AGENDA. Introducción. Definición de Factor de Potencia. Penalización por bajo factor de potencia. Beneficios de la corrección de factor de potencia

Transcripción

1 AGENDA Introducción Definición de Factor de Potencia Penalización por bajo factor de potencia Beneficios de la corrección de factor de potencia Localización de bancos de capacitores

2 Sistema de Potencia Planta Generadora 69 kv Sistema de Transmisión kv kv 13.8 kv 13.8 kv Consumidores Industriales V Consumidores Residenciales y comerciales

3 Desfasamiento entre corriente y voltaje i(t) v(t), i(t) voltaje corriente + v(t) R t Corriente y voltaje en fase - v(t), i(t) + v(t) i(t) L t Corriente atrasa al voltaje por 90 grados - + v(t) i(t) C v(t), i(t) t Corriente adelanta al voltaje por 90 grados -

4 Corrección de factor de potencia (Efecto en la corriente) IP1 I Q3 I 3 I Q1 ( θv θi) fp (-) V I P fp = 1 V -(θ θ) v I P i fp (+) V + v(t) I 1 I =IP I 3 I P - I Q3 I V (a) (b) (c)

5 Potencia (Estado estable senoidal) p(t) Potencia instantánea p(t) 1 Potencia Promedio: P = Vm Im cos( θ φ ) Watts (W) i(t) 1 Potencia Reactiva : Q = Vm Im sen( θ φ ) Volt-ampere reactivos (VAR) Potencia Apaernte : S Vm = 1 + v(t) Im Volt-amperes (VA) - t 1 1 p( t) = Vmcos( ω t + θ ) Imcos( ω t + φ ) = Vm Im cos( θ φ ) + Vm Im cos( ωt + θ + φ ) Vm Im Vrms = ; Irms = P = Vrms Irms cos( θ φ ) Q = Vrms Irms sen( θ φ ) S = Vrms Irms Potencia Promedio (P) S = V I* = S β = S cos( β) + j S sen( β) = P + j Q S I + S = VI* = P + j Q Si P>0, el elemento consume Potencia Real Q V - Si P< 0, el elemento produce potencia real Si Q>0, el elemento consume pot. reactiva Si Q<0, el elemento produce pot. reactiva β=θ φ P V e I expresados en valores RMS

6 Cálculo de factor de potencia kw-hr P(kW) Q(kVAR) : :05 tiempo kvar-hr tiempo f p = kwhr [ kwhr] + [ kvarhr] 0.9 %Rec. = 60 1 fp % Bonif. 0.9 = 5 1 fp C argo = ( CE + CD)*%Recargo Bonif. = ( CE + CD)*% Bonif.

7 Cálculo de factor de potencia kw-hr kvar-hr MEDIDOR CFE VP (t)... 1 NP VQ(t)... 1 NQ 5 5 t(min.) t(min.) kw-hr α [NP] kvar-hr α [NQ] fp = kw hr kw hr + kvar hr = NP NP + NQ NP: Número de pulsos proporcionales a kw-hr NQ: Número de pulsos proporcionales a kvar-hr

8 Beneficios de la corrección del factor de potencia 1) Eliminar penalización Factor de penalización 0% 15% pfp 10% 5% 0% fp fp original fp corregido * 9.6% 17.1% 19.6% 0.8 * * 7.5% 10.0% 0.9 * * *.5%

9 ) Recuperación de la Capacidad Instalada 500 kva 500 kva 500 pf=0.8(-) Opera a plena carga! 500 pf=1.0 Opera al 80% de su capacidad Se recupera un 0% que puede utilizarse para alimentar otra carga

10 3) Reducción de pérdidas Reducción de pérdidas 80 A % P= fp fp' 55 A 0. Ω A 440V M 0.Ω A 440V M 50 HP Eff=90% Banco de capacitores 50 HP Eff=90% factor de potencia =0.69 Corriente ~ 80 A Pérdidas en cable 3840 Watts factor de potencia =1.0 Corriente ~ 55 A Pérdidas en cable 1815 Watts

11 4) Mejor Regulación de Voltaje 1000 kva Z= 7% Z fuente (pu) V(%) Q cap (%) 350 kvar [ Z ( )] V (%) = Q (%) pu cap fuente V (%) 35 % * ( 0.07 ).5 %

12 Corrección del factor de potencia PF PF IF QF IF' QF' PL QL PL QL ZL ZL QC β=θ φ SF=SL PF=PL QF=QL β'=θ φ' SF' PF=PL QC QF'=QL-QC [ ] [ ] 1 1 tan( β) tan( β ') tan(cos ( )) tan(cos ( ')) QC = PL = PL fp fp PF=PL, QF =QL- QC==> QF < QF β < β ====> fp > fp IF < IF ==> Reducción de pérdidas!!

13 Corrección de factor de potencia (Ejemplo) PF QF PL QL SF=SL=000 VA QF=QL= 100 VAR β=θ φ=36.87 PF=PL=1600 W IF = = A + j 15. Vs(t)=100 cos(100t) R=.0 ; L=15 mh * S = V I * 100 = = j100 = VA fp = (1600/000) = 0.8 (-) Current lags the voltage QC=QF-PL tan(β ) = PL (tan β - tanβ ) QC=1600 (tan tan5.84 ) = 45 VAR IF=40 A; (8.8 Arms) IF =35.56 A ; (5.14 Arms) PF vs(t) QF' PL ZL QL QC SF' β'=5.84 QC=45 VAR QF' =QL-QC=775 VAR PF=PL=1600 W

14 Sistema de Potencia con cargas que tienen bajo FP Transformador Principal Transformador de Distribución Línea 1 Línea Carga con bajo FP Medidor Compañía Eléctrica Otras Cargas 13.8 kv 480 V Planta Industrial Otras Cargas Problemas Presentes Penalización por bajo FP Mala utilización de la capacidad instalada(transformadores y líneas) Pérdidas de potencia Regulación de Voltaje

15 Localización de los capacitores Transformador Principal Transformador de Distribución Línea 1 Línea Carga con bajo FP Medidor Compañía Eléctrica C1 Otras Cargas 13.8 kv C 480 V Fábrica Otras Cargas Beneficios de corregir el factor de potencia C3 Eliminación de Penalización o Bonificación Recuperación de Capacidad Instalada del Transformador Principal Recuperación de Capacidad Instalada del Transformador de Distribución Reducción de Pérdidas en Línea 1 Reducción de Pérdidas en Línea C1 Si Si C Si Si Si Si C3 Si Si Si Si Si

16 Corrección de factor de potencia(caso de estudio) 13.8 kv kv L HP DF=5000 kw FC= 80% fp=0.8(-) 3 M1 480 V 4 L L3 L4 L M M3 M4 M5

17 Comparación de alternativas(localización de capacitores) Alternativa 1: Conectar banco de.5 MVAR en bus de 13.8 kv kv 13.8 kv L1 3 M1 L L3 L4 L M M3 M4 M5

18 Comparación de alternativas(localización de capacitores) Alternativa : Distribuir los.5 MVAR en 5 bancos 115 kv kv L1 3 M kvar L L3 L4 L M M3 M4 M5 400 kvar 00 kvar 00 kvar 00 kvar

19 Ahorro debido a reducción de pérdidas Nodo Base Cap kv Cap. Distr. Voltaje (pu) Pérdidas(kW) Disminución Energía(Año) Ahorro($) $ - $ 66,576 $ 80,30

20 Puntos a considerar al hacer un estudio de fp hmotores de Inducción (especialmente los subutilizados) hcargas no lineales (hornos, variadores de velocidad) hbancos de capacitores (Revisar si operan a su valor nominal)

21 Banco Automático de Capacitores QL QC QS Medidor/ Controlador QS t (hrs) QC QL Los bancos aportan kvar de acuerdo a los requerimientos de la carga

22 Corrección utilizando condensadores sincrónicos Q = f(if) I a fp(-) fp(+) I f I a I f

23 Guía para corregir el factor de potencia en motores individuales a 0.95, el motor y capacitor son conectados como una sola unidad n(rpm) HP TABLA 6.1 ANSI/NEMA (Armazón T)

24 Variación del factor de potencia en función de la carga que entrega el motor Carga Variable 10 P(%), Q(%), fp(%) 100 Motor de Inducción f p P Los requerimientos de reactivos no varían de manera significativa con la carga del motor 40 0 Q Para cargas bajas el fp es pobre A mayor carga mejora el fp % Carga del motor

25 Factor de potencia en variadores de DC + fp VCD ω - n(rpm) 50% 100 % ω = f ( V V CD CD ) = f ( α) ω α fp A bajas velocidades el fp es bajo, debido al retraso en el ángulo de disparo. Para aumentar la velocidad, se requiere aumentar el voltaje promedior, lo cual se logra al reducir el ángulo de disparo. El factor de potencia mejora

26 Instalación de capacitores en motores Fusibles Contactor OL Capacitor Capacitor Capacitor (C) (B) (A) (A) Instalación Nueva y el elemento de sobrecarga puede dimensionarse para una corriente reducida (B) Es un motor existente y el elemento de sobrecarga excedería el código si el capacitor se instalara del lado del motor (C) Si se maneja frenado por inversión de fase, jogging y cargas de inercia elevada

27 Fenómeno de Autoexcitación (Sobrevoltaje) Voltaje 800 Voltaje después de la desconexión V V Motor de Inducción 50 kvar (60 A) Amperes reactivos Exceso de Reactivos

28 Cargas no lineales (variador de velcidad) Voltaje 100 kva 5.5 % seco Square wave - VSI i 0 0 t.3 kv : 460 V Y 80 Corriente 60 Espectro (armónicas) THD 55.0 K 9.60 Inom = 300 A I = * 36.4 A

29 Correción de factor de potencia ante la presencia de cargas no lineales CARGA NO LINEAL Filtro Banco de capacitores

30 Condición Original (480V) 0.30 Z vs.w (casobase) Z(Ohms) Frequencia (H pu) 600 Voltaj e enel bus de 480V (casobase) Voltaje (V) Tiempo(mS)

31 Conectando banco de capacitores (480V) 0.6 Z vs.w (Bancode capacitores) Z Frequencia (H pu) 600 Voltaj e enel bus de 480V conbancode capacitores R Voltaje (V) Tiempo(mS)

32 Instalando filtros (480V) 0.35 Instalandof iltros Z Frequencia (H pu) 600 Voltaj e enel bus de 480V (InstalandoFiltros) Voltaje (V) Tiempo (ms)

33 13.8 kv Sin correción Z vs ω Z vs. w (casobase) 600 v(t) Voltaj e enel bus de 480V (casobase) R V Z(Ohms) Voltaje (V) CARGA NO LINEAL Frequencia (H pu) Tiempo(mS) 13.8 kv Capacitores 60. Z vs. w (Bancode capacitores) Voltaje en el bus de 480V con banco de capacitores 600 A RM C F V Z Voltaje (V) CARGA NO LINEAL Banco de capacitores Frequencia (H pu) Tiempo(mS) 13.8 kv Filtros Instalandof iltros Voltaje en el bus de 480V (Instalando Filtros) V CARGA NO LINEAL Z Voltaje (V) Filtro Frequencia (H pu) Tiempo(mS)

34 Potencia (Estado estable senoidal) p(t) Potencia instantánea p(t) 1 Potencia Promedio: P = Vm Im cos( θ φ ) Watts (W) i(t) 1 Potencia Reactiva : Q = Vm Im sen( θ φ ) Volt-ampere reactivos (VAR) Potencia Apaernte : S Vm = 1 + v(t) Im Volt-amperes (VA) - t 1 1 p( t) = Vmcos( ω t + θ ) Imcos( ω t + φ ) = Vm Im cos( θ φ ) + Vm Im cos( ωt + θ + φ ) Vm Im Vrms = ; Irms = P = Vrms Irms cos( θ φ ) Q = Vrms Irms sen( θ φ ) S = Vrms Irms Potencia Promedio (P) S = V I* = S β = S cos( β) + j S sen( β) = P + j Q S I + S = VI* = P + j Q If P>0, circuit draws real power Q V - If P< 0, circuit delivers real power If Q>0, circuit draws reactive power If Q<0, circuit delivers reactive power β=θ φ P V e I are voltage and current phasors expressed in RMS values