Factor de
Potencia
Indice
2. ¿Qué es el factor de
potencia?
3. ¿Cómo mejorar el factor de
potencia?
4. Localización de condensadores y motores
sincrónico.(6)(7)
5. Aspectos a ser tomados en cuenta para la
instalación y operación de los condensadores
(2)
En la actualidad los costos de
operación de las industrias
se incrementan continuamente. La energía, un
recurso fundamental para el progreso y la expansión
industrial, no escapa a la tendencia del incremento de su
costo, pues
el recurso energético mas usado, los hidrocarburos, presenta 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 los programas
tendientes a la mejor utilización de la electricidad y
del cual se hablará en la presente trabajo.
2.
¿Qué es el factor de potencia?
Las cargas industriales en su
naturaleza
eléctrica son de carácter reactivo, a causa de la
presencia principalmente de equipos de refrigeración,
motores,
etc.. Este carácter reactivo obliga que
junto a la potencia activa (KW) exista una potencia llamada
Reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinen el
comportamiento operacional de dichos equipos y
motores. Esta potencia reactiva ha sido tradicionalmente
suministrada por las empresas de
electricidad, 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.
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(V-A)
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, θ, esto es:
Potencia(vatios)=voltios*amperios*cosθ
El coseno del ángulo de fase
toma en cuenta la potencia reactiva. 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 4 ilustra un lapso de
tiempo para un circuito puramente 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 θ, y asν, en la figura 4,
θ es un αngulo de atraso de 90˚. Como la
mayoría de las cargas industriales son de naturaleza
inductiva, normalmente se trabajará con corrientes
atrasadas.
En circuitos resistivos puros (sin
inductancia ni capacitancia), los picos de corrientes y voltaje
ocurren simultáneamente y se dice que están
“en fase” . Aquí el ángulo
θ será siempre 0˚.
En circuitos que contienen resistencia e
inductancia, el ángulo θ es siempre menor de
90˚.
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
0˚ y 90˚ está entre los valores
de 1 y 0 respectivamente. Cuando esa θ =
0˚ (circuito resistivo puro) cos θ=1,
obteniιndose:
Potencia
Activa(vatios)=voltios*amperios*1, en cuyo caso la potencia
activa y la aparente son iguales. Cuando θ=90˚
(circuito inductivo puro o capacitivo puro), cos
θ=0 y la potencia activa
(vatios)=voltios*amperios*0=0.
Para un ejemplo práctico, sea
θ=30˚. De las tablas trigonomιtricas,
cos30˚=0.866, luego potencia activa
(Vatios)=voltios*amperios*0.866.
Este es un caso típico donde
la potencia activa es mucho mayor que 0, pero considerablemente
menor que el producto voltios*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:
Potencia Activa
Factor de potencia=————————-
Potencia Aparente
Cuando el ángulo de fase es
incrementado por la adición de más inductancias,
la fracción representada cos θ ser hace mαs
pequeña, dando una cifra baja para el factor de
potencia.
Consideremos el triángulo
rectángulo de la figura 5 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
triángulo 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 θ) se aproxima a uno. Note
que en este caso, el ángulo θ es pequeño,
como también lo es el lado que representa la potencia
reactiva.
En la figura 6, el número de
motores en el grupo original se incrementado. Ahora, el
ángulo θ 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 θ)
decrece y así mismo disminuye el factor de potencia,
causando los efectos indeseables que se describen a lo largo de
este trabajo.
Normalmente, la potencia activa es
expresada en Kilovatios (Kw.), la potencia reactiva en
Kilovatios amperios reactivos (KVAR) y la potencia aparente en
Kilovatios amperios (KVA) igualmente, se abrevias el factor de
potencia como FP o cos θ.
Del triángulo
rectángulo, podemos deducir lo siguiente:
KW
FP=cos θ=———————
√(KW²+KVAR²)
Observándose la importancia
que tiene el lograr disminuir lo más posible la cifra
que representa los KVAR.
¿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 otros, puede volverse
apreciable en una industria, y si no se vigila apropiadamente
hace disminuir el factor de potencia, el cual se
paraliza. Un alto consumo de
energía reactiva puede producirse como consecuencia
principalmente de:
-Un gran número de
motores.
-Presencia de 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.
-Un mal estado
físico de la red eléctrica y de
los equipos de la industria.
Una carga eléctrica
industrial en su naturaleza física es reactiva,
pero su componente de reactividad puede ser controlado y
compensado, con amplios beneficios técnicos y
económicos.
¿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:
1)Al suscriptor:
-Aumento de la intensidad de
corriente.
-Pérdidas en los conductores
y fuertes caída de tensión.
-Incrementos de potencia de las
plantas,
transformadores y reducción de capacidad de
conducción de los conductores.
-La temperatura
de los conductores aumenta y disminuye la vida de su
aislamiento.
-Aumentos en sus facturas por
consumo de electricidad.
2)a la compañía de
electricidad:
-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 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 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).
Las industrias pueden evitar estos
cargos tarifarios si ellas mismas suministran en sus propios
sitos de consumo la energía reactiva que ellas
requieren, la cual puede ser producida localmente a
través de condensadores eléctricos estáticos
o motores sincrónicos realizando una inversión de
relativa poca monta y desde todo punto de vista favorable
económica y técnicamente.
Ventajas de la corrección del
F.P.
Las ventajas derivadas de
la corrección del bajo F.P. se obtienen al librar un
sistema de efecto (cargas extra)de la corriente adicional
innecesaria que circula por los transformadores y otros equipos
importante del mismo. Con un F.P. alto se utiliza más
eficazmente la energía comprada y la demanda se
reduce al mínimo. La economía se beneficia por
las bajas tarifas aplicadas por algunas empresas de servicio
eléctrico a los usuarios que operan con un alto F.P.. Se
logra un ahorro
considerable al no tener que pagar las multas o
sanciones.
3.
¿Cómo mejorar el factor de
potencia?
El factor de potencia exigido por
la empresa
eléctrica se puede conseguir en una forma
práctica y económica, instalando condensadores
eléctricos estáticos o utilizando los motores
sincrónicos disponible en su industria.
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.
La potencia reactiva capacitiva de
un condensador Qc es:
Qc=V²*W*C*10-3, en
KVAR
Siendo:
V= el valor eficaz de la
tensión de servicio, en voltios.
W=la velocidad
angular (W=2*pi*f)
F= frecuencia en Hz.
C=la capacidad, en
faradios.
La potencia de el condensador,
Qc1 (figura 8)ha ser tal que luego de su
instalación se establezca un valor mejorado
de cos θ2 comprendido entre 0.9 y 0.98
(inductivo), en lugar de cos θ1
cos
θ2=KW/KVAR1
cos θ2=KW/KVA2
No se debe efectuar una
compensación excesiva (Qc>QL)
ya que, en tal caso, resulta una potencia reactiva capacitiva
con problemas
similares a la 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.
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 genera los
suficientes KVAR para suplir sus propias necesidades y en
consecuencia los toman de la red eléctrica.
Cuando operan sobrexcitados
(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. En la fig 10 se muestra los
KVAR que un motor
sincrónico puede entregar bajo diferentes condiciones de
carga y excitación.
¿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
θ2 en una instalación cuyo factor de
potencia existente cos θ1 se desconoce, se
determina este 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
solo para propósitos de disminución tarifaria, es
suficiente con la información de su factura para
determinar los KVAR requeridos.
Basándonos en la factura
tenemos la siguiente información:
KW=497
KWH=73.968
KVARH=107088
A partir de los valores de
los KWH y los KVARH se determina el factor de
potencia:
KVARH
107.088
Tg=Ø1
———– = ——————-= 1.45
KWH
73.968
Correspondiente a este valor de
tgØ1 hay un valor de
cosØ1 0.57 y se desea tener un
cosØ2 de 0.9 que equivale a
tgØ2 = 0.4843.
KVARoriginales KW*tg
θ1 497*1.45=720.6
KVARmejorado KW*
tgθ2 497*0.4843=240.7
Luego los KVAR necesarios para
mejorar el factor de potencia son:
ΔKVAR=KW(tg
θ1-tg
θ2)0497(1.47-0.4843)
=480
En la tabla 1 se indican los valores
de (tgØ1 –tgØ2) para
un amplio rango de condiciones de operación. En el
presente ejemplo resulta, para un valor existente de
cosØ1=0.57 y uno deseado de
cosØ2=0.9, un factor F
F=0.958
En tal caso, la potencia del
condensador necesaria es:
ΔKVAR=KW*F=497*0.958
ΔKVAR=476
Se eligen los condensadores en los
rangos existentes normalizados hasta completar la magnitud
exacta inmediata superior, en nuestro caso 500 KVAR. En
la tabla número 2 se presenta una lista de los
tamaños de condensadores más comunes existentes
en el mercado.
Es oportuno destacar que en
relación a los voltajes y tamaños de los
condensadores, las diferentes fábricas producen equipos
para los voltajes normalizados más utilizados por las
empresas de electricidad, aunque también los fabrican
para voltajes y tamaños especiales bajo
especificación del cliente.
Sin embargo, los tamaños
existentes en el mercado son muy numerosos y generalmente se
fabrican tanto condensadores monofásicos como
trifásico en incrementos de 5KVAR hasta 50KVAR, de
10KVAR hasta 100KVAR y en saldos de 50KVAR hasta 300KVAR.
Tamaños mayores requieren pedidos especiales.
En todo caso es importante destacar
que la frecuencia de operaci´+on de los condensadores
debe ser 60Hz.
Aún contando con la
información de la factura, es deseable realizar
mediciones preferentemente de KW, KVAR y voltaje tanto en
circuitos alimentadores principales como en las cargas (en
intervalos regulares de tiempo durante los períodos de
operación de la planta), lo que nos permitiría
diferenciar entre una compensación a nivel de planta una
compensación para cargas individuales o una
combinación de éstas (7).
Las mediciones de voltaje son muy
importantes si se desea utilizar un control
automático de regulación de
condensadores.
Nota: 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.
4.
Localización de condensadores y motores
sincrónico.(6)(7)
Los beneficios que los condensadores
en paralelo y los motores sincrónico dan al sistema es
el de proveer una base para la reducción de los KVAR.
Estos beneficios se manifiestan en una reducción de sus
facturas de electricidad, liberación de capacidad
de KVA en el sistema, mejoramiento de 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, estas
localizaciones son mostradas en las figuras 13 y 14. La
localización más efectiva es en la carga tal como
C1, luego C2 etc..
En el caso de motores
sincrónicos, no es fácil lograr esta
flexibilidad; usualmente los motores sincrónicos son de
gran potencia y no son económicos para la
operación a 240 o 480 voltios, que es el voltaje
común en las plantas industriales. Sin embargo
siguen vigentes los principios ya
mencionados, esto es corrección a la carga cuyo factor
de potencia se desea mejorar.
Compensación Individual
(7)
La compensación individual es
rentable sobre todo en motores grandes con operación
contínua 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.
Transformadores.
Según las normas de
distribución, para compensar la potencia reactiva de
transformadores (sin tener en cuenta la red) hay que preveer en
el lado de baja tensión condensadores de las siguientes
potencias.
LA figura 18 se refiere
únicamente a la potencia del condensador fijo que
está conectado al lado de baja tensión del
transformador.
Las sobrecompensaciones (lo cual
equivale a una potencia capacitiva) originan aumentos de
tensión, que se pueden calcular en forma aproximada de
la siguiente manera:
Uk*Qc
u=———–
KVAN
Siendo:
U=el aumento de tensión en %
de la tensión nominal del transformador.
Uk=la tensión de
cortocircuito del transformador, en %
Qc=la potencia nominal
del condensador en KVAR
KVAN=la potencia nominal del
transformador, en KVA.
Para una tensión de
cortocircuito del transformador Uk=6% y para una
compensación del transformador del 100% de potencia
capacitiva, resulta un aumento de la tensión del
6%. Estos aumentos de tensión son generalmente
reducidos y en algunos casos no se consideran.
Motores
trifásicos.
En este caso hay que tener en cuenta
que si al desconectar el motor no se separan los condensadores
de los arrollamientos (fig 19), pueden 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 4
Arranque mediante un interruptor
normal estrella-triángulo de accionamiento manual.
En este caso se recomienda hacer la
conexión de los condensadores según se indica en
la figura 20. 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.
Arranque mediante un interruptor
estrella-triángulo por contactores.
En este caso (figura 21), el
condensador está conectado a la red a través de
un contactor el cual impide la autoexcitación, y las
conexiones en oposición de fase. Durante el
arranque del motor (conexión estrella) es ya efectiva la
potencia total del condensador. Para descargar este
después de la desconexión hay que preveer un
dispositivo de descarga. Para los condensadores con
potencia de hasta 50KVAR aproximadamente se utilizan
resistencia óhmicas de descarga, y para los
condensadores con potencias superiores, bobinas de
reactancia.
Lámparas
fluorescentes.
En una instalación con
lámparas compensadas individualmente pueden fallar los
condensadores, sin que ello se perciba. Generalmente
estas fallas no se notan hasta que los interruptores de medida
indican un incremento de la potencia reactiva.
La tarea de encontrar los
condensadores defectuosos resulta complicada y costosa, por lo
que en las instalaciones de iluminación de gran
envergadura conviene utilizar una compensación central o
por grupos.
Compensación Por Grupos
(7)
Cuando hay un grupo de equipos
conectados conjuntamente, se pueden tomar los condensadores en
lugares apropiados, por ejemplo, en un tablero de
compensación y para evitar que se produzcan
sobrecompensaciones, los equipos y los condensadores tienen que
estar conectados conjuntamente. En este caso es
conveniente realizar un análisis más detallado
para definir los grupos y forma de compensación
según las característica de operación de
la industria.
En el caso de la compensación
de lámparas fluorescentes las potencias de los
condensadores se indican en la tabla 5.
Compensación Central Con
Sistema De Regulación
(7)
Cuando hay un gran número de
equipos de potencias diferentes y conexión variable,
resulta muy apropiada la compensación central con un
sistema de regulación a fin de mantener constante el
factor de potencia de la instalación.
Cuando la compensación se
efectúa centralmente se facilita los trabajos de
mantenimiento, al contrario de lo que ocurre en
la compensación individual en donde los condensadores
están distribuidos por separado, por ejemplo, en las
lámparas fluorescente. No obstante, hay que tener
en cuenta que en la compensación central la potencia
reactiva es transmitida desde el tablero de comunicación
hasta los equipos a través de sistemas de
distribución interno de la planta,
sobrecargándolo.
Los componentes esenciales de un
sistema de compensación central son:
-Condensadores.
-Un regulador de la potencia
reactiva que mide a través de transformadores de
intensidad, el consumo de potencia reactiva es la acometida, y
transmite las órdenes de conexión o
desconexión a los contactores de maniobra de los
condensadores.
-Fusibles para las derivaciones de
los condensadores.
-Contactores para maniobrar los
condensadores.
-Un dispositivo para descargar los
condensadores una vez desconectados de la red.
En el caso de regulación
automática, el regulador de potencia reactiva conecta
automáticamente los condensadores. Cuando la carga
es aproximadamente simétrica, el regulador mide la
potencia reactiva es un conductor activo, y si la carga es
asimétrica, en los tres conductores activos. Los reguladores de potencia
reactiva se conecta a través de transformadores de
intensidad. Con relación al sentido de flujo de la
energía, dicho transformadores deben estar situados por
delante del sistema de regulación(véase figura
22).
Si no se realiza la conexión
correctamente los condensadores se conectan ya a una carga
inductiva reducida, puestos que la compensación no es
efectiva para los transformadores de intensidad. Al
desconectarse los equipos, queda fuera de servicio el sistema
de regulación, ya que no fluye corriente a través
del transformador de intensidad. Los conductores
permanecen conectados y al energía sobrante fluye a la
red. En tal caso se establece una
sobrecompensación.
Cuando hay varias acometidas, hay
que considerar la corriente reactiva de cada una de ellas y
mediante un transformador totalizador se suman las intensidades
correspondientes y se transmiten al sistema de
regulación (fig 23) si se iguales las relaciones
de transformación de los transformadores de intensidad,
se puede utilizar un transformador intermedio, en lugar de
totalizador (fig 24).
El sistema de compensación
central se dispone generalmente en las proximidades de la
instalación de maniobra principal de baja
tensión. El sistema de compensación se
extiende a toda la instalación incluyendo los aparatos
de alumbrado.
Para mantener constante el factor de
potencia independientemente de las radiaciones del consumo de
potencia reactiva, los condensadores se conectan o desconectan
automáticamente por etapas. La elección del
número y la magnitud de estas depende de las condiciones
de servicio. LA experiencia a demostrado que conviene
dividir la potencia del condensador en cinco etapas (figura
25). Para una potencia total de 50KVAR se conectan,
por ejemplo, tres condensadores de 10, 20 y 20 KVAR
respectivamente. Los reguladores han de ser insensibles
dentro de un margen determinado, para impedir que oscile el
sistema de regulación.
5. Aspectos
a ser tomados en cuenta para la instalación y
operación de los condensadores (2)
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.
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 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.
Voltaje nominal del equipo
accesorio
El voltajes nominal de los
contactores, interruptores, cuchillas, desconectadoras,
fusibles, etc. ; no debe ser inferior al voltaje de
línea a la que estén conectados a los
condensadores.
Tipos de
instalación
Los condensadores pueden ser
instalados al interior, o a la intemperie, si han sido
fabricado por soportar este tipo de operaciones.
Instalación al
interior
Las partes vivas de los
condensadores quedan protegidos por medio de cubiertas o
gabinetes que impidan el contacto directo con personas o otros
equipos.
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 aislado y nivel básico de impulso para este uso.
Se consideran recomendable 1,2 KV. de su aislamiento y 30
KV. de nivel básico de impulso.
Dispositivo de descarga.
Los condensadores deben contar con
un dispositivo de descarga que asegure que el voltaje entre
bornes de 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 pueden estar conectado permanentemente, o bien conectarse
automáticamente al salir de la operación los
condensadores. El accionamiento de los dispositivos de descarga
no deben efectuarse manualmente.
Los devanados de motores o
transformadores, conectados en paralelo con los condensadores,
pueden considerarse como dispositivos de descarga eficaces,
siempre que no exista un equipo de desconexión o
fusibles internos entre dichos devanados y los
condensadores.
Operación rápida de
conexión y desconexión
No es recomendable volver a conectar
en línea un condensador que se encuentre todavía
cargado. Estas implicaciones especiales, tales como la
corrección del factor de potencia de motores para
grúas y elevadores, bancos de
condensadores de secciones desconectables que entran y salen
rápidamente de operación, por medio de un control
automático, que es posible que haya que volver a
conectar condensadores que acaban de salir de
operación. En estos casos es recomendable instalar
dispositivos especiales de descarga rápida, que sean
capaces de descargar los condensadores en pocos segundos antes
de que vuelvan a entrar en operación, o bien, usar
equipo de conexión y desconexión provisto de un
aditamento capaz de limitar las sobrecorrientes y
sobrevoltajes transitorios asociados con la conexión de
los condensadores.
Bancos de condensadores
Fijos.
Al instalar bancos de condensadores
fijos, o bancos que van a quedar permanentemente conectados a
la línea deben instalarse cuchillas desconectoras que
permitan desconectar los condensadores durante las operaciones
de mantenimiento sin que sea necesario paralizar el resto de la
instalación.
Bancos de condensadores
desconectables.
Al
instalar bancos desconectables, es decir, bancos que entran y
salen de operación con cierta frecuencia operado manual
o automáticamente, deben conectarse cuchillas
desconectoras que permitan desconectar tanto condensadores y
equipos de conexión y desconexión, a fin de
facilitar el mantenimiento de ambos equipos.
Disposición de los
condensadores
Los condensadores deben instalase
respetando las distancias mínimas entre condensador y
condensador que recomienda los fabricantes de los mismo y
en una disposición tal que sean fácilmente
desconectables y reemplazables, a fin de facilitar la buena y
continua operación de los condensadores.
Puesta a tierra de
los tanques.
Los tanques de condensadores a
sí como la cubierta o gabinetes que sirvan de
protección de sus partes vivas, deben instalarse
conectados a tierra.
Corrección de factor de
potencia para motores de inducción.
Cuando se compensan individualmente
motores de inducción instalándose condensadores
entre el motor y su equipo de arrastre y parada, la
potencia reactiva de los condensadores no debe exceder a la
necesaria corrección del factor de potencia del motor
por unidad, en condiciones de marcha en
vacío.
Recalibración de los
elementos térmicos de motores de inducción
compensados por condensadores.
Cuando se compensan
individualmente motores de inducción instalándose
los condensadores entre el motor y su dispositivo de
protección térmica, deben recalibrarse los
elementos teniendo en cuenta la nueva corriente que toma el
motor con el factor de potencia corregido.
Compensación de
transformadores
Cuando se corrige el factor de potencia de un
transformador con un condensador instalado en el secundario del
mismo, y existe la posibilidad de que los condensadores y el
transformador trabajen en vacío, la potencia reactiva de
los condensadores expresada en KVAR no debe exceder del 10% de
la potencia nominal del transformador, expresada en
KVA.
Ventilación
Los
condensadores deben instalarse de forma que la
ventilación por convección no quede entorpecida
por ningún obstáculo.
Cuando los condensadores se instalen
dentro de un gabinete, puede ser conveniente hacerlo funcionar
con ventilación forzada. En cualquier caso, las
temperaturas ambiente del
local o del interior del gabinete donde se encuentren
funcionando los condensadores, no deben sobrepasar los limites
recomendados por las normas del fabricante del
mismo.
No es recomendable instalar los
condensadores cerca de superficies radiadoras de calor
cuya temperatura sea superior a la temperatura
ambiente.
Frecuencia y voltaje de
operación.
Los
condensadores pueden ser operados a frecuencias y voltajes
inferiores a sus valores nominales. Esto implica una
disminución de la potencia reactiva
proporcionada, que es directamente proporcional a
la frecuencia y al cuadrado del voltaje.
Sin
embargo, los condensadores, no deben colocarse en frecuencias o
voltajes superiores a sus valores nominales. La fluctuaciones
de voltaje no deben exceder los limites superiores permitidos
especificados por los fabricantes de los condensadores. En
condensadores tipo intemperie este limite será 10% de
sobrevoltaje, con respecto al voltaje nominal de los
condensadores.
Protección
Los
condensadores deben instalarse con dispositivos de
protección contra sobrecorrientes que provengan tanto de
fallas de un condensador, como cualquier cortocircuito de la
instalación. La capacitancia interruptiva de estos
dispositivos debe ser la adecuada para magnitud de
sobrecorrientes que deban relevar y debe planearse el que
actúen con mayor velocidad que resulta
práctica.
Cuando los condensadores se instalen
entre un motor eléctrico y su dispositivo de
protección, no es necesario instalar un dispositivo
especial para los condensadores.
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. Las
protecciones individuales de los condensadores
monofásicos pueden 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, pueden instalarse la
protección individual. La corriente nominal de los
fusibles no debe ser inferior al 165% de la corriente
nominal capacitiva que soporten.
Protección con
interruptores
Pueden usarse interruptores magnéticos o
termomagnéticos. O cualquier otro tipo de interruptores
de potencia para baja tensión de uso estándar
siempre que se tomen en cuenta los márgenes de
corriente especificados por el fabricante de los 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.
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 pueden 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 de energizados.
Como dispositivo de conexión
y desconexión pueden usarse cuchillas, contactores
magnéticos o termomagnéticos, o cualquier tipo de
interruptores de potencia para baja tensión de uso
estándar, siempre que se tome en cuenta las
especificaciones del fabricante en estos equipos al
ser operados para 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 contactores cerrados, la corriente de
cortocircuito del sistema en el punto donde se encuentres
instalados los condensadores, aún cuando no este
planeado o no sea capaz de interrumpir dichas corrientes de
cortocircuito.
Control.
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.
Instalación en condiciones
anormales de operación.
Se
considera 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
ambiente.
·
Montaje que dificulte la ventilación de los
condensadores.
·
Operación a temperaturas ambientes más
altas que la temperatura ambiente permisible según
la norma de fabricación de los condensadores.
·
Operación a altitudes mayores de los 1800 metros
sobre el nivel del mar.
·
Operaciones de redes con forma de onda de voltaje
distorsionada.
En estos casos, se considera
recomendable que el fabricante de los condensadores sea puesto
en antecedentes de las condiciones en que se pretende
operar.
Instalación en zonas
peligrosas.
Se
consideran zonas peligrosas:
·
Atmósferas con humo o vapores
corrosivos.
·
Atmósferas con polvo o vapores conductores,
inflamables o explosivos.
En estos casos deben tomarse medidas
de seguridad
reglamentarias y poner antecedentes al fabricante de los
condensadores.
Datos de placa de
características
Los
condensadores deben ir provistos de placas de
características que indiquen:
·
Nombre del fabricante.
·
Voltaje nominal del condensador(voltaje aplicable entre
bornes)
·
Potencia reactiva nominal, o bien corriente nominal por
fase.
·
Frecuencia.
·
Numero de fases.
·
Tipo de conexión cuando los condensadores sean
trifasicos.
·
Numero de catalogo o especificación del
fabricante.
·
Numero de serie del condensador
·
Tipo de impregnaste y numero de litros cuando este sea
combustible.
·
Indicación de si el condensador cuenta o no con un
dispositivo de descarga interno.
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.
Recomendación
final.
Para
la instalación con tensiones mayores a la aquí
señaladas es conveniente analizar cada caso
particular y consultar normas de distribución CADAFE. Es
recomendable también buscar asesoramiento de oficinas de
ingeniería de consulta especializados en la
materia.
Ventajas técnico
económicas del aumento del factor de
potencia.
Ahorro en el pago de la factura de
electricidad.
El
objetivo
principal de la utilización de los condensadores
industriales es la reducción de los costos de la
energía comprada a CADAFE, eliminando la
penalización por bajo factor de potencia que es parte de
nuestra tarifas de electricidad.
Normalmente la inversión en
condensadores se recupera en un periodo de 1 a 3
años lo cual representa una rata de retorno del
capital
mayor del 30%. La rata de retorno dependerá del costo de
los capacitores
y el nivel de voltaje requerido y la cláusula de
penalización por bajo factor de potencia.
Una regla bastante utilizada para
mejorar el factor de potencia a valores entre 90 y 95%, sin
embargo, la mejor forma de determinar los KVAR. De los
condensadores es calcular la rata de retorno y ahorro de Bs.
Para varios valores del factor de potencia.
Mejora 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 grandes cargas con exceso de
potencia reactiva.
Liberación de capacidad del
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 de potencia decrece,
cuando la cantidad de elementos inductivos que requiere
potencia reactiva se incrementa. Cada elemento inductivo
añadido al sistema contribuye a los requerimientos de
potencia reactiva totales.
Cuando el factor de potencia es
mejorado, la cantidad de corriente reactiva que fluía a
través de los transformadores, alimentadores, tableros,
cables es reducida. Los condensadores para corrección de
factor de potencia, conectado directamente a los
terminales de las cargas inductivas tales como los
motores, generan la mayor o toda la potencia reactiva necesaria
para crear el campo magnético de los motores y
así reduce o elimina la necesidad de suplir
potencia desde el sistema de distribución.
Por ejemplo, si cuatro motores
operan a un factor de potencia de 75%, la corriente del factor
de potencia a 95%, liberara suficiente capacidad del sistema
para instalar un motor adicional del mismo
tamaño.
Donde los transformadores y
circuitos estén sobrecargados los condensadores de
potencia instalados en varias fuentes de
carga inductiva pueden liberar capacidad del sistema y permitir
servicios o
aumentos de cargas. Las instalación de los condensadores
de potencia puede, en algunas circunstancias eliminar la
necesidad de instalar grandes transformadores de potencia,
recablear una planta o posiblemente ambas cosas.
Mejoramiento de las condiciones de
voltaje.
Un
bajo factor de potencia puede reducir voltajes en la planta
cuando los KVAR son exigidos del sistema de
distribución. Cuando el factor de potencia decrece, la
corriente total del línea se incrementa(mayormente
corriente reactiva) causando grandes caídas de voltaje a
través de la impedancia de línea. Esto se debe a
que la caída de voltaje en una línea es igual a
la corriente que fluya multiplicada por la impedancia de la
línea. Para mayores corrientes mayor será la
caída de voltaje.
Reducción de las
pérdidas de potencia.
El
bajo factor de potencia también puede causar
pérdidas de potencia en el sistema de
distribución interno de la planta. La corriente en los
alimentadores es alta debido a la presencia de la corriente
reactiva. Cualquier reducción en esta corriente resulta
en menores KW perdidos en la línea.
Los
condensadores de potencia, reduciendo o eliminando la corriente
reactiva en los alimentadores, pueden ahorrar una cantidad
significante de dinero al
reducir la facturación de los KWH.
Guía para la
evaluación técnico económica de la
instalación de condensadores en la industria.
Datos del sistema eléctrico
industrial.
Capacidad térmica
liberada.
Uno
de los beneficios más importantes que justifica la
adición de condensadores es que permite que el sistema
eléctrico de la planta sirva una mayor cantidad de KW de
la que es posible servir sin condensadores. Esto es
especialmente importante para industrias que experimentan un
rápido crecimiento, ya que al agregar condensadores
liberan capacidad térmica y se puede posponer la
necesidad de agregar equipos más costosos de que otra
forma sería inevitable.
Analizando:
KVA1=carga
original
KVA2=Carga resultante
después de agregar condensadores.
CKVA = Condensadores
agregados
ΔKVA= Carga adicional al
factor de potencia original que se puede agregar antes que los
KVA lleguen otra vez al valor de KVA1
KVAR1=Carga original del
KVAR
KVAR2= KVAR1
- CKVA
Ø1=Angulo de
factor de potencia original.
La adición de CKVA en
condensadores mejora el factor de potencia, reduciendo la carga
térmica de KVAR1 a KVAR2. El
sistema puede servir una cargas adicional de ΔKVA
con el mismo factor de potencia de KVA1.
Cálculo de la capacidad
térmica liberada y del ahorro económico que se
obtiene al diferir la instalación de más
capacidad.
Factor de potencia
óptimo
El
factor de potencia más económico desde el punto
de vista de la carga térmica se puede estimar con ayuda
de una tabla que nos indica el factor de potencia más
económico del sistema basado en la capacidad
térmica :
Bs./KVAR
130
=
= 0,37
Bs./KVA
350
Factor de potencia óptimo de
la tabla: 93%
Factor de potencia exigido por
CADAFE es 90% por lo tanto no tiene sentido trabajar con el
factor de potencia optimo ya que la penalización es por
debajo del 0,9, se elige un valor del 91% para tener un margen
de seguridad.
Capacidad de condensadores
requeridos en KVAR.
Los KVAR requeridos pueden
calcularse usando el factor de la tabla
El factor obtenido para un aumento
de potencia de 0,57 a 0,91 es 0,986 por tanto:
KVARrequeridis=pico en KW x factor
de= 497 x 0,986= 490 KVAR
Capacidad de carga liberada por los
condensadores.
Capacidad liberada por condensadores en % según la
figura 30 es 40% por lo tanto Capacidad de carga
liberada:
KVA(pico) x Cap. Carga lib. en
% 872 x40
=
= 349KVA
100
100
Valor de la carga
liberada.
KVA
liberados x Bs./KVA = 349 x 350 = 122.150 Bs.
Costo de los condensadores
requeridos.
KVAR
requeridos x Bs./KVAR = 490 x130 =63.700 Bs.
Ahorro en la inversión
diferida por la disponibilidad de la capacidad liberada
suponiendo que se utiliza inmediatamente.
7.2.1.4 –7.2.15 = 122.150 –63.700
=58.450Bs.
Ahorro en la factura al eliminar la
penalización por bajo factor de potencia
KVAR. Penalizado por tener un factor
de potencia del 57%(penalizado por debajo de
0,9)
De
la tabla 1 se tiene:
7.3.1.1 Factor de
compensación
0,958
7.3.1.2 KVAR. Penalizados
0,958(pico KW)
=0,958×497=476KVAR
Cálculo aproximado de la
reducción de pérdidas.
Los
condensadores instalados en el sistema reducen las perdidas de
cobre al
eliminar el flujo de corriente reactiva. Esta reducción
de perdidas reduce el pico de KW. Además se necesitaran
menos KWH porque reducen las perdidas de energía. La
reducción en el pico de KW puede liberar una cantidad
significativa de compra de electricidad con la
eliminación de las perdidas producidas por la corriente
reactiva, las cuales no serán requeridas de la red de
CADAFE.
Factor de potencia óptimo
para la reducción de pérdidas.
Proporciona un valor del factor de potencia más
económica, basado en la premisa de que la perdidas
eléctricas del sistema de distribución de la
planta industrial equivalen aproximadamente al 10% del pico de
KW requeridos*
Costos de los
condensadores(Bs./KVAR)
Costo de suministro
eléctrico 130
Bs.
=
= 0,0520
(Bs./KW)
2.500 Bs.
Factor de potencia figura =
96%
La cantidad (KW) de reducción
de carga pico que los condensadores producirán es
equivalente a:
La
experiencia nos indica que la instalación de
condensadores afecta aproximadamente a una perdidas
equivalentes al 5% de KW pico(es decir) a ½ de las
perdidas totales) = 497 x 0,05 = 24,85 KW
Valor de la demanda de
facturación liberada(ahorro) ya que disminuye la
demanda máxima.
Reducción de perdidas x Bs./KW =15,10 x 2.500 Bs.
/KW =37.750 Bs.
Equivalente a un ahorro neto anual
de:
37.750 x0,12=4.530 Bs.
Ahorro de energía al
año
Ahorro aproximado en KWH.
Reducción de pérdidas
durante carga máxima x factor de perdida x
horas/años =15,10 x 0,10 x 8.760 = 13.228
KWH/año
Valor anual de los ahorros de
energía.
KWH ahorrados x Bs. KWH=13.228 x
0,11= 1.455 Bs. /año
Ahorro neto logrado por la
instalación de condensadores
Valor actualizado por la capacidad
liberada, la cual se supone se utilizara el 2°
año.(*)=
122.150
=97.378Bs.
(1+0.12)2
criterio conservador
Costo de los condensadores
instalados.
=
63.700 Bs.
Ahorro neto en inversión por
capacidad diferida(7.5.1 – 7.5.2)
=
33.678 Bs.
Interés anual sobre capital
invertido.
=12%
Ahorro neto anual por concepto de
inversión diferida por aumento de la
capacidad.
=
4.041 Bs.
Ahorro anual neto por concepto de
disminución de cargo por demanda de la
facturación por la reducción de
perdidas.
=37.750 x0,12 = 4.530Bs.
Más ahorro anual por el
concepto de perdidas de KWH. Eliminadas.
=1.455Bs.
Más ahorro anual por concepto
de cargo de bajo factor de potencia eliminado en la
factura.
=2.380 Bs./mes x12 meses = 28.560
Bs.
Ahorro anual total.
=
38.586 Bs. El ahorro anual de Bs. 38.586 sobre la
inversión de 63.700 Bs. Equivale a una tasa de
retorno del 61%.
De
las cifras mencionadas en punto 7.5 se destaca solo el
ahorro de Bs. 28.567,56 anual por la eliminación
de cargo de factor de potencia en su factura de electricidad,
justifica la inversión de los condensadores, la tasa de
retorna en este caso es del 47%.
Información básica
requerida para calcular un banco de
condensadores de potencia.
Datos de suministro.
·
Voltaje entre fases
·
Frecuencia
·
Numero de fases.
Localización de equipos de
medición
Alta y baja
tensión
Voltajes de
distribución
Capacidades de los principales
transformadores de potencia
Datos de la tarifa eléctrica,
método de la determinación de costos.
Datos de carga, tantos como sean
posibles.
·
Demanda máxima en KW o KVA
·
Factor de potencia a la demanda máxima
·
Demanda promedio en KW o KVA
·
Factor de potencia de la demanda promedio
Potencia total en HP o KW de los
motores instalados
Lista completa de motores de 20 HP y
mayores, dando potencia en HP, KW, velocidades, tipos y
servicios.
Para grandes instalaciones, diagrama
unifilar, indicando los principales tableros y alimentadores de
distribución, así como la potencia en HP o KW
conectado a cada uno.
Temperatura media y máxima
durante las 24 horas del día más caluroso del
año.
Altura sobre el nivel del
mar.
Formulas útiles para el
calculo a realizar
Nomenclatura:
·
C= capacitancia(Faradio)
·
V= voltajes
·
A= corriente
·
K=1000(constante)
El bajo factor de potencia es una de
las razones por las que algunos sistemas eléctricos
funcionan desventajosamente (o sea sujeto a sanciones
económicas). El factor de potencia de una carga es, por
definición, la razón de los watts de ésta
al producto de los volts y amperes medidos en ella.
Su valor se expresa con frecuencia
como porcentaje. Siempre que esa razón sea menor
que la unidad o que 100%, la carga está tomando una
corriente mayor que la necesaria para efectuar el mismo trabajo
con fp=1. Tal corriente de mayor intensidad produce más
caída de potencial en los circuitos alimentadores,
así como mayores pérdidas térmicas en
alimentadores, transformadores, etc. Estos elementos
tendrían que ser de mayor capacidad para evitar
recalentamiento. Por supuesto, algunos tipos de cargas,
particularmente las inductivas, tienen su propia naturaleza, un
f.p. menor que la unidad pero muchas de ellas funcionan con un
factor menor que el normal. La mayoría de los casos de
bajo f.p. pueden ser corregidos con provecho para el sistema y
la cuenta de gastos.
Guia Industrial. Control de el Factor de
Potencia.CADAFE.
Glosario.
Voltio(V):Unidad de la
tensión o voltaje de suministro de la energía
eléctrica.
Kilovoltio (KV):Unidad de la
tensión o voltaje de suministro de la energía
eléctrica.
Amperio (A): Unidad de la intensidad
de la corriente eléctrica.
Kilowatio (KW): Unidad de la
potencia eléctrica efectiva o útil
(activa)
Kilovoltamperio Reactivo
(KVAR):Unidad de la potencia eléctrica no utilizable
(reactiva)
Kilovoltamperio (KVA): Unidad de la
potencia eléctrica aparente (activa y reactiva en
conjunto)
Factor de potencia : Relación
entre potencia útil (KW) y potencia aparente
(KVA).
Demanda: Potencia eléctrica
utilizada en un momento dado.
Factor de Carga: Relación
entre la potencia media y la potencia máxima en un
período. Indica el grado de uniformidad de la
demanda.
Trabajo enviado por:
Ingenio Solo