UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ESTUDIO PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN BT DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PLANTA FORD Por: Gerardo Andrés Santana Navarro INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Octubre de 2011

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ESTUDIO PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN BT DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PLANTA FORD Por: Gerardo Andrés Santana Navarro Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Ing. Julio Montenegro Tutor Industrial: Ing. Javier Bravo INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Octubre de 2011

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4 ESTUDIO PARA LA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN BT DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA PLANTA FORD REALIZADO POR: GERARDO ANDRÉS SANTANA NAVARRO RESUMEN En el presente informe se exponen los detalles técnicos para la corrección del factor de potencia por medio de la compensación de energía reactiva en baja tensión, aplicadas en las subestaciones principales de la planta Ford Motors de Venezuela. Se establece una metodología para determinar el dimensionamiento de los bancos de capacitores implementados, en la que se realiza una auditoria energética para adquirir las principales características técnicas de operación de las subestaciones que permitirán el diseño de la compensación tomándose en cuenta los siguientes valores: factor de potencia, tensión, corriente, cantidad de armónicos presentes en el sistema, potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente. Con la adquisición de información se realiza el cálculo del requerimiento compensativo necesario para conseguir un factor de potencia de 0.95 inductivo el cual fue alcanzado. Finalmente se analizan diferentes alternativas de compensación y se determinaron los beneficios aportados para cada opción, lo que permitió establecer que la opción más adecuada es optar por una compensación en baja tensión centralizada con operación automática a través de contactores para cargas de lenta variación y por medio de tiristores para cargas de rápida variación. iv

5 Con todo mi amor y cariño a Dios A mis padres, Raúl e Isabel, que desde el inicio de mi carrera colocaron su confianza en mí, y me proporcionaron su apoyo total en todo momento. A mi hermano Raúl Eduardo, esto es por ti y para ti. A mi abuelo Tomas y a mi abuela Petra, se que desde el cielo están orgulloso de mi. v

6 AGRADECIMIENTOS A mi familia, mis padres, mi hermano y mi abuela, por haberme brindado su incondicional amor, cariño, apoyo y educación durante toda mi vida. Gracias a su formación me han convertido en la persona que soy hoy en día. A toda la familia Santana, Navarro, Riobueno, Zamora, entre otras. A mi Valerita, por su gran apoyo durante todo este camino, por sacarme adelante en los momentos más difíciles y por haber sido mi mayor ayuda. A la Familia Trujillo Rey, por estar a mi lado y brindarme siempre su apoyo. A la Familia Moretti Couttenye, por apoyarme en momentos difíciles de mi carrera. A mis amigos y compañeros Alfonzo Rojas, José Pinto, Edwin Ramos, Silvia Gracia, Oscar Pineda, Katherine Moretti, Patrick Moretti, Daniel Jaspe, Damelis López, Luis Monterrey, Pedro Silva, Daniel Delgado, Rosa Bilella, Javier Pérez, entre otros; por haberme animado hasta llegar aquí y brindarme siempre su apoyo, su confianza y amistad a lo largo de todos estos años. Ustedes me motivaron a seguir adelante durante el toda la carrera. A la Universidad Simón Bolívar, mi alma Mater, por brindarme la oportunidad de crecer académicamente como persona. Al Doctor Javier Bravo, por su extraordinaria tutoría y amistad. Por su gran dedicación en todo el desarrollo de mi trabajo. Al Doctor Renny Alvares, por enseñarme a trabajar en equipo y asistirme en todo el transcurso de las pasantías. Al Doctor Luis Lugo, por confiar en mí en todo momento. A todo el personal de EnergyTech, por abrirme las puertas a esa gran familia y mostrarme el mundo laboral. vi

7 INDICE GENERAL INTRODUCCIÓN DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ENERGYTECH C.A Ubicación Aspectos generales Visión Misión Valores Liderazgo Sentido de pertenencia Integridad Pasión por ganar Confianza Organización Gerencia de proyectos Principales clientes Ford Motors de Venezuela BASE TEÓRICA Factor de potencia vii

8 2.1.1 Factor de potencia en atraso y en adelante La energía reactiva Aspectos positivos al implementar una mejora del factor de potencia Incremento de los niveles de tensión Reducción de pérdidas en el sistema Incremento de la capacidad del sistema Compensación de la energía reactiva Calculo para la compensación de energía reactiva Métodos de compensación Tipos de compensación Presencia de armónicos en el sistema Orden de un armónico Tasa de distorsión individual Tasa de distorsión total Valor eficaz de tensión y corriente Factor k de transformadores Filtrado de armónicos Condensadores con filtro de rechazo Filtros pasivos o de absorción viii

9 2.7.3 Filtros activos ESTUDIO DEL CASO Sistema eléctrico Sistema de generación Sistema de distribución Compensación de energía reactiva existente en la planta Subestaciones a estudiar Identificación de la carga asociada a cada subestación Evaluación de requerimientos de compensación Auditoria energética Registro de parámetros Equipos de medición Parámetros a almacenar Conexión y puesta en marcha del equipo de medición Procesamiento de resultados Niveles de voltaje Curva de demanda de potencias RESULTADOS OBTENIDOS EN LA AUDITORIA Registro de medición ix

10 4.2 Estado actual de las subestaciones Niveles de tensión Levantamiento de la curva de carga Armónicos en el sistema Tasa de distorsión armónica total Factor de descalificación del transformador Factor de potencia PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS PARA EL DISEÑO DE ANCOS DE COMPENSACIÓN DE ENEGÍA REACTIVA Cálculo de compensación reactiva necesaria Casos especiales Análisis de alternativas Tipo de compensación Compensación individual Compensación grupal Compensación centralizada Método de compensación Condensadores con filtro de rechazo Caracterización de banco de condensadores según catalogo del fabricante Estado final del sistema eléctrico en las subestaciones compensadas x

11 CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS PROTECCIONESA ASOCIADAS DEL GENERADOR DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE LA PLANTA FORD MOTORS DE VENEZUELA ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE LA PLANTA FOR MOTORS DE VENEZUELA CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL ANALIZADOR AR5-L PARÁMETROS A ALMACENAR PARA DIFERENTES TIPOS DE CIRCUITOS ESQUEMA DE CONEXIÓN DEL EQUIPO ESTADO TECNICO DE LOS TRANSFORMADORES ANTES DE REALIZAR LA COMPENSACIÓN GRÁFICAS DE TENSIÓN RESPECTO AL TIEMPO GRÁFICAS DE POTENCIA ACTIVA, REACTIVA Y APARENTE RESPECTO AL TIEMPO GRÁFICAS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL DE CORRIENTE Y DE TENSIÓN RESPECTO AL TIEMPO GRÁFICA DEL FACTOR DE POTENCIA RESPECTO AL TIEMPO GRÁFICA DE LA CORRIENTE MÁXIMA EN EL TRANSFORMADOR 4 DE LA SUBESTACIÓN CATALOGO DE BANCO DE CONDENSADORES DEL FABRICANTE (CIRCUTOR) xi

12 INDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Ejemplo de armónicos a frecuencia fundamental 50Hz y 60Hz Tabla 2.2 Rango de valores aceptados para los THD de tensión y corriente Tabla 3.1. Capacidad instalada por cada subestación en la Planta Ford Motors de Venezuela...27 Tabla 3.2. Compensación actual en la Planta Ford Motos de Venezuela Tabla 3.3. Procesos asociados a cada subestación de la Planta Ford Motors de Venezuela Tabla 3.4. Características principales de las pinzas amperimétricas Tabla 3.5. Parámetros a medir y registrar en la base de datos Tabla 4.1. Subestaciones a estudiar Tabla 4.2. Resultado obtenido para el cálculo de la diferencia porcentual de tensión para la jornada de 24 horas Tabla 4.3. Resultado obtenido para el cálculo de la diferencia porcentual de tensión para la jornada de 7:00 am hasta 4:00 pm Tabla 4.4. Promedio de distorsión total máxima y mínima de voltaje y corriente para la jornada de 24 horas Tabla 4.5. Promedio de distorsión total máxima y mínima de voltaje y corriente para la jornada de 7:00 am hasta las 4:00 pm Tabla 4.6. Factor de descalificación y porcentaje de potencia útil de los transformadores estudiados considerando la jornada completa (24 horas) Tabla 4.7. Factor de descalificación y porcentaje de potencia útil de los transformadores estudiados considerando la jornada laboral (7 am a 4 pm) Tabla 4.8. Factor de potencia promedio y mínimo de cada transformador estudiado xii

13 Tabla 5.1. Compensación reactiva necesaria por subestación tomando en cuenta la jornada completa Tabla 5.2. Compensación reactiva necesaria por subestación tomando en cuenta la jornada laboral Tabla 5.3. Observaciones en transformadores En la tabla 5.4. Requerimiento reactivo recomendado correspondiente a cada transformador Tabla 5.5. Cuadro comparativo entre el requerimiento compensativo y el banco seleccionado.. 53 Tabla 5.6. Planteamiento final de compensación Tabla 5.7. Estado de los transformadores antes de realizar la compensación Tabla 5.8. Estado de los transformadores después de la compensación Tabla G.1. Estado técnico del transformador 1 de la subestación Tabla G.2. Estado técnico del transformador 2 de la subestación Tabla G.3. Estado técnico del transformador 4 de la subestación Tabla G.4. Estado técnico del transformador 7 de la subestación Tabla G.5. Estado técnico del transformador 8 de la subestación Tabla G.6. Estado técnico del transformador 9 de la subestación Tabla G.7. Estado técnico del transformador 1 de la subestación Tabla G.8. Estado técnico del transformador 2 de la subestación ECOAT xiii

14 INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Organigrama de la empresa Figura 2.1. Relación fasorial entre la tensión y las componentes de corriente activa y reactiva.. 9 Figura 2.2. Diagrama fasorial de potencias, para una carga inductiva Figura 2.3. Diagrama fasorial tensión-corriente, para sistemas con Fp en atraso y en adelanto.. 11 Figura 2.4. Impacto al realizar una compensación de energía reactiva en un sistema eléctrico.. 13 Figura 2.5. Compensación individual Figura 2.6 Compensación grupal Figura 2.7. Compensación central Figura 5.1. Esquema de alternativas de compensación en baja tensión Figura 5.2. Diagrama unifilar de media tensión resaltando la ubicación de los equipos de compensación Figura H.1. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura H.2. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura H.3. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación Figura H.4. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación Figura H.5. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura H.6. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura H.7. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación xiv

15 Figura H.8. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación Figura H.9. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación Figura H.10. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación Figura H.11. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura H.12. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura H.13. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura H.14. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura H.15. Gráfica de tensión respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT Figura H.16. Gráfica de corriente respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT Figura I.1. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura I.2. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación Figura I.3. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura I.4. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación Figura I.5. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación xv

16 Figura I.6. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura I.7. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura I.8. Gráfica de potencia activa respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT Figura I.9. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura I.10. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación Figura I.11. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura I.12. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación Figura I.13. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación Figura I.14. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura I.15. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura I.16. Gráfica de potencia reactiva respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT xvi

17 Figura I.17. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura I.18. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación Figura I.19. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura I.20. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación Figura I.21. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación Figura I.22. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura I.23. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura I.24. Gráfica de potencia aparente respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT Figura J.1. Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura J.2. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura J.3. Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación Figura J.4. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación xvii

18 Figura J.5. Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura J.6. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura J.7. Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación Figura J.8. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación Figura J.9. Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación Figura J.10. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación Figura J.11.Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura J.12. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura J.13. Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura J.14. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura J.15. Gráfica de distorsión armónica total de corriente respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT Figura J.16. Gráfica de distorsión armónica total de tensión respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT xviii

19 Figura K.1. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura K.2. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación Figura K.3. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación Figura K.4. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 7 de la subestación Figura K.5. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 8 de la subestación Figura K.6. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 9 de la subestación Figura K.7. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 1 de la subestación Figura K.8. Gráfica del factor de potencia respecto al tiempo del transformador 2 de la subestación ECOAT Figura L.1. Gráfica de la corriente máxima respecto al tiempo del transformador 4 de la subestación xix

20 LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Significado Unidad I Corriente. A Amperios. Ief Corriente eficaz. A Amperios. Inom Corriente nominal. A Amperios. P Potencia activa. kw Kilo Watts. Q Potencia reactiva. kvar Kilo volt-amperios reactivos. S Potencia aparente. kva Kilo volt-amperios. Snom Potencia aparente nominal. kva Kilo volt-amperios. V Voltaje. V Voltio. Vef Voltaje eficaz. V Voltio. Vnom Voltaje Nominal V Voltio xx

21 LISTA DE ABREVIATURAS Abreviatura AC BT C.A. CORPOELEC Cos DC ELEVAL Significado Corriente Alterna. Baja Tensión. Compañía Anónima. Corporación Eléctrica Nacional. Coseno. Corriente Continua. Electricidad de Valencia. Fp h Hp Hz M m Máx. min. Mín. MT. Factor de Potencia. Horas. Caballos de Fuerza. Hertzios. Mega. metros. Máximo Mínutos. Mínimo. Media Tensión xxi

22 Abreviatura s Significado Segundos. Sin S/E TRX Seno. Subestación. Transformador. xxii

23 1 INTRODUCCIÓN Antecedentes En la actualidad la Planta Ford Motors de Venezuela cuenta con una capacidad instalada de 21,624MVA distribuida en quince (15) subestaciones. El aumento creciente de la demanda de vehículos, ha obligado a la Corporación Ford Motor de Venezuela a realizar un ajuste en sus líneas de producción para incrementar el número de vehículos ensamblados diariamente. Este ajuste significa un aumento en la demanda energética, por lo que la potencia generada ya no es suficiente para suplir el consumo en las horas pico de producción. Esto ha traído como consecuencia la contratación de la empresa local de distribución del servicio eléctrico (ELEVAL Filial de CORPOELEC) para un suministro eléctrico de respaldo. En los últimos meses esta ha estado emitiendo llamados de atención debido al bajo factor de potencia que posee la planta, por lo que ya se está viendo afectado el servicio eléctrico en la zona. Por otro lado, la planta ha recibido llamados de atención por parte de Ford Motors Company, quien ha estado monitoreando su demanda energética contra producción de vehículos diarios; y esta no se encuentra dentro del promedio de producción, al compararla con las demás ensambladoras a nivel suramericano. Los factores mencionados anteriormente han llevado a la planta a buscar una solución de manera rápida y efectiva de incrementar su producción, manteniendo la capacidad instalada. Es por esto que se han implementado políticas de mantenimientos en las líneas para aumentar su eficiencia, sin embargo no se produce el incremento deseado. Actualmente, el factor de potencia (FP) promedio de la planta se encuentra en el orden de 0.83, alcanzando valores mínimos de Esto ha llevado a la planta a tomar medidas al respecto para lograr un aprovechamiento factible de los recursos energéticos y de esta manera incrementar la producción, manteniendo la misma capacidad instalada en las subestaciones eléctricas. Esto ayudaría a reducir los costos operativos y aumentando sus índices de confiabilidad y rentabilidad en el negocio. Realizando correcciones en el factor de potencia se ha logrado de una manera efectiva extender sus líneas de producción sin la necesidad de construir nuevas subestaciones. En la

24 actualidad ya se han tomado medidas para mejorar el FP realizando la compensación de energía reactiva en baja tensión (BT), en las siguientes subestaciones: 2 En la subestación N 2, con dos (2) bancos de compensación automática con conmutación por medio de contactores de 230kVAR cada uno para dos (2) transformadores de 1000kVA respectivamente asociados a servicios generales de la planta, y un (1) banco de compensación automática con filtro de rechazo y conmutación por medio de tiristores de 320kVAR en otro transformador de 1000kVA asociado a los procesos de manufacturas para el área de carrocerías. En la subestación N 3, existe compensación en un (1) transformador de 1000kVA a uno de los cuatro compresores de 600HP que alimenta de aire comprimido a toda la planta, este cuenta con un banco de compensación automática con conmutación por medio de contactores de 110kVAR. A pesar de que existe esta compensación no se ha logrado realizar el aporte necesario que pueda solventar el problema de agregar nuevas línea de producción, sin la necesidad de incrementar la capacidad instalada, por lo cual se ha decidido mejorar el factor de potencia por medio de la compensación de otras subestaciones. Justificación Uno de los problemas que afronta la planta Ford, es un corte inesperado de energía por fallas recurrentes en el servicio eléctrico por parte de la compañía EnergyWorks, empresa proveedora del servicio en la planta. Debido al valor del FP que posee la ensambladora, esta empresa alega que no puede hacerse responsable por cortes inesperados (parámetros de suscritos en el contrato de servicio). La planta ante estas fallas en el suministro, se ve en la necesidad de recurrir a ELEVAL, ocasionando penalizaciones debido a que la carga contratada es considerablemente inferior a la demanda. A nivel mundial la Corporación Ford Motors realiza un seguimiento a sus plantas, en las cuales comparan la producción de vehículos contra la demanda energética. Por lo que es necesario mejorar su producción disminuyendo su demanda actual. Para conseguir valores similares a las otras ensambladoras en Latinoamérica.

25 Además de establecer un nivel adecuado de producción contra demanda energética, se desea solventar las siguientes dificultades que afectan hoy en día a la planta: 3 Grandes problemas de disponibilidad de energía eléctrica confiable producto de fallas y cortes de servicios en el sistema eléctrico nacional. Problemas en la Confiabilidad del Sistema de Generación de Energía Eléctrica local por el proveedor de servicios producto de bajos factores de potencia lo cual eleva las perdidas y potencia no productivas en las redes de distribución (Aplicando o no penalizaciones). Problemas para satisfacer los picos de demanda de energía eventuales por saturación de la capacidad de generación de potencia. Notorias disminuciones de voltaje en las subestaciones de servicios y pistolas de electropunto ( V > 25% Vn). Calentamiento excesivo de las unidades de transformación. Alta facturación de energía por consumos de energía reactiva ocasionado por las pistolas de electropuntos. EnergyTech C.A. es una empresa que se caracteriza por tener amplios conocimientos en ahorro energético a nivel industrial. Debido a esto su selección para llevar a cabo este proyecto ha demostrado ser adecuada, ya que posee los conocimientos técnicos, científicos, organizativos, y la experiencia suficiente para realizarlo sin dificultad. Objetivos Objetivo General Establecer una metodología y procedimiento, para corrección del factor de potencia del sistema eléctrico en subestaciones principales de la Planta Ford Motors de Venezuela. Objetivos Específicos Definir Subestaciones Eléctricas a Evaluar y elaborar base de datos de sus principales características. Realizar auditoria Energética de las subestaciones a evaluar para determinar el estado actual en que se encuentran las subestaciones en cuanto a factor de potencia, distorsión armónica, niveles de voltaje, y capacidad instalada.

26 4 Diseño de Banco de Condensadores adecuado para alcanzar un FP de 0.95 tomando en cuenta un incremento de carga del 25% año Horizonte. Caracterizar Bancos de Condensadores según catalogo del fabricante Evaluar el estado final del sistema eléctrico, en cuanto a factor de potencia y niveles de tensión, posterior a las mejoras a implementar en el sistema eléctrico de Ford, previamente definidas.

27 CAPITULO I DESCRIPCION DE LA EMPRESA ENERGYTECH C.A. 1.1 Ubicación La sede principal está ubicada en la Avenida Henry Ford, C.C. Paseo las Industrias (2da Etapa), Nivel Mezzanina, Oficina M-122. Valencia, Estado Carabobo. 1.2 Aspectos Generales EnergyTech, C.A. es una empresa 100% capital venezolano, conformada por jóvenes empresarios con clara visión tecnológica y gerencial con más de 20 años de experiencia acumulada en sistemas eléctricos industriales, enfocada a dar soluciones de ingeniería en las siguientes aéreas: Iluminación Comercial / Industrial. Eficiencia Energética. Calidad de Energía. Sistemas de Puesta a Tierra. Problema con Transitorios de Voltajes. Protección Contra Descargas Atmosféricas. Los servicios que ofrece esta empresa son principalmente consultas, asesorías, gerencia de construcción, gerencia de proyectos, estudios de factibilidad ingeniería básica y conceptual, ingeniería de detalle, operación y mantenimiento, procura y gerencia de procura Visión Ser la compañía de primera preferencia de sus clientes, reconocida por sus productos y servicios en Venezuela.

28 Misión Su objetivo es desarrollar una infraestructura de negocio para comercializar productos y servicios que permitan mejorar la confiabilidad, seguridad y disponibilidad de los activos de sus clientes, así como satisfacer sus requerimientos de calidad y de valor. Como resultado, sus clientes los recompensaran con preferencia y generación de valor, permitiendo que ENERGYTECH, C.A. mejore su calidad de vida. 1.3 Valores Liderazgo Líderes en su área de responsabilidad, con compromiso profundo para producir resultados. Clara visión hacia donde se dirigen Sentido de pertenencia Responsabilidad personal para satisfacer las necesidades del negocio, mejorar sus sistemas y ayudar a otros a mejorar su rendimiento Integridad Hacer lo correcto. Honestos y directos entre sí Pasión por ganar Fuerte deseo de ser los mejores y ser reconocidos por sus clientes Confianza Gran respeto a sus colegas y a sus clientes. Confianza en la capacidad y buenas intenciones.

29 7 1.4 Organización Junta Directiva Gerente General Ing. Luís Lugo Gerencia de Proyectos Ing. Javier Bravo Gerencia de Comercialización Ing. Carlos Laya Gerencia Administrativa T.S.U. Jeidy Castillo Ing. Víctor Maduro Tec. Antonio Sánchez Tec. Renny Álvarez Dpto. Ventas María Avellaneda Gloria Mitterhammer Asistente Loannys Olivero Figura 1.1 Organigrama de la empresa 1.5 Gerencia de Proyectos La pasantía fue realizada en la gerencia de Proyectos, esta se encuentra conformada por una serie de profesionales de diferentes disciplinas. Estos son especializados en: Levantamiento/Inspección. Construcción. Servicio Post-Venta.

30 clientes. Su función principal es brindar soluciones en la medida de los requerimientos de los Principales Clientes EnergyTeh C.A. cuenta con una gama de clientes, las cuales han puesto su confianza para la elaboración de diferentes proyectos. Entre los principales clientes se encuentran: Ford Motors de Venezuela. General Motors de Venezuela. GoodYear de Venezuela. Alimentos Polar (Sede San Joaquín). Colgate-Palmolive de Venezuela. Banesco Banco Universal. Banesco Seguros. Industrias Venoco. Movistar (Telcel C.A.). Corporación Digitel. Telecomunicaciones Movilnet. C.A.N.T.V. Huawei Venezuela. La Corporación Ford Motors de Venezuela contrato a Energytech C.A. para la elaboración de un proyecto de ahorro energético, este consiste en la mejora del factor de potencia de la planta. 1.7 Ford Motors de Venezuela Venezuela. Ford Motors se encuentra ubicada en la avenida Henry Ford, Valencia, Estado Carabobo. Ford inicia el ensamblaje de vehículos en el año En la actualidad la planta cuenta con reconocimientos y certificados nacionales e internacionales como: ISO 9002 de calidad mundial y la ISO por la protección del medio ambiente.

31 CAPITULO II BASE TEÓRICA 2.1 Factor de Potencia [1], [2]. En los sistemas de corriente alterna existen dos componentes de la corriente que hacen posible la transferencia de energía. Una de estas es convertida por el equipo en trabajo útil; por lo que se le conoce como la componente de corriente activa. Mientras que la otra es la encargada de producir el flujo necesario para la operación de equipos electromagnéticos como los motores de inducción, transformadores (magnetizar el hierro), entre otros. Es importante destacar que esta última no se convierte en un trabajo útil. Esta componente es conocida como la corriente reactiva o magnetizante. En la figura 2.1, se observa la relación fasorial que existe entre las dos componentes de la corriente. En la cual la corriente activa está en fase con la tensión mientras que la reactiva se encuentra desfasada noventa grados (90 ) con respecto a esta. Figura 2.1. Relación fasorial entre la tensión y las componentes de corriente activa y reactiva.

32 10 De la figura anterior obtenemos por medio del teorema de Pitágoras para triángulos rectángulos la siguiente ecuación: (2.1) Como las potencias (activa, reactiva y aparente) son proporcionales a la corriente a un voltaje dado, tenemos que: (2.2) (2.3) Donde: S: Potencia aparente. P: Potencia activa. Q: Potencia reactiva. V: Tensión. I: Corriente. φ: Ángulo que existe entre la corriente activa y la corriente total. Finalmente se obtiene el diagrama fasorial de las potencias, también llamado triángulo de potencia. Este se observa en la figura 2.2.

33 11 Figura 2.2. Diagrama fasorial de potencias, para una carga inductiva. Debido a lo argumentado anteriormente se define el factor de potencia (FP), como la relación que existe entre la potencia activa y la potencia aparente en un determinado circuito eléctrico de corriente alterna. Su valor es adimensional y se encuentra entre cero y uno, además de que este se constituye del coseno del ángulo φ. Su expresión, generalmente viene dada por: [ ] [ ] (2.4) Factor de potencia en atraso y en adelanto Para cualquier sistema eléctrico, el Fp puede existir en adelanto o en atraso. Este dependerá del sentido de flujo de la potencia activa y reactiva en el sistema. Si los flujos van en la misma dirección se dice que el Fp esta en atraso, y si estos van en direcciones opuestas se encuentra en adelanto. En la figura 3.3 se observa el diagrama fasorial tensión-corriente para sistemas cuyos factor de potencia se encuentra en atraso y en adelanto. Figura 2.3. Diagrama fasorial tensión-corriente, para sistemas con Fp en atraso y en adelanto.

34 La Energía reactiva. Es una energía que utilizan ciertos receptores para la creación de campos eléctricos y magnéticos. Como se mencionó anteriormente, esta energía no se convierte en algún trabajo útil; sin embargo aumenta la potencia total a transportar y distribuir en el sistema. Por lo cual, para disminuir esta potencia que es trasmitida a través de la red del sistema, se realiza una compensación utilizando montajes de bancos de condensadores en las instalaciones Aspectos positivos al implementar una mejora del factor de potencia. o Liberación de la capacidad del sistema eléctrico (el sistema no lleva reactivos innecesarios). o Aumento de la tensión en barras generales del sistema. (disminución de las caídas de tensión). o Reduce costos en la factura de energía eléctrica, además de evitar algún tipo de recargo por poseer un bajo factor de potencia. o Aumento de la potencia activa sin necesidad de ampliar instalaciones. o Reduce la potencia aparente (S). o Descarga de transformadores. o Descarga de cables. o Disminución de pérdidas por efecto joule. Como consecuencia general, la compensación de la energía reactiva permite una optimización de las instalaciones existentes, aumentando el rendimiento de las mismas sin necesidad de la realización de inversiones adicionales. En la siguiente figura observamos el impacto que tiene la realización de una compensación en el sistema eléctrico.

35 13 Figura 2.4. Impacto al realizar una compensación de energía reactiva en un sistema eléctrico. [3] Incremento de los niveles de tensión. el FP. El alza de los niveles de tensión se considera un aspecto positivo al realizar una mejora en Debido a la disminución de la corriente reactiva en el sistema, la corriente total también disminuye. Esto ocasiona que la caída de tensión decrezca al compararla con la original. La expresión para el cálculo de esta caída de tensión viene dada a través de [1]: (2.5) Donde: Capacitor: Es el valor del condensador usado en KVAR. : Impedancia del transformador en porcentaje (%).

36 14 : Caida de tensión en porcentaje (%). : Potencia aparente nominal del transformador Reducción de pérdidas en el sistema. Debido a que las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente, y la corriente es reducida proporcionalmente con la mejora del FP. Tenemos que las pérdidas son inversamente proporcionales al cuadrado del FP. Por lo que tenemos la siguiente expresión [1]: (2.6) 2.2 Incremento en la capacidad del sistema. La instalación de condensadores permite aumentar la potencia disponible en una instalación eléctrica sin la necesidad de realizar ampliaciones en los equipos, cables, aparatos y transformadores. La expresión de la liberación de la capacidad del sistema está dada a través de: (2.7) Donde: Capacitor: valor del condensador a usar en KVAR. : Angulo del factor de potencia actual. : Potencia aparente nominal del transformador en KVA. La expresión (2.5) indicara cuanta potencia podremos adicionar, tomando en cuenta que el valor nominal de la potencia del transformador sea superado. Es importante mencionar que se

37 está realizando una simplificación al tomar en cuenta que la carga a agregar poseerá el factor de potencia igual al original Compensación de la energía reactiva Para disminuir la potencia reactiva demandada a la compañía suministradora de energía eléctrica, se opta por la instalación de baterías de condensadores. En función de la instalación a compensar, se puede optar por realizar una compensación en baja tensión BT o de MT Calculo para la compensación de energía reactiva. Como la potencia activa permanecerá constante independientemente del valor del FP, por medio de él triangulo de potencia mostrado en la figura 3.2 podemos deducir la siguiente expresión: (2.8) Donde inicialmente. es el ángulo que existe entre la potencia activa y la potencia aparente Entonces la potencia reactiva asociada a un FP deseado viene dada por: (2.9) Partiendo de las ecuaciones (8) y (9), se obtiene la expresión (10) para el cálculo de la potencia reactiva requerida para realizar la compensación: [ ] (2.10)

38 16 Donde es el ángulo actual, y es el ángulo deseado Métodos de Compensación. sistema: Existen dos métodos de compensación, estos dependerán de la curva de carga asociada al Compensación automática [5]: Normalmente el consumo de energía reactiva no es de manera constante, es por esto que la batería de condensadores debe ser capaz de seguir la evolución a lo largo del tiempo de la curva de carga de la instalación. Para poder realizar dicha compensación, la batería de condensadores se divide en diferentes escalones de potencias que están controlados por un regulador de energía reactiva. De esta forma, la batería de condensadores va agregando los diferentes escalones de potencia. Sin embargo existen variaciones rápidas de potencia en la instalación por lo que se requiere una respuesta rápida por parte de la batería; de esta manera dividimos en dos este tipo de baterías: a) Baterías con contactores electromecánicos: su respuesta va por el orden de los cuatro segundos (4s). b) Baterías maniobradas por tiristores: su regulación esta en el orden de los veinte milisegundos (20ms). Su uso se recomienda cuando es necesario un seguimiento instantáneo de potencia reactiva como consecuencia de la rápida variación de energía reactiva. Compensación fija [5]: El uso de la compensación fija se realiza a cargas o instalaciones donde por lo general se cumplan los siguientes criterios: - Los niveles de cargas son bastante constantes. - Existen mínimos de potencia reactiva a compensar en estados de cargas bajos. - Hay cargas de importancia que de ser compensadas individualmente ayuda a reducir las potencias transportadas por la instalación.

39 Tipos de compensación [4]. El tipo de compensación depende primordialmente del punto de colocación de las baterías de condensadores. Existen tres tipos de compensación, estos son: a) Compensación individual. b) Compensación grupal. c) Compensación central. Compensación individual [4]. Este tipo de compensación se realiza en los bornes de la carga inductiva, se caracteriza por realizarse en motores de gran magnitud (alrededor de 200 hp), en transformadores entre otros. En la siguiente figura podremos observar cómo se describe este tipo de compensación: Figura 2.5. Compensación individual [4]. Entre sus principales ventajas tenemos: - Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva. - Optimiza la instalación eléctrica. - Descarga de transformadores.

40 18 - El condensador se puede instalar junto al consumidor. De esta manera la potencia reactiva fluye entre el consumidor y el condensador. - Es el método de compensación más efectivo. - Las pérdidas por efecto joule se suprimen totalmente. Además es importante tomar en cuenta que: - Puede ocasionar sobretensiones causando daños en el equipo compensado, por lo que es necesario que el banco de baterías cubra solamente la potencia reactiva demandada por el consumidor cuando esté operando sin carga alguna. - Solo es rentable para cargas muy inductivas y regulares. Compensación grupal [4]. La compensación grupal consiste en conectar las baterías de condensadores en el cuadro de distribución, de manera que se genere la energía reactiva necesaria para compensar un grupo de cargas determinadas. Generalmente este tipo de compensación se realiza en grupos de lámparas fluorescentes. En la figura 2.6 observamos cómo está constituida este tipo de compensación. Figura 2.6 Compensación grupal [4].

41 19 Entre sus principales ventajas tenemos: - Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva. - Optimiza el rendimiento del transformador. - Disminuye la potencia aparente. - Disminuyen las pérdidas por efecto joule. Sin embargo hay que tomar en cuenta que existen pérdidas por efecto joule. Compensación central [4]. Este tipo de compensación central es recomendable aplicarla para cargas continuas. El banco de baterías se conecta a las cabeceras de la instalación eléctrica; este tipo de compensación se observa en la siguiente figura: Figura 2.7. Compensación central [4]. Este tipo de compensación se caracteriza por: - Optimiza el rendimiento del transformador. - Disminuye la potencia aparente. - Suprime las penalizaciones por consumo de energía reactiva.

42 20 - Aplicando una regulación automática compensa las exigencias del momento. Sin embargo debemos tomar en cuenta lo siguiente: - Circulara corriente reactiva por toda la instalación eléctrica. - Se mantienen las perdidas por efecto joule. 2.4 Presencia de armónicos en el sistema. Las cargas no lineales tales como: rectificadores, variadores de velocidad, hornos, inversores, soldaduras, etc., absorben de la red corrientes periódicas no sinusoidales. Estas corrientes están formadas por una componente fundamental de 60Hz, mas una serie de corrientes superpuestas, de frecuencias múltiples de la fundamental, que denominamos armónicos. El resultado es una deformación de la corriente y de la tensión que conlleva una serie de efectos secundarios asociados, que debemos tomar en cuenta antes de realizar una mejora del Fp Orden de un armónico [3], [6]. Viene dada por la relación entre la frecuencia del armónico (fn) y la frecuencia fundamental (f). En Venezuela la frecuencia fundamental es de 60Hz. En la siguiente tabla se encuentra tabulado algunos ejemplos considerando como frecuencia fundamental 50Hz y 60Hz. Tabla 2.1 Ejemplo de armónicos a frecuencia fundamental 50Hz y 60Hz. n (orden de armónico) Frecuencia del sistema 50Hz 60Hz