Motores desequilibrados y motores eléctricos

Los voltajes desequilibrados son valores de voltaje desiguales que pueden existir en cualquier punto de un sistema de distribución. Los voltajes desequilibrados pueden causar serios problemas serios problemas, particularmente en motores y otros dispositivos inductivos. Los circuitos de voltaje perfectamente equilibrado no son posibles en el mundo real. Sin embargo, asumiendo que son posibles voltajes perfectamente equilibrados, los voltajes de un circuito de ramales en un suministro de 480/277 V sería exactamente 277 V medido en cada conductor de fase en el transformador de alimentación. Típicamente, estos voltajes pueden diferir en unos pocos voltios o más. Es cuando los voltajes difieren excesivamente que vienen los problemas.

Los voltajes desequilibrados usualmente ocurren debido a variaciones en la carga. Cuando la carga en una o más fases es diferente a las otras, aparecerán voltajes desequilibrados. Esto puede ser debido a diferentes impedancias, o tipo y valor de carga en cada fase. Esencialmente, el desequilibrio de corriente resultante viene causado no solamente por el desequilibrio del sistema sino también por la impedancia del sistema, la naturaleza de las cargas que causan desequilibrio, y la carga de operación del equipo, particularmente motores. La pérdida de una fase, que es la condición de desequilibrio de voltaje última para un circuito trifásico.

The National Electrical Manufacturers Association (NEMA) in its Motors and Generators Standards (MG1) part 14.35 define el desequilibrio de voltaje de la siguiente forma:

El siguiente ejemplo ilustra la fórmula. Con voltajes línea-a-línea de 460, 467 y 450, el promedio es 459, la desviación máxima del promedio es 9, y el desequilibrio de porcentaje es igual a:

NEMA afirma que los motores polifásicos operarán con éxito bajo las condiciones de funcionamiento a la carga nominal cuando el desequilibrio de voltaje en los terminales del motor no excede el 1 %. Nótese que el desequilibrio porcentual calculado en la fórmula anterior no es aceptable. Además, la operación de un motor con una condición de desequilibrio por encima de un 5 % no es recomendada, y probablemente resultará en el daño al motor.

Algunas de las causas más comunes de voltaje de desequilibrio son:

·         Suministro de alimentación entrante desequilibrado.

·         Configuración de las tomas del transformador desiguales.

·         Transformador de distribución monofásica grande en el sistema.

·         Fase abierta en el primario de un transformador trifásico en el sistema de distribución.

·         Fallos o tierras en el transformador de potencia.

·         Delta abierto conectado a los bancos del transformador.

·         Fusible en un banco de condensadores trifásico para la mejora del factor de potencia.

·         Impedancia desigual en los conductores del cableado de alimentación de potencia.

·         Distribución desequilibrada de cargas monofásicas tales como la iluminación.

·         Cargas monofásicas reactivas tales como soldadores.

El síntoma más común de voltajes desequilibrados son los efectos perjudiciales que imponen a los motores eléctricos. También son dañinos los efectos del cableado de alimentación, transformadores y generadores. Los voltajes desequilibrados en los terminales del motor causan un desequilibrio de fase que va de 6 a 10 veces el desequilibrio de voltaje porcentual de un motor completamente cargado. Como ejemplo, si el desequilibrio de voltaje es un 1 %, entonces el desequilibrio de corriente puede ser del 6 al 10 %. Esto causa sobrecorrientes resultando en un excesivo calor que acorta la vida del motor, y de aquí, agotamiento de motor eventual.

Otros efectos en los motores son que la corriente del devanado del estator del rotor bloqueado (ya relativamente alta) tendrán un desequilibrio proporcional al desequilibrio de voltaje, la velocidad a plena carga será reducida ligeramente, y el par se verá reducido. Si el desequilibrio de voltaje es lo bastante grande, la capacidad del par reducida puede no ser adecuada para la aplicación y el motor no alcanzará la velocidad nominal.

La siguiente tabla ilustra los efectos del desequilibrio de voltaje en un motor eléctrico de 5 HP, trifásico, 230 V, 60 Hz, 1725 rpm y factor de servicio 1.

Características	Rendimiento
Voltaje promedio	230	230	230
Voltaje desequilibrado en porcentaje	0,3	2,3	5,4
Corriente desequilibrada en porcentaje	0,4	17,7	40
Elevación en ºC de la temperatura	0	30	40

Un efecto más perjudicial es que la vida del aislamiento del devanado es aproximadamente la mitad por cada 10 ºC de incremento de la temperatura del devanado. El desequilibrio del 5,4 % mostrado en la tercera columna dará como resultado una vida esperada de sólo 1/16 de lo normal debido a la elevación de 40 ºC adicional, una reducción sustancial e inaceptable. Un motor con un factor de servicio de 1,15 típicamente puede resistir un desequilibrio de alrededor del 4,5 % probado que no opera por encima de la potencia nominal. En este caso el 5,4 % de desequilibrio es excesivo incluso para un motor de factor de servicio de 1,15.

Un motor a menudo continúa operando con voltajes desequilibrados; sin embargo, su eficiencia se reduce. Esta reducción de eficiencia se debe tanto al incremento de la corriente (I) como al incremento de resistencia (R) debido al calentamiento. El incremento en la resistencia y la corriente contribuyen a un incremento exponencial en el calentamiento del motor. Esencialmente, esto significa que cuando las pérdidas resultantes aumentan, el calor se intensifica rápidamente. Esto puede originar una condición de elevación de calor no controlable que resulta en un rápido deterioro del devanado y posterior fallo.

La operación monofásica de un motor debido a que el personal de mantenimiento cree que tienen que proporcionar tal protección sólo para encontrar que su protección no trabaja. La operación monofásica de un motor trifásico causará un calentamiento debido a una corriente excesiva y a una disminución de la capacidad de salida. Si el motor está en o cerca de plena carga cuando ocurre una pérdida de fase, nos se desarrollará el par nominal y por lo tanto puede llegar a pararse. La condición de parada genera una tremenda cantidad de corriente y calor dando como resultado una elevación de la temperatura excesivamente rápida. Si la protección del motor no es adecuada, el devanado del estator puede caer, y el rotor de jaula de ardilla puede dañarse o destrozarse.

Un problema particularmente complejo es el caso de múltiples motores de diferentes potencias en un circuito que ha sido monofásico. Frecuentemente, uno de los motores genera la tercera fase perdida actuando como convertidor rotatorio. La diferencia clave es que el convertidor comercial usa condensadores para arrancar, y ajustar el equilibrio de la tercera fase intencionalmente generada para una operación apropiada. Consideremos, por ejemplo, el caso de un gran motor operando en modo monofásico pero transportando menos que la carga nominal de tal forma que su corriente es lo bastante baja de forma que no dispare su protección contra sobrecorriente. Si hay motores más pequeños operando cerca de su carga nominal en el mismo circuito, son propensos a un rápido fallo debido a aproximadamente un 10 % de subvoltaje. El voltaje de fase se reducirá más si la carga en el motor más grande se incrementa, haciendo que la situación sea más severa para todos los motores, tanto grandes como pequeños.

El primer paso en el ensayo de los voltajes desequilibrados es medir los voltajes línea-a-línea en los terminales de la máquina. También debe medirse la corriente en cada fase de alimentación debido a que el desequilibrio de corriente es a menudo alrededor de 6 a 10 veces mayor que el desequilibrio de voltaje. Debe sospecharse la caída de una fase cuando un motor comienza a fallar. Esta condición puede ser fácilmente controlada midiendo la corriente en cada fase del circuito. Una fase en este caso llevará corriente cero.

El desequilibrio de fase causado por una distribución de carga excesivamente desigual entre fases puede ser corregida por la reconexión de cargas monofásicas y redistribuyéndolas tan cerca de una condición equilibrada como sea posible.

Un regulador de voltaje automático (AVR) puede usarse para corregir sub-voltaje y sobre-voltaje, además de desequilibrio de voltaje. Como dispositivo activo, el AVR automáticamente compensa todas las fluctuaciones de voltaje, probado que el voltaje de entrada al AVR está dentro de su rango de magnitud y velocidad de ajuste. Aunque están disponibles AVRs de alta potencia, usualmente es más factible instalar unidades más pequeñas para los distintos circuitos a proteger.

Pueden usarse relés de protección especiales para detectar el desequilibrio de voltaje, y proteger el equipo de los efectos de degradación del desequilibrio. Los relés de desequilibrio usualmente son de tipo microprocesador y están disponibles con numerosas características. Típicamente, estos dispositivos son pequeños, relativamente baratos, de reset manual o automático, y ofrece un tiempo de disparo programable y un ajuste límite. También pueden ser conectados para activar una alarma, disparo de un circuito, o ambos cuando el desequilibrio excede un límite predeterminado. Adicionalmente, estos relés versátiles pueden ser adaptados en un circuito de control de motor o cualquier porción de un sistema de distribución de potencia.

Otro tipo de relé de protección, el relé de voltaje de secuencia negativa, puede detectar una pérdida de fase, un desequilibrio de voltaje de fase, y la inversión de la rotación de la fase de alimentación. Estos relés sienten anomalías sólo aguas arriba de su localización en un circuito. Por lo tanto este tipo de relé no será capaz de detectar un problema interno en un motor u otra carga aguas abajo. Asimismo, algunos tipos de relés proporcionan sólo protección limitada en circunstancias específicas.

Palabras clave:

·         Automatic voltaje regulator (AVR)