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1 Volumen 1, Artículo 4 Corrección del Factor de : Ventajas e Inconvenientes En este articulo se exponen cuatro razones por las que se debe corregir los factores de potencia desfavorables, y de esta forma reducir los problemas que se derivan. El Problema Reducir la factura mensual de la compañía eléctrica es un desafío continuo. Para muchas plantas industriales reducir costes eléctricos significa limitar el pico de demanda o instalar sistemas de ahorro de energía. Pero hay una parte de la factura que puede ser reducida sin alterar la utilización de la energía. El factor de representa una parte muy significativa de la factura para muchas empresas, y es todavía, uno de los costes más frecuentemente controlable. Además los factores de potencia desfavorables aumentan los costes del sistema de potencia de otras tres maneras. Este artículo trata sobre todas las ventajas de instalar condensadores para corregir el factor de potencia (PFCs). También incluye ejemplos de cálculos y termina explicando los problemas de instalar condensadores en una red que contiene cargas productoras de armónicos. Términos y conceptos clave El factor de potencia es la diferencia entre la potencia que es suministrada a su empresa y la potencia que se utiliza. La potencia activa, en kilovatios, mide la potencia útil; la potencia reactiva, en kilovares, mide el campo necesario para conseguir consumir la potencia activa. El suministro de potencia reactiva, a aquellas cargas que la requieren, resulta caro, por ello las compañías penalizan los factores de potencia, para recuperar los costes adicionales que les supone alimentar cargas con factores de potencia desfavorables. Las cantidades de penalización dependen de la relación de utilización de las estructuras y de la política de comisiones. Así pues, algunos clientes no pagan penalización ya que mejoran su factor de potencia. Los factores de potencia desfavorables requieren que el sistema conduzca mayor intensidad de corriente para suministrar una potencia total superior a la necesaria para obtener la energía útil. De hecho, las cargas que poseen estos factores de potencia, pueden considerarse alimentadas mediante dos tipos de corriente: la que produce potencia activa y la que produce potencia reactiva. Ambas son necesarias en sistemas de corriente alterna, pero no es estrictamente necesario que la potencia reactiva sea proporcionada por la fuente de potencia activa. Como veremos, los condensadores podrán suministrar reactiva a cualquier parte del sistema. La Solución Consideraremos, en definitiva, cuatro razones para corregir el factor de potencia en una empresa: Reducir penalizaciones. Reducir perdidas de energía debidas a corrientes excesivas (I 2 R). Mejorar la regulación de tensión. Liberar la capacidad del sistema. La figura 1 es un diagrama de un circuito de potencia típico que contiene la fuente de la compañía, dos transformadores y una carga con un factor de potencia desfavorable. El primer transformador pertenece a la compañía, y reduce la tensión de 23 kv a 4160 V. El segundo reduce de 4160 V a 480 V, y está situado en el interior de la empresa. La carga cuyo factor de 1

2 potencia es pobre, podría ser un motor de inducción cargado ligeramente. Esta figura muestra también el efecto del factor de potencia en el sistema de distribución eléctrica. Sin condensadores, el Figura1. Ejemplo de instalación con una carga que reduce el factor de potencia. La carga utiliza más intensidad y potencia aparente que la realmente necesaria para realizar el mismo trabajo. sistema de la empresa, así como toda la aparamenta de desconexión y los conductores, transmiten una intensidad y una potencia aparente excesiva. Esto supone una sobrecarga innecesaria de los componentes de la instalación y de la misma. Las siguientes secciones describen con detalle las ventajas de instalar condensadores en diferentes lugares de la instalación. 1- Reduce la Factura Eléctrica Con el fin de eliminar o reducir las penalizaciones de la compañía por factor de potencia, muchos clientes instalan condensadores en las subestaciones principales o en la entrada principal de la instalación. La figura 2 muestra el efecto de los condensadores en la acometida principal. Los condensadores (PFCs) suministran la parte de potencia reactiva, liberando a la compañía y a su transformador de proporcionar la potencia adicional. El registro del contador contabiliza menos potencia y la mejora del factor de potencia (asegurarse de que los condensadores se encuentran aguas abajo del contador). Los condensadores son instalados generalmente para reducir las facturas por factor de potencia sin considerar otras ventajas, ya que supone un ahorro significativo y fácilmente calculable. En algunos casos, las compañías ayudan a sus clientes a realizar Figura 2. Las baterías de condensadores en la acometida principal, alivian los equipos de la compañía y reducen las penalizaciones del factor de potencia. estos cálculos: el ejemplo 1 muestra un análisis de este tipo. 2

3 Figura 3. Los condensadores para corregir el factor de potencia instalados a 480 V mejoran las posibilidades del sistema. Ejemplo 1:Mejora del Factor de Datos: Parámetros Cantidad Fuente Factura anual por Factor de ptas. Factura mensual Lectura del 672 KW Factura Maxímetro Factor de Medio Factor de Deseado Coste de las Condensadores mensual 80% Factura mensual 90% Información de la Compañía 4000 ptas./kvar Ahorro aproximado: Coste aproximado de los condensadores Mejorar el factor de potencia de un 80% a un 95% con un consumo máximo de 672 KW requiere una batería de condensadores de 283 KVAr. Para estimar la cantidad de potencia de los condensadores multiplicaremos el factor correspondiente de la tabla 1 por la potencia máxima consumida. En nuestro ejemplo el factor para pasar de 80% a 95% es 0,266 y la potencia de los condensadores es 672 x 0,421 = 283 KVAr. La cantidad ahorrada es equivalente a la factura por factor desfavorable ( ) y el coste de las baterías es aproximadamente 283 KVAr x 4000 pta./kvar = ptas. La amortización de la instalación es inferior a un año. Tabla 1: Factores de Multiplicación Factor de Factor de Deseado (%) Actual (%) Factores 60 0,849 1, ,686 0, ,536 0, ,398 0, ,266 0, ,136 0, Mejora las posibilidades del sistema Como muestra la figura 3, la capacidad de la instalación pueden mejorarse corrigiendo el factor de potencia. Vemos como el suministro a 4160 V y el transformador reductor necesitan menos intensidad (y potencia aparente) gracias a esta mejora en el cuadro de distribución, lo que permite añadir otras cargas a la instalación. El mismo principio puede aplicarse en cualquier punto de la misma. La batería de condensadores aumenta las posibilidades de la instalación desde el 3

4 punto de conexión de la batería hasta la alimentación de la red eléctrica. Además son esencialmente útiles cuando pueden ser utilizadas para retrasar o cancelar gastos en ampliación de aparamenta, como nuevos transformadores, interruptores; o recableado de circuitos ya existentes. Las ventajas de mejorar las posibilidades del sistema con este tipo de montaje son poco importantes; es por esto que no suele utilizarse únicamente para ahorrar en aparamenta, a no ser que el coste de los condensadores frente a ésta así lo justifique (ejemplo 2). Ejemplo 2:Mejora de las Posibilidades de la Instalación Datos: Parámetros Cantidad Fuente Capacidad del Transformador 2000 KVA Placa de Características Lectura del Maxímetro 1330 KW Lectura del monitor Factor de Máximo 70% Lectura del monitor Carga Adicional Ahorro aproximado: 350 KVA Planificación de Aumento de Consumo (fdp : factor de potencia) La potencia suministrada por el transformador de capacidad 2000 KVA la determinaremos de la siguiente forma: Carga = 1330 KW / 0,7 fdp = 1900 KVA Por tanto si le añadimos 350 KVA a la instalación sobrecargaremos el transformador. Si añadimos condensadores para conseguir un factor de potencia de 95% en el transformador tendremos: 1330 KW / 0,95 fdp = 1400 KVA Esto nos permite añadir el equipo de 350 KVA sin sobrecargar el transformador. Los condensadores a instalar tendrán una potencia: 1330 x 0,691 KVAr/KW = 919 KVAR ( el factor proviene de la tabla 1). Por qué no colocamos siempre los condensadores junto a la carga cuyo factor de potencia queremos compensar? Principalmente porque el coste proporcional de los condensadores es mayor si la tensión es menor. Esto se debe al efecto capacitivo que es proporcional a la tensión aplicada al cuadrado; por tanto, los condensadores para tensiones menores, requieren mayor cantidad de material que para tensiones mayores. Por ejemplo, un condensador de 240 V puede costar hasta 4 veces más que uno de 480 V e idéntica potencia. 3 - Reduce las pérdidas de energía Los conductores sufren pérdidas por calor que están relacionadas a su resistencia al paso de intensidad. Estas perdidas son proporcionales a la intensidad total (componentes reactiva y activa) y pueden ser reducidas con baterías de condensadores. Se consiguen ahorros máximos cuando la distancia de conductor liberada de intensidades excesivas es máxima. La figura 4 muestra la situación óptima para los condensadores cuando se desea reducir las pérdidas por este efecto (I 2 R). 4 - Mejora la regulación de tensión Aunque los condensadores aumentan la tensión del circuito, no suelen instalarse en industrias u oficinas únicamente con este fin. Este aumento de tensión generalmente es menor al 3% y debe ser considerado como una ventaja adicional de estos dispositivos. En una instalación con pequeñas cargas, las baterías de condensadores pueden aumentar la tensión por encima de la tensión de la fuente, lo cual 4

5 puede resultar perjudicial para los equipos Figura 4. Los condensadores instalados aguas arriba de la carga proporcionan todas las ventajas pero generalmente su precio por KVAr es mayor. electrónicos u otros dispositivos sensibles. El aumento de tensión se conseguirá en cualquiera de las colocaciones indicadas en las figuras 2,3,4. Advertencia sobre Armónicos Las baterías de condensadores no generan armónicos pero su conexión puede cambiar la faciilidad de la instalación para transmitir intensidades con armónicos. Si los cambios son suficientemente severos la instalación puede entrar en resonancia y la aparamenta de control y protección puede resultar dañada. Para evitar la resonancia se instalan filtros en vez de condensadores, que además de corregir el factor de potencia están diseñados para eliminar los armónicos de intensidad de la instalación. Además de los problemas de resonancia, las cargas que introducen armónicos pueden hacerle creer que su instalación requiere condensadores cuando no es así. Estas cargas reducen el factor de potencia real (relación entre la potencia activa y la potencia aparente), que incluye todas las frecuencias de la instalación. Además pueden contribuir o no al desplazamiento del factor de potencia desfavorable; que es el retraso temporal entre la tensión y la corriente fundamentales (50 Hz). Las baterías de condensadores corrigen únicamente el desplazamiento. Afortunadamente los Circuit Monitor de miden tanto el factor de potencia real como el desplazamiento del mismo. Como podemos determinar si los armónicos serán un problema? En cualquier instalación de condensadores considerable (superior en KVAr al 20% de la potencia del transformador en KVA), debe llevarse a cabo una valoración de armónicos. Esto implica medir la cantidad de armónicos de intensidad en el lugar propuesto para la instalación de los condensadores, y calcular el potencial de resonancia. Conclusión Los factores de potencia pobres reducen la capacidad de las instalaciones e incrementan los costes de operación. Las baterías de condensadores proporcionan los cuatro beneficios anteriores, pero su instalación puede agravar los problemas de la instalación con los armónicos. Compruebe su Coeficiente de 5

6 Las siguientes cuestiones le ayudarán a comprobar su comprensión de la información de los tres primeros artículos. Las cuatro primeras se refieren a los artículos 1 y 2. Responder verdadero o falso (soluciones en la página siguiente): 1. El 6% de distorsión en tensión y en corriente tienen los mismos efectos perjudiciales en una instalación. 2. Los problemas de conexiones sueltas son difíciles de detectar, porque raramente disparan las protecciones por sobrecarga. 3. Los variadores de corriente continua inyectan menos armónicos de corriente que los variadores de alterna. 4. El análisis continuado de la instalación a diferentes niveles de tensión sigue siendo la manera más efectiva de detectar conexiones sueltas. 5. Los condensadores de corrección de factor de potencia pueden inyectar armónicos de intensidad en la instalación. 6. Las baterías de condensadores presentan cuatro ventajas, aunque generalmente se instalan con el fin de reducir las penalizaciones por factor de potencia. 6