Instalaciones Industriales CORRECCIÓN DE POTENCIA REACTIVA

Transcripción

1 Instalaciones Industriales CORRECCIÓN DE POTENCIA REACTIVA

2 NATURALEZA DE LA ENERGÍA REACTIVA Todas las máquinas eléctricas alimentadas en corriente alterna utilizan dos tipos de energía: Energía ACTIVA [ kw] : transformada íntegramente en trabajo o en calor. Energía REACTIVA[KVAr]: está asociada a los campos S (kva) magnéticos internos de los motores y transformadores. Q (kvar) P (kw) provoca sobrecarga sin producir un trabajo útil S = Potencia aparente P = Potencia activa Q = Potencia reactiva neutralizarla o compensarla. Capacitores: generan energía reactiva de sentido inverso a la consumida en la instalación neutralizan el efecto de las pérdidas por campos magnéticos. Reducen el consumo total de energía (activa + reactiva)

3 LOS CONSUMIDORES DE ENERGÍA REACTIVA Los motores asíncronos: en proporciones del 65 al 75% de Q a P. Los transformadores, en proporciones del 5 al 10% de Q En relación a P. Otros elementos, como las reactancias de las lámparas fluorescentes, o los convertidores estáticos (rectificadores).

4 EL FACTOR DE POTENCIA P = potencia activa (W) S = potencia aparente (VA) F = factor de potencia (cos.) El factor de potencia de una instalación es el cociente de la potencia activa P (W) consumida por la instalación, en relación a la potencia aparente S (VA) suministrada para esta potencia activa. Un factor de potencia próximo a 1 indica que la potencia absorbida de la red se transforma prácticamente en trabajo y pérdidas por calentamiento, optimizando el consumo.

5 REPRESENTACIÓN GRÁFICA A partir de potencias A partir de intensidades P (KW) Q (KVA) Ir S (KVA) It It = corriente total que circula por los conductores. Ia = corriente activa. Ir = corriente reactiva necesaria para la excitación magnética de los receptores.

6 VENTAJAS DE LA COMPENSACIÓN Reducción de los recargos Reducción de las caídas de tensión Reducción de la sección de los conductores Reducción de la sección resultante de una mejora del cos transportando la misma potencia activa. cos Factor reducción 1 40% 0,8 50% 0,6 67% 0,4 100% Aumento de la potencia disponible en la instalación sin ampliar equipos Disminución de las pérdidas por efecto Joule Pcu final = cos 2 inicial Pcu inicial cos 2 final Ejemplo: La reducción de pérdidas en un transformador de 630 kva Pcu = 6500 W al pasar de cos inicial = 0,7 a un cos final = 0,98 será: 6500 x (1-(0,7/0,98)2)= 3184 W Instalaciones Industriales 2006

7 CÓMO COMPENSAR UNA INSTALACIÓN? Mejorar el factor de potencia de una instalación consiste en instalar un condensador al lado del consumidor de energía reactiva. La instalación de una batería de condensadores de potencia Qc disminuye la cantidad de energía reactiva suministrada por la red.

8 EJEMPLO: INSTALACIÓN SIN CONDENSADOR Característica de la instalación: 500 kw, cos = 0,75 S = P = 500 = 666 kva cos 0,75 El transformador está sobrecargado La potencia en kva es superior a las necesidades en kw kva = kw + kvar cos = 0,75 El interruptor automático y los cables son elegidos para una corriente total de 963 A. I = P = 960 A U 3 cos Las pérdidas en los cables en función del cuadrado de la corriente: (963)2, P= R.I2 Los kvar en exceso son facturados. La energía reactiva está suministrada por el transformador y es transportada por la instalación. El interruptor automático y la instalación están sobredimensionados. cos Factor reducción 1 100% 0,8 90% 0,6 80% 0,4 60% Aumento de la potencia que puede suministrar un transformador corrigiendo a cos = 1.

9 Ejemplo: Instalación con condensador Característica de la instalación: 500 kw, cos = 0,928 S = P = 500 = 539 kva cos 0,928 Queda disponible un 12 % más de potencia El interruptor automático y los cables son elegidos para corriente de 779 A. I = P = 779 A U 3 cos Las pérdidas en los cables son función del cuadrado de la corriente: (779)2, P= R.I2 El consumo se acota a los kva deseados Quedan suprimidas las penalizaciones Contrato de potencia acorde con la demanda real kw KVA = kw + kvar cos = 0,928 La energía reactiva es suministrada mediante batería de condensadores Potencia de la batería: 240 kvar Tipo: Rectimat con 4 escalones de 60 kvar y regulación automática en función de la carga.

10 CÁLCULO DE LA POTENCIA REACTIVA De batería y condensadores Por tabla Es necesario conocer: La potencia activa consumida en kw El cos inicial El cos deseado A partir de la potencia en kw y del cos de la instalación La tabla nos da, en función del cos y de la instalación antes y después de la compensación, un coeficiente a multiplicar por la potencia activa para encontrar la potencia de la batería de condensadores a instalar Ejemplo: Se desea calcular la potencia de la batería de condensadores necesaria para compensar el factor de potencia de una instalación que consume una potencia activa P=500kW desde un cos inicial = 0,75 hasta un cos final = 0,95 Consultando la tabla obtenemos un coeficiente c = 0,553 Entonces la potencia de la batería será Q = P x C = 500 x 0,553 = 277 kvar cos deseado 0,95 cos inicial 0,75 0,533 [ kvar ] kw

11 CÁLCULO DE LA POTENCIA REACTIVA A partir de la potencia en kw y del cos ϕ de la instalación Ejemplo: cálculo de la potencia en kw de la instalación 500 kw Cosϕ existente en la instalación: cosϕ = 0,75 o sea tgϕ = 0,88 Cosϕ deseado: cosϕ = 0,93 o sea tϕ = 0,40 Qc = 500 x 0,487 = 240 kvar (cualquiera que sea el valor nominal de la tensión de la instalación). Instalaciones Industriales 2006

12 Cálculo de la potencia reactiva Método simplificado Consiste en considerar que el cos de una instalación es en promedio de 0.8 sin compensación. Se considea que hay que subirlo a 0.93 por lo tanto, del cuadro anterior Es necesario proporcionar KVAR por KW de carga. Q(KVAR) = P(KW) Valor aproximado Método basado en el cálculo de potencias Datos conocidos: Potencia activa (kw), cos inicial, cos deseado. Q(KVAR) = Potencia activa (KW) x (tg inicial- tg deseada)

13 RECIBO DE LA COMPAÑÍA ELÉCTRICA El cálculo de potencia a través del recibo es solamente un método aproximado pero muy práctico para el cálculo de baterías. Generalmente proporciona resultados aceptables, pero en el caso que existan regímenes de funcionamiento muy dispares o no se conozcan las horas de funcionamiento, los resultados pueden ser insatisfactorios EDEARG S.A. INDUSTRIA XXXXXXX Fechas medición: / Potencia contratada Consumo Unid. Pr. Unit. Total Punta kw Fuera de punta kw Energía Consumida Resto kwh Valle kwh Punta kwh Reactiva kwh Subtotal Impuestos TOTAL Energía activa total E A = E Resto + E Valle + E Punta E A = kw hora Energía reactiva E R = kvar hora Calculamos Tg tg = = 1, Calculamos el valor de E reactiva necesario: Q= E A (tg actual - tg T deseado) donde T= cantidad de horas de trabajo en el período de medición.

14 Recibo de la compañía eléctrica En este caso, las horas trabajadas son 18 por día los días de semana: T= 18hs x 22días T= 396 horas Para obtener la tan a partir del cos utilizamos la tabla: Q = (1,33-0,33) 396 cos tan 0,6 1,33 0,95 0,33 Q= 121 kvar Necesitaremos instalar 120 kvar. Debemos, a continuación, determinar el tipo de compensación (global, parcial, individual o mixta), y el modo de realizarla (compensación fija o automática).

15 CON QUÉ COMPENSAR? CONDENSADORES FIJOS Potencia unitaria fija y constante. Instalación: Manual: mando por interruptor automático. Semiautomático: mando por medio de contactor. Directo: conectado a los bornes de un receptor. Utilizados en: En bornes de una carga de tipo inductiva (motores, transformadores, reactancias...). Sobre un embarrado que alimenta diversas cargas inductivas y en el que una compensación individual sería demasiado costosa. Es recomendable en aquellas instalaciones en las que la potencia reactiva a compensar no supere el 15% de la potencia nominal del transformador (Sn).

16 Con qué compensar? Baterías de condensadores Permiten la adaptación automática de la potencia reactiva suministrada por los condensadores, en función de la potencia reactiva solicitada en cada momento para ajustar el sistema a un factor de potencia prefijado. Utilizados cuando: La potencia reactiva consumida o la actiava varían en proporciones importantes. Ej: Barras de tableros generales. Salidas importantes. Es recomendable en las instalaciones donde la potencia reactiva a compensar supere el 15% de la potencia nominal del transfomador (Sn).

17 Elección entre condensadores fijos o baterías de regulación automática Regla general: Si la potencia de los condensadores (KVAR) < al 15% Potencia del transformador Condensadores fijos Si la potencia de los condensadores (KVAR) > al 15% Potencia del transformador Batería de condensadores con regulación automática

18 CÓMO COMPENSAR? La compensación puede ser: Global. Por sectores. Individual.

19 COMPENSACIÓN GLOBAL Si la carga es estable y continua. La batería es conectada en la cabecera de la instalación. Nº1En las salidas BT (TGBT) Ventajas Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva. Ajusta la necesidad real de la instalación kw al contrato de la potencia aparente (S en kwa). Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kw). Disminuye la potencia aparente acercándola a la potencia activa. Optimiza el rendimiento del transformador de suministro. Observaciones La corriente reactiva (Ir) circula por toda la instalación. Las pérdidas por efecto de Joule en cables no quedan disminuídas (kwh).

20 COMPENSACIÓN PARCIAL Cuando la distribución de cargas es muy desequilibrada y de un cuadro de distribución depende una carga importante. Instalaciones amplias con talleres cuyos regímnes de carga son distintos. Ventajas Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva. Optimiza una parte de la instalación, la corriente reactiva no se transporta entre los niveles 1 y 2 Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kw). Observaciones La corriente reactiva (Ir) está presente en la instalación desde el nivel 2 hasta los receptores. Las pérdidas por calentamiento (Joule) se mantienen a partir del nivel 2 y no Nº2 A la entrada de cada taller permite una reducción del dimensionamiento de la instalación

21 COMPENSACIÓN INDIVIDUAL Ventajas Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva. Optimiza toda la instalación eléctrica. La corriente reactiva Ir se abastece en el mismo lugar de consumo. Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kw). Nº3 En los bornes de cada receptor de tipo inductivo Observaciones La corriente reactiva no está presente en los cables de la instalación. Las pérdidas por efecto Joule en los cables se suprimen totalmente (kwh).

22 COMPENSACIÓN EN LOS BORNES DE UN TRANSFORMADOR Compensación para aumentar la potencia disponible La potencia activa disponible en el secundario de un transformador es mayor a medida que el factor de potencia se acerque al máximo cos. En algunos casos, corregir el factor de potencia, evita el cambio de tranformadores. Compensación de la energía reactiva absorbida por el transformador. Transformadores Requieren energía reactiva para su funcionamiento. Impacto Conectado por largos períodos de tiempo Económico Compensación por condensadores fijos en los bornes

23 COMPENSACIÓN A LOS BORNES DE UN MOTOR ASÍNCRONO La compensación individual se ha de considerar, sobre todo, cuando la potencia del motor es importante en relación a la potencia total de la instalación. Conexión La batería se puede conectar a los bornes del motor. Arranque la batería de condensadores no debe ser puesta en servicio hasta que termine el proceso de arranque. Disminuye la intensidad después de la compensación en la relación:

24 CÓMO EVITAR LA AUTOEXCITACIÓN DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS Si un motor arrastra una carga con gran inercia (volante), puede suceder que después de un corte de la alimentación siga girando por la fuerza de la energía cinética y utilice la energía de la batería de condensadores para autoexcitarse y trabajar como un generador asíncrono. Para evitar este fenómeno, debemos asegurarnos que la potencia de la batería de condensadores es inferior a la autoexcitación propia del motor, aasegurándonos que: Qc: Potencia de la batería de capacitores. (de tablas entrando con la potencia del motor y RPM Io: corriente en vacio del motor

25 DIMENSIONADO DE UNA BATERÍA DE CONDENSADORES EN PRESENCIA DE ARMÓNICOS Las cargas no lineales tienden a crear armónicos Circuitos de electrónica de potencia Variadores de velocidad Rectificadores estáticos Convertidores Los equipos con reactancias saturadas Equipos de soldadura Hornos de arco Los condensadores, en particular, son muy sensibles a los armónicos por el hecho de que su impedancia decrece en función de la frecuencia del armónico, facilitando puntos de perforación. Si: Conexión a la red del condensador está próxima a un generador de armónicos, puede producirse una oscilación que entre en resonancia, amplificando así la oscilación. Corriente resultante calienta excesivamente al condensador y puede producir perforaciones en el mismo.