español
English
français
Deutsch
العربية
中文
¿Qué causa la corriente neutra en sistemas trifásicos?
La corriente neutra en los sistemas trifásicos es un problema común de calidad de energía en fábricas, edificios comerciales y centros de datos. En un sistema eléctrico equilibrado con cargas lineales, las corrientes de las tres fases se anulan en el punto neutro. Sin embargo, las cargas desiguales y la distorsión armónica pueden hacer que circule una corriente significativa a través del conductor neutro.
Una corriente neutra excesiva puede provocar el sobrecalentamiento de los cables, pérdidas de energía y fallas en los equipos eléctricos. En algunas instalaciones, la corriente neutra puede incluso superar la corriente que fluye a través de los conductores de fase individuales.
Comprender qué causa la corriente neutra, cómo medirla y cómo reducirla ayuda a los ingenieros a mejorar la seguridad eléctrica y la confiabilidad del sistema.
En un sistema eléctrico trifásico de cuatro hilos (3P4W), el conductor neutro proporciona un camino de retorno para la corriente cuando las cargas de las fases están desequilibradas.
Cuando tres cargas lineales idénticas operan en un suministro trifásico equilibrado, sus corrientes están separadas por 120 grados eléctricos. Las tres corrientes se anulan, lo que resulta en una corriente neutra cercana a cero.
Sin embargo, la mayoría de los sistemas eléctricos modernos no operan en condiciones perfectamente equilibradas.
Los equipos monofásicos, la carga desigual y los dispositivos eléctricos no lineales pueden producir corriente neutra. La cantidad depende tanto del desequilibrio de fase como de la distorsión armónica.
Hay dos causas principales de corriente neutra alta en sistemas trifásicos: el desequilibrio de carga y los armónicos de triple orden.
El desequilibrio de carga ocurre cuando el equipo eléctrico extrae diferentes cantidades de corriente de cada fase.
Por ejemplo, un edificio comercial puede tener:
Fase A suministrando iluminación y equipos de oficina.
Fase B suministrando computadoras y aire acondicionado.
Fase C suministrando menos cargas eléctricas.
Debido a que las corrientes son desiguales, no pueden anularse por completo. La corriente restante regresa a través del conductor neutro.
En sistemas con cargas principalmente lineales, equilibrar las cargas de las fases suele ser la forma más sencilla de reducir la corriente neutra.
La distorsión armónica crea otro problema importante.
Muchas cargas no lineales generan armónicos de tercer orden y otros armónicos de triple orden, incluidos los órdenes 9 y 15.
A diferencia de las corrientes fundamentales, las corrientes armónicas de triple orden equilibradas están en fase en las tres fases. En lugar de anularse, se suman en el conductor neutro.
Esto explica por qué la corriente neutra puede permanecer alta incluso cuando las cargas de las fases fundamentales parecen equilibradas.
Los armónicos de triple orden son particularmente importantes en los sistemas trifásicos de cuatro hilos.
Por ejemplo, considere tres fases que transportan cada una 20 A de corriente del tercer armónico.
Debido a que estas corrientes están en fase, su contribución al neutro es:
Por lo tanto, el conductor neutro transporta 60 A de corriente del tercer armónico, aunque cada fase transporte solo 20 A de ese armónico.
El ejemplo asume corrientes de tercer armónico iguales con ángulos de fase coincidentes. La corriente neutra real también depende de otros órdenes armónicos y del desequilibrio de carga.
Esta es la razón por la cual la corriente neutra no siempre se puede estimar comparando únicamente las magnitudes de la corriente de fase.
Los edificios modernos contienen muchas cargas no lineales que pueden producir armónicos de triple orden.
Las fuentes comunes incluyen:
Computadoras y equipos de oficina
Fuentes de alimentación con modo de conmutación monofásicas
Controladores de iluminación LED
Sistemas UPS con entradas monofásicas
Equipos de control electrónico
Cargadores de batería
Otras cargas de rectificadores monofásicos
Las grandes concentraciones de estos dispositivos pueden aumentar la carga del conductor neutro.
Los variadores de velocidad trifásicos con rectificadores convencionales de seis pulsos producen principalmente armónicos característicos que no son múltiplos de tres en su lado de alimentación. Por lo general, no son la fuente principal de corriente neutra de tercer armónico.
Una corriente neutra excesiva aumenta las pérdidas eléctricas y ejerce una tensión adicional sobre los equipos de distribución.
|
Problema |
Causa |
Posible resultado |
|---|---|---|
|
Sobrecalentamiento del cable del neutro |
Alta corriente RMS en el neutro |
Deterioro del aislamiento |
|
Calentamiento del transformador |
Carga armónica y desequilibrada |
Mayores pérdidas y temperatura |
|
Desequilibrio de tensión |
Carga desigual entre fases |
Rendimiento deficiente de los equipos |
|
Pérdidas eléctricas |
Mayor corriente en el conductor |
Calor adicional y pérdida de energía |
|
Problemas de protección |
Corriente excesiva o inesperada |
Disparos molestos o estrés en los equipos |
Un conductor neutro que transporta más corriente de la que permite su diseño puede convertirse en un grave problema de seguridad.
Por esta razón, los ingenieros deben verificar las clasificaciones de los conductores, las condiciones de instalación y la carga armónica al investigar problemas de corriente en el neutro.
El primer paso es medir el conductor neutro utilizando una pinza amperimétrica de valor eficaz verdadero (true-RMS) o un analizador de calidad de energía adecuado.
Las mediciones deben incluir las tres corrientes de fase y la corriente del neutro.
Un analizador de calidad de energía también puede identificar si la corriente del neutro proviene principalmente del desequilibrio de fases o de la distorsión armónica.
Las mediciones importantes incluyen:
Corriente de fase RMS
Corriente de neutro RMS
Espectro de armónicos de corriente
Corriente del tercer armónico
Desequilibrio de fases
Cambios de carga durante la operación
Las mediciones deben cubrir las condiciones de funcionamiento normales y de pico.
Una lectura alta de la corriente del neutro por sí sola no identifica la causa. Los ingenieros necesitan mediciones de armónicos para determinar si los armónicos múltiplos de tres están contribuyendo al problema.
La solución correcta depende de si el problema proviene de cargas desequilibradas, distorsión armónica o ambas.
Si la corriente del neutro proviene principalmente del desequilibrio de carga, redistribuya las cargas monofásicas entre las tres fases.
Esto puede reducir la corriente fundamental del neutro sin necesidad de instalar equipos de filtrado adicionales.
Sin embargo, equilibrar las cargas fundamentales no elimina la corriente armónica triple.
Cuando los armónicos triples son los responsables, los ingenieros deben identificar el equipo no lineal que los produce.
Las fuentes de alimentación de baja emisión de armónicos, los equipos de filtrado adecuados y los cambios en el diseño de la distribución eléctrica pueden reducir el problema.
La solución correcta depende del espectro armónico y de la configuración del sistema.
Un filtro activo de armónicos (AHF) de cuatro hilos puede compensar las corrientes armónicas seleccionadas y, dependiendo de su diseño, el desequilibrio de fases y la corriente del neutro.
El filtro mide la corriente eléctrica e inyecta corriente de compensación en el sistema.
Para instalaciones con cargas electrónicas cambiantes, un AHF 3P4W puede proporcionar una compensación armónica flexible.
Sin embargo, no todos los AHF admiten la compensación de la corriente del neutro. Los ingenieros deben confirmar las especificaciones del fabricante y la capacidad de compensación de neutro disponible.
Seleccionar un AHF requiere más que medir la corriente del neutro.
Los ingenieros primero deben identificar cuánta corriente proviene de los armónicos triples y cuánta proviene del desequilibrio de la carga fundamental.
A continuación, deben verificar la corriente de compensación nominal del filtro, la capacidad de corriente del neutro y los requisitos de instalación.
Por ejemplo, un edificio puede tener 120 A de corriente de neutro medida, pero esto no significa automáticamente que necesite un AHF de 120 A.
La capacidad requerida depende del espectro armónico, las corrientes de fase, la compensación objetivo y el diseño del filtro.
Una medición completa de la calidad de la energía proporciona la mejor base para seleccionar el equipo correcto.
Sí. La corriente del neutro es normal cuando las cargas monofásicas están desequilibradas. Sin embargo, una corriente excesiva puede indicar un desequilibrio de carga o distorsión armónica.
Sí. Los armónicos triples pueden sumarse en el conductor neutro, haciendo que la corriente del neutro supere las corrientes de fase individuales.
El tercer armónico es a menudo el colaborador armónico más importante. Los armónicos noveno y décimo quinto también pueden aumentar la corriente del neutro.
Sí. Un AHF de cuatro hilos adecuado con capacidad de compensación de neutro puede reducir la corriente armónica del neutro y, cuando sea compatible, la corriente causada por el desequilibrio de fases.
Equilibrar las cargas lineales puede reducir la corriente fundamental del neutro. Sin embargo, los armónicos triples aún pueden producir una corriente de neutro significativa incluso cuando las cargas de fase están equilibradas.
Una corriente de neutro elevada en los sistemas trifásicos es causada principalmente por una carga de fase desigual y una distorsión armónica triple. Mientras que el desequilibrio de carga crea una corriente fundamental de neutro, los armónicos de tercer orden pueden sumarse y producir una corriente de neutro elevada incluso en condiciones de carga equilibrada.
La reducción de la corriente del neutro comienza con mediciones eléctricas precisas. El equilibrado de carga puede abordar el desequilibrio fundamental, mientras que el equipo de mitigación de armónicos adecuado puede reducir la corriente del neutro relacionada con los armónicos.
Para instalaciones con un gran número de cargas no lineales, un filtro activo de armónicos de cuatro hilos seleccionado correctamente puede mejorar la calidad de la energía, reducir la carga del conductor neutro y respaldar una operación eléctrica confiable.
compatible con la red ipv6
