Equilibrado o Reparto de Cargas
El equilibrado o reparto de cargas de una instalación eléctrica implica distribuir uniformemente la carga eléctrica entre las diferentes fases de un sistema trifásico.
Al distribuir la carga de manera equitativa se aprovecha al máximo la capacidad de los equipos eléctricos, evitando sobrecargas en algunas fases y subutilización en otras.
Un desequilibrio significativo puede provocar problemas operativos, como la sobrecarga de una fase específica. Esto podría llevar al disparo innecesario del interruptor automático general (IGA) y afectar negativamente a todos los circuitos conectados.
El reparto de cargas es un aspecto fundamental en los sistemas de instalación de las instalaciones interiores o receptoras. Es especialmente importante en entornos industriales o en cualquier otra instalación en donde se manejen receptores monofásicos y trifásicos.
Estos sistemas deben diseñarse y planificarse cuidadosamente para asegurar que la carga eléctrica se distribuya de manera uniforme entre las diferentes fases.
Contenidos
Cálculo de la Intensidad Nominal del IGA
El Interruptor General Automático (IGA) es el responsable de desconectar la instalación en caso de sobrecarga general, o en caso de cortocircuito en cualquier punto de la instalación cuando falla cualquier interruptor automático aguas abajo.
Cálculo del Interruptor General Automático en Instalación Trifásica Equilibrada
En general, para el cálculo de la intensidad nominal del Interruptor General Automático (IGA) de una instalación trifásica, se consideran tanto las cargas trifásicas como las monofásicas:
– Cargas trifásicas: se suman las potencias de todos los receptores trifásicos de la instalación.
– Cargas monofásicas: se suman las potencias de los receptores monofásicos y se consideran distribuidas uniformemente entre las 3 fases.
Esto implica tratar los receptores monofásicos como si fueran trifásicos, es decir, que están distribuidos equitativamente entre las 3 fases, al igual que cualquier carga trifásica. Por tanto, supone que cada fase soporta una carga equivalente.
La fórmula de cálculo de la corriente I para la potencia trifásica es:
Siendo la potencia P la suma de todos los receptores tanto monofásicos como trifásicos.
Se tomará un interruptor general automático (IGA) cuyo calibre IN sea superior a esta corriente I calculada.
Disparo del Interruptor General Automático por Desequilibrio
Si no se han distribuido las cargas monofásicas de forma uniforme entre las 3 fases, el cálculo trifásico de la intensidad nominal del IGA suponiendo la instalación equilibrada, será incorrecto.
A continuación, veremos un ejemplo en el que las cargas monofásicas mal distribuidas causan la apertura del IGA:
Considerando el factor de potencia de todas las cargas cos φ = 1, tendremos:
– Alumbrado, PIAs de 10 A:
– Tomas de corriente, PIAs de 16 A:
– Motor trifásico:
Al conectar gran parte del alumbrado y algunas tomas monofásicas a las fases L1 y L2, se corre el riesgo de generar un desequilibrio en el sistema de alimentación trifásico.
Si suponemos un sistema equilibrado y sumamos la potencia total instalada del sistema trifásico, considerando cos φ de 1, obtenemos una intensidad total I de:
Pero, cuando los 2 circuitos de alumbrado de la fase L1, las tomas de corriente conectadas a la fase L1 y el motor estén funcionando a plena carga, la corriente en la fase L1 será de I = 10 + 10 + 16 + 10 = 46 A. El IGA de 32 A interrumpirá la alimentación de toda la instalación debido a una sobrecarga en dicha fase.
El IGA trifásico está diseñado para disparar cuando cualquiera de las tres fases supera la intensidad nominal IN o calibre. Por ello, una mala distribución de las cargas monofásicas puede provocar disparos prematuros aunque la potencia total esté dentro del límite permitido
Importancia del Equilibrado de Cargas Monofásicas
Un sistema trifásico ideal tiene las mismas cargas conectadas en cada una de sus fases. Sin embargo, en instalaciones reales, especialmente en aquellas con numerosas cargas monofásicas, es común que las fases no estén equilibradas.
Las cargas monofásicas no distribuidas uniformemente, causan los siguientes problemas:
● Sobrecarga en una fase y disparo del IGA: el IGA está calibrado para proteger cada fase individualmente. Si una fase se sobrecarga, el dispositivo actuará para proteger esa fase en particular, incluso si las otras 2 fases están operando dentro de los límites normales.
Si una fase queda sobrecargada, provocará que el IGA dispare antes de alcanzar la corriente máxima calculada para las 3 fases con la fórmula trifásica.
● Corrientes en el neutro y sobrecalentamiento: en un sistema trifásico con equilibrado de las cargas, las corrientes de las 3 fases se cancelan en el neutro, por lo que la corriente en este conductor es nula. En cambio, cuando las cargas conectadas a cada fase son diferentes, la suma vectorial de estas corrientes ya no es cero. Esto provoca la aparición de una corriente por el neutro.
Además, en instalaciones cuyos receptores generan muchos armónicos, estos no se cancelan en el neutro, incluso en condiciones de equilibrio.
Por ello, cuando se combinan los armónicos con el desequilibrio de las fases, se amplifica la corriente en el neutro. Incluso la corriente del neutro podría ser mayor que la corriente en las fases.
● Inestabilidad en el transformador y desequilibrio de tensión: provoca inestabilidad en el transformador, incrementando sus pérdidas y generando desequilibrios en la tensión de salida.
Por tanto, se ha de hacer lo posible en la fase de diseño para distribuir las cargas monofásicas de forma equitativa entre las 3 fases. De esta manera se podrán minimizar los efectos del desequilibrio.
Equilibrado de Cargas en Instalaciones Industriales
En instalaciones industriales el equilibrado de cargas es un aspecto crítico debido a la diversidad de equipos monofásicos y trifásicos que se utilizan, requiriendo un especial cuidado en su planificación y gestión:
● Distribución de receptores monofásicos: es importante distribuir los receptores monofásicos (iluminación, motores pequeños, tomas de corriente, etc.) de manera uniforme entre las 3 fases.
Se recomienda realizar un análisis detallado de los patrones de consumo, considerando tanto las cargas instaladas como las cargas que se puedan agregar en el futuro. Al conectar nuevos equipos, debe verificarse su impacto en el equilibrio de las fases.
● Diseño del sistema eléctrico: durante la fase de diseño de la instalación, se ha de prevenir la distribución de cargas futuras para evitar desequilibrios con el tiempo.
El cálculo de la intensidad nominal del IGA debe basarse en la suma de todas las potencias de los receptores monofásicos y trifásicos, asumiendo una distribución uniforme. Si no se garantiza el equilibrio, es necesario dimensionar el IGA con un margen adicional para prevenir disparos innecesarios.
● Sobredimensionar el neutro: en instalaciones industriales que emplean numerosos equipos electrónicos o cargas no lineales (como variadores de velocidad, fuentes de alimentación conmutadas, etc.), las corrientes armónicas pueden ser significativas.
Estas corrientes armónicas tienden a centrarse en el neutro, incrementando la corriente total que debe soportar este conductor. Para evitar sobrecalentamientos y fallos, se recomienda aumentar su sección.
Por ejemplo, si los conductores de fase tienen una sección de S, el neutro puede dimensionarse con una sección de 1,5 ⋅ S, o incluso de 2 ⋅ S, dependiendo de la proporción de cargas no lineales.
Si no se corrigen los armónicos, una corriente excesiva por el neutro podría incluso superar el calibre del IGA, provocando aperturas intempestivas.
Ejercicios Resueltos de Desequilibrio de Cargas
A continuación, se presentan 2 ejercicios resueltos de cálculo de desequilibrio de cargas en instalaciones trifásicas:
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