1. Septiembre 2009 Desbalance de Tensiones en sistemas trifásicosIntroducciónEl desbalance trifásico es el fenómeno que ocurre en sistemasLos sistemas desbalanceados pueden analizarse a partir de latrifásicos donde las tensiones y/o ángulos entre fases consecuti-representación por medio de tres sistemas trifásicos compuestosvas no son iguales.como lo indica la figura, por dos ternas (trifásicas) simétricas yEl balance perfecto de tensiones es técnicamente inalcanzable. una tercera compuesta por una terna de igual magnitud, pero deEl continuo cambio de cargas presentes en la red, causan una igual fase.magnitud de desbalance en permanente variación.La mera conexión de cargas residenciales, de naturaleza mo-• La terna de secuencia positiva corresponde al flujo de poten-nofásica, provocan un estado de carga en el sistema trifásicocia que proviene de la red hacia la carga, es decir, desde el ge-que no es equilibrado entre fases, de allí las caídas de tensión del nerador hacia aguas abajo. La potencia suministrada o energíasistema tampoco serán equilibradas dando por resultado niveles eléctrica generada tiene únicamente representación de secuenciade tensión desiguales. positiva, o sea, no existe generación de secuencia negativa uA modo de recordar, un sistema de generación simétrico, es homopolar, en los sistemas de generación simétricos.aquel donde las tres tensiones tienen igual magnitud de tensióny sus fasores están a 120º entre sí. Una carga trifásica simétrica,• La terna de secuencia negativa, la componente negativa, es unaes aquella que genera tres corrientes de magnitudes y fases igua-indicación de la medida de desbalance existente en el sistemales respecto a la tensión. (trifásico), o sea, de la falta de simetría entre los fasores de ten- sión en el punto de conexión. • La presencia de componentes de secuencia homopolar se vin- cula a la conexión respecto de tierra. Las corrientes homopola- res son aquellas que no cierran el circuito por las fases activas, sino que lo hacen por el neutro, o por tierra, si existiera vincula- ción galvánica con el circuito. Las tensiones homopolares en un sistema estrella se encuentran en el centro de estrella de cargas, cuya magnitud se mide respecto de tierra o del centro estrella de generación. A continuación, en la siguiente figura, vemos un sistema simé- trico con carga desbalanceada, en donde se generan corrientes y caídas de tensión desbalanceadas. Cada corriente de línea se descompone en sus tres componentes de secuencia. Las compo- nentes positivas y negativas, pertenecen solo a las fases activas, en cambio, la componente homopolar cierra por en nodo común de las cargas a través del neutro o tierra. La corriente de neutro, sumatoria de corrientes de fase, es equivalente a tres veces la homopolar existente en cada una de las fases (recordar que tanto la tensión como la corriente homopolar son iguales en magnitud y fase). 2. Septiembre 2009 • IEC 61000-4-30 – IEEE P1159.1, Desbalance de Secuencia Negativa El cociente de la componente de tensión de secuencia negativa con la secuencia positiva. • IEC 61000-2-1 – IEC 61000-4-27 – NEMA - ANSI C84.1 El cociente entre la máxima diferencia entre las tensiones de fase y la tensión promedio, con la tensión promedioRepresentación gráfica de la descomposi-ción en componentes simétricas • IEC 61000-2-12En la siguiente gráfica vemos una terna desbalanceada con ten- Se representa mediante la siguiente expresiónsión de neutro (respecto de tierra). Ésta coincide en módulo conla tensión homopolar del sistema de tensiones de fase. La se-cuencia positiva guarda el mismo orden de giro de los fasores,secuencia A-B-C. En cambio, la secuencia negativa tiene el sen-tido fasorial invertido A-C-B. La suma (respetando la fase) decada fasor de secuencia, es igual a la tensión de fase de la ternapresente en las cargas. Requerimientos de la IEC 61000-4-30 La medición de desbalance considera únicamente las compo- nentes de tensión de frecuencia fundamental, el error cometido si consideráramos el RMS total sería mínimo, pero se mezcla- rían las fases de la fundamental con magnitud RMS total. Debi- do a que el desbalance provoca la presencia de componentes de secuencia negativa y homopolar (además de la positiva, única que aporta potencia), se requiere también medir el factor de des- balance homopolar, utilizándose las siguientes expresiones:Medición de Desbalance de TensiónEl concepto de medición de desbalance expresa la relación en-tre la tensión de secuencia negativa respecto de la positiva. Enla práctica esta relación puede encontrarse expresada de variosmodos. En general se utilizan las tensiones de línea, a modo deeliminar la componente homopolar, ya que influiría en la medi-ción del factor de desbalance. Conforme a la IEC 61000-4-30, las magnitudes fasoriales uti- lizadas son medidas con ventanas sin solapamiento de 10 y 12 ciclos, para 50 Hz y 60 Hz respectivamente, de igual forma en que se agrupan los RMS armónicos y true-RMS. La performan- ce exigida para instrumentos IEC61000-4-30 - Clase A, es medir con un error absoluto de ±0,15% en un rango de desbalance de 1% a 5%. 3. Septiembre 2009Causas de desbalance de tensionesLa principal causa son las cargas monofásicas sobre el sistematrifásico, debido a una distribución no homogénea, en especialla de consumidores de baja tensión de índole monofásicos.Para igual dispersión de cargas monofásicas, la configuracióndel tipo de red de distribución y transmisión incide sobre la pro-pagación del desbalance. La configuración de red radial, mostra-rá niveles mayores que una red mallada.Las impedancias propias y mutuas entre fases no balanceadaspresentarán desbalances en las caídas de tensión aún con cargassimétricas.El efecto de un banco trifásico de capacitores con una fase fuerade servicio presentará un desbalance de compensación de co-rriente reactiva capacitiva.Los hornos de arcos trifásicos, por su naturaleza de funciona-miento, presentan desbalances de carga variable a lo largo delproceso de fundición.ConsecuenciasEn general, los efectos se resumen en la aparición de compo-nentes de corriente de secuencia inversa y homopolar que dancomo resultado:• Pérdidas adicionales de potencia y energía.• Calentamiento adicional de máquinas, limitándose la capaci-dad de carga nominal.• Reducción de los sistemas de distribución en el de transportede potencia.• Propagación de desbalance a otros nodos de conexión de lared. Información adicional acerca del índice deEfectos sobre motores asincrónicos desbalanceLos bobinados del estator tanto en conexión delta como estrella, El coeficiente de desbalance definido por la IEC 61000-4-30 re-carecen de neutro, por lo que un sistema desbalanceado provo-presenta también el grado de proporción de la potencia suminis-cará corrientes de secuencia negativa. El torque total transmitido trada a la carga (sec. positiva) respecto de la potencia de falla enquedará compuesto por un torque positivo (directo) más un tor- el punto de conexión.que de menor intensidad en sentido contrario equivalente a unLa siguiente expresión, generalizada para todos los casos de car-freno eléctrico. ga, indica que el desbalance es aproximadamente igual a la rela- ción entre la potencia de carga, Sc y la potencia de falla trifásicaEl flujo magnético con sentido rotacional inverso provoca: en el punto de conexión (potencia de cortocircuito).• Calentamiento adicional en el bobinado del estator.• Pérdidas adicionales de potencia activa en el estator.• Torque adicional en dirección opuesta al producido por el flujomagnético en sentido positivo (frecuencia de red). Limites admisibles para el Desbalance en la red:• Aumento de corrientes inducidas en los arrollamientos y rotor,provocando aumento de pérdidas también en rotor. Desde el lado de las normativas vigentes vemos algunas de las• Vibraciones mecánicas. más reconocidasLos análisis de laboratorio indican que hasta un 2% de desba-• IEC 61000-2-5lance, los motores no se ven muy afectados. Por encima del 2%, Dos clases se definen: Grado 1: uN ≤ 2% y Grado 2: uN ≤3%la eficiencia se verá reducida, requiriéndose un declasaje (dera-ting) de la máquina, como vemos en las siguientes figuras: • IEC 61000-2-12 uN ≤2% y bajo especiales condiciones: uN ≤3% 4. Septiembre 2009• EN50160uN ≤2% y bajo especiales condiciones: uN ≤3%, correspondien-te al valor percentil 95%, de un registro de 1 semana cada 10minutos.Desde el punto de vista de algunos países:• USADe acuerdo a la ANSI C84.1 Anexo 1 y Nema MG1, para desba-lances mayores al 1%, se deberá aplicar el derating de motores.• BRASILEl nivel de compatibilidad es 2%.• ALEMANIADe acuerdo a la VDEW 1992, el nivel de compatibilidad es 2%.Referencias• Handbook of Power QualityAngelo Baggini, University of Bergamo, Italy Ed. John Wiley& Sons, Ltd.• Signal Processing of Power Quality DisturbancesMath Bollen & Irene Gu, IEEE Press Series, Ed. Mohamed E.El-Hawary, Editor-in-Chief.• IEC 61000-4-30 – 2003-2. First EditionEMC Part 4-30: Testing and measurement techniques – Powerquality measurement methods.