Desequilibrio de tensión

El desequilibrio es un problema de calidad de la energía que afecta gravemente a los sistemas de distribución de baja tensión. Sin embargo, es posible cuantificarlo de manera relativamente sencilla con la generación de parámetros que pueden compararse con valores normalizados.

Por Johan Driesen y Thierry Van Craenenbroeck.

Se dice que un sistema de energía trifásico está equilibrado o es simétrico si las tensiones y corrientes trifásicas tienen la misma amplitud y presentan un desplazamiento de fase de 120° entre ellas. Si no se cumple una o ninguna de estas condiciones, el sistema se denomina desequilibrado o asimétrico.

En general, el operador intenta conseguir un sistema de tensión equilibrado en el punto de acoplamiento común (PCC) entre la red de distribución y la red interna del usuario. En condiciones normales, estas tensiones están determinadas por las tensiones terminales de los generadores, la impedancia del sistema eléctrico y las corrientes inducidas por las cargas en la red de transporte y distribución.

Las tensiones del sistema en un centro generador son, por regla general, altamente simétricas, debido a la estructura y al funcionamiento de los generadores sincrónicos utilizados en las grandes centrales de energía. Por esta razón, la central de generación no contribuye normalmente al desequilibrio. Incluso con generadores de inducción (asíncronos), como los que se utilizan en algunos tipos de turbinas eólicas, se obtiene una serie trifásica equilibrada de tensiones.

Sin embargo, donde la generación a pequeña escala, bien sea para distribución o para uso interno, instalada en la planta del usuario se ha hecho más popular y ha absorbido una proporción importante de la producción de electricidad, la situación es diferente. Muchas de estas unidades pequeñas, como las instalaciones fotovoltaicas, están conectas a la red de baja tensión por medio de unidades de inversores monofásicos de potencia electrónicos. El punto de unión tiene una impedancia relativamente elevada (con lo que la potencia de cortocircuito es proporcionalmente baja), lo que conduce a un desequilibrio potencialmente mayor de la tensión de lo que sería el caso para enlaces con un nivel de tensión mayor.

La impedancia de los componentes de un sistema eléctrico no es exactamente la misma para cada fase; por ejemplo, la configuración geométrica de las líneas aéreas, asimétricas con respecto a tierra, produce una diferencia en los parámetros eléctricos de la línea. En general, estas diferencias son bastante pequeñas y su efecto puede despreciarse al adoptar suficientes precauciones, como es la transposición de líneas. En la práctica, es la asimetría de las cargas la causa principal de los desequilibrios.

Figura 1. Conexiones ferroviarias de CA como ejemplos de conexiones de carga asimétrica

En los niveles de tensiones alta y media, normalmente las cargas son trifásicas y equilibradas, si bien a veces se conectan grandes cargas a una o dos fases, como en la tracción ferroviaria de corriente alterna (ferrocarriles de alta velocidad, Figura 1) u hornos de inducción (grandes sistemas de fundición de metales que emplean arcos potentes y altamente irregulares para generar calor).

Las cargas de baja tensión son, por lo general, monofásicas; como en las computadoras o sistemas de iluminación, por lo que el equilibrio entre las fases difícilmente se garantiza. En el diseño de un sistema de cableado eléctrico que alimenta estas cargas, los circuitos están distribuidos entre las tres fases. Una fase para cada piso de un edificio de departamentos u oficinas, o bien conexiones alternativas en filas de casas de una urbanización. Aun así, el equilibrio de la carga correspondiente en el transformador central fluctúa a causa de la variación estadística de los ciclos de trabajo de las diferentes cargas individuales.

Condiciones anormales del sistema también provocan desequilibrios en las fases. Ejemplos típicos de esto son los defectos entre fase y tierra, fase y fase, o la rotura de un conductor. Estos defectos provocan caídas de tensión en una o más de las fases implicadas, que indirectamente pueden provocar sobretensiones en las otras fases. En estos casos, el comportamiento del sistema es desequilibrado por definición, pero estos fenómenos suelen clasificarse como perturbaciones de la tensión que se estudian en las guías de aplicación correspondientes, debido a que el sistema de protección de la red de electricidad tendría que eliminar este fallo.

Consecuencias
La sensibilidad de los equipos eléctricos frente a los desequilibrios difiere entre dispositivo y dispositivo. No obstante, existe una serie de problemas habituales que suelen presentarse en los equipos.

Figura 2. Características de velocidad de par (resbalamiento de una máquina de inducción en condiciones de alimentación desequilibrada)

Máquinas de inducción
Se trata de máquinas asíncronas de corriente alterna con campos magnéticos rotatorios internos inducidos. La magnitud es proporcional a la amplitud de los componentes directos o inversos.

El sentido de la rotación del campo del componente inverso se opone al del campo del componente directo. Por este motivo, en el caso de una alimentación desequilibrada, el campo magnético rotatorio total se vuelve “elíptico” en lugar de circular.

Las máquinas eléctricas se enfrentan a tres tipos de problemas a causa del desequilibrio. En primer lugar, la máquina no puede generar todo su par, ya que el campo magnético que rota en sentido inverso del sistema de secuencia negativa provoca un par de frenado negativo, que debe sustraerse del par básico ligado al campo magnético de rotación normal. La figura 2 muestra las diferentes características de velocidad de par de una máquina de inducción con una fuente de alimentación desequilibrada. La curva real del estado estacionario es la suma ponderada de estas curvas con las relaciones de desequilibrio al cuadrado como pesos conforme el par aumenta con el cuadrado de la carga. Puede verse que en la zona de funcionamiento normal, donde es casi recta la parte de línea Td (la parte que comienza en la parte superior de la curva, que cruza eventualmente el eje horizontal a velocidad sincrónica), Ti y Th son negativas. Estas características pueden medirse con el motor conectado según se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Esquemas de conexión para la alimentación de un motor de inducción con un componente algo desequilibrado

En segundo lugar, los cojinetes pueden sufrir daños mecánicos a causa de los componentes del par inducido a frecuencia doble de la del sistema.

Por último, el estator y, especialmente el rotor se calientan excesivamente, lo que conducirá posiblemente a un envejecimiento térmico acelerado. Dicho calor es a causa de la inducción de importantes corrientes generadas por el campo magnético inverso en rápida rotación (en sentido relativo), según se mira desde el rotor. Para hacer frente a este calentamiento adicional es necesario reducir el régimen del motor, lo que puede requerir la instalación de una máquina de mayor potencia nominal.

Generadores sincrónicos
Los generadores sincrónicos también son máquinas de corriente alterna que se usan en generación local, como unidades CHP. Presentan fenómenos similares a los descritos para las máquinas de inducción, pero principalmente sufren de excesivo calentamiento. Debería prestarse especial atención al diseño de devanados amortiguadores de estabilización en el rotor, en los que las corrientes son inducidas por los componentes indirectos y homopolares.

Capacidad de transformadores, cables y líneas
La capacidad de carga de los transformadores, cables y líneas se reduce a causa de los componentes de secuencia negativa. El límite operativo viene determinado por el verdadero valor eficaz de la corriente total que, parcialmente, está constituido también por corrientes secuenciales indirectas “no operativas”. Esto se debe tomar en cuenta a la hora de ajustar los puntos de actuación de los dispositivos de protección, que actúan sobre la corriente total. La capacidad máxima puede expresarse mediante un factor reductor, que facilitará el fabricante, y que puede usarse para seleccionar un sistema mayor capaz de soportar la carga.

Transformadores
Los transformadores sometidos a tensiones de secuencia negativa las transforman de la misma manera que las tensiones de secuencia positiva. El comportamiento en relación con las tensiones homopolares depende de las conexiones del primario y secundario y, más específicamente, de la presencia de un conductor neutro. Si, por ejemplo, un lado tiene una conexión en delta, la corriente homopolar se transforma en una corriente circulante, que genera calor, en el triángulo. El flujo magnético homopolar asociado pasa a través de las piezas estructurales del transformador, lo que provoca pérdidas parásitas en piezas tales como el depósito, lo que a veces requerirá una reducción adicional de la carga.

Convertidores electrónicos de potencia
Están presentes en muchos dispositivos, como accionadores de velocidad variable, fuentes de alimentación para computadoras, iluminación eficiente, entre otros. Pueden enfrentarse a armónicos adicionales, no característicos, si bien en general la distorsión armónica total sigue siendo más o menos constante. El diseño de las bancadas de filtros pasivos que tratan estos armónicos debe tener en cuenta este fenómeno.

Los dispositivos mencionados son cargas trifásicas. Como es natural, las cargas monofásicas también pueden verse afectadas por variaciones de tensión en la alimentación, a causa de efectos del desequilibrio.

Corregir el desequilibrio
Para reducir los efectos del desequilibrio pueden adoptarse diversas medidas, con diferentes grados de complejidad técnica.

La primera y más elemental solución radica en reorganizar o redistribuir las cargas de manera que el sistema esté más equilibrado. Para ciertas aplicaciones también existe la posibilidad de reducir el desequilibrio si se cambian los parámetros de funcionamiento.

Con objeto de reducir la influencia de las corrientes de secuencia negativa, que provocan caídas de tensión de secuencia negativa en la tensión de alimentación, se requiere una baja impedancia interna del sistema. Esto puede lograrse si se conectan las cargas desequilibradas en puntos con un mayor nivel de cortocircuito o mediante otras medidas del sistema para reducir la impedancia interna.

Otro tipo de técnica mitigadora es el uso de transformadores especiales, como los de Scott o de Steinmetz.

El transformador de Scott se compone de dos transformadores monofásicos con relaciones de devanado especiales, que se conectan a un sistema trifásico. Están conectados de tal forma que a la salida se genera un sistema de tensión ortogonal bifásico, lo que permite la conexión de dos sistemas monofásicos. Esta estructura presenta para la red eléctrica pública una potencia equilibrada trifásica.

Figura 4. Carga monofásica conectada a una red eléctrica pública trifásica, usando una configuración de transformador de Steinmetz

Un transformador de Steinmetz es, de hecho, un transformador trifásico con una carga adicional para equilibrar la energía. Consiste en un condensador y en un inductor con una carga nominal proporcional a la carga monofásica (Figura 4). Cuando el valor nominal de la potencia reactiva del inductor y del condensador iguala el valor nominal de la potencia reactiva de la carga, dividido por la red eléctrica trifásica ve una carga equilibrada. La potencia nominal trifásica del transformador iguala la potencia activa de la carga monofásica. Obsérvese que el equilibrado sólo es perfecto para cargas con una potencia activa igual al valor usado para diseñar el sistema.

Por último, pueden configurarse circuitos electrónicos de potencia especiales de acción rápida, como los Condensadores Var Estáticos, para limitar el desequilibrio. Estos se comportan como si fueran impedancias complementarias que cambian rápidamente y que compensan los cambios en impedancia de las cargas en cada fase. También son capaces de compensar la potencia reactiva no deseada; sin embargo, se trata de dispositivos caros y sólo se utilizan para grandes cargas (por ejemplo, hornos de arco) cuando son insuficientes las otras soluciones.

Se están desarrollando otros tipos de acondicionadores de potencia que puedan servir para sistemas desequilibrados, así como otros problemas de calidad de la energía, pero todavía no están listos para su aplicación general.
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Con información de Leonardo Power Quality Initiative