OPTIMIZACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA y CALIDAD DE LA ENERGÍA

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1 OPTIMIZACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA y CALIDAD DE LA ENERGÍA

2 Introducción En la gran mayoría de las industrias, hoteles, hospitales, tiendas departamentales, etc. existen gran cantidad de motores; en equipo de bombeo, ventilación, aire acondicionado, procesos de fabricación especializada, etc 2

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4 Estos motores, consumen gran cantidad de potencia reactiva que utilizan para producir los campos magnéticos, que son su principio de funcionamiento. Esta potencia reactiva no se utiliza para producir trabajo, sin embargo, es necesario que esté presente para la operación de los motores y demás equipos que utilizan el electromagnetismo para funcionar, tales como transformadores, balastros, etc. La potencia reactiva, tiene también que generarse y transmitirse desde las plantas generadoras hasta los usuarios, con lo que es necesario considerarla en el dimensionamiento de dichas plantas, cables, transformadores, etc. Por lo que al existir en una industria un bajo factor de potencia, es más costoso para la compañía suministradora alimentar ese excedente de potencia reactiva requerida, por lo que aplica una penalización cuando este valor de factor de potencia es menor de 90% 4

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7 Que es el factor de potencia. Realmente, es la proporción de potencia aparente que utilizamos para producir un trabajo, por lo que podemos decir que: Es la forma de medir la productividad de una instalación eléctrica Factor de Potencia = Potencia Activa Potencia Aparente = kw kva 7

8 Generalmente el factor de potencia se define con el triángulo de potencias, que es la representación de cualquier carga o sistema eléctrico que tiene elementos inductivos Triángulo de potencias Potencia Activa kw Θ Potencia Reactiva Potencia Aparente o Total kvar kw 2 + kvar 2 8

9 DEMANDA DE POTENCIA DE UN MOTOR kw kvar kva 9

10 Podemos también definirlo más técnicamente como el defasamiento entre el voltaje y la corriente y explicarlo para los tres tipos de cargas que existen CARGA RESISTIVA Donde la corriente y el voltaje van en fase 10

11 CARGA INDUCTIVA DONDE LA CORRIENTE VA ATRASADA CON RESPECTO AL VOLTAJE UN ÁNGULO DE 90 GRADOS 11

12 CARGA CAPACITIVA DONDE LA CORRIENTE VA DELANTE DEL VOLTAJE UN ÁNGULO DE 90 GRADOS 12

13 Origen de un Bajo Factor de Potencia. La mayoría de las cargas utilizadas en la industria hotelera son del tipo inductivo, es decir, transformadores, aire acondicionado, balastras, etc. En la gran mayoría de las industrias, tanto los motores, como los transformadores están sobredimensionados, ya sea por necesidad, como el caso de molinos, donde se requiere un alto par de arranque; bandas transportadoras que trabajan a diferentes capacidades de carga, variaciociones de carga en hoteles, etc. 13

14 Ejemplo de una carga con Diferentes factores de potencia Tabla 3.7 Parámetros eléctricos de una carga de 100 KW a diferentes valores de F.P. CARGA KW AMPERES TRANSFORMADOR KVA CALIBRE AWG 1/0 1/0 2/0 2/0 4/0 KVA KVAR F.P. 100% 90% 80% 70% 60% 14

15 Ventajas y Beneficios de Corregir el Factor de Potencia. Incremento de la capacidad de carga de: Transformadores Líneas de transmisión y distribución. Reducción de Pérdidas por Efecto Joule (calentamiento) en Los Sistemas de: Generación Transmisión Distribución Mejora de la regulación de voltaje en los equipos y sistemas asociados. Eliminación de la penalización por bajo factor de potencia 15

16 Cómo Corregir el Factor de Potencia. Existen varios métodos de corregir el factor de potencia de una instalación, básicamente son: -Mediante una adecuada utilización del sistema eléctrico. Con el dimensionamiento adecuado de los motores y transformadores, además de otros equipos; -Utilizando motores síncronos. Los motores síncronos al trabajar sobreexcitados, tiene la característica de proporcionar Kvar capacitivos al sistema, el inconveniente de ellos es que no se pueden aplicar a la mayoría de los procesos, ya que sus condiciones de operación son muy especiales, su costo es muy elevado lo mismo que su mantenimiento. -Mediante condensadores síncronos. Un condensador síncrono es un motor síncrono que se utiliza exclusivamente para la corrección del factor de potencia. teniendo en cuenta su costo de adquisición y las condiciones de operación su utilización solo se justifica para empresas de gran tamaño donde se tengan problemas de regulación de voltaje. -Mediante la instalación de capacitores. 16

17 Que es un capacitor. La Norma Oficial Mexicana define un capacitor eléctrico o condensador, como un conjunto de dieléctrico y electrodos dentro de un recipiente con terminales, capaz de aportar capacitancia a un circuito eléctrico. 17

18 Realmente un capacitor se fabrica así: Banco fijo de capacitores 18

19 Banco automático de capacitores 19

20 Regulador de VARS (DE FACTOR DE POTENCIA) 20

21 CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN MEXICO LA PENALIZACION SE CALCULA COMO: cargo = facturación * 3 5 ( 90 fp medido )-1 * 100 MIENTRAS QUE LA BONIFICACIÓN SE OBTIENE: Bonificación = Facturación * 1 4 (1-90 fp medido ) *

22 Cálculo de los KVAR necesarios La fórmula para calcularlo es: Kvar = Demkw ( tg ϕ1 - tg ϕ 2). Donde: Dem kw es la demanda máxima en kw tomada del recibo ϕ1 es el factor actual ϕ2 es el factor deseado 22

23 Ejemplo de Cálculo: se tiene una planta con estos datos del recibo de energía: Demanda máxima punta 1300 kw Demanda máxima intermedia 1400 kw Demanda máxima base 1450 kw Factor de potencia actual 0.87 Factor de potencia deseado

24 Utilizando la fórmula, tenemos: Kvar = Demkw ( tg ϕ1 - tg ϕ2). Diferencia de tangentes = (TAN(A COS ϕ1) - (TAN (ACOS ϕ 2)) = ( ) = (0.3952) Por lo que sustituyendo: KVARreq. = 1450 kw* = 573 Kvar En este caso los kvar requeridos son necesariamente a 440 volts, sin embargo es necesario ajustar este valor ya que el voltaje de fabricación son 480 volts. La potencia reactiva suministrada por un capacitor varía al cuadrado del voltaje por lo que el factor de ajuste será de: Por lo que corrigiendo por voltaje, tenemos: Kvar corregidos = 573/0.84 = 682 kvar 700 kvar Por lo que comercialmente podemos elegir 14 piezas de 50 kvar, 9 piezas de 80 kvar, etc, de acuerdo a como más convenga para la instalación. 24

25 CAPACIDAD RECOMENDADA DE CAPACITORES PARA MOTORES NEMA TIPO B, TOTALMENTE CERRADOS CON VENTILACIÓN. H.P. MOTOR (3600 RPM) KVAR (1800 RPM) KVAR (1200 RPM) KVAR (900 RPM) KVAR

26 CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA F.P. ACTUAL F.P. DESEADO

27 Instalación de Capacitores. Los capacitores deben instalarse de la manera más adecuada posible, es decir, con los accesorios correctos, así como en lugares apropiados. En general, los capacitores existentes en el mercado para baja tensión, son en su mayoría para servicio interior (NEMA 1) por lo que nunca deben instalarse a la intemperie o en lugares donde puedan ser alcanzado por líquidos, aceites, etc. Sin embargo, ya existen en forma estándar capacitores NEMA 3R, por lo que para ellos no tenemos problemas de aplicación El capacitor debe siempre protegerse con un medio de desconexión adecuado ya sea interruptor termo magnético o interruptor con fusibles. Cuando se usa interruptor termo magnético este debe de elegirse no menor de 1.35 veces la corriente nominal del capacitor. Cuando se utilice interruptor de fusibles el factor a considerar es 1.65 veces como mínimo. Para el caso del cable alimentador, este debe ser del calibre mínimo de 1.35 veces la corriente del capacitor. Debe tenerse en cuenta que el capacitor es muy delicado por lo que deben conectarse los cables a sus bornes con las terminales adecuadas, ya sean mecánicas o tipo compresión, para en lo mínimo evitar puntos calientes. 27

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29 SUGERENCIAS DE INSTALACIÓN VENTILACIÓN Y TEMPERATURA Los capacitores deberán instalarse en áreas donde la temperatura ambiente no exceda 40 c y exista ventilación adecuada. Los capacitores siempre operan en plena carga y generan calor por propia operación, se les debe proporcionar por lo tanto, la manera de disipar calor, a través de una adecuada ventilación. Por este motivo se recomienda que los capacitores se instalen a 5 cm. de la pared como mínimo y de preferencia separados esta misma distancia del piso y entre ellos cuando se colocan en grupo.. Con esto se asegura el capacitor una larga vida al tener ventilación adecuada. TIEMPO DE DESCARGA Los capacitores tienen resistencia de descarga para que al desconectarse se descarguen solos, necesitan por lo menos un minuto para descargarse a menos de 50 volts, de acuerdo con normas vigentes. Sin embargo, siempre es recomendable cortocircuitar las terminales con un cable aislado antes de tocarlas. VOLTAJE DE OPERACIÓN El sobre calentamiento de un capacitor operando a voltaje nominal es prácticamente imposible, sin embargo cuando el voltaje excede el 10 % del voltaje nominal del capacitor, este puede sobrecalentarse y dañarse. Por lo que antes de instalar un capacitor es necesario que el voltaje de la instalación sea el nominal del capacitor. CANTIDAD DE CAPACITORES. De acuerdo con las normas técnicas mexicanas vigentes, no se deben instalar más del 10% de la potencia del transformador, cuando este opera en vacío, esto para evitar sobrecompensación y problemas de resonancia. Una manera de evitar estos cuando se tienen grandes consumos de potencia reactiva es instalar bancos automáticos de capacitores, los que al medir el factor de potencia, nunca sobrecompensa y en caso de baja carga, desconectan todos los capacitores. 29

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