11 octubre 2012

Modelando y ensayando cargas desequilibradas y regulando voltajes (1ª PARTE)




Los voltajes desequilibrados son valores de voltaje desiguales en los circuitos trifásicos que pueden existir en un sistema de distribución de potencia. Los voltajes desequilibrados pueden causar problemas serios, particularmente a los motores y otros dispositivos inductivos.. Los circuitos de voltaje perfectamente equilibrados no son posibles en el mundo real. Sin embargo, asumiendo que son posibles voltajes perfectamente equilibrados, los voltajes de los circuitos de los ramales en una alimentación de 480/277 voltios serán exactamente 277 V medidos en cada conductor de fase de salida en el transformador de alimentación. Típicamente, estos voltajes pueden diferir en unos pocos voltios o más. Cuando los voltajes difieren excesivamente pueden ocurrir problemas.

Los voltajes desequilibrados usualmente ocurren debido a variaciones en la carga. Cuando la carga en una o más fases es más diferente que otros, aparecerán voltajes desequilibrados. Esto puede ser debido a diferentes impedancias, o tipo y valores de carga en cada fase. Esencialmente, el desequilibrio de corriente resultante es causado no sólo por el desequilibrio de voltaje sino también por la impedancia del sistema, la naturaleza de las cargas causando el desequilibrio, y la carga de operación en el equipo, particularmente motores. Single-phasing, que es la pérdida completa de una fase, es la condición de desequilibrio de voltaje último en un circuito trifásico.

El desequilibrio de voltaje se define por National Electrical Manufacturers Association (NEMA) in its Motors and Generators Standards (MG1) part 14.35 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 voltaje es igual a:

NEMA afirma que los motores polifásicos operarán con éxito bajo condiciones de funcionamiento a carga nominal cuando el desequilibrio de voltaje en los terminales del motor no excede del 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 de voltaje del 5 % no se recomienda, y probablemente el motor se dañará.

Algunas de las causas más comunes de voltajes desequilibrados son:
  • Suministro de energía desequilibrado.
  • Posicionamiento de las tomas del transformador desiguales.
  • Transformador de distribución monofásico grande en el sistema.
  • Fase abierta en el primario del transformador trifásico en el sistema de distribución.
  • Fallos en tierra en el transformador de potencia.
  • Bancos de transformador conectados en triángulo abierto.
  • Un fusible quemado en un banco trifásico de condensadores de mejora del factor de potencia.
  • Impedancia desigual en conductores del circuito de suministro de energía.
  • Distribución desequilibrada de cargas monofásicas tales como la iluminación.
  • Cargas monofásicas reactivas pesadas tales como soldadura.

Los síntomas más comunes de voltajes desequilibrados son los efectos perjudiciales que imponen en los motores eléctricos. Son también perjudiciales los efectos en los circuitos de suministro de potencia, transformadores, y generadores. Los voltajes desequilibrados en los terminales de los motores causan 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 del 1 %, entonces el desequilibrio de corriente estará entre el 6 % y el 10 %. Esto origina una sobrecorriente que da como resultado un excesivo calentamiento y acortamiento de la vida del motor, eventualmente el motor puede quemarse.

Otros efectos en los motores son que la corriente del devanado del estator de rotor bloqueado (ya relativamente alta) estará proporcionalmente desequilibrada respecto al desequilibrio de voltaje, la velocidad a plena carga se reducirá ligeramente, y el par se reducirá. Si el desequilibrio de voltaje es bastante grande, la capacidad del par reducida puede no ser adecuada a la aplicación y el motor no alcanzará la velocidad nominal.

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

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

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

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