Por qué las fluctuaciones de tensión son habituales en los sistemas industriales de energía

Causas, impacto en el mundo real y soluciones prácticas de un fabricante industrial de estabilizadores de tensión

Las fluctuaciones de tensión son muy comunes en los sistemas eléctricos industriales.
La fluctuación de la tensión no es, como hemos comprobado por nuestra experiencia como fabricantes de Estabilizadores automáticos de tensiónNo es el resultado de un mal diseño eléctrico del sistema, sino más bien la consecuencia natural de la naturaleza de su funcionamiento.

En las fábricas donde hay máquinas CNC, compresores, soldadoras, trenes de laminación y similares, el problema de la fluctuación de tensión es inevitable a menos que se tomen medidas específicas para mitigarlo.

1. ¿Qué es la fluctuación de tensión?

La fluctuación de tensión se refiere a variaciones continuas o repetidas de la tensión eficaz en torno a su valor nominal (como 380 V, 400 V, 480 V o niveles de media tensión como 6 kV / 11 kV).
La causa principal son los cambios rápidos o frecuentes de la corriente de carga.

Es diferente de:

• Caída de tensión - una caída de tensión de corta duración
• Aumento de tensión - una subida de tensión de corta duración
• Apagón - pérdida total de suministro

En las plantas industriales, las fluctuaciones de tensión suelen provocar:

• Iluminación parpadeante o inestable
• Sobrecalentamiento del motor o ruido anormal
• Averías de PLC, CNC o VFD
• Eficacia production reducida
• Reducción de la vida útil de los equipos

2. Las cargas pesadas y dinámicas son la causa principal

2.1 Grandes corrientes de arranque del motor

Las instalaciones industriales dependen en gran medida de motores de inducción de alta potencia, entre ellos:

• Bombas y compresores
• Transportadores
• Trituradoras y picadoras
• Trenes de laminación
• Ventiladores y sopladores

Cuando arranca un motor grande:

• La corriente de arranque puede alcanzar 5-8 veces la corriente nominal
• Esta demanda repentina de corriente provoca una caída de tensión en la impedancia del sistema
• Los arranques frecuentes provocan una fluctuación repetida de la tensión

En las plantas en las que los motores arrancan y paran continuamente, la inestabilidad de la tensión se convierte en un problema persistente y no en un suceso ocasional.

2.2 Cargas industriales en rápida evolución

Algunos procesos industriales generan de forma natural cambios de carga rápidos e irregulares:

Algunos ejemplos típicos son:

• Hornos de arco eléctrico (EAF)
• Máquinas de soldadura por resistencia y por arco
• Trenes de laminación
• Trituradoras pesadas

Estas cargas pueden modificar la demanda de energía en milisegundosprovocando una variación continua de la tensión en lugar de una única caída de tensión.

Tanto por las normas del sector como por la experiencia de funcionamiento in situ, los hornos de arco eléctrico se encuentran entre los que más contribuyen a la fluctuación de la tensión en las redes industriales.

3. Alta impedancia del sistema en redes eléctricas industriales

La gravedad de la fluctuación de tensión es directamente proporcional a impedancia del sistema.

3.1 Líneas de distribución largas

Muchas plantas industriales:

• Están situadas lejos de las subestaciones eléctricas
• Utilice cables de alimentación largos
• Disponer de varias etapas de transformador

Los alimentadores más largos implican una mayor impedancia.
Una mayor impedancia significa mayores caídas de tensión para la misma variación de corriente.

Esto es especialmente frecuente en polígonos industriales, zonas mineras y zonas de fabricación remotas.

3.2 Transformadores o cables subdimensionados

En transformadores o cables funcionan cerca de su capacidad nominal:

• Los pequeños cambios de carga provocan una variación notable de la tensión
• El estrés térmico y la inestabilidad de la tensión se producen simultáneamente

En proyectos reales, a menudo encontramos problemas de fluctuación de tensión causados no por equipos defectuosos, sino por margen de capacidad insuficiente en el diseño original del sistema.

4. Demanda de potencia reactiva y bajo factor de potencia

La mayoría de las cargas industriales son inductivas y consumen potencia reactiva (kVAR), entre otras:

• Motores de inducción
• Transformers
• Reactores
• Equipos de soldadura

Cuando fluctúa la demanda de potencia reactiva:

• El voltaje fluctúa con él
• El efecto es mayor en las redes débiles o aisladas

Sin una compensación adecuada de la potencia reactiva -como baterías de condensadores, SVC o STATCOM- es difícil mantener la estabilidad de la tensión industrial.

5. Red eléctrica débil o capacidad de cortocircuito limitada

La fluctuación de la tensión es mucho más grave cuando la red de suministro es débil.

Una red débil suele tener:

• Baja capacidad de cortocircuito
• Alta impedancia de la fuente
• Generación cercana limitada

Las fábricas situadas en zonas remotas o que comparten alimentadores industriales se ven especialmente afectadas.
En estos casos, incluso las variaciones normales de la carga interna pueden provocar una fluctuación visible de la tensión en toda la planta.

6. Cargas no lineales y electrónicas de potencia

Las instalaciones industriales modernas dependen cada vez más de:

• Variadores de frecuencia (VFD)
• Arrancadores suaves
• Rectificadores e inversores
• Sistemas SAI

Aunque estos dispositivos mejoran la eficacia y el control, también:

• Introducir armónicos
• Crea formas de onda de corriente que cambian rápidamente
• Interactuar con la impedancia del sistema

Sin un filtrado de armónicos y una coordinación del sistema adecuados, estas interacciones pueden empeorar las fluctuaciones de tensión en lugar de reducirlas.

7. Funcionamiento simultáneo de grandes equipos

En muchas fábricas, la fluctuación de la tensión se ve amplificada por operaciones sincronizadas, como:

• Arranque simultáneo de varios compresores
• Procesos de lote production
• Las líneas automatizadas crecen juntas
• Secuencias de arranque con cambio de mayúsculas

Estos sucesos simultáneos provocan escalones de carga repentinos que superan la capacidad de respuesta instantánea de la red.

8. Factores externos y medioambientales

No todas las fluctuaciones de tensión se originan dentro de la fábrica.

Entre los colaboradores externos figuran:

• Operaciones de conmutación de redes de servicios públicos
• Acciones del reenganchador tras los fallos
• Variaciones estacionales de la carga de la red
• Usuarios industriales cercanos en el mismo alimentador

Los sistemas industriales están estrechamente conectados a la red eléctrica, por lo que son sensibles a las perturbaciones.

9. Por qué los sistemas industriales se ven más afectados que los residenciales

Esta combinación hace que la fluctuación de tensión casi inevitable en entornos industriales sin una mitigación específica.

10. Lo que vemos en los polígonos industriales reales (Perspectiva del fabricante)

Como fabricante de estabilizadores de tensión al servicio de fábricas de todo el mundo, a menudo nos encontramos con problemas de fluctuaciones de tensión en:

• Talleres de mecanizado CNC
• Instalaciones de corte y soldadura por láser
• Líneas de moldeo por inyección de plástico
• Instalaciones de procesamiento de alimentos
• Estaciones de compresión y sistemas de bombeo

En la mayoría de los casos, la causa principal es ni un solo fallosino una combinación de:

• Cargas dinámicas
• Alta impedancia del sistema
• Potencia reactiva insuficiente

Por eso, para resolver la fluctuación de tensión es necesario enfoque sistémicono sólo sustituir un componente.

11. Cómo se gestionan normalmente las fluctuaciones de tensión

Una mitigación eficaz suele implicar una combinación de soluciones:

• Reguladores automáticos de tensión (AVR) industriales
• Estática o servoestabilizadores de tensión
• Transformadores conmutadores de tomas bajo carga
• Compensación dinámica de potencia reactiva (SVC / STATCOM)
• Arrancadores progresivos y ajustes optimizados del variador de frecuencia
• Dimensionamiento adecuado de transformadores y cables

Para equipos sensibles como máquinas CNC y sistemas láser, a menudo es necesario mantener la tensión dentro de límites más estrictos que ±5%.

FAQ

P1: ¿Son peligrosas las fluctuaciones de tensión para los equipos industriales?

Sí. Las fluctuaciones de tensión a largo plazo pueden causar:

• Sobrecalentamiento del motor
• Tensión de aislamiento
• Errores del sistema de control
• Reducción de la vida útil de los equipos

P2: ¿Cuánta fluctuación de tensión es aceptable?

En la práctica industrial general:

• ±5% es una directriz comúnmente referenciada
• La automatización de precisión y los equipos electrónicos suelen requerir límites más estrictos

P3: ¿Pueden los estabilizadores de tensión eliminar por completo las fluctuaciones de tensión?

Los estabilizadores de tensión pueden reducir significativamente la fluctuación en el lado de la cargapero los resultados óptimos dependen de:

• Selección correcta de la capacidad
• Gestión de la potencia reactiva
• Coordinación adecuada con la red eléctrica

Reflexiones finales

La fluctuación de la tensión es habitual en los sistemas eléctricos industriales porque las cargas industriales son grandes, dinámicas, inductivas y a menudo están conectadas a redes de alta impedancia.

La automatización industrial sigue creciendo, La estabilidad de la tensión se convierte en un factor crítico para la fiabilidad de la production y la protección de los equipos..

Comprender las causas fundamentales es el primer paso para diseñar sistemas eléctricos industriales estables, eficientes y resistentes, y para seleccionar la solución de estabilización de tensión adecuada.

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