El sistema trifásico ideal está conformado por tres tensiones alternas de igual amplitud y frecuencia que presentan una diferencia de fase entre ellas de 120° eléctricos, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las tensiones monofásicas se corresponde a un fase.
Un sistema trifásico de tensiones se dice que es equilibrado, ó balanceado, cuando sus tensiones tienen magnitudes iguales y están desfasadas 120º; caso contrario se dice que el sistema tiene Desbalance de Tensión (y/o Desbalance de Corriente).
Al diseñar un sistema eléctrico, se busca el minimo desbalance posible entre las fases (el balance cero es prácticamente imposible), sin embargo a medida que la operación del sistema avanza, se incorporan ó desincoporan cargas (principalmente monofásicas), y/ó cambia la simultaneidad de operación de las mismas, el sistema pierde dicho balance.
Es por ello que el desbalance no debe subestimarse, y mas bien atenderlo tan pronto como es posible. Es necesario hacer revisiones frecuentes para validar que se mantiene el mínimo desbalance y así mantener un sistema eficiente y óptimo, y evitar perdidas de energía y de dinero.
A continuación presentamos diferentes aspectos relacionados al desbalance de tensión y corriente, que ayudan a la comprensión del concepto, la regulación existente, cómo medirlo y cómo mejorarlo:
1. Sistema trifásico balanceado y desbalanceado.
2. Normatividad (Código de RED), Medición y Recomendación.
3. Causas y efectos del desbalance de tensión.
4. Causas y efectos del desbalance de corriente.
5. Cómo mejorar el desbalance?
1. Sistema trifásico balanceado y desbalanceado
Un sistema trifásico está balanceado cuando:
Los fasores de la fundamental de las fases (tensión o corriente) tienen igual magnitud, y
Los ángulos de desfasaje entre las fases son iguales a 120 grados eléctricos.
Un sistema trifásico está desbalanceado cuando:
Los fasores de la fundamental de las fases (tensión o corriente) no tienen igual magnitud, y/o
Los ángulos de desfasaje entre las fases no son iguales a 120 grados eléctricos.
2. Normativa, Medición y Recomendación
NORMATIVA: La normativa internacional IEC 61000-4-30, la recomendación IEEE 1159 2019 y Código de RED (en su referencia a la Especificación CFE L0000-45) especifican el método de las “Componentes Simétricas (Teorema de FORTESCUE)” para la determinación del desbalance (tensión y corriente). Esto requiere conocer las magnitudes y ángulos de desfasajes del fasor de cada fase del sistema trifásico. Bajo ciertas condiciones del sistema trifásico, el método de la “Desviación Máxima del Promedio” (mencionado por NEMA e IEEE) podría utilizarse.
El Código de Red, haciendo referencia a la Especificación CFE L0000-45, establece en la Tabla 3.8.E el Desbalance Máximo de Corriente permitido. La Tabla 6 (CFE L0000-45) muestra el Desbalance Máximo de Tensión exigido por CFE.
MEDICIÓN: En la determinación del desbalance se debe usar instrumentación normalizada (IEC 61000-4-30) Clase A o Clase S (antes Clase B). El instrumento debe registrar los 6 parámetros requeridos (3 magnitudes y 3 desfases) y realizar el cálculo del desbalance (Componentes Simétricas).
RECOMENDACIÓN: A la gerencia de planta, se recomienda el uso de instrumentación fija (monitores) que registre el desbalance, y otros parámetros, con la finalidad de detectar cualquier desviación a tiempo. Luego, con la periodicidad que el sistema de gestión especifique, contratar una medición externa (auditoria) con instrumento Clase A, para registrar los parámetros eléctricos, y constatar la calidad de energía actual con las conclusiones y recomendaciones a que diese lugar.
3. Causas y efectos del desbalance de tensión
CAUSAS DEL DESBALANCE DE TENSIÓN:
El proveedor de energía entrega en el PCC un voltaje desbalanceado.
Ajustes de los Tap´s del transformador en posiciones desiguales.
Problemas en el banco de capacitores (capacitores defectuosos).
Desbalance de corriente proveniente de las cargas.
Asimetrías en la red de suministro (líneas de transmisión / distribución, no transpuestas).
Otras.
EFECTOS DEL DESBALANCE DE TENSIÓN:
Desbalance de corriente.
Incremento de las pérdidas en motores asíncronos.
Corrientes desbalanceadas en el estator de los motores asíncronos (inducción). Un pequeño desbalance de voltaje resultará en un mayor desbalance de corriente y como consecuencia un incremento de temperatura afectando la vida útil del motor. Según la normativa NEMA MG-1 14.36, el desbalance de voltaje originará un desbalance de corriente del 6 al 10 % en motores asíncronos.
Según se establece en la recomendación IEEE 1159-2019, un desbalance de 3,5 % en tensión puede resultar hasta un 25 % de aumento de la temperatura en algunos motores.
4. Causas y efectos del desbalance de corriente
CAUSAS DEL DESBALANCE DE CORRIENTE:
Cargas monofásicas no equilibradas en el sistema.
Desbalance de tensión.
Líneas (conductores) con impedancias diferentes.
Equipos trifásicos con diferencia en las impedancias de sus fases.
Otras.
EFECTOS DEL DESBALANCE DE CORRIENTE:
Activación inesperada de protecciones trifásicas
Calentamiento irregular en transformadores, conductores y terminales de conexión.
Aumento de las pérdidas debido al calentamiento.
Incumplimiento de normativa que regula a los centros de carga, p.e. el Código de RED, y CFE (L0000-45), en México.
Ineficiencia en el consumo energético (la Demanda Máxima se calcula en base a la fase con el mayor consumo de corriente)
Aumento de la corriente por el conductor neutro.
5. Cómo mejorar el Desbalance ?
Como hemos visto, eliminar el desbalance es prácicamente imposible, por lo que buscamos es disminuirlo al mínimo valor posible, y así mantener nuestro sistema en la más alta eficiencia. Las siguientes son recomendaciones para lograrlo:
Estudiar el sistema, con mediciones en puntos específicos de la red, y termografía si es posible.
Conocer las especificaciones de cada carga, la variabilidad, y la forma como operan dentro del sistema (simultaneidad de las cargas)
Evaluar los puntos de conexión de las cargas conectadas en dos fases y las monofásicas
Definir el reacomodo o separación de las cargas perturbadoras para obtener un mejor balance de cargas
Verificar mediante mediciones el efecto de los cambios.
Evaluar las cargas trifásicas en busca de diferencias en sus fases.
Finalmente, el Desbalance de Tensión y/o de Corriente es una de los requerimientos de sistema que al ser mitigado mejoramos la calidad de la energía que usamos. Un ingeniero con conocimiento teórico y experiencia práctica, es pilar fundamental para optimizar el desbalance. Se recomienda incluir éste en la auditoria energética.
Ramón A Martínez Carrillo
Ingeniero Electricista
23-03-2021
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Referencias
IEEE 1159-2019, Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality.
IEC 61000-4-30 2003, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-30: Testing and measurement techniques - Power quality measurement methods.
CFE L0000-45, Desviaciones permisibles en las formas de onda de tensión y corriente en el suministro y consumo de energía eléctrica.