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jueves, 19 de noviembre de 2015

Efectos de las perturbaciones de tensión en la alimentación de motores




Motores asíncronos

Actualmente, más de la mitad de la energía consumida en la industria es utilizada por los motores asíncronos, de aquí la importancia de su comportamiento frente a las perturbaciones relacionadas con su alimentación.

Huecos de tensión

Al ser el par motor proporcional al cuadrado de la tensión, ante la aparición de un hueco de tensión, sufre una fuerte disminución que provoca su ralentización. Esta disminución de velocidad es función de la amplitud y la duración del hueco, depende fundamentalmente de la inercia de las masas y la característica par-velocidad de la carga arrastrada. Si el par que el motor desarrolla pasa a ser inferior al par resistente, el motor se va parando según su inercia.

Pasado el hueco de tensión, el retorno de la tensión produce una solicitación de corriente de reaceleración próxima a la intensidad de corriente de arranque, cuya duración depende de la duración del corte.

Cuando en la instalación existen muchos motores, cada motor absorberá una corriente próxima a su corriente de arranque a plena tensión. Esta fase de reaceleración no implica a priori graves consecuencias excepto si los motores representan una gran parte de la potencia del juego de barras o de la instalación. En tal caso, la suma de las puntas de corriente de todos los motores en el momento del rearranque pueden provocar el disparo de las protecciones.

Estas sobreintensidades también pueden provocar caídas de tensión en las impedancias aguas arriba (en particular en los transformadores), haciendo que el retorno al funcionamiento normal sea muy difícil  (pequeña diferencia entre el par motor y resistente, causando un rápido sobrecalentamiento) o incluso imposible (el par motor fuertemente disminuido pasa a ser menor que el par resistente).

Cortes breves

La anulación total de la tensión de alimentación no suprime inmediatamente la tensión en los terminales del motor. En efecto, el flujo almacenado en el rotor no puede anularse instantáneamente. El campo giratorio creado por el rotor induce en el estator una tensión “remanente” cuya amplitud disminuye exponencialmente (constante de tiempo igual a algunas décimas de segundo). La frecuencia de esta tensión disminuye con la velocidad de rotación.

La realimentación rápida (~ 150 ms), sin ningún tipo de precaución, de un motor asíncrono que está perdiendo velocidad puede llevar a una conexión en oposición de fase entre la tensión de la fuente y la tensión residual mantenida por los motores asíncronos. En este caso la primera cresta de corriente puede alcanzar hasta tres veces la corriente de arranque (15 a 20 In).

Estas sobreintensidades y las caídas de tensión que ellas producen tienen consecuencias graves para el motor:

  • Aumento del calentamiento y esfuerzos electrodinámicos en los arrollamientos que pueden causar la rotura del aislamiento,
  • Variaciones bruscas del par pueden conducir a esfuerzos mecánicos anormales (particularmente en los acoplamientos y en los reductores, que provocan su envejecimiento prematuro e incluso su rotura).
  • Las sobreintensidades pueden provocar el disparo de las protecciones generales de la instalación, lo que provocará la parada de todo el proceso.
La manera de evitar este riesgo es instalar una protección de mínima tensión remanente.

Desequilibrios de tensión

Las cargas monofásicas no equilibradas en las fases y los receptores trifásicos no funcionan de forma simétrica (hornos de resistencias, máquinas de soldar, calderas…) creando desequilibrios de tensión.
El valor de cada fase en un sistema de tensiones desequilibradas viene dado por el vector suma de las componentes de secuencia directa, inversa y homopolar.

Cuando las tensiones de línea que alimentan al motor no están equilibradas se origina igualmente un desequilibrio en la corriente del estator. El efecto de estas tensiones desequilibradas en el motor equivale a introducir una “tensión de secuencia inversa”. Los sistemas inversos crean campos giratorios cuya rotación es opuesta al giro del rotor. Por tanto, en presencia de un sistema de tensión inversa, el estator induce en el rotor corrientes de frecuencia doble a la frecuencia de la red. Estas corrientes causan sobrecalentamientos y pares pulsantes que pueden provocar esfuerzos mecánicos y ruidos anormales.

Se puede añadir que la presencia de estas corrientes inducidas en el rotor tiene por efecto reducir las tensiones desequilibradas de la red; la máquina se comporta, por tanto, como un compensador de desequilibrios.

El sistema homopolar no ejerce ninguna influencia porque la impedancia homopolar del motor es infinita (acoplamiento en triángulo o estrella con neutro no conectado a tierra).

Las normas IEC 60034-2, NEMA MG1-1993 indican el factor de desclasificación de la potencia nominal de los motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla en función de la tasa de desequilibrio de tensión (ver figura 1).


La tasa de desequilibrio en tensión está definida por la relación siguiente:





Figura 1: Desclasificación de la potencia nominal de los motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla en función de la tasa de desequilibrio de tensión

Según las normas citadas, el desequilibrio de tensiones no debe ser mayor a 2%.

Armónicos de tensión

En presencia de tensiones armónicas, los motores están sometidos a pérdidas adicionales y pares pulsantes.

Pérdidas Joule

Son proporcionales al cuadrado del valor eficaz de la corriente:


Las corrientes armónicas generadas por las tensiones armónicas de la fuente aumentan, por tanto, las pérdidas Joule.

 ● Pérdidas en el hierro

Están compuestas por las pérdidas por corrientes de Foucault y las pérdidas por histéresis de la inducción magnética.

Las pérdidas por corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia mientras que las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia. Los armónicos de tensión de alta frecuencia causan pérdidas muy importantes en el hierro.

● Pares pulsantes o resistentes

Las tensiones armónicas crean corrientes armónicas. Estos crean campos giratorios a diferentes velocidades que los motores de 50 Hz que crean pares del motor o pares resistentes a diferentes frecuencias de 50 Hz. Esto conduce a vibraciones que pueden causar problemas mecánicos y ruidos anormales. El rotor se somete a pérdidas por efecto Joule suplementarias disminuyendo el rendimiento mecánico del motor.

Regla de utilización

La norma IEC 60034-26 coincidente con la NEMA MG1 impone a los motores de corriente alterna poder funcionar bajo una tensión de alimentación cuyo factor armónico de tensión (HVF, siglas del inglés Harmonic Voltage Factor) satisfaga la relación siguiente:

HVF £ 2%

El HVF se calcula a partir de la siguiente fórmula:


Dónde:
n = orden del armónico impar, no incluye los de orden 3 y sus múltiplos.
Vn = valor en p.u. de la magnitud del armónico de voltaje de orden n.

La norma precisa que en general, es suficiente considerar los armónicos de rango <=13

Ejemplo:

Si las tensiones de línea contienen los armónicos de tensión en p.u. siguientes: 0,15, 0,08, 0,050 y 0,040 para los armónicos de orden 5, 7, 11 y 13 respectivamente, el valor del HVF sería:


Efectos del HVF sobre la potencia

El incremento de las pérdidas contribuye a un incremento de la temperatura del motor,  por lo tanto para evitar el sobrecalentamiento, la potencia nominal del motor debe ser reducida de tal forma que la temperatura del aislamiento no sobrepase su clase térmica.

Según la Norma NEMA MG1.1993 Parte 30, para desclasificar la potencia nominal del motor se debe de encontrar el factor de desclasificación en función del HVF, como se indica en la Figura 2.


Figura 2: Desclasificación de la potencia nominal en función del HVF

Se considera que el HFV (Harmonic Voltaje Factor) no debe ser mayor a 0.05

Efectos del HVF sobre el rendimiento del motor

Las pérdidas generadas en los bobinados del motor por los armónicos de corriente cuando el motor funciona alimentado con armónicos de tensión, reducen su eficiencia según la siguiente expresión en función del factor de desclasificación:


Siendo:
η   : rendimiento del motor alimentado con tensión senoidal.
ηc : rendimiento del motor cuando el voltaje aplicado tiene armónicos.
FD: Factor de desclasificación


Variaciones de tensión

En la tabla 1 se indican las repercusiones que se producen en los motores asíncronos trifásicos ante variaciones de tensión del + 10%, +20% y -10%.



Tabla 1: Efectos de las variaciones de tensión en motores asíncronos trifásicos


Motores síncronos

Huecos de tensión y cortes breves

Los efectos son aproximadamente iguales que en el caso de los motores asíncronos. Sin embargo, los motores síncronos pueden soportar huecos de tensión más importantes (del orden del 50%) sin perder apenas velocidad, debido a que:

  • El par es proporcional a la tensión ( y no al cuadrado de la tensión),
  • La capacidad de sobreexcitar la máquina favorece el retorno a su funcionamiento normal (dentro de los límites de la capacidad de la alimentación del rotor),
  • Su inercia es mayor porque tiene una masa más elevada
Por el contrario, en caso de pérdida de sincronismo, el motor se para, y hay que volver a realizar todo el proceso de arranque, que es bastante complejo y lleva un tiempo considerable.

● Armónicos y desequilibrios de tensión

Estas perturbaciones tienen las mismas consecuencias que para los motores de asíncronos; dan lugar particularmente a sobrecalentamientos localizados principalmente en los amortiguadores.

Además, las corrientes inducidas en el rotor causan interferencias en la medida de la corriente del rotor, lo que origina un mal funcionamiento del controlador del factor de potencia.

REFERENCIAS:

IEC: Rotating Electrical Machines: Part 26 (IEC 60034-26) Effects of Unbalanced Voltages on the Performance of Induction Motors,
NEMA: Standard Publications No. MG1-1993. Motors and Generators, Published by National Electrical Manufacturers Association,
Cuaderno Técnico Schneider nº 161
Efectos del Desbalance y los Armónicos de Voltaje en la Operación de los Motores de Inducción (Enrique Ciro Quispe Oqueña),

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