ANALISIS DE SISTEMAS DE ENERGIA ELECTRICA.
(SEE 5101). “Control de potencia reactiva”
Control de potencia reactiva.
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Factor de potencia El Factor de Potencia se define como la relación entre la potencia activa (kW)usada en un sistema y la potencia aparente (kVA) que se obtiene de las líneas dealimentación. Todos los equipos electromecánicos que están constituidos por devanados o bobinas, tales tales como como motore motores s y transf transform ormado adores res necesi necesitan tan la denomi denominad nada a corriente reactiva para establecer campos magnéticos necesarios para su operación. La corriente reactiva reactiva produce un desfase entre la onda de tensión y la onda de corriente, si no existiera la corriente reactiva la tensión y la corriente estarían en fase y el factor de potencia seria la unidad.
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Efectos de un bajo factor de potencia •Un bajo factor de potencia aumenta el costo de suministrar la
potencia activa a la compañía de energía eléctrica. •Un bajo factor de potencia también causa sobrecarga en los generadores, transformadores y líneas de distribución dentro de la misma planta industrial.
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Efectos de un bajo factor de potencia
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Ventajas de corrección de F.P
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Control de potencia reactiva. •El control de potencia reactiva puede lograrse con variados
métodos, los cuales pueden ser: •Control de potencia reactiva con banco de condensadores. •Control de potencia reactiva con condensador sincrónico. •Control de potencia con transformador con cambio de taps
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Compensación
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Banco de condensadores
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Condensador sincrónico
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Transformador con cambio de taps
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Control de potencia reactiva con banco de condensadores Métodos de compensación
Son tres los tipos de compensación en paralelo más empleados: a) Compensación individual b) Compensación en grupo c) Compensación central
Compensación Las inductividades se compensan con la conexión en paralelo de capacitancias, conocida como compensación en paralelo. Esta forma de compensación es la más usual, especialmente en sistemas trifásicos.
Compensación
Compensación individual A cada consumidor inductivo se le asigna el condensador necesario. Este tipo es empleado ante todo para compensar consumidores grandes de trabajo continuo.
A plicaciones y ventajas •Los capacitores son instalados por cada carga inductiva. •El arrancador para el motor sirve como un interruptor para el
capacitor. •El uso de un arrancador proporciona control semiautomático para los capacitores. •Los capacitores son puestos en servicio sólo cuando el motor está trabajando.
Compensación individual (2/3) Desventajas •El costo de varios capacitores por separado es mayor que el de un capacitor individual de valor equivalente. •Existe subutilización para aquellos capacitores
que no son usados con frecuencia.
Compensación Compensación individual (3/3) Diagrama de conexión
arrancador
M C
Compensación en grupo (1/3) Los grupos se conforman de varios consumidores de igual potencia e igual tiempo de trabajo y se compensan por medio un condensador común. Este tipo de compensación es empleado, por por ejem ejempl plo o para para comp compen ensa sarr un grup grupo o de lámp lámpar aras as fluo fluore resc scen ente tes s. Aplicaciones y ventajas •Se utiliza cuando se tiene un grupo de cargas inductivas de igual potencia y que operan simultáneamente. •La compensac sación se hace por medio de un banco de capacitores en común. •Lo Los s banc bancos os de capa capaci cito tore res s pu pued eden en ser ser in inst stal alad ados os en el centro de control de motores.
Compensación Compensación en grupo (2/3) Desventajas •La sobrecarga no se reduce en las líneas de
alimentación principales
Compensación en grupo
Compensación en grupo (3/3) Diagrama de conexión
arrancador
arrancador
M
M C
Compensación central (1/3) Características y ventajas La potencia reactiva inductiva de varios consumidores de diferentes potencias y diferentes tiempos de trabajo es compensada por medio de un banco de compensadores. Una regulación automática compensa según las exigencias del momento. •Es la solución más general para corregir el factor de
potencia. •El banco de capacitores se conecta en la acometida de la instalación. •Es de fácil supervisión.
Compensación central (2/3) Desventajas •Se requiere de un regulador automático del banco para compensar según las necesidades de cada momento. •La sobrecarga no se reduce en la fuente principal
ni en las líneas de distribución.
Compensación central (3/3) Diagrama de conexión
C
Cálculo de los kVARs del capacitor (1/2) •De la figura siguiente se tiene:
Qc
P
Q L Q
2
•Como:
1
Q P * Tan
Qc
P * K
S 2 S 1
•Por facilidad, Q P (Tan c
Q
1
Tan 2 )
Q L
QC
Cálculo de los kVARs del capacitor (2/2): Coeficiente K FP d e s e a d o FP actual
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0.3
2.43
2.56
2.695
2.851
3.18
0.4
1.541
1.672
1.807
1.963
2.291
0.5
0.982
1.112
1.248
1.403
1.732
0.6
0.583
0.714
0.849
1.005
1.333
0.7
0.27
0.4
0.536
0.692
1.02
0.13
0.266
0.421
0.75
0.156
0.484
0.8 0.9
Ejemplo •Se tiene un motor trifásico de 20 kW operando a 440 V, con
un factor de potencia de 0.7, si la energía se entrega a través de un alimentador con una resistencia total de 0.166 Ohms calcular: •a) La potencia aparente y el consumo de corriente •b) Las pérdidas en el cable alimentador •c) La potencia en kVAR del capacitor que es necesario para corregir el F.P. a 0.9 •d) Repetir los incisos a) y b) para el nuevo factor de potencia •e) La energía anual ahorrada en el alimentador si el motor opera 600 h/mes
Solución (1/3) a) La corriente y la potencia aparente I
P
3 * V * Cos
P
3 * V * FP
I 1
S 3 *V * I S 1
3 * 440V * 37.49 A 28.571 _ kVA
b) Las pérdidas en el alimentador Perd 3 * R * I 2 Perd 1
3 * 0.166 * 37.492 700 _ W
20,000W 3 * 440V * 0.7
37.49 _ A
Solución (2/3) c) Los kVAR del capacitor Nos referimos a la tabla del coeficiente “K”
y se escoge el valor que está dado por el valor actual del FP y el valor deseado: QC P * K QC 20kW * 0.536 10.72 _ kVAR
d.1) La corriente y la potencia aparente I 2
S 2
20,000W 3 * 440V * 0.9
29.16 _ A
3 * 440V * 29.16 A 22.22 _ kVA
Solución (3/3) d.2) Las pérdidas en el alimentador
Perd 2
3 * 0.166 * 29.162 423.45 _ W
e) Energía anual ahorrada •La reducción de las pérdidas:
P Perd 1 Perd 2
P 700 423.45 276.55 _ W
•La energía ahorrada al año:
•Considerando a $ 0.122 por kWh, se tienen $ 242.88 de ahorro tan
sólo en el alimentador
E
P * hrs / mes *12 _ meses 1000
E
276.55W * 600h / mes *12meses 1000
1990.8 _ kWh
Ejemplo corrección factor de potencia Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Demanda Factor de (kW) potencia FP 315 294 293 298 326 328 322 329 326 333 321 321
0.8888 0.7894 0.8583 0.9249 0.9321 0.9218 0.8898 0.9021 0.8237 0.8893 0.8930 0.9044
0.90 12 103 40 -26 -37 -25 11 -2 79 12 8 -5
Potencia Reactiva (kVAR) requeridos para elevar el FP a: 0.92 0.94 0.96 0.98 84 34 57 117 123 145 170 201 60 82 107 138 -5 17 42 74 -15 10 38 72 -2 22 50 85 33 57 85 119 21 45 73 108 102 126 154 188 35 60 88 123 30 54 81 115 17 42 69 103
FP promedio = 0.8848 Calcular porcentaje de bonificación con un FP deseado de 0.98
1.00 193 272 208 146 151 164 197 187 267 204 193 180
Potencia reactiva (kVAR) Potencia aparente (kVA) Potencia reactiva (kVAR)
Potencia activa (kW)
tg
kVAR kW
FP Cos
Potencia reactiva: kVAR kW * tg
tg 1
kVAR kW
Cos 1 FP
kVAR kW * tg Cos 1 FP
Compensación del FP Potencia reactiva requerida Potencia reactiva requerida para elevar el FP 1 a un FP2
kVAR kW tg cos
1
FP 1
tg cos 1 FP 2
Corrección de potencia reactiva debida al voltaje
V 2 kVAR totales kVAR V 1
2
V1 = Voltaje de línea V2 = Voltaje de diseño banco de capacitores
Ejemplo: Compensación del FP Datos:
Demanda (kW)
Factor de potencia Actual (FP1) Deseado (FP2)
315
0.8888
0.9600
V1 = 440 Volts (voltaje de línea) V2 = 480 Volts (voltaje de diseño banco de capacitores)
Potencia reactiva requerida kVAR 315 tg cos 1 0.8888
tg cos 1 0.9600 71
Corrección de potencia reactiva debida al voltaje kVAR
totales
71
440 480
2
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Compensación del FP Es importante mantener el Factor de Potencia en un valor superior a 0.90 para evitar las multas que aplica La superintendencia de Electricidad y obtener las bonificaciones correspondientes. El cargo por un Factor de Potencia menor a 0.90 se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula:
Ejemplo: Compensación del FP EJEMPLO: Si una empresa paga por consumo mensual de energía eléctrica el importe de $ 100,000 y tiene un factor de potencia de 0.83, la multa será de:
Ejemplo: Compensación del FP El importe total que deberá pagar a la empresa suministradora de energía eléctrica será de $105,100 (antes de impuestos) es decir, el 5.1 % más que el importe derivado de su consumo de energía eléctrica.
Ejemplo: Compensación del FP La bonificación por un Factor de Potencia superior al 0.90 se calcula con la siguiente fórmula:
EJEMPLO: Volviendo al ejemplo de la planta que paga $ 100,000 por consumo de energía eléctrica, suponiendo que ahora tiene un factor de potencia de 0.97, la bonificación correspondiente sería de:
Ejemplo: Compensación del FP
El importe que deberá pagar a la empresa suministradora de energía eléctrica será de $98,200 (antes de impuestos) es decir, tendría una bonificación de 1.8 % sobre el importe derivado de su consumo de energía eléctrica.
Ejemplo: Compensación del FP Además del beneficio económico, se libera capacidad del (los) transformador (res), por ejemplo, para un transformador de 1,000 kVA, con una carga de 600 kW, se tiene:
Ejemplo: Compensación del FP CARGA LIBERADA AL TRANSFORMADOR = kVA1 - kVA2 = 723 – 619 = 104 kVA (14.3%)
Ejemplo: Compensación del FP
Ejemplo: Compensación del FP Para este ejemplo el sistema requiere un capacitor que aporte 253 kVAR efectivos y de esta forma se corrige el factor de potencia a 0.97, se libera el 14.3% de la carga conectada al transformador y se tiene disponible para alimentar a más carga o bien que trabaje a una menor temperatura, además del beneficio económico por F.P. En general los beneficios que se obtienen al corregir el Factor de Potencia son:
Liberación de potencia del transformador. Reducción de corrientes y pérdidas en alimentadores. Disminución de caída de tensión. Evitar pago de multas. Obtener bonificaciones.
Ejemplo: Compensación del FP Otro ejemplo: Calculo del porcentaje de penalización con un factor de potencia promedio anual de 0.8848 Penalización (%)
3 0.9 1 100 1.1 5 0.8848
Calculo del porcentaje de bonificación por mejorar el FP a 0.98 Bonificación (%)
1 0.9 1 100 2.1% 4 0.9800
Nota: Los cargos o bonificaciones económicas se determinan al multiplicar la suma de los cargos por demanda y consumo de energía, multiplicados por los porcentajes de penalización o bonificación, según sea el caso
Consideraciones del FP (1) •Cargos
FP = 0.93 debajo
Penalización de un 1% por cada 0,01 por del valor base.
Compensación individual de transformadores –De acuerdo con las normas técnicas para instalaciones eléctricas,
la potencia reactiva (kVAR) de los capacitores, no debe exceder al 10% de la potencia nominal del transformador
Compensación Transformador
Compensación Transformador
Compensación individual motor •Compensación individual de motores –Generalmente no se aplica para motores menores a 10 KW –Rango del capacitor •En base a tablas con valores normalizados, o bien, •multiplicar los hp del motor por 1/3 •el 40% de la potencia en kW
Compensación individual motor Para compensar un motor trifásico es necesario probar primeramente si el motor es arrancado directamente o si es arrancado por medio de un dispositivo arrancador estrella-delta. Para un arranque directo, por ejemplo, por medio de un arrancador electromagnético, la compensación individual es sencilla, El condensador se conecta directamente a los terminales A, B y C del motor, sin necesidad de más dispositivos. La potencia reactiva capacitiva necesaria para cada motor está dada en la tabla siguiente:
Compensación individual motor
Compensación individual motor
Bancos automáticos de capacitores (1) •Cuenta con un regulador de VARS que mantiene el FP prefijado, ya
sea mediante la conexión o desconexión de capacitores conforme sea necesario •Pueden suministrar potencia reactiva de acuerdo a los siguientes requerimientos: –constantes –variables –instantáneos •Se evitan sobrevoltajes en el sistema
Bancos automáticos de capacitores (2) •Elementos de los bancos automáticos: –Capacitores fijos en diferentes cantidades y potencias reactivas
(kVAR) –Relevador de factor de potencia –Contactores –Fusibles limitadores de corriente –Interruptor ternomagnético general •Los bancos de capacitores pueden ser fabricados en cualquier No. De pasos hasta 27 (pasos estandar 5,7,11 y 15)
Bancos automáticos de capacitores (3) •El valor de los capacitores fijos depende del No. De
pasos previamente seleccionado, así como, de la cantidad necesaria en kVAR’s para compensar el FP a
1.0 • A mayor No. de pasos, el ajuste es más fino, dado que cada paso del capacitor es más pequeño, permitiendo lograr un valor más cercano a 1.0, no obstante ocasiona un mayor costo •La conmutación de los contactores y sus capacitores individuales es controlada por un regulador (vármetro)
Esquema de un banco automático de capacitores
Compensación con condensador sincrónico. En esencia éste, es un motor síncrono diseñado para trabajar en vacío y con un amplio rango de regulación. Las máquinas síncronas son susceptibles de trabajar con potencia reactiva inductiva o capacitiva según el grado de excitación del campo. Si están sobre excitadas se comportan como condensadores. Por el contrario si están sub-excitadas se comportan como inductancias. La potencia de un condensador sincrónico en condiciones de sobre-excitación, está limitada por la temperatura. En condiciones de sub-excitación, la potencia queda limitada por la estabilidad de la máquina.
Compensación con condensador sincrónico.
Compensación con Transformador con cambio derivación (Taps).
Compensación con Transformador con cambio derivación (Taps).
