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

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

 

(1ª PARTE)

Las características del suministro eléctrico y los problemas de calidad e inestabilidad tienen una fuerte influencia en el comportamiento de los motores. Los usuarios que soportan redes de distribución con problemas de calidad sufren en sus motores una serie de problemas que vamos a estudiar en detalle.

Nuestra experiencia en algunos países con problemas realmente grandes de calidad de suministro eléctrico indica que los usuarios no son realmente conscientes de cómo estos problemas están afectando al uso de sus equipos y las penalizaciones en coste que este problema conlleva.

Descripción del problema

El rendimiento de los sistemas de motor puede ser afectado por sistemas de distribución mal diseñados o con problemas de calidad de la energía eléctrica. Los problemas de calidad de la energía se expresan usualmente por desviaciones en voltaje, corriente, o frecuencia, y pueden causar problemas o fallos de operación en el equipo. Los sistemas de motores sofisticados de hoy emplean las más nuevas tecnologías tales como arrancadores suaves, variadores, y motores por pasos junto con controladores lógicos programables (PLC); estos sistemas de motores y otros similares son a menudo sensibles y están afectados por energía eléctrica de baja calidad.

La calidad de la energía eléctrica es una preocupación creciente en la industria conforme aumentan los procesos automatizados y cada vez más ordenadores se usan para controlar los equipos. Los equipos digitales deben a menudo sincronizarse o hacer reset después de una perturbación de energía, el problema de la generación de energía merece atención.

En algunos procesos, los problemas de calidad en la energía pueden suponer un coste importante. Por ejemplo, en los procesos de extrusión de plásticos hay riesgo de que los plásticos o resinas solidifiquen en el equipo de producción durante una interrupción del proceso. Limpiar el equipo de plásticos solidificados puede ser costoso y consumidor de tiempo. En procesos farmacéuticos y otros procesos sensibles al tiempo, lotes fijos pueden perderse si hay problemas de cortes eléctricos.

Los problemas principales asociados con el sistema de distribución y la calidad de la energía son los siguientes:

• Problemas de voltaje, incluyendo cortes de energía, transitorios y subidas de tensión, armónicos y distorsiones de señales.

• Pobre factor de potencia.

• Interferencia electromagnética.

Problemas de voltaje

Los problemas de voltaje son desviaciones de la forma de onda normal. Las consecuencias de los problemas con el voltaje son un rendimiento reducido y daños en el motor. Ya que los daños en el motor pueden interrumpir el proceso, sustituir el motor y quizás resincronizar el sistema completo, comprender las causas de los cortes de suministro puede prevenir costosos problemas de producción. Una causa común de sobredimensionamiento es dimensionar los motores para operar al 80 % del voltaje.

Interrupciones del suministro de energía eléctrica

Las interrupciones del suministro eléctrico pueden deberse a fallos internos o externos. Los fallos pueden causar pérdidas de energía momentánea y la corriente eléctrica se recupera rápidamente. Por ejemplo, el viento puede originar que una línea eléctrica contacte con una fuente de tierra, causando una condición de sobrecorriente que activa el interruptor de protección. Sin embargo, una vez se soluciona el fallo, el interruptor puede cerrarse y volver a suministra energía. Los apagones a largo plazo son usualmente el resultado de problemas de líneas, tales como líneas de distribución dañadas o el fallo catastrófico de un transformador o un interruptor.

Actualmente, la demanda supera a la capacidad de distribución en un número creciente de países. Es muy poco rentable para las compañías de generación construir infraestructuras que absorban los picos de consumo, y una de las estrategias que utilizan es suministrar energía por zonas para evitar sobrecargar la red. Este fenómeno es previsible vaya creciendo en el futuro y es muy perjudicial para los usuarios.

Sags

Un sag o hundimiento de voltaje tiene lugar cuando decrece la magnitud del voltaje entre un 10 % y un 90 % y puede durar entre medio ciclo y cinco minutos. Los sags de voltaje pueden estar causados por eventos tales como fallos creados por fallos del equipo, iluminación y contactos del equipo con árboles o vehículos. Los sags de de voltaje son a menudo causados por eventos en planta o actividades en instalaciones próximas que demandan grandes corrientes.

Los motores con grandes corrientes de arranque pueden crear sags de voltaje, especialmente si el motor es grande en relación al sistema de distribución. Los sags de voltaje pueden causar que dispositivos de protección tales como los relés se desenergicen, y pueden crearse problemas con el equipo de control de procesos. Las instalaciones con factores de bajo factor de potencia a menudo experimentan sags de voltaje causados por altos niveles de corriente en el sistema de distribución.

Los variadores de frecuencia variable con anchura de pulso modulada (PWM) a menudo tienen problemas con los sags. Si se conoce el problema pueden especificarse los variadores para adecuarse a la magnitud y duración de los sags esperados.

Sobretensiones y bajas tensiones

Los motores están diseñados para operar con un voltaje +/– 10 % del nominal. Sin embargo, incluso en ese rango, cambios en el voltaje pueden afectar al rendimiento, eficiencia y factor de potencia del motor. Idealmente, las desviaciones en el voltaje suministrado al motor serán +/– 2 %.

Cambios en el voltaje suministrado a los motores de inducción pueden afectar su rendimiento significativamente.

Por ejemplo, una disminución del 10 % en el voltaje suministrado a un motor hace que su par decrezca casi en un 20 %, y si se incrementa su capacidad nominal hace que el par crezca en un 20 %.

Otra consecuencia de los bajos voltajes es que al caer el voltaje se incrementa la corriente que demanda el motor para cumplir con sus necesidades. De hecho, muchos motores están equipados con un relé de protección frente a bajos voltajes que desenergizan el motor cuando se producen condiciones de bajo voltaje y así previenen los daños derivados de las altas corrientes.

A la inversa, incrementando el voltaje de un motor en un 10 % se incrementan algunas características de operación del motor, tales como su par. Sin embargo, el efecto del sobrevoltaje en la eficiencia del motor depende de la carga del motor. La eficiencia del motor puede incrementarse cuando el voltaje de la red sube en torno a un 10 % respecto a su voltaje nominal, pero en cargas parciales la eficiencia puede disminuir.

Las desviaciones de voltaje pueden ser causadas por alguno de los siguientes factores:

• Cambios en las cargas asociados con el momento del día o de la noche y operaciones estacionales.

• Transformadores asociados inapropiadamente.

• Conductores con sección insuficiente.

• Conexiones inadecuadas.

• Fuentes de factores de baja potencia en el sistema de distribución.

Estos problemas pueden ser causados por fuentes dentro de la planta o por el suministrador de energía. La mayoría de las distribuidoras de energía tienen normas de suministro al cliente, y un estándar típico es del +/– 5 %.

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