Las dos medidas que caracterizan las bajadas bruscas de voltaje son el "voltaje residual" y la "duración". Ambas magnitudes se calculan del voltaje eficaz de un ciclo actualizado cada medio ciclo.

En casi todos los casos la caída del voltaje viene causada por un incremento de corta duración en la magnitud de corriente. Esta condición de sobrecorriente puede ocurrir debido a fallos del sistema de generación, o como resultado de una conmutación (por ejemplo, conexión) de una carga (típicamente un motor), o conmutación (por ejemplo conexión) de un componente de red (ej. un transformador). La bajada de voltaje que se produce por el arranque de un motor es diferente a la producida por un fallo.

Bajada de tensión en el segmento de transición

Las caídas de tensión por la conmutación/conexión de grandes componentes de suministro de energía y cargas del sistema contienen sólo un segmento de transición, que corresponde a la acción de conmutación. En caso de arranque del motor y energización del transformador, la corriente extraída de la alimentación mostrará un repentino incremento en el instante de la conmutación, seguido por una lenta declinación.

Las bajadas de voltaje debidas al arranque de motores trifásicos conectados directamente a grandes cargas exhiben la misma reducción en las magnitudes del voltaje y la misma pendiente de recuperación en los tres canales de voltaje (bajada de tensión equilibrada), mientras que la bajada debida a la energización del transformador mostrará diferentes magnitudes en diferentes canales (caída de voltaje desequilibrada). Las bajadas de tensión provocadas por la energización del transformador suelen estar asociadas a la distorsión de grandes armónicos.
La energización de condensadores también lleva a provocar eventos con un segmento de transición. Aunque no consideradas como caída del voltaje (debido a su corta duración), tienen el mismo impacto en el equipo sensible cuando cae el voltaje, y por lo tanto se considera durante el diseño y utilización del equipo de uso final.

Desequilibrio en redes trifásicas

Cuando se realizan mediciones en un sistema trifásico, la medición se realiza típicamente en tres canales de voltaje. Estos pueden ser voltajes fase-a-tierra, fase-a-neutro o voltajes fase-a-fase. La magnitud del voltaje y el ángulo de fase son típicamente diferentes en canales de voltaje distintos. Actualmente, no hay consenso general adoptado sobre cómo cuantificar estas diferencias. Varios métodos existen:

  • Usando una representación por fase de los eventos, basándonos en los voltajes en los tres canales individuales.  Usualmente, ya sean los voltajes de rms, o los voltajes complejos (ángulo de magnitud y fase) se usan para la caracterización de esta caída de voltaje y la clasificación con estos métodos.
  • Usando una clasificación de las caídas de voltaje en un número de tipos correspondientes a combinaciones típicas de magnitudes de voltaje y ángulos de fase debido al voltaje característico.
  • Contando el número de canales de voltaje en el que la magnitud del voltaje cae por debajo del umbral.
  • Usando componentes de voltaje positivo, negativo y de secuencia cero. Nuevamente, esto puede estar relacionado solamente con los cálculos de las magnitudes de voltaje, o voltajes complejos.
Distorsión de la forma de onda
En la mayoría de las bajadas bruscas de voltaje, las distorsiones de la forma de onda presentes en los segmentos de recuperación de voltaje y durante el evento son similares a las del segmento pre-evento. Hay algunas excepciones notables.

Las caídas de voltaje en la energización del transformador están asociadas con un alto nivel de la distorsión de la forma de onda en el segmento de la recuperación. Incluso los armónicos (especialmente segundo y cuarto) dominan inicialmente. Los cambios en el espectro de los armónicos cuando se recupera el voltaje, con el quinto armónico siendo el dominante en las últimas etapas. El voltaje del armónico segundo (expresado como un porcentaje en el voltaje nominal) puede alcanzar niveles similares a la caída experimentada en el voltaje de rms.



Respecto a los fallos causados por las caídas de voltaje puede ocurrir la saturación del transformador. En tales casos, el segmento de recuperación de voltaje exhibirá una distorsión de la forma de onda similar a la que ocurre durante la caída de energía en el transformador. Finalmente, algunos eventos de caídas de voltaje pueden originar transitorios de alta frecuencia en la forma de onda de voltaje instantáneo durante la caída de la frecuencia fundamental. Estos transitorios tienen generalmente corta duración y pueden tener carácter oscilatorio, usualmente representando oscilaciones amortiguadas que ocurren en la etapa inicial o final del evento de bajada de tensión.

Continua 2ª PARTE

Palabras clave: Voltage sag
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