La energía eléctrica es uno de los pilares fundamentales de la industria moderna. La mayoría de los equipos, motores y maquinarias utilizados en las plantas industriales funcionan mediante sistemas trifásicos. Un sistema trifásico de calidad es aquel donde las tensiones y corrientes están balanceadas y se encuentran en un separación angular de 120°. Sin embargo, en la práctica, estos sistemas sufren de desviaciones que afectan su calidad y capacidad para operar eficientemente, y es por eso que resulta fundamental comprender los desbalances de tensión y corriente.
El problema del desbalance de energía eléctrica en sistemas trifásicos
Uno de los problemas más comunes que afectan la calidad de la energía eléctrica en sistemas trifásicos es el desbalance de tensión y corriente. El desbalance se produce cuando los fasores son desiguales en relación a su magnitud y cuando la separación angular entre ellos se aparta de los 120° entre sí.
El desbalance de corriente y tensión es peligroso para los motores y demás equipos electrónicos en una planta industrial ya que puede resultar en pérdidas adicionales por calentamiento y tener un impacto en la producción y en la confiabilidad de los equipos. Los efectos del desbalance de corriente y tensión incluyen aumento de la pulsación, la tensión mecánica, la vibración y las pérdidas, así como problemas de mantenimiento como los contactos desgastados y las conexiones sueltas.
¿Por qué se produce el desbalance de energía eléctrica en sistemas trifásicos?
El desbalance tiene distintas causas: puede surgir debido a falta de simetría en las líneas de transmisión, grandes cargas monofásicas, 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, entre otras.
En la mayoría de los casos, el desbalance de corriente y tensión es provocado por instalaciones eléctricas deficientes y se mencionan sistemas de iluminación y circuitos de alimentación como principales fuentes de desbalance. En algunas ocasiones, el mal funcionamiento de elementos como los Variadores de Velocidad o Drives (CA-CD) provoca un desbalance de corrientes y de tensión en el sistema eléctrico.
¿Cuál es el porcentaje de desbalance de energía eléctrica entre fases permitido?
En México, 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% y que no se recomienda el funcionamiento de un motor con una condición de desequilibrio superior al 5% y probablemente resultará en daños al motor.
Para evaluar el cumplimiento al 100% del requerimiento 3.8 correspondiente al Desbalance de Tensión y Corriente, se hace referencia a la especificación CFE L0000-45 “Desviaciones permisibles en las formas de onda de tensión y corriente en el suministro y consumo de energía eléctrica”.
La tabla 3.8.E de la especificación CFE L0000-45 establece los desbalances máximos permitidos para corriente en función del nivel de tensión nominal en el que se encuentre alimentado el sistema eléctrico.
- Para niveles menores a 1 kV, el desbalance máximo permitido es de 3%.
- Para niveles mayores o iguales a 1 kV, el desbalance máximo permitido es de 2%.
La tabla 3.8.F de la especificación CFE L0000-45 describe los desbalances máximos permitidos para la tensión. Aquí se agrupan las tensiones nominales en dos niveles: menor a 1 kV y mayor o igual a 1 kV.
- Para tensiones menores a 1 kV, el desbalance máximo permitido es de 3%.
- Para tensiones mayores o iguales a 1 kV, el desbalance máximo permitido es de 2%.
Cómo calcular el porcentaje de desbalance de energía eléctrica en sistemas trifásicos
El cálculo para determinar el porcentaje de desbalance de tensión o corriente se realiza a través de tres pasos:
- Determinar el promedio de la tensión o de la corriente.
- Calcular la mayor desviación de tensión o de corriente. Este valor se obtiene al buscar la diferencia máxima entre los valores medidos en las tres fases.
- Dividir la desviación máxima por el promedio de tensión o de corriente y multiplicar por un 100%.
Ejemplo de cálculo del porcentaje de desbalance de corriente en sistemas trifásicos
Supongamos que hemos medido la corriente en una línea trifásica, cuyos valores medidos son:
- Línea A: 10 A
- Línea B: 13 A
- Línea C: 7 A
Para determinar el porcentaje de desbalance de corriente se realizan los siguientes pasos:
- Se obtiene el promedio de los valores de corriente. Sumando los valores de las tres fases y dividiendo entre tres, se tiene:
- Se encuentra el valor de la mayor desviación, que es la diferencia entre el valor medido y el promedio. En este caso la mayor desviación es:
- Se divide la mayor desviación entre el promedio de todos los valores y se multiplica por 100%:
Promedio=(10+13+7)/3=10 A
Mayor Desv= |13-10|=3 A
Por lo tanto, el porcentaje de desbalance de corriente en el ejemplo sería:
3 A / 10 A x 100% = 30%
Ejemplo de cálculo del porcentaje de desbalance de tensión en sistemas trifásicos
En este caso, supongamos que hemos medido la tensión de línea para un sistema trifásico con los siguientes valores:
- Línea A: 70 V
- Línea B: 68 V
- Línea C: 72 V
Para determinar el porcentaje de desbalance de tensión se realizan los siguientes pasos:
- Se obtiene el promedio de los valores de tensión:
- Se encuentra el valor de la mayor desviación, que es la diferencia entre el valor medido y el promedio. En este caso, la mayor desviación es:
- Se divide la mayor desviación entre el promedio de todos los valores y se multiplica por 100%:
Promedio=(70+68+72)/3=70 V
Mayor Desv= |72-70|=2 V
Por lo tanto, el porcentaje de desbalance de tensión en el ejemplo sería:
2 V / 70 V x 100% = 2.8%
Conclusión: qué significa el porcentaje de desbalance de energía eléctrica en sistemas trifásicos
El porcentaje de desbalance de energía eléctrica en sistemas trifásicos es una medida importante de la calidad de la energía eléctrica. El desbalance de corriente y tensión es peligroso para los motores y equipos electrónicos, y si no se controla puede afectar la producción y la confiabilidad de los equipos.
En México, tanto la norma NEMA MG-1 como la especificación CFE L0000-45 establecen los desbalances máximos permitidos en corriente y en tensión. Para calcular el porcentaje de desbalance de corriente o de tensión en sistemas trifásicos, se debe determinar el promedio de los valores medidos en las tres fases, obtener la mayor desviación y dividirla entre el promedio de todos los valores y multiplicar por un 100%.
En resumen, el porcentaje de desbalance de energía eléctrica en sistemas trifásicos es un indicador importante de la calidad de la energía eléctrica y debe ser monitoreado y controlado para garantizar la operación segura y confiable de los equipos industriales.
