A mis hermanos Tere y Agustín? por apoyo que siempre me han dado,
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PROBLEMAS DE CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
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incluyen un amplio rango d e
conceptos q u e dificultan q u e el material se p u e d a organizar en una forma integral, por lo q u e este libro constituye un intento por proporcionar los elementos fundamentales para el estudio de los problemas de c a l i d a d de la energía, En realidad está constituido por una colección de material
sobre
sistemas
eléctricos
que
el
autor
ha
hecho
para
presentación de conferencias y cursos de c a p a c i t a c i ó n , pero se espera que no sólo proporcione ios conceptos básicos, sino que también contribuya a la solución de problemas relacionados c o n la c a l i d a d de la energía eléctrica.
El contenido incluye los temas relativos a los efectos de las variaciones de voltaje en los equipos sensibles, el estudio de las armónicas y sus efectos, los problemas c o n los transitorios de voltaje, la aplicación de capacitores en los sistemas eléctricos y los problemas relacionados c o n las redes de tierra y la conexión a tierra de equipos sensibles.
La realización de este libro fue posible a la invaluble a y u d a de la Lic. Aída García Bonola y del Ing. Jesús Pacheco Agosto, a quienes expreso mi agradecimiento, así c o m o a todos quienes han sido mis alumnos en los cursos de c a l i d a d de la energía eléctrica que se imparten en el Instituto de Ingeniería en Electricidad y Electrónica (IEEE), Sección México, por sus valiosos comentarios.
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¿Para qué sirven los capacitores? Los Capacitores y la Corrección del Factor de Potencia
Capítulo 4
estado sólido (tiristores), ya que se proyectan especialmente para operar en altas tensiones. d) Utilización de bancos de capacitores. Estos, proporcionan la potencia reactiva de carácter capacitivo que sea necesaria, pudiéndose instalar en bancos fijos o bancos formados por secciones fijas y secciones desconectables. El uso de capacitores de potencia comparado con el uso de otros medios de generación de potencia reactiva, implica entre otras, las ventajas de un bajo costo por kVAR instalado, un fácil manejo y mantenimiento sencillo y barato, que en muchos casos se hace prácticamente inexistente. Esto último, es el motivo de la aceptación universal que han tenido los capacitores de potencia en todos los sistemas de energía eléctrica, teniendo una demanda notablemente creciente. A continuación, se presentan algunos ejemplos de la aplicación de capacitores:
EJEMPLO|
Considere un motor de inducción trifásico de 500 KP, 60 Hz, 4160 V conectado en estrella, con una eficiencia a plena carga del 88%, con un factor de potencia en atraso de 0.75 y conectado a un alimentador. Se desea corregir el factor de potencia de la carga a 0.9 en atraso, conectando 3 capacitores en la carga, determine lo siguiente: a) El valor del banco de capacitores en kilovars. b) La capacitancia de cada unidad, si son conectados los capacitores en delta, en microfaradios. c) La capacitancia de cada unidad, si son conectados los capacitores en estrella. [SOLUCIÓN |
a)
P
=500HP
Efic = 88% fp1
f
60 Hz
1 HP = 745.7 watts
= 0.75
fp2 = 0.90 Vt
= 4160 Volts
122
I
Mejoramiento del factor de potencia Los Capacitores y la Corrección del Factor de Potencia
4.6
Capítulo 4
MEJORAMIENTO DEL FACTOR DE POTENCIA DE MOTORES DE INDUCCIÓN Y TRANSFORMADORES
El motor de inducción es el más amplio contribuidor de la carga reactiva en un sistema eléctrico industrial. Este factor de potencia tiende a incrementarse con el crecimiento en los caballos de potencia (HP) para una velocidad dada. Similarmente, para un valor de caballos de potencia dado, el factor de potencia decrece con la disminución de la velocidad. El factor de potencia de un motor de inducción deberá ser mejorado por la conexión directa de un capacitor a través de las terminales del motor, o alternativamente por la conexión de un capacitor a las líneas de suministro del motor. CORRECCIÓN INDIVIDUAL DE MOTORES La práctica de conectar un capacitor en el arranque de un motor de inducción y operar al motor y al capacitor como una unidad está umversalmente establecida, y esto es recomendado donde no hay objeciones sobre razones técnicas y económicas. Un tamaño adecuado del capacitor dará un valor casi constante de factor de potencia sobre el rango normal de carga, puesto que las variaciones en los kVAr del motor son comparativamente pequeñas. Se debe tener cuidado en la decisión del valor de kVAr del capacitor en relación a los kVA de magnetización de la máquina. Si el valor es demasiado alto, podría resultar en un daño para el motor y el capacitor, si el motor sigue girando después de su desconexión de la línea, podría actuar como un generador autoexcitado y producir un voltaje más alto que el de la línea. Si el motor es conectado otra vez, antes de que la velocidad haya bajado al 80% de la velocidad normal de operación, el alto voltaje será sobreimpuesto en los circuitos de suministro y puede existir un pico que dañe a otros tipos de equipos. Como una regla general para determinar el correcto tamaño del capacitor para una corrección individual de un motor, éste deberá tener un valor de kVAr que no exceda el 85% de los kVA de magnetización normales sin carga del motor. Sin embargo el 85% no constituye una regla invariable, y para motores de anillos deslizantes y motores de inducción jaula de ardilla con arranque directo a la línea, en los cuales nunca existe vínculo en su operación con la velocidad síncrona, el valor podría ser excedido, pero nunca más allá del 90%.
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Problemas asociados con la sobre corrección de motores Los Capacitores y la Corrección del Factor de Potencia
Capítulo 4
c) El ajuste del mecanismo de sobrecarga en el arrancador del motor no cambia.
(2) Localización B El capacitor instalado en el lado de carga del arrancador, pero no en el lado de la línea del relevador de sobrecarga, por lo tanto: a) El tamaño del capacitor depende de la corriente de magnetización del motor. b) La corriente de arranque se reduce. c) El ajuste de sobrecarga del motor permanece sin cambio, como si no hubiera capacitor.
(3) Localización C El capacitor es instalado en el lado de la carga en ambos, tanto del arrancador como del relevador de sobrecarga del motor, por lo tanto: a) El tamaño del capacitor depende de la corriente de magnetización del motor. b) La corriente de arranque se reduce. c) El ajuste de sobrecarga del motor (OLTA) debe ser reducido como sigue:
OLTA (con capacitor) = OLTA(s¡n capacitor) x
162
Factor de potencia sin capacitor Factor de potencia con capacitor
Mejoramiento del factor de potencia en transformadores Los Capacitores y la Corrección del Factor de Potencia Capítulo 4
Suministro Desconectador
Capítulo 4
Suministro
Suministro Desconectador
Desconectador
Fusible
Fusible
Arrancador
O
nArrancador
| |Capacitor Sobrecarga Sobrecarga
11 Capacitor iMotor J
LOCALIZACION A
LOCALIZACION B
LOCALIZACION C
FIGURA 4.18 DIAGRAMA QUE ILUSTRA ALTERNATIVAS DE LOS PUNTOS DONDE SE PUEDEN CONECTAR CAPACITORES PARA CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA.
En cualquier sistema de distribución, el único elemento de la planta que continuamente está en el circuito es el transformador. Por lo tanto, es conveniente conectar un capacitor directamente en las terminales del secundario del transformador, para que esté en el circuito permanentemente. Los beneficios de esto para un consumidor con recargos en la tarifa de factor de potencia promedio es que la potencia total de los capacitores requeridos para corregir a la planta completa pueden ser significativamente reducidos. En lugares en donde a los consumidores se le aplican recargos por las tarifas de penalización, por tener unidades de potencia reactiva en atraso, la corrección en el transformador se hace necesaria. Lugares en donde se tienen numerosos transformadores y una alta diversidad de cargas de mediana tensión, compensándose con la corriente de magnetización de los transformadores, pueden prescindir de la necesidad de tener un banco central de capacitores controlados automáticamente.
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