REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR POPULAR PARA LA EDUCACIÓN EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSITARIA
UNIVERSIDAD POLITECNICA TERRITORIAL DEL ESTADO ARAGUA “FEDERICO BRITO FIGUEROA”
EL FACTOR DE POTENCIA
PROF. Vicente Ustariz ELECTRICIDAD SECCION UNICA PARTICIPANTES: Darío Lartíguez CI: 3.846.571 Pablo Ruiz CI: Wilfredo Pérez CI: Eduardo De La Raso CI: Carlos Pacheco CI:14.958.941
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Maracay, Diciembre 2012 INTRODUCCIÓN En la actu actual alid idad ad los los cost costos os de oper operac ació ión n de las las indu indust stri rias as se incr increm emen enta tan n continuamente. La energía eléctrica, un recurso fundamental para el progreso y la expansión industrial, no escapa a la tendencia de incremento de su costo, pues el recurso energético más usado que son los hidrocarburos, presenta una situación de agotamiento gradual que lo hace día a día más costoso. Una de las medidas medidas al alcance del industrial industrial para conocer el grado de eficiencia con el cual está utilizando dicha energía es llamado el Factor de Potencia. 1.
DEFINICIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA Características Eléctricas Generales 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 Ø entre los mismos. La Potencia reactiva existe por la presencia de cargas inductivas en el sistema que por su naturaleza eléctrica son de carácter reactivo. La Potencia aparente, es sencillamente definida como el p roducto del voltaje aplicado a un circuito y la corriente que circula por él. Esta es medida como voltios-amperios e incluye cualquier potencia reactiva que puede ser requerida por la carga. Las cargas eléctricas son de origen resistivas, inductivas y capacitivas. Se define como factor de potencia, f.d.p., de un circuito de corriente alterna, alterna, como la relación entre la potencia activa, activa, P, y la potencia aparente, aparente, S. Da una medida de la capacidad de una carga de absorber potencia activa. Por esta razón, f.d.p = 1 en cargas puramente resistivas y en elementos inductivos y capacitivos ideales sin resistencia f.d.p = 0.
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LAS IMPLICACIONES QUE PRESENTAN UN BAJO FACTOR DE DE POTENCIA DE LAS CARGAS CONECTADAS EN LAS REDES DEL SISTEMA DE POTENCIA. 2
El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes: Al suscriptor: • • •
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Aumento de la intensidad de corriente Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil y reducción de la capacidad de conducción de los conductores La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su aislamiento. Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad.
A la empresa distribuidora de energía: •
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Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional. Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva. Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede 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 en Bs./KVA, es decir cobrándole por capacidad suministrada en KVA. Factor donde se incluye el consumo de los KVAR que se entregan a la industria. 3.
LAS CARACTERÍSTICAS GENERALES, TANTO DE FABRICACIÓN COMO ELÉCTRICAS DE LOS CAPACITORES QUE SON LOS DISPOSITIVOS UTILIZADOS PARA LA CORRECCIÓN DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA. Los capacitores son dispositivos que almacenan cargas eléctricas; se dice que dos cuerpos forman un condensador cuando entre ellos existe un campo eléctrico. En general un condensador se compone esencialmente de dos conductores (armaduras) aislados y separados por un dieléctrico (aislador. Pueden conducir cc durante un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de ca; esta propiedad los convierte en
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dispositivos muy útiles para impedir que la cc entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los Capacitores se fabrican en gran variedad de formas, siendo la más sencilla el formado por dos placas separados por un dieléctrico. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite o el vacío se usan de aisladores según la utilidad dada al dispositivo. El condensador eléctrico o capacitor eléctrico almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes condensadores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.
Densidad de carga Si una determinada cantidad de carga eléctrica Q(A x s) se transporta de una placa a otra en una sección S (m2) la densidad de carga será:
Intensidad del campo eléctrico Si una tensión determinada V (volts) se aplica entre las placas a una distancia de D (m) la intensidad del campo eléctrico esta dada por:
Capacidad Todo capacitor es evaluado por la cantidad de carga eléctrica que es capaz de almacenar en su campo:
Energía Almacenada La energía almacenada en un período de ¼ de ciclo esta dada por:
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La energía almacenada en un condensador será igual a la suma de todos los trabajos, desde el momento en que la carga es igual a cero, hasta llegar a un valor dado de la misma, al que llamaremos Q:
w = vx dq = (1/c) x (q x dq ) = ½ (Q2 x C) La energía acumulada en un condensador será igual al trabajo realizado para transportar las cargas de una placa a la otra, venciendo la diferencia de potencial existente entre ellas.
W = V x q = (q /C ) x q Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tienen diferentes grados de permitividad (diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico)
Mientras mayor sea la permitividad, mayor es la capacidad del condensador eléctrico. La capacitancia de un condensador está dada por la fórmula: C = Er x A / d donde: - C = capacidad - Er = permitividad - A = área entre placas - d = separación entre las placas La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el miliFaradio (mF), microFaradio(uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio (pF) Las principales características eléctricas de un condensador son su capacidad o capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de aguantar sin dañarse). 5
Las características necesarias para identificar a los capacitores se mencionan a continuación: • • • • • • • • • • •
Número de serie Tipo Fecha de fabricación Potencia Tensión nominal Capacitancia Frecuencia Nivel de aislación Masa Categoría de temperatura Tipo de fluido
Potencia Nominal Los capacitores son normalmente designados por su potencia nominal reactiva, contrariamente a los demás equipos, cuya característica principal es la potencia nominal aparente. La potencia nominal de un capacitor en Kvar es aquella que es absorbida del sistema cuando esta sometida a una tensión y frecuencia nominal y a una temperatura ambiente no superior a 20°C. Conociendo su potencia nominal se puede calcular su capacitancia a través de la siguiente ecuación:
Donde: C = Capacitancia Pc = Pot,. Nominal Vn = Tensión nominal
4. APLICACIÓN DE LOS CAPACITORES EN DERIVACIÓN PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA. Generalmente los capacitores se aplican en las instalaciones industriales y comerciales para corregir el factor de potencia. Además son también muy utilizados en sistemas de distribución, en las subestaciones de potencia, con la finalidad de reducir las pérdidas y elevar la tensión del sistema.
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Cuando se instala un capacitor en una planta industrial, se instala una fuente de potencia reactiva localizada, para suprimir las necesidades de las cargas inductivas, en vez de utilizar la potencia reactiva del sistema de la concesionaria, disminuyendo la sobrecarga y las pérdidas en generación y transmisión de energía. Evitando de este modo el pago de la energía reactiva excedente a la concesionaria que cobra por no respetar los limites del factor de potencia. Los capacitores generan energía reactiva de sentido inverso a la consumida en la instalación. La aplicación de estos neutraliza el efecto de las perdidas por campos magnéticos. Al instalar capacitores en derivación se reduce el consumo total de energía ( activa + reactiva). Son utilizados en sistemas de distribución para reducir perdidas y elevar la tensión del sistema. Los capacitores en derivación también pueden ser usados en la industria para otros objetivos tales como: • •
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Liberación de la potencia instalada en transformación. Liberación de la capacidad de carga de los circuitos terminales y distribución. Mejorar la operación de los equipos de maniobra y protección.
TABLA CARACTERISTICA DE ALGUNOS CAPACITORES TRIFÁSICOS DE BAJA TENSIÓN Tensión De línea
220 380 440 480
Potencia (Kvar)
60 Hz. 2.50 5.00 7.50 2.5 5.0 7.5 2.5 5.0 7.5 5.0 10.0
Capacitancia nominal (µF)
137.01 274.03 411.04 45.92 91.85 137.77 34.25 68.51 102.76 57.56 115.69 7
Corriente Fusible nominal NH ó DZ (A) 60 Hz. 6.6 10 13.1 25 19.7 36 3.8 10 7.6 16 11.4 20 3.3 6 6.6 10 9.8 16 6.0 10 12.0 20
Hilos de conexión mm2
2.5 2.5 6.0 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
15.0
230.26
18.0
36
4.0
TABLA CARACTERISTICA DE ALGUNOS CAPACITORES MONOFÁSICOS DE BAJA TENSIÓN Tensión De línea
220 380 440 480
Potencia (Kvar)
60 Hz. 2.5 3.0 50 2.5 3.0 5.0 5.0 6.0 10.0 5.0 6.0 10.0
Capacitancia nominal (µF)
137 165 274 46 55 92 68 82 137 58 69 115
Corriente Fusible nominal NH ó DZ (A) 60 Hz. 11.4 20 13.6 25 22.7 36 6.6 10 7.9 16 13.2 20 11.4 10 13.6 16 22.7 25 11.4 20 12.5 20 20.8 36
Hilos de conexión mm2
2.5 2.5 6 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 6
5. EL CÁLCULO PARA DETERMINAR EL FACTOR DE POTENCIA EN UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICA. En las instalaciones eléctricas para determinar el factor de potencia es necesario realizar previamente las siguientes actividades: a) Levantamiento de carga del proyecto. b) Ciclo de operación diaria, semanal, mensual y anual del uso de la energía eléctrica. c) Cálculo de las demandas de las potencias activas y reactivas para un ciclo de trabajo. d) Trazado de las curvas de demanda de las potencias activa y reactiva. e) Cálculo del factor de potencia estimado. Solo es posible conocer el factor de potencia de una instalación cuando esta operando a plena carga.
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A)
Método de los consumos medios mensuales: MES Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre SUMA MEDIA
CONSUMO Kwh 17580 1941 20070 18480 15320 17560 108420 18070
Kvarh 17900 18720 19400 17560 13200 17600 104380 17396
B) Método Analítico: Se basa en la solución de los triángulos de potencias. Cada carga se considera individualmente, calculando su demanda activa y reactiva en base a su factor de potencia.
C) Método de las Potencias Medidas: Consiste en procesar la medición de las potencias activas y reactivas utilizando registradores analógicos o digitales. Actualmente en el mercado existen equipos electrónicos y microprocesadores que registran los parámetros como el factor de potencia. 6.
CAUSAS QUE CONTRIBUYEN A LA INFLUENCIA DE UN BAJO FACTOR DE POTENCIA 9
Motores de inducción operando en vació durante un largo periodo. Motores sobredimensionados para las maquinas a ellas acopladas. Transformadores operando en vació ó con carga mínima. Gran número de reactores de bajo factor de potencia alimentando lámparas de descarga (fluorescentes, vapor de mercurio, etc.). Hornos a arco. Maquinas de soldadura con transformador. Equipos electrónicos. Gran número de motores de pequeña potencia operando largo tiempo. • • • •
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7. CONSIDERACIONES BÁSICAS SOBRE LA LEGISLACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA. La nueva ley de electricidad establece nuevas condiciones para la medición y facturación de energía reactiva excedente. El factor de potencia de referencia establecida como límite de cobranza de energía reactiva excedente por parte de la concesionaria pasa de 0.85 a 0.95 independiente del sistema tarifario. Estos principios están fundamentados en los siguientes puntos: - Necesidad de liberación de la capacidad del sistema eléctrico. - Promoción de uso racional de energía. - Reducción del consumo de energía reactiva capacitiva en los periodos de carga leve que provocan elevación de tensión en el sistema de suministro. - Reducción del consumo de energía reactiva inductiva que provoca sobrecarga en el sistema de empresas suministradoras y concesionarias de energía eléctrica. En la actualidad está teniendo cada vez mayor importancia la mejora de la calidad de los equipos electrónicos desde el punto de vista de la interacción de estos equipos con otros usuarios de la red eléctrica. El problema de tener una corriente distorsionada, con un contenido alto de armónicos trae las siguientes consecuencias: - Los armónicos pueden afectar negativamente a equipos electrónicos muy sensibles. - Los componentes armónicos de corriente no están emparejados con armónicos correspondientes de tensión y por tanto producirán potencia no utilizable. -Instalaciones más caras ya que para una potencia activa determinada necesitamos conductores de mayor sección y más refrigeración. 10
-Estos armónicos de intensidad generan armónicos de tensión en la red debido a la resistencia de la misma y son potencialmente generadores de ruido electromagnético. -Picos elevados de corriente que pueden causar la destrucción de la protección de sobrecorriente. Mayores pérdidas en la red. La normativa exige corregir el factor de potencia y en especial reducir el contenido armónico de las señales de entrada. Norma europea EN61000-3-2 destinada a equipos eléctricos y electrónicos que dispongan de una corriente de entrada de hasta 16A RMS por fase. y que estén destinados a ser conectados en sistemas de distribución alterna públicos de baja tensión. Entre algunos de los artículos referentes a la corrección del factor de potencia que se encuentran descritos en gaceta oficial por el ministerio del poder popular para la energía eléctrica podemos citar los siguientes: Caracas, 10 de junio de 2011 N° 75. 201° y 152° Artículo 1: La presente Resolución tiene por objeto promover la mejora del Factor de Potencia en los usuarios industriales, comerciales y oficiales con cargas superiores o iguales a doscientos kilovoltio amperios (200 kVA), a fin de reducir las caídas de tensión y aumentando la disponibilidad de potencia en la red eléctrica. Artículo 2: Los usuarios de los sectores Industrial, Comercial y Oficial con cargas superiores a los doscientos kilovoltioamperio (200 kVA) que no mantengan un factor de potencia igual o superior a un valor de 0,9 estarán sujetos a un recargo en su facturación mensual calculado Artículo 4: El Ministerio del Poder Popular para la Energía Eléctrica y la Corporación Eléctrica Nacional, S.A. (CORPOELEC) proporcionarán a l os usuarios el material informativo sobre políticas y técnicas de uso eficiente de la energía, y la asesoría técnica necesaria a objeto de garantizar la sostenibilidad en el tiempo de estas medidas. Igualmente, la Corporación Eléctrica Nacional, S.A. (CORPOELEC) garantizará la medición efectiva de las variables asociadas al cálculo del Factor de Potencia para la aplicación de los recargos establecidos.
8. MÉTODOS UTILIZADOS PARA LA CORRECCIÓN DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA.
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Para obtener una mejora del factor de potencia se puede indicar algunas soluciones que pueden ser adoptadas, dependiendo de las condiciones particulares de cada instalación. Los medios utilizados para el mejoramiento del factor de potencia son: A) Modificaciones en la rutina operacional
Este método se dirige al sentido de mantener los motores en operación a plena carga evitando su funcionamiento en vació.
B) Instalación de motores síncronos
Se instalan para corregir el factor de potencia ó pueden ser acoplados a alguna carga pero este método no es muy adoptado debido a su alto costo y a las dificultades operacionales que acarrea. C) Instalación de capacitores en derivación
Esta es la solución mas adoptada para la corrección del factor de potencia con las instalaciones industriales, comerciales y de los sistemas de distribución y de potencia. D) Método Analítico
La determinación de la potencia de los capacitores para elevar el factor de potencia de fp 1 a fp 2 se realiza mediante:
Pa = Pot. Activa (Kw) Q1 = ángulo del f p original Q2 = ángulo del f p que se pretende.
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LA CONEXIÓN DE LOS CAPACITORES EN BANCOS. •
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CONEXIÓN EN SERIE Las unidades pueden conectarse tanto en estrella como en Delta. Esta conexión solo se realiza para sistemas cuyo neutro este efectivamente aterrado. De esta forma el sistema ofrece una baja impedancia a tierra, reduciendo los niveles de sobre tensión debido a los armónicos. CONEXIÓN EN PARALELO En este caso también se puede conectar en estrella ó en triangulo. En las instalaciones industriales de baja tensión normalmente los bancos de capacitores se conectan en triángulo utilizando unidades trifásicas. ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Y CONTROL Seccionadores. Fusibles. Llaves de manipulación en vacío o en aceite. 18
Controladores automáticos. Reactancias de inserción.
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CONCLUSIÓN Para el uso racional de energía, es prioritaria la corrección del Factor de Potencia. En la compra de artefactos y maquinarias existen algunas marcas que ya traen compensada esta energía a valores exigibles por la empresa proveedora de energía eléctrica. El mantenimiento de valores controlados del factor de potencia redundara en el beneficio del usuario y de la empresa proveedora debido a que: • •
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Aumentara la vida útil de las instalaciones eléctricas. Evitara la penalización de la facturación por concepto de pago de consumo de electricidad. Mejorara la calidad del producto técnico del suministro que recibe. Mejorara la regulación de la tensión del suministro. Reducirá las perdidas de calentamiento en líneas y el elemento de distribución.
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