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El impacto del desbalance de voltaje

Si está utilizando sistemas trifásicos, debe tener en cuenta el desbalance de voltaje, uno de los problemas de energía eléctrica más comunes para las plantas industriales. Las posibilidades de que su planta tenga desbalances son altas cuando no tiene medidas para prevenirlos. Es ideal detectar desbalances antes de que causen daños graves a su equipo.

A continuación, averigüe qué son los desbalances de voltaje, qué los causa y cómo puede prevenirlos y hacer pruebas para proteger sus sistemas eléctricos.

¿Qué es el desbalance de voltaje trifásico?

Un sistema de energía trifásico es equilibrado o simétrico cuando los voltajes y corrientes trifásicos tienen la misma amplitud. Un sistema desbalanceado o desequilibrado significa que los voltajes de fase son desiguales.

Este desequilibrio mide la diferencia entre las fases de voltaje en un sistema trifásico. Este problema de energía eléctrica es común en las plantas de energía industrial o en cualquier planta que opere máquinas grandes con motores potentes.

Experimentar desbalance de voltaje puede afectar numerosos aspectos de sus operaciones, incluida la eficiencia del motor, los costos y los daños.

¿Qué causa el desbalance de voltaje?

ANSI C84.1declara: Los sistemas de suministro eléctrico deben diseñarse y operarse para limitar el desbalance de voltaje máximo al 3% cuando se mide en el medidor eléctrico en condiciones de no carga. Esto significa que es responsabilidad del usuario verificar la condición de desbalance del voltaje de su propia planta.

Cuando un voltaje está desequilibrado, a menudo se debe a la distribución de la carga del sistema. Estos desequilibrios pueden ocurrir en cualquier punto de un sistema, y los sistemas de energía desequilibrados pueden ocurrir por muchas razones. Estas son algunas de las causas más comunes del desbalance de voltaje:

  • Falta de simetría en las líneas de transmisión
  • Grandes cargas monofásicas, como hornos de arco o soldadores
  • Bancos de condensadores de corrección del factor de potencia defectuosos
  • Transformadores delta o estrella abiertos
  • Baja salida de par que causa tensiones mecánicas
  • Alta corriente en rectificadores y motores trifásicos
  • Desequilibrio de corriente que fluye en conductores neutros
  • Funcionamiento defectuoso del equipo de corrección del factor de potencia
  • Suministro de servicios públicos desequilibrado o inestable
  • Banco de transformadores desequilibrado que suministra una carga trifásica que es demasiado grande para el banco
  • Cargas monofásicas distribuidas de manera desigual en el mismo sistema de alimentación
  • Fallas monofásicas a tierra no identificadas
  • Conectores o contactores sueltos, corroídos y picados

Incluso las condiciones de la planta pueden causar o contribuir al desbalance de voltaje. Por ejemplo, los transformadores sobrecargados, los dispositivos de corrección del factor de potencia que funcionan mal, los controles cíclicos y los reactores desafinados pueden provocar desequilibrios. Incluso lo que está sucediendo en la planta de al lado o más arriba de la línea eléctrica podría afectar el desbalance de voltaje en sus instalaciones.

Efectos del desbalance de voltaje

El desbalance de voltaje puede ser perjudicial para los motores. Una diferencia en los voltajes de fase causa corrientes circulantes en motores trifásicos, lo que resulta en un desbalance de corriente de seis a 15 veces mayor que el desbalance de voltaje. La corriente adicional contribuye al aumento del calentamiento del motor, que puede ser severo con un desequilibrio lo suficientemente grande. Esta temperatura más alta del motor degrada el aislamiento circundante, acortando la vida útil del motor y provocando el agotamiento del motor.

Otros efectos del desbalance de la corriente y el voltaje incluyen el aumento de la pulsación, la tensión mecánica, la vibración y las pérdidas. Además, son comunes los problemas de mantenimiento como los contactos desgastados y las conexiones sueltas. Estos problemas pueden hacer que un motor funcione ruidosamente, funcione a temperaturas elevadas y falle prematuramente.

Además, el desbalance de voltaje eliminará la proporción de la corriente de bobinado del rotor bloqueado, que ya es relativamente alta, la velocidad de carga completa se reducirá ligeramente y el par se reducirá. Si el desequilibrio de voltaje es lo suficientemente grande, la capacidad de par reducido podría no ser adecuada para la aplicación y el motor no alcanzará su velocidad nominal.

La norma NEMA MG-1 establece que los motores polifásicos funcionarán con éxito en condiciones de funcionamiento a carga nominal cuando el desbalance de voltaje en los terminales del motor no exceda del 1%. Además, no se recomienda el funcionamiento de un motor con una condición de desequilibrio superior al 5% y probablemente resultará en daños al motor.

Aunque generalmente no es deseable, otra acción correctiva puede degradar un motor. Cuando el desbalance de voltaje excede el 1%, se debe reducir la potencia del motor para que funcione con éxito. La curva de reducción, que se muestra a continuación, indica que en el límite del 5% establecido por NEMA para el desbalance, un motor se degradaría sustancialmente, a solo alrededor del 75% de su clasificación de caballos de fuerza de la placa de datos.

El desbalance de voltaje puede ser perjudicial para los convertidores de CC de 3 fases utilizados en los variadores de frecuencia (VDF). Los variadores de frecuencia (VDF) problemáticos que tienen disparos molestos, que muestran todos los signos de sobrecarga del circuito, aunque las mediciones muestren lo contrario, pueden tener corrientes de fase desequilibradas. Las corrientes de línea del VDF pueden desequilibrarse mucho debido a la corriente excesiva en una o dos fases. Esto sucede a pesar de que la corriente promedio de las tres fases está muy por debajo de la calificación actual del VDF.

El extremo frontal de los VDF utiliza una disposición de diodos de alta potencia para convertir la potencia de entrada de CA trifásica para crear el bus de CC como un depósito para la sección del inversor de potencia. La corriente a través de la sección del rectificador de entrada se extrae en pulsos. Idealmente, el flujo de corriente a través de cada diodo se divide por igual, sin embargo, el desbalance de voltaje suministrado a la entrada del VDF causa desigualdad de potencia a través de los diodos individuales, lo que resulta en una falla prematura y frecuente de los diodos de potencia. La salida desequilibrada de corriente de los diodos creará un mayor contenido armónico. A medida que los pulsos de salida se vuelven más desequilibrados, los armónicos de corriente triplicados también aumentarán.

¿Por qué es esto importante?

Las razones más evidentes para preocuparse por el desbalance de voltaje son la disminución de la eficiencia y el rendimiento del motor, que afectan la rentabilidad de su empresa. La eficiencia de cualquier motor variará dependiendo de factores como el tipo de aplicación, la carga y el voltaje de alimentación.

Operar con una fuente de alimentación con desbalance de voltaje más grande aumentará las pérdidas de I2R, es decir, la resistencia de la corriente al cuadrado, en el rotor y el estator, lo que significa que una mayor parte de la potencia suministrada se convertirá en calor y menos en trabajo. El motor funcionará más caliente y, en consecuencia, menos eficientemente. Tenga en cuenta que el aumento de las pérdidas del rotor aumentará el “deslizamiento”, por lo que el motor girará más lentamente y hará menos trabajo en un tiempo determinado.

La ecuación básica de Arrhenius establece que la tasa química se duplica por cada aumento de temperatura de 10 grados Centígrados. Al aplicar esta ecuación al aislamiento de los motores, es fácil ver que cualquier aumento de temperatura reducirá drásticamente la vida útil del motor. La siguiente tabla muestra los efectos de la temperatura de bobinado resultante del desbalance de voltaje.

A medida que los desbalances dañan su equipo, su planta experimentará tiempo de inactividad ya que los motores no funcionan tan eficientemente como deberían. Además del dinero perdido durante el tiempo de inactividad, sus motores dañados requerirán costosos reemplazos o reparaciones.

Cómo prevenir un sistema de energía desbalanceado

Para evitar el desbalance de voltaje, las cargas deben distribuirse equitativamente en las fases de un tablero de paneles. Cuando una fase se carga más que las otras, el voltaje en esa fase será bajo, lo que resultará en desbalance. La distribución uniforme de sus cargas ayuda a evitar que una fase se sobrecargue.

Comprender las causas del desbalance le ayuda a usted y a sus técnicos a buscar los signos y trabajar para prevenirlos. La mejor manera de prevenir desequilibrios es probar los desbalances de voltaje y determinar qué podría estar causándolo. Incluso si hay un ligero desequilibrio en algún lugar del sistema, probarlo ahora podría ayudarlo a detectarlo antes de que los efectos sean dañinos. El instrumento de prueba ATPOL III™ Análisis de la Firma Eléctrica (ESA – Energized Electrical Signature Analysis) con el software ATPOL 8.0 que lo acompaña puede medir y calcular de forma rápida y precisa el desbalance de voltaje suministrado a estos caballos de potencia de la industria como parte de las pruebas rutinarias de motores energizados que toman menos de 1 minuto. El software ATPOL 8.0 calcula el % de desbalance de voltaje y proporciona el factor de reducción al voltaje apropiado.

 

El instrumento portátil ATPOL III™ se puede conectar rápidamente utilizando un conector especial preinstalado ALL-SAFE© o utilizando TC´s y sondas de voltaje extraíbles en cualquier controlador de motor o punto de desconexión de fácil acceso. Para proporcionar protección adicional a los VDF´s cada vez más populares, incluso pueden probar la potencia de entrada a estos costosos controladores para garantizar que las condiciones del desbalance de voltaje que pueden conducir al desbalance de corriente a través de las secciones rectificadoras no estén presentes.

Cómo calcular el desbalance de corriente

Para calcular manualmente el porcentaje de un voltaje desequilibrado, primero debe determinar la corriente o voltaje promedio y la desviación más grande. Luego, dividirá la desviación por el voltaje promedio y multiplicará ese número por 100 para obtener su porcentaje.

 

El porcentaje de desbalance de voltaje:                                         

Por ejemplo:

V1 = 469

V2 = 478

V3 = 461

Voltaje promedio = 469.33

V2 tiene la desviación máxima 8.66667

% VUB = 100(8.66667/469.33) = 8.67%

 

El ATPOL III™ es la herramienta ideal para agregar a su caja de herramientas de mantenimiento predictivo para pruebas de motores energizados. La realización rutinaria de una prueba de motor ESA utilizando ALL-SAFE PRO© permite a las plantas realizar rápidamente una inspección completa de todo el sistema del motor.

 

El ATPOL III utiliza el voltaje y la corriente del motor para acceder a:

  • La condición de la energía entrante
  • La condición eléctrica y mecánica del motor y el desbalance
  • Desalineación
  • Condiciones del rodamiento
  • Soltura
  • Roces de la carga
  • Anomalías en el proceso, como cavitación

 

 

 

Las mediciones portátiles se pueden realizar fácilmente desde cualquier motor que cuente con las cajas de conexión ALL-SAFE, usando TC´s portátiles, tipo pinza o flexibles.

El ATPOL III™ realiza una captura de datos simultánea de las tres fases de voltaje y corriente para crear los gráficos, tablas y pantallas para utilizar la calidad de la energía como una herramienta de mantenimiento predictivo necesaria para colocar su instalación en la cima de las industrias de clase mundial. Utilice el desbalance de voltaje para predecir fallas prematuras del aislamiento del devanado para determinar la reducción de la vida útil del motor causada por el desbalance de voltaje.

Pruebe con precisión sus motores con ALL-TEST PRO

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