Objetivo: mejorar el factor de potencia
"El factor de potencia es un tema importante para la industria. Se puede definir como la relación entre la potencia activa (Kw) y la potencia aparente (Kva) y es el indicativo de la eficiencia con que está utilizando la energía eléctrica para producir un trabajo útil. Un bajo factor de potencia (varía entre 0y 1) limita la capacidad de los equipos y los arriesga a sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas de energía. El origen del bajo factor de potencia son las cargas de naturaleza inductiva, principalmente motores de inducción, luces fluorescentes, equipos electrónicos y formas de onda distorsionadas (armónicas). El primer paso en la corrección de un problema de factor de potencia es prevenirlos mediante la selección y operación correcta de los equipos. Los sistemas de compensación de reactivos (condensadores principalmente) son una forma practica y económica de mejorar el factor de potencia, sobre todo en instalaciones existentes. Su utilización puede ser un problema complejo y es conveniente recurrir a especialistas si no se cuenta con los recursos necesarios para resolverlo." [18]
Ventajas de la compensación
Son algunas las ventajas que proporciona trabajar con un factor de potencia corregido;
1. – Evitar la penalización en la facturación mensual de la Empresa Eléctrica.
2.- Utilizar mas eficientemente la capacidad instalada. Por ejemplo, mejorar el factor de potencia de 0.6 a 0.9 significa disponer de aproximadamente 33% de energía adicional sin cambiar generadores o transformadores.
3.- Además, para el caso, las perdidas se reducirían en alrededor de hasta el 55%. Debido a la reducción de corriente en los conductores. Esto es particularmente interesante en nuevas instalaciones pues puede ahorrar dinero al dimensionar los conductores.
4.- Consecuencia de lo anterior también es la mejora del nivel de voltaje o regulación, debido a la disminución del porcentaje de caída de voltaje.
La empresa suministradora de energía establece que el factor de potencia debe ser del orden de 0.93 ó 93%.
Efecto de conectar bancos de capacitores en un sistema eléctrico
En un sistema eléctrico se encuentran frecuentemente dos problemas típicos como son:
1. – Un bajo factor de potencia
2. – Armónicas en la red producto de cargas que consumen corrientes no-sinusoidales.
La solución ampliamente utilizada para compensar la potencia reactiva es el uso de bancos de capacitores. Desdichadamente, esta solución presenta los siguientes inconvenientes.
Los bancos de condensadores, al interactuar con la red forman un circuito R-L-C, lo que produce resonancias con frecuencias naturales dependientes de las componentes inductivas y capacitivas del circuito.
Debido a la existencia de corrientes armónicas, los modos naturales del sistema pueden ser excitados por alguna componente armónica cuya frecuencia esté cerca o coincida con este modo natural, produciéndose una severa amplificación de voltajes y corrientes, pudiendo incluso llegar a quemar algunos equipos. " [18]
Calculos
Para el cálculo del Factor de Potencia hay una amplia bibliografía que va desde la más sencilla a la sumamente compleja con algoritmos matemáticos que incluyen los números complejos e imaginarios, sin embargo aquí planteamos un conjunto de criterios prácticos que facilitan el trabajo al personal de Ingeniería de Planta que es el que todos los días enfrenta los problemas. Básicamente podemos hacer una simple división entre cargas lineales (motores, transformadores, condensadores) y no lineales (variadores de velocidad, arrancadores electrónicos y en general equipos que contengan electrónica de potencia) y podremos ver el comportamiento del triangulo de potencia para un caso y como se desplaza el factor de potencia en el segundo caso por efecto de las cargas no lineales.
Factor de Potencia para cargas Lineales:
Factor de Potencia para cargas No Lineales
Fig. 02 Triangulo de potencia para cargas lineales
Fig. 02 Triangulo de potencia para cargas no lineales, en el que se puede ver claramente que el triángulo no se cierra.
Fig 03 Triangulo de potencia tridimensional, en el que se destaca que la potencia aparente S tiene un desplsamiento D que no permite cerrar el triangulo.
Las técnicas para la instalación de los condensadores son básicamente tres (Global – ó central -, por sector – ó grupo -, por equipo – ó individual -), ya que cada uno tiene su aplicación recomendamos el análisis por profesionales especializados, para obtener óptimos beneficios. A continuación se expone unos pocos criterios para el cálculo, divididos en:
1. – Por motor o grupo de motores con equipos fijos. (INDIVIDUAL Ó POR GRUPO)
2. – Por grupo de cargas ó sub – estaciones con grupos automáticos. (POR GRUPO Ó CENTRAL) Compensación individual o por grupo Se da a continuación una tabla que a título indicativo da los valores de potencia de las baterías en Kvar a instalar en función de la potencia de los motores.
Tabla 1 Capacidad de Kvar en función de la Capacidad de los Motores Estos valores incrementarán el factor de potencia de plena carga a aproximadamente 95%. Los condensadores a instalar en los bornes de los receptores se calcularán en función de los parámetros enunciados y de forma que no sobrepase el 90% de la corriente magnetizante necesaria. Para los motores de potencia superior o igual a 250 Kw, la potencia de la batería de condensadores en Kvar será del orden del 20% de la potencia del motor en Kw.
Será igualmente necesario verificar que la potencia reactiva suministrada por la batería (Qc) no exceda del 90% de la corriente magnetizante necesaria.
Donde Qc = Potencia en Var.
Io = Intensidad magnetizante (en vacío) en Amp.
Un = Tensión en la instalación Ejemplos prácticos
Ejemplo 1. – Un motor de 22 kw, a 1750 rpm, factor de potencia 0,87, rendimiento 0,89, trifásico 220 volt, 74 amp de corriente a plena carga y 47 amp. de corriente en vacío.
Para el motor de 22 kw le corresponde un capacitor de 7 kvar.
Ejemplo 2. – Para un grupo de motores que arrancan en secuencia de una cadena de producción con las siguientes potencias: 2 x 2,2 kw 1760 rpm, 3 x 4 kw 3550 rpm, 1 x 22 kw 1780 rpm y 3 x 5,5 kw 3580 rpm. suma de = 2 x 1,5 kvar + 3 x 2 kvar + 1 x 7 kvar + 3 x 2,5 kvar = 23,5 kvar Se instalará un capacitor de 23,5 kvar ó su valor más cercano.
Es de suma importancia destacar que este tipo de ejercicio solamente es recomendable como un valor aproximado referencial, para un ejercicio rápido, y solamente en grupos de motores que trabajan en secuencia de producción, el control del capacitor se conectará por lo común al control del mayor motor, un valor mas real de este ejercicio puede ser midiendo la energía total y tomando en cuenta del factor de potencia del conjunto.
2.a.- para el mismo ejercicio anterior pero conociendo que el factor de servicio es de 0.92 y un factor de potencia del conjunto de 0,80 suma de potencias instaladas = 2 x 2,2 kw + 3 x 4 kw + 1 x 22 kw + 3 x 5,5 kw = 54,9 kw
Pmax demanda = 0,92 x 54,9 kw = 50,51 kw De la tabla de corrección de factor de potencia comúnmente usada se desprende que para un factor de potencia real de 0,80 y un factor de potencia deseado de 0,95, el factor de multiplicación es de 0,421
: (?1 ángulo real, ?2 ángulo deseado = 0.95) Kvar = 50,51 x 0,421 = 21,26 kvar
Ejemplo 3. – Una planta de producción ha recibido una planilla de la Empresa Eléctrica con los siguientes datos:
Energía Activa consumida = 42.720 Kwh Energía Reactiva consumida = 51.950 Kvarh Horas de trabajo al día = 8 horas Días laborables = 22 días
tang ??? ?= (51.950 / 42.720 ??=??50º 34" cos ??? = cos 50º 34" = 0,70 Este factor de multiplicación se obtiene calculando con el método anterior indicado ó de la tabla de corrección de factor de potencia en la que se obtiene que para un fp de 0,70 y llevarle a un fp de 0,95 el factor de multiplicación es de 0,691 Potencia en Kw = (Energía en Kwh / horas totales de trabajo) Potencia en Kw = ( 42.720 / 176 ) = 243 Kw Potencia en Kvar = 243 x 0,691 = 167,91 Kvar Transformador Un transformador no transfiere más energía reactiva que la que necesitan los receptores que están conectados a su secundario, pero él mismo también consume energía reactiva para crear su campo magnético.
Su compensación individual, en función de su corriente magnetizante en vacío o en carga se ha de efectuar según la tabla a continuación. Será necesario asegurar que la potencia de ésta en Kvar no exceda nunca del 10 al 15% de la potencia nominal del centro de transformación en kVA y de hecho la práctica más común es que la potencia reactiva para compensar al transformador se multiplique la Potencia del Transformador por la Tensión de corto circuito.
Compensación de transformadores hasta 36 Kv En vacío esta potencia será la correspondiente a la corriente magnetizante, aproximadamente igual a la de vacío, por tanto la potencia necesaria del condensador será:
Con carga en el secundario y debido a la reactancia de dispersión habrá que contar con una potencia reactiva adicional:
donde: Q´s es la potencia reactiva con carga, Uk es la tensión de Corto Circuito, S es la potencia instalada en el secundario, SN es la potencia del transformador.
Tabla 2 Compensación de Kvar en función de la capacidad del Transformador. Compensación por grupo ó central Ejemplo 4.- Para el ejemplo anterior, la instalación tiene una sub estación con un transformador Ecuatran con las siguientes características:
Potencia = 500 Kva Tensión = 13.8 / 0.22 Kv.
Impedancia 85ºC = 4% De la tabla 5.2 se obtiene que para la sub estación de 500 Kva el banco necesario para corregir el fp al transformador debe ser en vacío 11.33 Kvar y a plena carga de 34.34 Kvar. , esto es que de los 167.91 Kvar necesarios, debe instalarse un paso fijo ó permanente entre 11 y 34 Kvar Cuando no hay otros criterios, que permitan tomar una decisión técnica, se recomienda la aplicación de una regla práctica que establece " el valor del banco de capacitores fijo será igual a la multiplicación de la potencia en Kva del transformador por la impedancia en cc." Para el ejemplo que nos ocupa este valor es; 500Kva x 4% = 20 Kvar Compensación fija o automática La compensación fija se considerará siempre que se requiera una constante potencia reactiva.
La compensación automática se obtiene usando bancos con módulos que cambian de acuerdo a las variaciones de la carga.
Para el caso de compensación central, la decisión de la utilización entre compensación fija ó automática se hace mediante la comparación del valor del banco Qc (Kvar) con la potencia AV/BV (HV/LV) del transformador Sn (Kva).
Qc/Sn < ó = al 15% se considerará compensación fija Qc/Sn > al 15% se considerará compensación automática. Algunos receptores tales como variadores de velocidad de motores, convertidores de estado sólido, maquinas de soldar, hornos de arco, tubos fluorescentes, producen una gran cantidad de ruido (polución) en los circuitos eléctricos mediante la generación de armónicas las mismas que provocan en los capacitores sobrecargas pico.
Merling Gering ha diseñado el rango y bancos de capacitores para varias clases de circuitos (normales, ruidosos y altamente ruidosos). El grado del ruido puede calcularse por la relación Gh/Sn, donde Gh es la potencia aparente del receptor generador de armónicas y Sn es la potencia del transformador, entonces:
Gh/Sn < ó = 15% el sistema es normal y se usa capacitores normales. 15% < Gh/Sn < ó = 25% el sistema tiene ruido (polución), Se utiliza capacitores tipo H con un rango sobredimencionado. 25% < Gh/Sn < ó = 60% el sistema es altamente ruidoso. Se utiliza capacitores que están sobredimencionados y se utiliza en conjunto con reactores de sintonía instalados en serie para circuitos entre 60 y 228 Hz. Gh/Sn > 60% requerirá filtros para reducir la relación de distorsión. Filtros de armónicas Idealmente, tanto la tensión en una barra de suministro de energía eléctrica como la corriente resultante presentan formas de onda perfectamente sinusoidales. En la practica estas formas de onda están distorsionadas, expresándose su desviación con respecto a la forma ideal en términos de distorsión armónica comúnmente conocido como THD (Total Harmonic Distortion).
El uso de filtros de armónicas en sistemas de potencia tiene dos objetivos: el principal es prevenir la entrada de corrientes y voltajes armónicos desde agentes contaminantes al resto del sistema; y proveer al sistema toda o parte de la potencia reactiva que éste necesita. La instalación de filtros de armónicas es altamente recomendado para los siguientes casos; Cuando la contribución del suministro de energía excede las siguientes circunstancias:
con una distorsión de voltaje = 1.6% aún con un voltaje de las armónicas U 2n / Un = 0.6% con voltaje de las armónicas impares U 2n+1 / U2 = 1% Cuando la distorsión de voltaje en las barras de distribución alcance valores del 5 al 8%. La colocación de filtros para las armónicas también puede ser usada como compensación de potencia reactiva.
Ejemplo 5. – Una fabrica por exigencias de su proceso requiere tener prendidas parte de sus instalaciones las 24 horas del día, los 365 días del año, sin embargo solo produce durante el período de las 08.00 horas a las 16.00 horas. Los datos de la sub estación son los siguientes:
Potencia del transformador = 750 Kva Tensión = 22.8 / 0.480 Kv.
Impedancia a 85º C = 5,7 % Perdidas totales a 85º C = 11.910 watt. Se ha solicitado la instalación de un banco de capacitores para mejorar su factor de potencia y los datos que se han obtenido se detallan a continuación en una tabla. La toma de datos se han realizado en tres días diferentes de producción, durante las 24 horas, todos los datos fueron tomados a la misma hora.
Autor:
PabloTurmero