Factor de Potencia
Indice
2. ¿Qué es el factor de potencia?
3. ¿Cómo mejorar el factor de potencia?
4. Localización de condensadores y motores sincrónico.(6)(7)
5. Aspectos a ser tomados en cuenta para la instalación y operación de los condensadores (2)
En la actualidad los costos de operación de las industrias se incrementan continuamente. La energía, un recurso fundamental para el progreso y la expansión industrial, no escapa a la tendencia del incremento de su costo, pues el recurso energético mas usado, los hidrocarburos, presenta una situación de agotamiento gradual que lo hace día a día más costoso.
Esta situación ha llevado a la industria eléctrica a la definición de políticas que conlleven a un uso más racional y eficiente de la energía eléctrica.
Una de las medidas al alcance del industrial para conocer el grado de eficiencia con el cual está utilizando dicha energía es el llamado factor de potencia, el cual ha sido tomado muy en cuenta dentro de los programas tendientes a la mejor utilización de la electricidad y del cual se hablará en la presente trabajo.
2. ¿Qué es el factor de potencia?
Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de carácter reactivo, a causa de la presencia principalmente de equipos de refrigeración, motores, etc.. Este carácter reactivo obliga que junto a la potencia activa (KW) exista una potencia llamada Reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinen el comportamiento operacional de dichos equipos y motores. Esta potencia reactiva ha sido tradicionalmente suministrada por las empresas de electricidad, aunque puede ser suministrada por las propias industrias. Al ser suministrada por las empresas de electricidad deberá ser producida y transportada por las redes, ocasionando necesidades de inversión en capacidades mayores de los equipos y redes de transporte.
Todas estas cargas industriales necesitan de corrientes reactivas para su operación. La naturaleza de esas corrientes es descrita a continuación, mostrándose que son la causa principal del bajo factor de potencia.
Potencia aparente y potencia activa
La potencia aparente es sencillamente definida como el producto del voltaje aplicado a un circuito y la corriente que circula por él. Esta es medida en Voltios-Amperios e incluye cualquier potencia reactiva que puede ser requerida por la carga.
Potencia Aparente(V-A)
La potencia activa en vatios consumida por una carga eléctrica, es el producto de la corriente de la carga, el voltaje aplicado y el coseno del ángulo de fase, θ, esto es:
Potencia(vatios)=voltios*amperios*cosθ
El coseno del ángulo de fase toma en cuenta la potencia reactiva. Ella aparece en la ecuación debido a que cualquier inductancia o capacitancia causa una diferencia de tiempo entre el pico del voltaje aplicado a la carga y el pico de corriente exigido por la carga. La figura 4 ilustra un lapso de tiempo para un circuito puramente inductivo.
En circuitos inductivos, el pico del voltaje ocurre primero, y la corriente se dice que está “atrasada”. En circuitos capacitivos, el pico de corriente ocurre primero y la corriente se dice que está “adelantada”.
Tanto el adelanto como el atraso es medido en grados y estos grados es lo que se denomina ángulo de fase θ, y asν, en la figura 4, θ es un αngulo de atraso de 90˚. Como la mayoría de las cargas industriales son de naturaleza inductiva, normalmente se trabajará con corrientes atrasadas.
En circuitos resistivos puros (sin inductancia ni capacitancia), los picos de corrientes y voltaje ocurren simultáneamente y se dice que están “en fase” . Aquí el ángulo θ será siempre 0˚.
En circuitos que contienen resistencia e inductancia, el ángulo θ es siempre menor de 90˚.
El hecho de que grandes inductancias produzcan grandes atrasos es matemáticamente reflejado por el valor del coseno, ya que el coseno de cualquier ángulo entre 0˚ y 90˚ está entre los valores de 1 y 0 respectivamente. Cuando esa θ = 0˚ (circuito resistivo puro) cos θ=1, obteniιndose:
Potencia Activa(vatios)=voltios*amperios*1, en cuyo caso la potencia activa y la aparente son iguales. Cuando θ=90˚ (circuito inductivo puro o capacitivo puro), cos θ=0 y la potencia activa (vatios)=voltios*amperios*0=0.
Para un ejemplo práctico, sea θ=30˚. De las tablas trigonomιtricas, cos30˚=0.866, luego potencia activa (Vatios)=voltios*amperios*0.866.
Este es un caso típico donde la potencia activa es mucho mayor que 0, pero considerablemente menor que el producto voltios*amperios; la diferencia es debida a la potencia reactiva.
Se deduce lógicamente que la adición de más motores (esto es, más inductancia) a una planta industrial disminuirá el factor de potencia de la industria. Esto es debido a que:
Potencia Activa
Factor de potencia=————————-
Potencia Aparente
Cuando el ángulo de fase es incrementado por la adición de más inductancias, la fracción representada cos θ ser hace mαs pequeña, dando una cifra baja para el factor de potencia.
Consideremos el triángulo rectángulo de la figura 5 que representa la potencia requerida por un grupo de motores de inducción.
En esta figura, la potencia reactiva es pequeña, y se ve fácilmente que el lado del triángulo que representa la potencia activa se aproxima en tamaño al lado que representa la potencia aparente así, la razón de la potencia activa a la potencia aparente (cos θ) se aproxima a uno. Note que en este caso, el ángulo θ es pequeño, como también lo es el lado que representa la potencia reactiva.
En la figura 6, el número de motores en el grupo original se incrementado. Ahora, el ángulo θ también ha aumentado y también lo han hecho los lados que representan las potencias activa y reactiva, y por lo tanto la potencia aparente se ha hecho relativamente mayor. Luego, la razón de la potencia activa a la aparente (cos θ) decrece y así mismo disminuye el factor de potencia, causando los efectos indeseables que se describen a lo largo de este trabajo.
Normalmente, la potencia activa es expresada en Kilovatios (Kw.), la potencia reactiva en Kilovatios amperios reactivos (KVAR) y la potencia aparente en Kilovatios amperios (KVA) igualmente, se abrevias el factor de potencia como FP o cos θ.
Del triángulo rectángulo, podemos deducir lo siguiente:
KW
FP=cos θ=———————
√(KW²+KVAR²)
Observándose la importancia que tiene el lograr disminuir lo más posible la cifra que representa los KVAR.
¿Por qué existe un bajo factor de potencia?
La potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos pero es necesaria para el funcionamiento de elementos tales como motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros, puede volverse apreciable en una industria, y si no se vigila apropiadamente hace disminuir el factor de potencia, el cual se paraliza. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:
-Un gran número de motores.
-Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.
-Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria.
-Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.
Una carga eléctrica industrial en su naturaleza física es reactiva, pero su componente de reactividad puede ser controlado y compensado, con amplios beneficios técnicos y económicos.
¿Por qué se penaliza el bajo factor de potencia?
El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes:
1)Al suscriptor:
-Aumento de la intensidad de corriente.
-Pérdidas en los conductores y fuertes caída de tensión.
-Incrementos de potencia de las plantas, transformadores y reducción de capacidad de conducción de los conductores.
-La temperatura de los conductores aumenta y disminuye la vida de su aislamiento.
-Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad.
2)a la compañía de electricidad:
-Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor.
-Mayores capacidades en líneas de transporte y transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva.
-Caídas y baja regulación de voltajes, los cuales pueden afectar la estabilidad de la red eléctrica.
Una forma de que las empresas de electricidad a nivel nacional e internacional hagan reflexionar a las industrias sobre la conveniencia de generar o controlar su consumo de energía reactiva ha sido a través de un cargo por demanda, facturado Bs./KVA, es decir, cobrándole por capacidad suministrada en KVA; o a través de un cargo por demanda facturado en BS./KW pero adicionándole una penalización por bajo factor de potencia (Bs./KVAR).
Las industrias pueden evitar estos cargos tarifarios si ellas mismas suministran en sus propios sitos de consumo la energía reactiva que ellas requieren, la cual puede ser producida localmente a través de condensadores eléctricos estáticos o motores sincrónicos realizando una inversión de relativa poca monta y desde todo punto de vista favorable económica y técnicamente.
Ventajas de la corrección del F.P.
Las ventajas derivadas de la corrección del bajo F.P. se obtienen al librar un sistema de efecto (cargas extra)de la corriente adicional innecesaria que circula por los transformadores y otros equipos importante del mismo. Con un F.P. alto se utiliza más eficazmente la energía comprada y la demanda se reduce al mínimo. La economía se beneficia por las bajas tarifas aplicadas por algunas empresas de servicio eléctrico a los usuarios que operan con un alto F.P.. Se logra un ahorro considerable al no tener que pagar las multas o sanciones.
3. ¿Cómo mejorar el factor de potencia?
El factor de potencia exigido por la empresa eléctrica se puede conseguir en una forma práctica y económica, instalando condensadores eléctricos estáticos o utilizando los motores sincrónicos disponible en su industria.
Condensadores eléctricos estáticos.
En plantas industriales, la forma más práctica y económica para la corrección del bajo factor de potencia es la utilización de condensadores. LA corriente del condensador es usada para suplir en su totalidad o en parte, las corrientes magnetizantes requeridas por las cargas.
Los condensadores mejoran el factor de potencia debido a que sus efectos son exactamente opuestos a los de las cargas reactivas ya definidas, eliminando así el efecto de ellas.
La potencia reactiva capacitiva de un condensador Qc es:
Qc=V²*W*C*10-3, en KVAR
Siendo:
V= el valor eficaz de la tensión de servicio, en voltios.
W=la velocidad angular (W=2*pi*f)
F= frecuencia en Hz.
C=la capacidad, en faradios.
La potencia de el condensador, Qc1 (figura 8)ha ser tal que luego de su instalación se establezca un valor mejorado de cos θ2 comprendido entre 0.9 y 0.98 (inductivo), en lugar de cos θ1
cos θ2=KW/KVAR1 cos θ2=KW/KVA2
No se debe efectuar una compensación excesiva (Qc>QL) ya que, en tal caso, resulta una potencia reactiva capacitiva con problemas similares a la inductiva. Además, en caso de sobre-compensación se puede establecer un aumento de la tensión de los equipos con respecto a la de la red.
Para determinar la potencia de los condensadores a utilizar en sistemas de compensación central o por grupos, se suma el consumo de potencia reactiva de todos los equipos teniendo en cuenta un factor de simultaneidad adecuado.
Motores Sincrónicos
Los motores sincrónicos pueden también actuar como generadores de KVAR. Su capacidad para generar KVAR es función de su excitación y de la carga conectada; cuando operan en baja excitación no genera los suficientes KVAR para suplir sus propias necesidades y en consecuencia los toman de la red eléctrica.
Cuando operan sobrexcitados (operación normal) suplen sus requerimientos de KVAR y pueden además entregar KVAR a la red; en este caso son utilizados como compensadores de bajo factor de potencia. En la fig 10 se muestra los KVAR que un motor sincrónico puede entregar bajo diferentes condiciones de carga y excitación.
¿Cómo determinar la cantidad de condensadores necesarios?
Midiendo la energía activa y reactiva en instalaciones ya existentes se puede calcular la potencia necesaria del condensador para obtener el factor de potencia deseado. También se pueden conectar durante cierto tiempo registradores de la potencia activa y reactiva para obtener información sobre el consumo de energía reactiva. Si se desea alcanzar un valor determinado del factor de potencia cos θ2 en una instalación cuyo factor de potencia existente cos θ1 se desconoce, se determina este con ayuda de un contador de energía activa, un amperímetro y un voltímetro. Existen diferentes métodos para realizar estas mediciones.
Cuando se van a realizar estudios del factor de potencia, es imprescindible contar con suficiente cantidad de datos, o en su defecto tomarlos en las instalaciones. Si el estudio es solo para propósitos de disminución tarifaria, es suficiente con la información de su factura para determinar los KVAR requeridos.
Basándonos en la factura tenemos la siguiente información:
KW=497
KWH=73.968
KVARH=107088
A partir de los valores de los KWH y los KVARH se determina el factor de potencia:
KVARH 107.088
Tg=Ø1 ———– = ——————-= 1.45
KWH 73.968
Correspondiente a este valor de tgØ1 hay un valor de cosØ1 0.57 y se desea tener un cosØ2 de 0.9 que equivale a tgØ2 = 0.4843.
KVARoriginales KW*tg θ1 497*1.45=720.6
KVARmejorado KW* tgθ2 497*0.4843=240.7
Luego los KVAR necesarios para mejorar el factor de potencia son:
ΔKVAR=KW(tg θ1-tg θ2)0497(1.47-0.4843)
=480
En la tabla 1 se indican los valores de (tgØ1 –tgØ2) para un amplio rango de condiciones de operación. En el presente ejemplo resulta, para un valor existente de cosØ1=0.57 y uno deseado de cosØ2=0.9, un factor F
F=0.958
En tal caso, la potencia del condensador necesaria es:
ΔKVAR=KW*F=497*0.958
ΔKVAR=476
Se eligen los condensadores en los rangos existentes normalizados hasta completar la magnitud exacta inmediata superior, en nuestro caso 500 KVAR. En la tabla número 2 se presenta una lista de los tamaños de condensadores más comunes existentes en el mercado.
Es oportuno destacar que en relación a los voltajes y tamaños de los condensadores, las diferentes fábricas producen equipos para los voltajes normalizados más utilizados por las empresas de electricidad, aunque también los fabrican para voltajes y tamaños especiales bajo especificación del cliente.
Sin embargo, los tamaños existentes en el mercado son muy numerosos y generalmente se fabrican tanto condensadores monofásicos como trifásico en incrementos de 5KVAR hasta 50KVAR, de 10KVAR hasta 100KVAR y en saldos de 50KVAR hasta 300KVAR. Tamaños mayores requieren pedidos especiales.
En todo caso es importante destacar que la frecuencia de operaci´+on de los condensadores debe ser 60Hz.
Aún contando con la información de la factura, es deseable realizar mediciones preferentemente de KW, KVAR y voltaje tanto en circuitos alimentadores principales como en las cargas (en intervalos regulares de tiempo durante los períodos de operación de la planta), lo que nos permitiría diferenciar entre una compensación a nivel de planta una compensación para cargas individuales o una combinación de éstas (7).
Las mediciones de voltaje son muy importantes si se desea utilizar un control automático de regulación de condensadores.
Nota: Generalmente cada fábrica de condensadores produce determinado tamaño y para algunos voltajes. Lo mejor a la hora de la selección es solicitar los catálogos de las diferentes fábricas a fin de obtener el más conveniente para su tamaño y voltaje de operación.
4. Localización de condensadores y motores sincrónico.(6)(7)
Los beneficios que los condensadores en paralelo y los motores sincrónico dan al sistema es el de proveer una base para la reducción de los KVAR. Estos beneficios se manifiestan en una reducción de sus facturas de electricidad, liberación de capacidad de KVA en el sistema, mejoramiento de voltaje y reducción de pérdidas.
En sistemas de 240 a 600 voltios y siempre que sea posible, los condensadores deben ser localizados en o cerca de las cargas a fin de obtener el mínimo costo y los máximos beneficios, estas localizaciones son mostradas en las figuras 13 y 14. La localización más efectiva es en la carga tal como C1, luego C2 etc..
En el caso de motores sincrónicos, no es fácil lograr esta flexibilidad; usualmente los motores sincrónicos son de gran potencia y no son económicos para la operación a 240 o 480 voltios, que es el voltaje común en las plantas industriales. Sin embargo siguen vigentes los principios ya mencionados, esto es corrección a la carga cuyo factor de potencia se desea mejorar.
Compensación Individual (7)
La compensación individual es rentable sobre todo en motores grandes con operación contínua y en transformadores. En la mayoría de estos casos, los condensadores se pueden conectar al equipo sin necesidad de aparatos de maniobras ni fusibles, y se maniobran y protegen junto con él.
Transformadores.
Según las normas de distribución, para compensar la potencia reactiva de transformadores (sin tener en cuenta la red) hay que preveer en el lado de baja tensión condensadores de las siguientes potencias.
LA figura 18 se refiere únicamente a la potencia del condensador fijo que está conectado al lado de baja tensión del transformador.
Las sobrecompensaciones (lo cual equivale a una potencia capacitiva) originan aumentos de tensión, que se pueden calcular en forma aproximada de la siguiente manera:
Uk*Qc
u=———–
KVAN
Siendo:
U=el aumento de tensión en % de la tensión nominal del transformador.
Uk=la tensión de cortocircuito del transformador, en %
Qc=la potencia nominal del condensador en KVAR
KVAN=la potencia nominal del transformador, en KVA.
Para una tensión de cortocircuito del transformador Uk=6% y para una compensación del transformador del 100% de potencia capacitiva, resulta un aumento de la tensión del 6%. Estos aumentos de tensión son generalmente reducidos y en algunos casos no se consideran.
Motores trifásicos.
En este caso hay que tener en cuenta que si al desconectar el motor no se separan los condensadores de los arrollamientos (fig 19), pueden resultar en los bornes del motor una tensión debido a la autoexcitación que se mantendrá hasta que el motor se pare. Esto se evita eligiendo los valores recomendados para la compensación individual de motores según se indica en la tabla 4
Arranque mediante un interruptor normal estrella-triángulo de accionamiento manual.
En este caso se recomienda hacer la conexión de los condensadores según se indica en la figura 20. Con esta conexión los condensadores permanecen conectados a la red durante la conmutación de estrella a triángulo. Además toda la potencia del condensador es efectiva aún en la conexión estrella.
Arranque mediante un interruptor estrella-triángulo por contactores.
En este caso (figura 21), el condensador está conectado a la red a través de un contactor el cual impide la autoexcitación, y las conexiones en oposición de fase. Durante el arranque del motor (conexión estrella) es ya efectiva la potencia total del condensador. Para descargar este después de la desconexión hay que preveer un dispositivo de descarga. Para los condensadores con potencia de hasta 50KVAR aproximadamente se utilizan resistencia óhmicas de descarga, y para los condensadores con potencias superiores, bobinas de reactancia.
Lámparas fluorescentes.
En una instalación con lámparas compensadas individualmente pueden fallar los condensadores, sin que ello se perciba. Generalmente estas fallas no se notan hasta que los interruptores de medida indican un incremento de la potencia reactiva.
La tarea de encontrar los condensadores defectuosos resulta complicada y costosa, por lo que en las instalaciones de iluminación de gran envergadura conviene utilizar una compensación central o por grupos.
Compensación Por Grupos (7)
Cuando hay un grupo de equipos conectados conjuntamente, se pueden tomar los condensadores en lugares apropiados, por ejemplo, en un tablero de compensación y para evitar que se produzcan sobrecompensaciones, los equipos y los condensadores tienen que estar conectados conjuntamente. En este caso es conveniente realizar un análisis más detallado para definir los grupos y forma de compensación según las característica de operación de la industria.
En el caso de la compensación de lámparas fluorescentes las potencias de los condensadores se indican en la tabla 5.
Compensación Central Con Sistema De Regulación (7)
Cuando hay un gran número de equipos de potencias diferentes y conexión variable, resulta muy apropiada la compensación central con un sistema de regulación a fin de mantener constante el factor de potencia de la instalación.
Cuando la compensación se efectúa centralmente se facilita los trabajos de mantenimiento, al contrario de lo que ocurre en la compensación individual en donde los condensadores están distribuidos por separado, por ejemplo, en las lámparas fluorescente. No obstante, hay que tener en cuenta que en la compensación central la potencia reactiva es transmitida desde el tablero de comunicación hasta los equipos a través de sistemas de distribución interno de la planta, sobrecargándolo.
Los componentes esenciales de un sistema de compensación central son:
-Condensadores.
-Un regulador de la potencia reactiva que mide a través de transformadores de intensidad, el consumo de potencia reactiva es la acometida, y transmite las órdenes de conexión o desconexión a los contactores de maniobra de los condensadores.
-Fusibles para las derivaciones de los condensadores.
-Contactores para maniobrar los condensadores.
-Un dispositivo para descargar los condensadores una vez desconectados de la red.
En el caso de regulación automática, el regulador de potencia reactiva conecta automáticamente los condensadores. Cuando la carga es aproximadamente simétrica, el regulador mide la potencia reactiva es un conductor activo, y si la carga es asimétrica, en los tres conductores activos. Los reguladores de potencia reactiva se conecta a través de transformadores de intensidad. Con relación al sentido de flujo de la energía, dicho transformadores deben estar situados por delante del sistema de regulación(véase figura 22).
Si no se realiza la conexión correctamente los condensadores se conectan ya a una carga inductiva reducida, puestos que la compensación no es efectiva para los transformadores de intensidad. Al desconectarse los equipos, queda fuera de servicio el sistema de regulación, ya que no fluye corriente a través del transformador de intensidad. Los conductores permanecen conectados y al energía sobrante fluye a la red. En tal caso se establece una sobrecompensación.
Cuando hay varias acometidas, hay que considerar la corriente reactiva de cada una de ellas y mediante un transformador totalizador se suman las intensidades correspondientes y se transmiten al sistema de regulación (fig 23) si se iguales las relaciones de transformación de los transformadores de intensidad, se puede utilizar un transformador intermedio, en lugar de totalizador (fig 24).
El sistema de compensación central se dispone generalmente en las proximidades de la instalación de maniobra principal de baja tensión. El sistema de compensación se extiende a toda la instalación incluyendo los aparatos de alumbrado.
Para mantener constante el factor de potencia independientemente de las radiaciones del consumo de potencia reactiva, los condensadores se conectan o desconectan automáticamente por etapas. La elección del número y la magnitud de estas depende de las condiciones de servicio. LA experiencia a demostrado que conviene dividir la potencia del condensador en cinco etapas (figura 25). Para una potencia total de 50KVAR se conectan, por ejemplo, tres condensadores de 10, 20 y 20 KVAR respectivamente. Los reguladores han de ser insensibles dentro de un margen determinado, para impedir que oscile el sistema de regulación.
5. Aspectos a ser tomados en cuenta para la instalación y operación de los condensadores (2)
Estas notas se refieren a la instalación de condensadores destinados a la corrección del factor de potencia en sistemas eléctricos cuyos voltajes nominales estén comprendidos entre 220 y 600 voltios.
Capacidad de conducción de corriente de la instalación.
La corriente nominal de los cables o barras conductoras, equipos de conexión y desconexión, cuchillas, etc. Debe ser, como mínimo, el 135% de la corriente nominal capacitiva que soportan. Con excepción de los fusibles cuya corriente nominal no debe ser inferior al 165% de la corriente nominal de los condensadores.
Voltaje nominal del equipo accesorio
El voltajes nominal de los contactores, interruptores, cuchillas, desconectadoras, fusibles, etc. ; no debe ser inferior al voltaje de línea a la que estén conectados a los condensadores.
Tipos de instalación
Los condensadores pueden ser instalados al interior, o a la intemperie, si han sido fabricado por soportar este tipo de operaciones.
Instalación al interior
Las partes vivas de los condensadores quedan protegidos por medio de cubiertas o gabinetes que impidan el contacto directo con personas o otros equipos.
Instalaciones a la intemperie.
En caso de no usarse cubiertas de protección o gabinetes, los condensadores deben instalarse protegidos por medio de una cerca o montados sobre una estructura elevada que deje las partes vivas a la altura reglamentaria correspondiente, según el voltaje. Los condensadores tipo intemperie deben contar con un acabado, clase aislado y nivel básico de impulso para este uso. Se consideran recomendable 1,2 KV. de su aislamiento y 30 KV. de nivel básico de impulso.
Dispositivo de descarga.
Los condensadores deben contar con un dispositivo de descarga que asegure que el voltaje entre bornes de baja a 50 volts., o menos durante el primer minuto después de su desconexión. Este dispositivo puede ser interno o externo a los tanques de los condensadores y pueden estar conectado permanentemente, o bien conectarse automáticamente al salir de la operación los condensadores. El accionamiento de los dispositivos de descarga no deben efectuarse manualmente.
Los devanados de motores o transformadores, conectados en paralelo con los condensadores, pueden considerarse como dispositivos de descarga eficaces, siempre que no exista un equipo de desconexión o fusibles internos entre dichos devanados y los condensadores.
Operación rápida de conexión y desconexión
No es recomendable volver a conectar en línea un condensador que se encuentre todavía cargado. Estas implicaciones especiales, tales como la corrección del factor de potencia de motores para grúas y elevadores, bancos de condensadores de secciones desconectables que entran y salen rápidamente de operación, por medio de un control automático, que es posible que haya que volver a conectar condensadores que acaban de salir de operación. En estos casos es recomendable instalar dispositivos especiales de descarga rápida, que sean capaces de descargar los condensadores en pocos segundos antes de que vuelvan a entrar en operación, o bien, usar equipo de conexión y desconexión provisto de un aditamento capaz de limitar las sobrecorrientes y sobrevoltajes transitorios asociados con la conexión de los condensadores.
Bancos de condensadores Fijos.
Al instalar bancos de condensadores fijos, o bancos que van a quedar permanentemente conectados a la línea deben instalarse cuchillas desconectoras que permitan desconectar los condensadores durante las operaciones de mantenimiento sin que sea necesario paralizar el resto de la instalación.
Bancos de condensadores desconectables.
Al instalar bancos desconectables, es decir, bancos que entran y salen de operación con cierta frecuencia operado manual o automáticamente, deben conectarse cuchillas desconectoras que permitan desconectar tanto condensadores y equipos de conexión y desconexión, a fin de facilitar el mantenimiento de ambos equipos.
Disposición de los condensadores
Los condensadores deben instalase respetando las distancias mínimas entre condensador y condensador que recomienda los fabricantes de los mismo y en una disposición tal que sean fácilmente desconectables y reemplazables, a fin de facilitar la buena y continua operación de los condensadores.
Puesta a tierra de los tanques.
Los tanques de condensadores a sí como la cubierta o gabinetes que sirvan de protección de sus partes vivas, deben instalarse conectados a tierra.
Corrección de factor de potencia para motores de inducción.
Cuando se compensan individualmente motores de inducción instalándose condensadores entre el motor y su equipo de arrastre y parada, la potencia reactiva de los condensadores no debe exceder a la necesaria corrección del factor de potencia del motor por unidad, en condiciones de marcha en vacío.
Recalibración de los elementos térmicos de motores de inducción compensados por condensadores.
Cuando se compensan individualmente motores de inducción instalándose los condensadores entre el motor y su dispositivo de protección térmica, deben recalibrarse los elementos teniendo en cuenta la nueva corriente que toma el motor con el factor de potencia corregido.
Compensación de transformadores
Cuando se corrige el factor de potencia de un transformador con un condensador instalado en el secundario del mismo, y existe la posibilidad de que los condensadores y el transformador trabajen en vacío, la potencia reactiva de los condensadores expresada en KVAR no debe exceder del 10% de la potencia nominal del transformador, expresada en KVA.
Ventilación
Los condensadores deben instalarse de forma que la ventilación por convección no quede entorpecida por ningún obstáculo.
Cuando los condensadores se instalen dentro de un gabinete, puede ser conveniente hacerlo funcionar con ventilación forzada. En cualquier caso, las temperaturas ambiente del local o del interior del gabinete donde se encuentren funcionando los condensadores, no deben sobrepasar los limites recomendados por las normas del fabricante del mismo.
No es recomendable instalar los condensadores cerca de superficies radiadoras de calor cuya temperatura sea superior a la temperatura ambiente.
Frecuencia y voltaje de operación.
Los condensadores pueden ser operados a frecuencias y voltajes inferiores a sus valores nominales. Esto implica una disminución de la potencia reactiva proporcionada, que es directamente proporcional a la frecuencia y al cuadrado del voltaje.
Sin embargo, los condensadores, no deben colocarse en frecuencias o voltajes superiores a sus valores nominales. La fluctuaciones de voltaje no deben exceder los limites superiores permitidos especificados por los fabricantes de los condensadores. En condensadores tipo intemperie este limite será 10% de sobrevoltaje, con respecto al voltaje nominal de los condensadores.
Protección
Los condensadores deben instalarse con dispositivos de protección contra sobrecorrientes que provengan tanto de fallas de un condensador, como cualquier cortocircuito de la instalación. La capacitancia interruptiva de estos dispositivos debe ser la adecuada para magnitud de sobrecorrientes que deban relevar y debe planearse el que actúen con mayor velocidad que resulta práctica.
Cuando los condensadores se instalen entre un motor eléctrico y su dispositivo de protección, no es necesario instalar un dispositivo especial para los condensadores.
Protección con fusibles.
Pueden usarse fusibles de potencia tipo estándar tanto para la protección general de la instalación como para la protección individual de los condensadores. La protección general debe efectuarse con tantos fusibles como líneas energizadas existan. Las protecciones individuales de los condensadores monofásicos pueden efectuarse con un solo fusible por condensador y la de los condensadores trifásicos con dos fusibles por condensador. Si los condensadores llevan instalados fusibles internos, pueden instalarse la protección individual. La corriente nominal de los fusibles no debe ser inferior al 165% de la corriente nominal capacitiva que soporten.
Protección con interruptores
Pueden usarse interruptores magnéticos o termomagnéticos. O cualquier otro tipo de interruptores de potencia para baja tensión de uso estándar siempre que se tomen en cuenta los márgenes de corriente especificados por el fabricante de los equipos al ser operados con cargas capacitivas puras. La corriente nominal del interruptor en ningún caso debe ser inferior al 135% de la corriente nominal de los condensadores.
Conexión y desconexión.
Los condensadores deben instalarse con un dispositivo de desconexión capaz de interrumpir la corriente de cada uno de los conductores energizados, con la excepción del caso en que los condensadores se instalen entre un motor eléctrico y su dispositivo de conexión y desconexión. En este caso, el dispositivo de conexión y desconexión del motor pueden servir para operar el motor y los condensadores juntos.
No es necesario que el dispositivo de desconexión interrumpa al mismo tiempo la corriente de todos los conductores de energizados.
Como dispositivo de conexión y desconexión pueden usarse cuchillas, contactores magnéticos o termomagnéticos, o cualquier tipo de interruptores de potencia para baja tensión de uso estándar, siempre que se tome en cuenta las especificaciones del fabricante en estos equipos al ser operados para cargas capacitivas puras. La corriente nominal del dispositivo de conexión y desconexión en ningún caso debe ser inferior al 135% de la corriente nominal de los condensadores.
El dispositivo de conexión y desconexión debe ser capaz de soportar en posición de contactores cerrados, la corriente de cortocircuito del sistema en el punto donde se encuentres instalados los condensadores, aún cuando no este planeado o no sea capaz de interrumpir dichas corrientes de cortocircuito.
Control.
Cuando se instalen condensadores que entren y salgan de operación automáticamente, debe tenerse especial cuidado en la selección según las fluctuaciones de los valores del factor de potencia a fin de cumplir con los niveles y esquemas de compensación reactiva que se deseen.
Instalación en condiciones anormales de operación.
Se considera como condiciones anormales de operación:
· Exposición a choques mecánicos o vibraciones.
· Exposición a superficies radiadoras de calor, que se encuentran a temperaturas superiores a la temperatura ambiente.
· Montaje que dificulte la ventilación de los condensadores.
· Operación a temperaturas ambientes más altas que la temperatura ambiente permisible según la norma de fabricación de los condensadores.
· Operación a altitudes mayores de los 1800 metros sobre el nivel del mar.
· Operaciones de redes con forma de onda de voltaje distorsionada.
En estos casos, se considera recomendable que el fabricante de los condensadores sea puesto en antecedentes de las condiciones en que se pretende operar.
Instalación en zonas peligrosas.
Se consideran zonas peligrosas:
· Atmósferas con humo o vapores corrosivos.
· Atmósferas con polvo o vapores conductores, inflamables o explosivos.
En estos casos deben tomarse medidas de seguridad reglamentarias y poner antecedentes al fabricante de los condensadores.
Datos de placa de características
Los condensadores deben ir provistos de placas de características que indiquen:
· Nombre del fabricante.
· Voltaje nominal del condensador(voltaje aplicable entre bornes)
· Potencia reactiva nominal, o bien corriente nominal por fase.
· Frecuencia.
· Numero de fases.
· Tipo de conexión cuando los condensadores sean trifasicos.
· Numero de catalogo o especificación del fabricante.
· Numero de serie del condensador
· Tipo de impregnaste y numero de litros cuando este sea combustible.
· Indicación de si el condensador cuenta o no con un dispositivo de descarga interno.
Precauciones con condensadores impregnados con askareles.
Los condensadores impregnados con askareles deben llevar una placa especial en donde se indique que el impregnante es un elemento contaminante del medio ambiente y que no debe ser arrojado a los caños del drenaje.
Recomendación final.
Para la instalación con tensiones mayores a la aquí señaladas es conveniente analizar cada caso particular y consultar normas de distribución CADAFE. Es recomendable también buscar asesoramiento de oficinas de ingeniería de consulta especializados en la materia.
Ventajas técnico económicas del aumento del factor de potencia.
Ahorro en el pago de la factura de electricidad.
El objetivo principal de la utilización de los condensadores industriales es la reducción de los costos de la energía comprada a CADAFE, eliminando la penalización por bajo factor de potencia que es parte de nuestra tarifas de electricidad.
Normalmente la inversión en condensadores se recupera en un periodo de 1 a 3 años lo cual representa una rata de retorno del capital mayor del 30%. La rata de retorno dependerá del costo de los capacitores y el nivel de voltaje requerido y la cláusula de penalización por bajo factor de potencia.
Una regla bastante utilizada para mejorar el factor de potencia a valores entre 90 y 95%, sin embargo, la mejor forma de determinar los KVAR. De los condensadores es calcular la rata de retorno y ahorro de Bs. Para varios valores del factor de potencia.
Mejora de la eficiencia eléctrica.
Otras ventajas de la corrección del factor de potencia se relacionan con el mejor comportamiento del equipo eléctrico al trabajar sin grandes cargas con exceso de potencia reactiva.
Liberación de capacidad del sistema.
La potencia reactiva usada por circuitos inductivos consiste de una corriente reactiva o corriente magnetizante multiplicada por el voltaje del sistema. La potencia reactiva total(y la corriente) aumentan mientras el factor de potencia decrece, cuando la cantidad de elementos inductivos que requiere potencia reactiva se incrementa. Cada elemento inductivo añadido al sistema contribuye a los requerimientos de potencia reactiva totales.
Cuando el factor de potencia es mejorado, la cantidad de corriente reactiva que fluía a través de los transformadores, alimentadores, tableros, cables es reducida. Los condensadores para corrección de factor de potencia, conectado directamente a los terminales de las cargas inductivas tales como los motores, generan la mayor o toda la potencia reactiva necesaria para crear el campo magnético de los motores y así reduce o elimina la necesidad de suplir potencia desde el sistema de distribución.
Por ejemplo, si cuatro motores operan a un factor de potencia de 75%, la corriente del factor de potencia a 95%, liberara suficiente capacidad del sistema para instalar un motor adicional del mismo tamaño.
Donde los transformadores y circuitos estén sobrecargados los condensadores de potencia instalados en varias fuentes de carga inductiva pueden liberar capacidad del sistema y permitir servicios o aumentos de cargas. Las instalación de los condensadores de potencia puede, en algunas circunstancias eliminar la necesidad de instalar grandes transformadores de potencia, recablear una planta o posiblemente ambas cosas.
Mejoramiento de las condiciones de voltaje.
Un bajo factor de potencia puede reducir voltajes en la planta cuando los KVAR son exigidos del sistema de distribución. Cuando el factor de potencia decrece, la corriente total del línea se incrementa(mayormente corriente reactiva) causando grandes caídas de voltaje a través de la impedancia de línea. Esto se debe a que la caída de voltaje en una línea es igual a la corriente que fluya multiplicada por la impedancia de la línea. Para mayores corrientes mayor será la caída de voltaje.
Reducción de las pérdidas de potencia.
El bajo factor de potencia también puede causar pérdidas de potencia en el sistema de distribución interno de la planta. La corriente en los alimentadores es alta debido a la presencia de la corriente reactiva. Cualquier reducción en esta corriente resulta en menores KW perdidos en la línea.
Los condensadores de potencia, reduciendo o eliminando la corriente reactiva en los alimentadores, pueden ahorrar una cantidad significante de dinero al reducir la facturación de los KWH.
Guía para la evaluación técnico económica de la instalación de condensadores en la industria.
Datos del sistema eléctrico industrial.
Capacidad térmica liberada.
Uno de los beneficios más importantes que justifica la adición de condensadores es que permite que el sistema eléctrico de la planta sirva una mayor cantidad de KW de la que es posible servir sin condensadores. Esto es especialmente importante para industrias que experimentan un rápido crecimiento, ya que al agregar condensadores liberan capacidad térmica y se puede posponer la necesidad de agregar equipos más costosos de que otra forma sería inevitable.
Analizando:
KVA1=carga original
KVA2=Carga resultante después de agregar condensadores.
CKVA = Condensadores agregados
ΔKVA= Carga adicional al factor de potencia original que se puede agregar antes que los KVA lleguen otra vez al valor de KVA1
KVAR1=Carga original del KVAR
KVAR2= KVAR1 - CKVA
Ø1=Angulo de factor de potencia original.
La adición de CKVA en condensadores mejora el factor de potencia, reduciendo la carga térmica de KVAR1 a KVAR2. El sistema puede servir una cargas adicional de ΔKVA con el mismo factor de potencia de KVA1.
Cálculo de la capacidad térmica liberada y del ahorro económico que se obtiene al diferir la instalación de más capacidad.
Factor de potencia óptimo
El factor de potencia más económico desde el punto de vista de la carga térmica se puede estimar con ayuda de una tabla que nos indica el factor de potencia más económico del sistema basado en la capacidad térmica :
Bs./KVAR 130
= = 0,37
Bs./KVA 350
Factor de potencia óptimo de la tabla: 93%
Factor de potencia exigido por CADAFE es 90% por lo tanto no tiene sentido trabajar con el factor de potencia optimo ya que la penalización es por debajo del 0,9, se elige un valor del 91% para tener un margen de seguridad.
Capacidad de condensadores requeridos en KVAR.
Los KVAR requeridos pueden calcularse usando el factor de la tabla
El factor obtenido para un aumento de potencia de 0,57 a 0,91 es 0,986 por tanto:
KVARrequeridis=pico en KW x factor de= 497 x 0,986= 490 KVAR
Capacidad de carga liberada por los condensadores.
Capacidad liberada por condensadores en % según la figura 30 es 40% por lo tanto Capacidad de carga liberada:
KVA(pico) x Cap. Carga lib. en % 872 x40
= = 349KVA
100 100
Valor de la carga liberada.
KVA liberados x Bs./KVA = 349 x 350 = 122.150 Bs.
Costo de los condensadores requeridos.
KVAR requeridos x Bs./KVAR = 490 x130 =63.700 Bs.
Ahorro en la inversión diferida por la disponibilidad de la capacidad liberada suponiendo que se utiliza inmediatamente.
7.2.1.4 –7.2.15 = 122.150 –63.700 =58.450Bs.
Ahorro en la factura al eliminar la penalización por bajo factor de potencia
KVAR. Penalizado por tener un factor de potencia del 57%(penalizado por debajo de 0,9)
De la tabla 1 se tiene:
7.3.1.1 Factor de compensación 0,958
7.3.1.2 KVAR. Penalizados
0,958(pico KW) =0,958×497=476KVAR
Cálculo aproximado de la reducción de pérdidas.
Los condensadores instalados en el sistema reducen las perdidas de cobre al eliminar el flujo de corriente reactiva. Esta reducción de perdidas reduce el pico de KW. Además se necesitaran menos KWH porque reducen las perdidas de energía. La reducción en el pico de KW puede liberar una cantidad significativa de compra de electricidad con la eliminación de las perdidas producidas por la corriente reactiva, las cuales no serán requeridas de la red de CADAFE.
Factor de potencia óptimo para la reducción de pérdidas.
Proporciona un valor del factor de potencia más económica, basado en la premisa de que la perdidas eléctricas del sistema de distribución de la planta industrial equivalen aproximadamente al 10% del pico de KW requeridos*
Costos de los condensadores(Bs./KVAR)
Costo de suministro eléctrico 130 Bs.
= = 0,0520
(Bs./KW) 2.500 Bs.
Factor de potencia figura = 96%
La cantidad (KW) de reducción de carga pico que los condensadores producirán es equivalente a:
La experiencia nos indica que la instalación de condensadores afecta aproximadamente a una perdidas equivalentes al 5% de KW pico(es decir) a ½ de las perdidas totales) = 497 x 0,05 = 24,85 KW
Valor de la demanda de facturación liberada(ahorro) ya que disminuye la demanda máxima.
Reducción de perdidas x Bs./KW =15,10 x 2.500 Bs. /KW =37.750 Bs.
Equivalente a un ahorro neto anual de:
37.750 x0,12=4.530 Bs.
Ahorro de energía al año
Ahorro aproximado en KWH.
Reducción de pérdidas durante carga máxima x factor de perdida x horas/años =15,10 x 0,10 x 8.760 = 13.228 KWH/año
Valor anual de los ahorros de energía.
KWH ahorrados x Bs. KWH=13.228 x 0,11= 1.455 Bs. /año
Ahorro neto logrado por la instalación de condensadores
Valor actualizado por la capacidad liberada, la cual se supone se utilizara el 2° año.(*)=
122.150
=97.378Bs.
(1+0.12)2
criterio conservador
Costo de los condensadores instalados.
= 63.700 Bs.
Ahorro neto en inversión por capacidad diferida(7.5.1 – 7.5.2)
= 33.678 Bs.
Interés anual sobre capital invertido.
=12%
Ahorro neto anual por concepto de inversión diferida por aumento de la capacidad.
= 4.041 Bs.
Ahorro anual neto por concepto de disminución de cargo por demanda de la facturación por la reducción de perdidas.
=37.750 x0,12 = 4.530Bs.
Más ahorro anual por el concepto de perdidas de KWH. Eliminadas.
=1.455Bs.
Más ahorro anual por concepto de cargo de bajo factor de potencia eliminado en la factura.
=2.380 Bs./mes x12 meses = 28.560 Bs.
Ahorro anual total.
= 38.586 Bs. El ahorro anual de Bs. 38.586 sobre la inversión de 63.700 Bs. Equivale a una tasa de retorno del 61%.
De las cifras mencionadas en punto 7.5 se destaca solo el ahorro de Bs. 28.567,56 anual por la eliminación de cargo de factor de potencia en su factura de electricidad, justifica la inversión de los condensadores, la tasa de retorna en este caso es del 47%.
Información básica requerida para calcular un banco de condensadores de potencia.
Datos de suministro.
· Voltaje entre fases
· Frecuencia
· Numero de fases.
Localización de equipos de medición
Alta y baja tensión
Voltajes de distribución
Capacidades de los principales transformadores de potencia
Datos de la tarifa eléctrica, método de la determinación de costos.
Datos de carga, tantos como sean posibles.
· Demanda máxima en KW o KVA
· Factor de potencia a la demanda máxima
· Demanda promedio en KW o KVA
· Factor de potencia de la demanda promedio
Potencia total en HP o KW de los motores instalados
Lista completa de motores de 20 HP y mayores, dando potencia en HP, KW, velocidades, tipos y servicios.
Para grandes instalaciones, diagrama unifilar, indicando los principales tableros y alimentadores de distribución, así como la potencia en HP o KW conectado a cada uno.
Temperatura media y máxima durante las 24 horas del día más caluroso del año.
Altura sobre el nivel del mar.
Formulas útiles para el calculo a realizar
Nomenclatura:
· C= capacitancia(Faradio)
· V= voltajes
· A= corriente
· K=1000(constante)
El bajo factor de potencia es una de las razones por las que algunos sistemas eléctricos funcionan desventajosamente (o sea sujeto a sanciones económicas). El factor de potencia de una carga es, por definición, la razón de los watts de ésta al producto de los volts y amperes medidos en ella.
Su valor se expresa con frecuencia como porcentaje. Siempre que esa razón sea menor que la unidad o que 100%, la carga está tomando una corriente mayor que la necesaria para efectuar el mismo trabajo con fp=1. Tal corriente de mayor intensidad produce más caída de potencial en los circuitos alimentadores, así como mayores pérdidas térmicas en alimentadores, transformadores, etc. Estos elementos tendrían que ser de mayor capacidad para evitar recalentamiento. Por supuesto, algunos tipos de cargas, particularmente las inductivas, tienen su propia naturaleza, un f.p. menor que la unidad pero muchas de ellas funcionan con un factor menor que el normal. La mayoría de los casos de bajo f.p. pueden ser corregidos con provecho para el sistema y la cuenta de gastos.
Guia Industrial. Control de el Factor de Potencia.CADAFE.
Glosario.
Voltio(V):Unidad de la tensión o voltaje de suministro de la energía eléctrica.
Kilovoltio (KV):Unidad de la tensión o voltaje de suministro de la energía eléctrica.
Amperio (A): Unidad de la intensidad de la corriente eléctrica.
Kilowatio (KW): Unidad de la potencia eléctrica efectiva o útil (activa)
Kilovoltamperio Reactivo (KVAR):Unidad de la potencia eléctrica no utilizable (reactiva)
Kilovoltamperio (KVA): Unidad de la potencia eléctrica aparente (activa y reactiva en conjunto)
Factor de potencia : Relación entre potencia útil (KW) y potencia aparente (KVA).
Demanda: Potencia eléctrica utilizada en un momento dado.
Factor de Carga: Relación entre la potencia media y la potencia máxima en un período. Indica el grado de uniformidad de la demanda.
Trabajo enviado por:
Ingenio Solo