Automatizacion de Banco de Condensadores III

Automatización del Sistema de Producción y Corrección del Factor de Potencia de la Empresa DISCOCA

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Capitulo III – Banco de Condensadores. Controladores Lógicos Programables (PLC) y dispositivos utilizados para el control de Entrada/Salida de DISCOCA

CAPITULO III BANCO DE CONDENSADORES. CONDENSADORES. CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES PROGRAMABLES (PLC) Y DISPOSITIVOS UTILIZADOS PARA PARA EL CONTROL DE ENTRADAS/SALIDAS DE DISCOCA

3.1.- Incidencia del Factor de Potencia en el Consumo Industrial En la actualidad los costos de operación de las industrias se incrementan continuamente. La energía eléctrica, un recurso fundamental para el progreso y la expansión industrial, no es capa a la tendencia de incremento de su costo, pues el recurso energético más usado, los hidrocarburos, presentan 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 nuestros programas tendientes a la mejor utilización de la electricid ad.

3.2.- ¿Qué es el Factor de Potencia? Las cargas industriales, en su naturaleza eléctrica, son de impedancia predominantemente reactiva, a causa de la presencia principalmente de 24

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equipos de refrigeración, motores, etc.; este carácter reactivo obliga que junto a la potencia potencia activa (KW) exista una potencia potencia Reactiva Reactiva (KVAR), (KVAR), las cuales en su conjunto, determinan el comportamiento operacional de dichos equipos y motores. motores. Es ta potencia reactiva ha sido tradicionalmente tradicionalmen te suministrada suministrada

por

las

empresas

de

elec tricidad,

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.

3.2.1.- 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 (Volt. - Amperios) = voltios voltios x amperios amperios

(3.1)

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 φ, esto es:

Potencia Activa(vatios) = voltios voltios x amperios x cos φ

(3.2)


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El coseno del ángulo de fase fase toma en cuenta la potencia reactiva. reac tiva. 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 3.1 ilustra un lapso de tiempo para un circuito puramente inductivo. inductivo.

Voltaje Voltaje

Corriente

Tiempo (en términos de la rotación del

φ φ = 90º

Figura 3.1.- Lapso de Tiempo de Circuito 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 φ, y así, en la figura 3.1, φ es un ángulo de atraso de 90º. Como la mayoría do las cargas industriales son de naturaleza inductiva, normalmente se trabajará con corrientes en atraso. En circuitos resistivos puros (sin inductancia ni capacitancia), los picos de corriente y voltaje ocurren simultáneamente y se dice que están "en fase". Aquí el ángulo φ será siempre 0º.

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En circuitos que contienen resistencia e inductancia, el ángulo φ es siempre menor de 90º.

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 0º y 90º está entre los valores de 1 y 0 respectivamente. Cuando φ = 0° (circuito resistivo puro) cos φ

= 1,

obteniéndose:

Potencia activa (vatios) = voltios x amperios x 1 en cuyo caso, la potencia activa y la aparente son iguales. Cuando φ = 90º (circuito inductivo puro o capacitivo puro), cos φ = 0 y la potencia activa (vatios) = \/oltios x amperios x 0 = 0.

Para un ejemplo práctico, sea φ = 30º. De las tablas trigonométricas, cos 30º = 0,866, luego potencia activa (vatios) = voltios x amperios x 0,866.

Este es un caso típico donde la potencia activa es mucho mayor que 0, pero considerablemente menor que el producto voltios x 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:

Factor de Potencia =

Potencia Activa ----------------------------Potencia Aparente

(3.3)


28


=

Voltios x Amperios x Cos φ -----------------------------------Voltios x Amperios

=

Cos φ

Cuando el ángulo de fase es incrementado por la adición de más inductancia, !a fracción representada por Cos φ se hace más pequeña, dando una cifra baja para e! factor de potencia.

Consideremos el triangulo de la figura 3.2 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 triangulo 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 φ } se aproxima a uno, Note que en este caso, el ángulo φ es pequeño, como también lo es el lado que representa la potencia reactiva.

En la figura 3.3, el número de motores en el grupo original se ha incrementado; el ángulo φ 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 φ ) decrece y así mismo disminuye el factor de potencia, causando los efectos indeseables que se des criben a lo largo de este trabajo de grado.

29



φ φ

Figura 3.2 .- Relación de Potencias

Figura 3.3.- Variación en la Relación de Potencias

Normalmente, la potencia activa es expresada en kilovatios (KW), la potencia reactiva en kilovoltios amperios reactivos (KVAR) Y La potencia aparente en kilovoltiosamperios (KVA), Igualmente, se abrevia el factor de potencia como FP o Cos φ .

Del triángulo rectángulo podem os deducir lo siguiente:

FP = Cos φ =

KW KW 2 + KVAR 2

=

PotenciaAc tiva PotenciaAp arente

(3.4)

observándose la importancia que tiene el lograr disminuir lo más posible la cifra que representa los KVAR.

3.2.2.- ¿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

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otros, puede volverse apreciable en una industria, y si no se vigila apropiadamente hace disminuir el factor de potencia, el cual se penaliza. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

-

Presencia de un gran número de motores, debido a maquinarias industriales, 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.

Una carga eléctrica industrial, en su naturaleza eléctrica, es reactiva, pero esta componente reactiva puede ser controlada y compensada, con amplios beneficios técnicos y económicos

3.2.3.- 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:

AL SUSCRITOR -

Aumento de la intensidad de corriente.

-

Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de t ensión

-

Incrementos de potencia de las plantas, transformadores y reducción de capacidad de conducción de los conductores.


31


La temperatura de los conductores aumenta y disminuye la vida de su

-

aislamiento. -

Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad.

A LA EMPRESA DE SUMINISTRO ELÉCTRICO

-

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 hacen 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 en 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).

3.3.- ¿Cómo mejorar el Factor de Potencia?

El factor de potencia exigido por la empresa de suministro eléctrico, se puede

conseguir

en

una

forma

práctica

y

económica,

instalando

condensadores eléctricos estáticos o utilizando los motores sincrónicos disponibles en la industria.

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3.3.1.- 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 sobre la red.

La potencia reactiva capacitiva de un condensador QC es: QC = V2 x ω x C x 10-3 en KVAR

(3.5)

siendo: V = el valor eficaz de la tensión de servicio, en voltios ω = La velocidad angular (ω= 2*p*f), en rad/seg.

f = la frecuencia en Hz. C = la capacidad, en faradios

La potencia del condensador, QC1

ha de ser tal que luego de su

instalación se establezca un valor mejorado de Cos φ 2 comprendido entre 0,9 y 0,98 (inductivo), en lugar de Cos φ 1, :

Cosφ1 =

KW KVA 1

; Cosφ 2 =

KW KVA 2

;

(3.6)

No se debe efectuar una compensación excesiva (Q C > QL ) ya que, en tal caso, resulta una potencia reactiva capacitiva con problemas similares a la


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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.

3.3.2.- 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 generan los suficientes KVAR para suplir sus propias necesidades y en consecuencia los toman de la red eléctrica.

Cuando operan sobreexcitados (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.

3.3.3.- 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 φ 2 en una instalación cuyo factor de

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potencia existente cos φ 1 se desconoce, se determina éste 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 sólo para propósito de disminución tarifaria, es suficiente con la información de

la factura de

consumo eléctrico para determinar los KVA, requeridos. A partir de los valores de KW, KWH y KVARH se determina el factor de potencia:

tgφ1 =

KVARH KWH

(3.7)

correspondiente a este \/alor de tg φ 1 hay un valor de cos φ 1 ,y se desea tener un cos φ 2 que equivale a tg φ 2

KVAR originales = KW x tg φ 1 KVAR mejorados = KW x tg φ2

φ2 φ1 KVAR

∆KVAR

Figura 3.4.- Determinación del Factor de Potencia

35



Tabla 3.1 Multiplicadores de KW para determinar los Kilovars de condensadores requeridos para corrección del factor de potencia Factor de Potencia Corregido 0.83

0.81

0.82

0.83

0.84

0.85

0.88

0.89

0.93

0.91

0.95

0.96

0.97

0.50

0.982

1.008

1.034

1.060

1.086

1.112

1.139

1.165

1.192

1.220

1.248

1.276

1.306

1.332

1.369

1.403

1.440

1.481

1.529

1.589

1.732

0.51

0.937

0.962

0.989

1.015

1.041

1.067

1.094

1.120

1.147

1.175

1.203

1.231

1.761

1.292

1.324

1.358

1.395

1.436

1.484

1.544

1.687

0.52

0.893

0.919

0.945

0.971

0.997

1.023

1.050

1.076

1.103

1.131

1.359

1.187

1.217

1.248

1.280

1.314

1.351

1.392

1.440

1.500

1.643

0.53

0.850

0.876

0.902

0.928

0.954

0.980

1.007

1.033

1.060

1.088

1.116

1.144

1.174

1.2 05

1.237

1.271

1.308

1.349

1.397

1.457

1.600

0.54

0.809

0.835

0.861

0.882

0.913

0.939

0.966

0.992

1.019

1.047

1.075

1.103

1.133

1.164

1.196

1.230

1.267

1.308

1.356

1.416

1.559

0.55

0.769

0.795

0.821

0.847

0.873

0.899

0.926

0.952

0.979

1.007

1.035

1.063

1.093

1.124

1.156

1.190

1.227

1.268

1.316

1.376

1.519

0.56

0.730

0.756

0.782

0.808

0.834

0.850

0.887

0.913

0.540

0.968

0.996

1.024

1.054

1.085

1.117

1.151

1.188

1.229

1.277

1.337

1.480

0.57

0.692

0.7189

0.744

0.770

0.796

0.822

0.849

0.875

0.902

0.930

0.958

0.986

1.016

1.047

1.079

1.113

1.150

1.191

1.239

1.299

1.442

0.58

0.655

0.681

0.707

0.733

0.759

0.785

0.812

0.838

0.865

0.893

0.921

0.949

0.979

1. 010

1.042

1.076

1.113

1.154

1.202

1.1262

1.405

0.59

0.619

0.645

0.671

0.697

0.723

0.749

0.776

0.802

0.825

0.857

0.885

0.913

0.943

0.974

1.006

10.40

1.077

1.118

1.166

1.226

1.369

0.60

0.583

0.609

0.635

0.661

0.687

0.713

0.740

0.766

0.793

0.821

0.849

0.877

0.907

0.938

0.970

1.004

1.041

1.082

1.130

1.190

1.333

0.61 0.62

0.549 0.516

0.575 0.542

0.601 0.568

0.627 0.594

0.653 0.620

0.679 0.646

0.706 0.673

0.732 0.699

0.759 0.726

0.787 0.754

0.815 0.782

0.843 0.810

0.873 0.840

0.904 0.871

0.936 0.903

0.970 0.937

1.007 0.974

1.048 1.015

1.096 1.063

1.156 1.123

1.299 1.266

0.63

0.483

0.509

0.535

0.561

0.587

0.613

0.640

0.666

0.693

0.721

0.749

0.777

0.807

0.838

0.870

0.904

0.941

0.982

1.030

1.090

1.233

0.64

0.451

0.474

0.503

0.529

0.555

0.581

0.608

0.634

0.661

0.689

0.717

0.745

0.775

0.806

0.838

0.872

0.909

0.950

0.998

1.068

1.201

0.65

0.419

0.445

0.471

0.497

0.523

0.549

0.576

0.602

0.629

0.657

0.685

0.713

0.743

0.774

0.806

0.840

0.877

0.918

0.966

1.026

1.169

0.66

0.388

0.414

0.440

0.466

0.492

0.518

0.545

0.571

0.598

0.626

0.654

0.682

0.712

0.743

0.775

0.809

0.846

0.887

0.935

0.995

1.138

0.67

0.358

0.384

0.410

0.436

0.462

0.488

0.515

0.541

0.568

0.596

0.624

0.652

0.682

0.713

0.745

0.779

0.816

0.857

0.905

0.965

1.108

0.68

0.328

0.354

0.380

0.406

0.432

0.458

0.485

0.511

0.538

0.566

0.994

0.622

0.652

0.683

0.715

0.749

0.786

0.827

0.875

0.935

1.078

0.69

0.299

0.325

0.351

0.377

0.403

0.429

0.456

0.482

0.509

0.537

0.565

0.593

0.623

0.654

0.686

0.720

0.757

0.798

0.846

0.906

1.049

0.70

0.270

0.296

0.322

0.348

0.374

0.400

0.427

0.453

0.480

0.508

0.536

0.564

0.594

0.625

0.657

0.691

0.728

0.769

0.817

0.877

1.020

0.71

0.242

0.268

0.294

0.320

0.346

0.372

0.399

0.425

0.452

0.480

0.508

0.536

0.566

0.597

0.629

0.663

0.700

0.741

0.789

0.849

0.992

0.72

0.214

0.240

0.266

0.292

0.318

0.344

0.371

0.397

0.424

0.452

0.480

0.508

0.538

0.569

0.601

0.635

0.672

0.713

0.761

0.821

0.964

0.73

0.186

0.212

0.238

0.264

0.290

0.316

0.343

0.369

0.396

0.424

0.452

0.480

0.510

0.541

0.573

0.607

0.644

0.685

0.733

0.793

0.936

0.74

0.159

0.185

0.211

0.237

0.263

0.289

0.316

0.342

0.369

0.397

0.425

0.453

0.483

0.514

0.546

0.580

0.617

0.658

0.706

0.766

0.909

0.75

0.132

0.158

0.184

0.210

0.236

0.262

0.289

0.315

0.342

0.370

0.398

0.426

0.456

0.487

0.519

0.553

0.590

0.631

0.679

0.739

0.882

0.76

0.105

0.131

0.157

0.183

0.209

0.235

0.262

0.288

0.315

0.343

0.371

0.399

0.429

0.460

0.492

0.526

0.563

0.604

0.652

0.712

0.855

0.77

0.079

0.105

0.131

0.157

0.183

0.209

0.236

0.262

0.289

0.317

0.345

0.373

0.403

0.434

0.466

0.500

0.537

0.578

0.626

0.685

0.829

0.78

0.052

0.078

0.104

0.130

0.156

0.182

0.209

0.235

0.262

0.290

0.318

0.346

0.376

0.407

0.439

0.473

0.510

0.551

0.599

0.699

0.802

0.79

0.026

0.052

0.078

0.104

0.130

0.156

0.183

0.209

0.236

0.264

0.292

0.320

0.350

0.381

0.413

0.447

0.484

0.525

0.573

0.633

0.776

0.80

0.000

0.026

0.052

0.078

0.104

0.130

0.157

0.183

0.210

0.238

0.266

0.294

0.324

0.355

0.387

0.421

0.458

0.499

0.547

0.609

0.750

0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.900 0.91 0.92

0.000

0.86

0.87

0.92

0.93

0.94

0.98

0.99

1.0

0.026

0.052

0.078

0.104

0.131

0.157

0.184

0.212

0.240

0.268

0.298

0.329

0.361

0.395

0.432

0.473

0.521

0.581

0.724

0.000

0.026

0.052

0.078

0.105

0.131

0.158

0.186

0.214

0.242

0.272

0.303

0.335

0.369

0.406

0.447

0.495

0.555

0.698

0.000

0.026

0.052

0.079

0.105

0.132

0.160

0.188

0.216

0.246

0.277

0.309

0.343

0.380

0.421

0.469

0.529

0.672

0.000

0.026

0.053

0.079

0.106

0.134

0.162

0.190

0.220

0.251

0.283

0.317

0.354

0.395

0.443

0.503

0.646

0.000

0.027

0.053

0.080

0.108

0.136

0.164

0.194

0.225

0.257

0.291

0.328

0.369

0.417

0.477

0.620

0.000

0.026

0.053

0.081

0.109

0.137

0.167

0.198

0.230

0.264

0.301

0.342

0.390

0.450

0.593

0.000

0.027

0.055

0.083

0.111

0.141

0.172

0.204

0.238

0.275

0.316

0.364

0.424

0.567

0.000

0.028

0.056

0.084

0.114

0.145

0.177

0.211

0.248

0.289

0.337

0.397

0.540

0.000

0.028

0.056

0.086

0.117

0.149

0.183

0.220

0.261

0.309

0.369

0.512

0.000

0.028

0.058

0.089

0.121

0.155

0.192

0.233

0.281

0.341

0.484

0.000

0.030

0.061

0.093

0.127

0.164

0.205

0.253

0.313

0.456

0.000

0.031

0.063

0.097

0.134

0.175

0.223

0.283

0.426

0.93

0.000

0.94 0.95

0.96

0.032

0.066

0.103

0.144

0.192

0.252

0.395

0.000

0.034

0.071

0.112

0.160

0.220

0.363

0.000

0.037

0.079

0.126

0.185

0.329

0.000

0.97 0.98

0.041

0.089

0.149

0.292

0.000

0.048

0.108

0.251

0.000

0.99

0.060

0.203

0.000

0.143 0.000

Fuente: Manual PFS-1000. Guía para corrección del factor de potencia de la Sprague Electric Co.

Luego los KVAR necesarios para mejorar el factor de potencia son: ∆KVAR = KW (tg φ 1, - tg φ 2)

(3.8)

36



En la tabla 3.1 se indican los valores de (tg φ 1, - tg φ 2) para un amplio rango de condiciones de operación.

En tal caso la potencia del condensador necesaria es : ∆KVAR = KW x F

(3.9)

Se eligen los condensadores en los rangos existentes normalizados hasta completar la magnitud exacta inmediata superior, En la tabla

3.2 se

presenta una lista de los tamaños de condensadores más comunes existentes en el mercado. Sin embargo, los tamaños existentes en el mercado son muy numerosos y generalmente se fabrican tanto condensadores monofásicos como trifásicos en incrementos de 5 KVAR hasta 50 KVAR, de 10.KVAR hasta 100 KVAR. y en saltos de 50 KVAR hasta 300 KVAR. Tamaños mayores requieren pedidos especiales. En todo caso es importante destacar que !a frecuencia de operación de los condensadores debe ser 60 Hertz.

Tabla 3.2 TAMAÑOS DE CONDENSADORES MAS USADOS Y VOLTAJES DE OPERACIÓN EN QUE SE FABRICAN Rangos de KVAR Voltajes más Usados (voltios) 1 de 5 a 20 KVAR Saltos de 2,5 KVAR 2 De 20 a 35 KVAR Saltos de 5 KVAR 3 De 25 a 200 KVAR Saltos de 25 KVAR 4 De 100 a 300 KVAR Saltos de 50 KVAR

208 230 y 460 Desde 2400 a 24000 Desde 9960a 24000


37


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.

3.4.- Localización de Condensadores y Motores Sincrónicos Los beneficios que los condensadores en paralelo y los motores sincrónicos dan al sistema, es el de proveer una base para la reducción de los KVAR. Estos beneficios se manifiestan en una reducción de las facturas de electricidad, liberación de capacidad de KVA en e! sistema, mejoramiento del 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.

3.4.1.- Compensación Individual La compensación individual es rentable sobre todo en motores grandes con operación continua 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.

3.4.1.1.- Transformadores Según las normas de distribución, para compensar la potencia reactiva de transformadores (sin tener en cuenta la red) hay que prever en el lado de baja tensión condensadores según las potencias indicadas en la tabla 3.3:


38


Tabla 3.3 Potencia

Transformador con lado de alta tensión de

nominal

5a 10 KV

del Transformador

15 a 20KV

25 a 30 KV

Potencia del Condensador KVAR

KVAR

KVAR

25

2

2,5

3

50

3,5

5,0

6

75

5

6

7

100

6

8

10

160

10

12,5

15

250

15

18,0

22

315

18

20,0

24

400

20

22,5

28

630

28

32,5

40

KVA

Fuente: Guía Industrial Control del Factor de Potencia. CADAFE.

Muchas veces se prefieren condensadores de mayor potencia, para compensar también con ellos parte de la potencia reactiva de la red, La potencia del condensador no debe exceder de los valores indicados en la figura 3.4, para no amplificar los armónicos quinto y séptimo de la red. Si fuese excesiva la amplitud de los armónicos de corriente, el condensador quedaría sometido a una sobrecarga.

39



Fuente: Guía Industrial Control del Factor de Potencia. CADAFE.

Figura 3.5.- Potencia del Condensador fijo del lado de baja tensión La Figura 3.5 se refiere únicamente a la potencia del condensador fijo que está conectado al lado de baja tensión del transformador.

Las sobre compensaciones (lo cual equivale a una potencia capacitiva) originan aumentos de tensión, que se pueden calcular en forma aproximada de la siguiente manera:

u=

U k ⋅ Qc VAn

(3.10)

Siendo: u

= el aumento de tensión en % de la tensión nominal del transf.

UK

= la tensión de cortocircuito del transformador, en %.

QC

= la potencia nominal del condensador, en KVAR.

K VAn = la potencia nominal del transformador, en KVA.


40


Para una tensión de cortocircuito de! transformador UK = 6% y para una compensación del transformador del 100% de potencia capacitiva, resulta un aumento de la tens ión del 6%. Estos aumentos de tensión son generalmente reducidos y en algunos casos no se consideran.

3.4.1.2.- Motores trifásicos En este caso hay que tener en cuenta que si al desconectar el motor no se separan los condensadores de los arrollamientos (Figura 3.6), puede 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 3.4.

Figura 3.6 Compensación Individual de Motores Trifásicos


41


TABLA 3.4 Valores recomendados de la potencia del condensador para la compensación individual de motores Potencia Nominal del Motor De

KW

a

Potencia del Condensador KVAR

4,0…………………….4,9

2

5,0…………………….5,9

2,5

6,0…………………….7,9

3

8,0……………………10,9

4

11,0…………………..13,9

5

14,0…………………..17,9

6

18,0…………………..21.9

8

22,0…………………..29,9

10

a partir de 30 KW

Aprox. 35% de la Potencia nominal del motor.

3.4.1.2.1.- Arranque mediante un interruptor normal estrellatriángulo de accionamiento manual. En este caso se recomienda hacer la conexión de los condensadores según se indica en la figura 3.7. 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


42


Figura 3.7.- Arranque mediante un interruptor normal estrella-triángulo de accionamiento manual.

3.5.- Aspectos a ser tomados en cuenta para la Instalación y Operación de los Condensadores. 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.

3.5.1.- 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


43


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.

3.5.2.- Voltaje nominal del equipo accesorio El voltaje nominal de los contactores, interruptores, cuchillas desconectadoras, fusibles, etc., no debe ser inferior al voltaje de la línea a la que estén conectados los condensadores.

3.5.3.- Tipos de instalación Los condensadores pueden ser instalados al interior o a la intemperie, si han sido fabricados para soportar este tipo de operación.

3.5.3.1.- Instalación al interior Las partes vivas de los condensadores deben quedar protegidas por medio de cubiertas o gabinetes que impidan el contacto directo con personas o con otros equipos.

3.5.3.2.- 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 de aislamiento y nivel básico


44


de impulso apropiado para este uso. Se considera recomendable 1,2 KV su clase de aislamiento y 30 KV de nivel básico de impulso.

3.5.4.- Dispositivo de Descarga Los condensadores deben contar con un dispositivo de descarga que asegure que el voltaje entre bornes 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 puede estar conectado permanentemente, o bien, conectarse automáticamente al salir de la operación los condensadores. El accionamiento del dispositivo de des carga no debe efectuarse manualmente.

Los devanados de motores o transformadores, conectados un paralelo con los condensadores, pueden considerarse como dispositivos de descarga eficaces, siempre que no exista equipo de desconexión o fusibles interpuestos entre dichos devanados y los condensadores.

3.5.5.- Operaciones rápidas de conexión y desconexión No es recomendable el volver a conectar a la línea un condensador que se encuentre todavía cargado. En aplicaciones especiales, tales como la corrección del factor de potencia de motores para grúas y elevadores, banco de condensadores de secciones desconectables que entran y salen rápidamente de operación, por medio de algún control automático, es posible que haya que volver a conectar condensadores que acaban de salir de operación. En estos casos se considera recomendable el instalar dispositivos especiales de descarga rápida, que sean capaces de descargar los condensadores en unos pocos segundos antes de que vuelvan a entrar en


45


operación, o bien, usar equipo de conexión y desconexión provisto de dispositivos capaces de limitar las sobrecorrientes y sobrevoltajes transitorios asociados con la conexión de los condensadores.

3.5.6.- Bancos de Condensadores fijos Al instalar bancos fijos, es decir, bancos que van a quedar conectados permanentemente a la línea, deben instalarse cuchillas desconectadoras que permitan desconectar los condensadores durante las operaciones de mantenimiento sin que sea necesario paralizar el resto de la instalación.

3.5.7.- Bancos de Condensadores desconectables Al instalar bancos desconectables, es decir, bancos que deben entrar y

salir

de

operación

con

cierta

frecuencia

operados

manual

o

automáticamente, deben instalarse también cuchillas desconectadoras que permitan desconectar tanto a los condenadores como al equipo de conexión y desconexión, a fin de facilitar el mantenimiento de ambos equipos.

3.5.8.- Disposición de los condensadores LOS COndensadores deben instalarse respetando las distancias mínimas entre condensador y condensador que recomienda el fabricante de los mismos y en una disposición tal que sean fácilmente desconectables y reemplazables, a fin de facilitar la buena operación de los condensadores y la continuidad del servicio.


46


3.5.9.- Puesta a tierra de los tanques Los tanques de los condensadores, así como las cubiertas o gabinetes que sirvan de protección de sus partes vivas, deben instalarse conectados a tierra.

3.5.10.- Corrección de factor de potencia de motores de inducción Cuando se compensan individualmente motores de inducción, instalándose los condensadores entre el motor y su equipo de

arranque y

parada, la potencia reactiva de los condensadores no debe exceder a la necesaria para corregir el factor de potencia del motor a la unidad, en condiciones de marcha en vacío.

3.5.11.- Recalibración de los elementos térmicos de motores de inducción compensados con condensadores Cuando se compensan individualmente motores de inducción, instalándose los condensadores entre el motor y su dispositivo de protección térmica, deben recalibrarse los elementos térmicos teniendo en cuenta la nueva corriente que toma el motor con el factor de potencia corregido.

3.5.12.- Compensación de transformadores Cuando se corrige el factor de potencia de un transformador con condensadores instalados en el secundario del mismo y existe la posibilidad de que el transformador y los condensadores operen en vacío, la potencia reactiva de los condensadores expresada en KVAR no debe exceder al 10% de la potencia nominal del transformador, expresada en KVA.


47


3.5.13.- Ventilación Los condensadores deben instalarse de forma que la ventilación por convección no quede entorpecida por ningún obstáculo.

Cuando los condensadores se instalan dentro de un gabinete, puede ser conveniente hacerlos funcionar con ventilación forzada. En cualquier caso, las temperaturas ambiente del local o del interior del gabinete donde se encuentran funcionando los condensadores, no deben sobrepasar los límites recomendados por las normas de fabricación de los mismos.

No es recomendable instalar condensadores en las proximidades de superficies radiadoras de calor, cuya temperatura sea superior a la temperatura ambiente.

3.5.14.- Frecuencia y voltaje de operación Los condensadores pueden ser operados a frecuencias y voltajes inferiores a sus valores nominales. Esto implica una disminución en la potencia reactiva proporcionada, que es directamente proporcional a la frecuencia y al cuadrado del voltaje.

Sin embargo, los condensadores, no deben instalarse a frecuencias o voltajes superiores a sus valores nominales . Las fluctuaciones del voltaje no deben exceder al límite superior especificado por las normas de fabricación de los condensadores. En condensadores tipo intemperie, este límite suele ser de un 10% de sobrevoltaje, con respecto al voltaje nominal de los condensadores.

48



3.5.15.- Protección Los condensadores deben instalarse con dispositivos de protec ción contra sobre-corrientes que provengan tanto de la falla de un condensador, como de cualquier cortocircuito en la instalación. La capacidad interruptiva de estos dispositivos debe ser la adecuada para la magnitud de las sobrecorrientes que deban relevar y debe planearse el que actúen con la mayor velocidad que resulte práctica.

Cuando los condensadores se instalan entre un motor eléctrico y su dispositivo de protección, no es necesario instalar un dispositivo especial para los condensadores.

3.5.15.1.- 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.

La

protección

individual

de

los

condensadores monofásicos puede 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, puede evitarse la protección individual. La corriente nominal de los fusibles no debe ser inferior al 165% de la corriente nominal capacitiva qua soporten.

3.5.15.2.- Protección con interruptores Pueden usarse interruptores magnéticos o termomagnéticos, o cualquier otro tipo de interruptor de potencia para baja tensión de uso


49


estándar, siempre que se tomen los márgenes de corriente especificados por el fabricante de estos 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.

3.5.16.- 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 puede 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 energizados.

Como dispositivos de conexión y desconexión pueden usarse interruptores de cuchillas, contactores magnéticos o termomagnéticos, o cualquier tipo de interruptor de potencia para baja tensión de uso estándar, siempre que se tomen los márgenes de corriente especificadas por el fabricante de estos equipos al ser operados con 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 contactos cerrados, las corrientes de cortocircuito del sistema en el punto donde se encuentren instalados los condensadores, aún cuando no esté planeado o no sea capaz de interrumpir dichas corrientes de


50


cortocircuito.

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.

3.5.18.- Instalaciones en condiciones anormales de operación Se consideran 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 am biente.

-

Montaje que dificulte la ventilación de los condensadores.

-

Operación a temperaturas ambiente más altas que la temperatura ambiente máxima permisible según las normas de fabricación de los condensadores.

-

Operación a altitudes superiores a 1800 m. sobre el nivel del mar.

-

Operación en redes con formas de onda de voltaje distor sionada.

En estos casos, se considera recomendable que el fabricante de los condensadores sea puesto en antecedente de las condiciones en que se pretende operar.

3.5.19.- Instalaciones en zonas peligrosas Se consideran como zonas peligrosas:


51


-

Atmósferas con humo o vapores corrosivos

-

Atmósfera con polvos o vapores conductores, inflamables o explosivos

En estos casos deben tomarse las medidas de seguridad reglamentarias y poner en antecedentes al fabricante de los conden sadores.

3.5.20.- Datos de placa de características Los condensadores deben ir provistos de placas de característi cas en donde se indique: -

Nombre del fabricante

-

Voltaje nominal del condensador (voltaje aplicable entre bornes)

-

Potencia reactiva nominal, o bien corriente nominal por fase.

-

Frecuencia.

-

Número de fases.

-

Tipo de conexión interna, cuando los condensadores sean trifásicos.

-

Número de catálogo o especificación del fabricante.

-

Número de serie del condensador.

-

Tipo de impregnante y número de litros, cuando éste sea combustible.

-

Indicación de si el condensador cuenta o no con un dispositivo de descarga interno.

3.5.21.- 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.

52



3.6.- Ventajas Técnico-Económicas del Aumento del Factor de Potencia 3.6.1.- Ahorro en el Pago da la Factura de Electricidad El objetivo principal de la utilización de condensadores en las industrias es la reducción de los costos de la energía comprada a la empresa de suministro eléctrico, eliminando la penalización por bajo factor de potencia que es parte de las tarifas de electricidad. Normalmente, la inversión en condensadores se recupera en un período de 1 a 3 años, lo cual representa una tasa de retorno del capital mayor

al 30%.

La tasa de retorno

dependerá del costo

de los

condensadores, del nivel de voltaje requerido y de la cláusula de penalización por bajo factor de potencia. Una regla bastante utilizada es mejorar el factor de potencia a valores entre 90 y 95 por ciento, sin embargo, la mejor forma de determinar los KVAR de condensadores es calcular la tasa de retorno y el ahorro de Bs. para varios valores del factor de potencia.

3.6.2.- Mejoramiento 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 exceso de potencia reactiva.

3.6.3.- Liberación de Capacidad en el 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


53


de potencia decrece, cuando la cantidad de elementos inductivos que requieren potencia reactiva se incrementa. Cada elemento inductivo añadido al sistema contribuye a los requerimientos de potencia reac tiva totales.

Cuando el factor de potencia es mejorado, la cantidad de corriente reactiva que fluía a través de transformadores, alimentadores, tableros y cables es reducida. Los condensadores para corrección del factor de potencia, conectados directamente en los terminales de las cargas inductivas tales como motoras, generan la mayoría o toda la potencia reactiva necesaria para crear el campo magnético de los motores, y así, reduce o elimina la necesidad de suplir esta potencia, desde el sistema de distribución.

Por ejemplo, si cuatro motores operan a un factor de potencia de 75%, la corrección del factor de potencia a 95% liberará suficiente capacidad del sistema para instalar un motor adicional del mismo tamaño.

Donde los transformadores y circuitos están sobrecargados, los condensadores de potencia instalados en varias fuentes de carga inductiva pueden liberar capacidad del sistema y permitir servicio o aumentos de carga. La instalación de condensadores de potencia puede, en algunas circunstancias, eliminar la necesidad de instalar grandes transformadores de potencia, recablear una planta, o posiblemente ambas cosas.

3.6.4.- Mejoramiento de las Condiciones de Voltaje Un bajo factor de potencia puede reducir el voltaje en la planta cuando los KVAR son exigidos del sistema de distribución. Cuando el factor de potencia decrece, la corriente total de línea se incrementa (por mayor corriente reactiva), causando grandes caídas de voltaje a través de la

Automatizacion de Banco de Condensadores III

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