Sistema por unidad en ingeniería eléctrica

El sistema por unidad es un método utilizado en ingeniería eléctrica para el análisis para expresar el voltaje, la corriente, los kVA y la impedancia en valores por unidad de base o de referencia de esta cantidad.

Los valores por unidad para cualquier sistema se obtienen eligiendo un conjunto de algún valor base o de referencia que se puede elegir arbitrariamente. Pero por el bien del cálculo, es una práctica común elegir las cantidades nominales para que sean el valor base o de referencia. Por unidad o valor pu se define como,

Valor por unidad = Valor real de la cantidad / Valor base de la cantidad

Para ilustrar el sistema pu, tomamos un transformador monofásico de dos devanados, por ejemplo.

Para el lado de alto voltaje, primero que nada necesitamos seleccionar valores base para calcular el valor pu.

Supongamos, VBH = valor base de voltaje e IBH = valor base de corriente. Por lo tanto, Valor base de impedancia ZBH= Valor base de voltaje/Valor base de corriente = VBH/IBH = VBHxVBH/VBHxIBH = (VBH)2/ kVA nominal

= (kVBH)2/ MVA nominal
Por eso,

valor pu de reH (resistencia equivalente referida al lado HV) = valor real de reH / ZBH

De manera similar para el lado LV del transformador,

Si elegimos el voltaje y la corriente nominales de BT como el valor base, entonces

Valor base de impedancia ZBL= Valor base de voltaje/Valor base de corriente

= VBL/IBL

= VBLxVBL/VBLxIBL

= (VBL)2/ kVA nominal

= (kVBL)2/ MVA nominal

Ahora,

valor pu de la tensión nominal en el lado HV = VBH/VBH = 1

valor pu de la corriente nominal en el lado HV = IBH/IBH = 1

Por lo tanto, vemos que el valor pu de las cantidades nominales es 1 si elegimos cantidades nominales como base o valor de referencia. También se debe tener en cuenta que el valor pu es una cantidad adimensional.

Otra característica importante del sistema por unidad es que, para el Transformador, el valor pu en el lado HV se vuelve igual al valor pu en el lado LV. (¿Cómo?)

Sea ZeL = Impedancia equivalente cuando se refiere al lado de BT

ZeH = Impedancia equivalente cuando se refiere al lado de BT

Entonces,

pu Impedancia referida al lado BT = ZeL/ZBL

Ahora,

pu Impedancia referida al lado HV = ZeH/ZBH

Pero, ZeH = ZeL(NH/NL)2

Por lo tanto,

pu Impedancia referida al lado HV = ZeL[(NH/NL)2] / ZBH

= ZeL/ [ZBH / (NL/NH)2]

= ZeL / ZBL

Por lo tanto, de lo anterior está claro que los parámetros equivalentes del transformador en el sistema pu son iguales en los lados HV y LV.

¿Por qué usamos el sistema por unidad?

Hay varias razones para usar un sistema por unidad. Algunos de ellos se mencionan a continuación:

Aparatos similares como generadores, transformadores, líneas de transmisión, etc. tendrán impedancias y pérdidas por unidad similares expresadas en su propia clasificación, independientemente de su tamaño absoluto. Debido a esto, los datos por unidad se pueden verificar rápidamente en busca de errores graves. Vale la pena investigar un valor por unidad fuera del rango normal para detectar posibles errores.
Los fabricantes suelen especificar la impedancia del aparato en valores por unidad.
El uso de la constante se reduce en los cálculos trifásicos.
Las cantidades por unidad son las mismas en cualquier lado de un transformador, independientemente del nivel de voltaje.
Al normalizar las cantidades a una base común, se simplifican los cálculos manuales y automáticos.
Mejora la estabilidad numérica de los métodos de cálculo automático.
La representación de datos por unidad proporciona información importante sobre las magnitudes relativas.