CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA CON REGULADOR DE ENERGÍA REACTIVA RTR

Transcripción

1 INGENIERIA ELECTRONICA EN CONTROL Y AUTOMATISMO CONTROL DE MOVIMIENTO I CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA CON REGULADOR DE ENERGÍA REACTIVA RTR MSc. Orlando Philco A.

2 CONCEPTOS GENERALES Las cargas generan perturbaciones CARGA Armónicas Potencia Reactiva Cargas Asimétricas Flicker RED Corrección del Factor de Potencia

3 Diferentes aspectos de la calidad de energía eléctrica Perturbaciones Potencia Reactiva Armónicas Commutación Caídas de tensión Redes asimétricas Radio frecuencias Interrupción de tensión Causadas por: Cargas Inductivas, Electrónica de Potencia Electrónica de Potencia, cargas no lineales Convertidores y drives Variaciones de carga, corrientes de inserción Cargas monofásicas desbalanceadas Control de Ripple Iluminación, sobrecarga, switching

4 Tipos de carga Cargas Resistivas Lamp. incandescentes Planchas Calentamiento resistivo Cargas Capacativas Capacitores Cables subterraneos Generadores sincrónicos sobre-exitados RED Cargas Inductivas Motores Eléctricos Transformadores Reactores/chokes Líneas aereas Generadores sincrónicos sub-exitados Lámparas de descarga Electrónica de Potencia

5 Tres diferentes tipos de carga 1. CARGAS-RESISTIVAS Cargas Ohmicas U e I en fase Desfase = 0 Sin penalidad I - Corriente =0 U - Tensión En circuitos resistivos las formas de onda de la tensión y de la corriente alcanzan sus picos, valles y cruces por cero en el mismo instante de tiempo. Se dice que la tensión y la corriente están en fase ( = 0 ) y toda la potencia de entrada se convierte en potencia activa. Por lo tanto, los circuitos resistivos tienen un factor de potencia unitario. La resistencia ohmica no depende de la frecuencia.

6 U, I y potencia 2. CARGAS-INDUCTIVAS =90 Cargas I - Corriente Inductivas U adelanta 90 a I desfase = 90 Penalidad! U - Tensión. La mayoría de las cargas industriales son inductivas por naturaleza, por ejemplo: motores, transformadores, etc. Debido a la reactancia inductiva de la carga, la corriente tomada por la carga se retrasa eléctricamente con respecto a la forma de onda de la tensión en un ángulo La magnitud de es proporcional a la reactancia inductiva. Impedancia-X L = 2 * 3.14 * f * L Desfase Cargas inductivas causan un desfase entre corriente y tensión. Se observa potencia positiva y negativa Corriente Potencia + ve + ve -ve Tens ión t Corrección del Factor de Potencia

7 3. CARGAS-CAPACITIVAS Debido a la reactancia capacitiva de la carga, la Cargas Capacativas I adelanta 90 a U desfase = 90 Sobrecompensación es riesgoso! corriente tomada por la carga se adelanta a la tensión en un ángulo. La magnitud de es proporcional a la reactancia capacitiva. I - Corriente Impedancia X C 1 1 C 2 f C =90 U - Tensión

8 Tres diferentes tipos de potencia eléctrica S = Potencia Aparente P = Potencia Activa Q = Potencia Reactiva Potencia Reactiva (kvar) 2 Q S - Q 2 P 2 Q C Q 1 Potencia Activa P S ² - Q ² [ KW ] S S 1 Potencia Aparente S P ² + Q ² [ kva ] cos = P/S = fase Ángulo de desplazamiento sin = Q/S S 1 = Potencia Aparente No Compensada Q = S sin S 2 = Potencia Aparente Compensada con Capacitores Q = P tan

9 1.-Potencia Activa. La parte de la potencia de entrada que se convierte en potencia de salida, se denomina Potencia Activa y se indica generalmente P. La Potencia Activa se define por la siguiente fórmula. P 3 U I cos [W] Idealmente, toda la potencia de entrada por ej. la Potencia Aparente se debería convertir en potencia de salida útil, por ej. calentamiento de un horno, movimiento de un motor, luz de una lámpara. 2.-Potencia Reactiva Las máquinas eléctricas trabajan basadas en el principio de conversión de energía electromagnética (por ej. motores eléctricos, transformadores). Una parte de la energía de entrada se consume para crear y mantener el campo magnético. Esta parte de la energía de entrada no puede ser convertida en energía activa y es retornada a la red eléctrica al removerse el campo magnético. Esta potencia se conoce como Potencia Reactiva Q, y se define del siguiente modo Q 3 U I sin [VAr]

10 3.- Potencia Aparente U, I y Potencia Las aplicaciones de los equipos eléctricos se basan en la conversión de la energía eléctrica en alguna otra forma de energía. La potencia eléctrica tomada por un equipo desde el suministro se denomina Potencia Aparente, y consiste de potencia activa y reactiva. La corriente medida con una pinza amperimétrica indica la potencia aparente. Se define como: Factor de Potencia = Cos Cos phi = P (kw) / S (kva) Corriente desfase + ve + ve Tens ión Potencia -ve t S 3 U I Factor de Potencia [VA] FP Típico Fábrica No Compensado Cervecerías 0,6..0,7 Carnicerías 0,6..0,7 Plantas de cemento 0,6..0,7 Compresores 0,7..0,8 Gruas 0,5..0,6 Plantas de secado 0,8..0,9 Maquinaria, gran tamaño 0,5..0,6 Maquinaria, pequeño tamaño 0,4..0,5 Plantas de papel 0,6..0,7 Molinos 0,6..0,7 Fábrica de acero 0,6..0,7 Azucar 0,8..0,85 Tabaco 0,6..0,7 Bombas de agua 0,8..0,85 Transformadores de soldadura 0,4..0,5

11 Un bajo factor de potencia en una industria, edificio etc., produce los siguientes inconvenientes: Al usuario (industrial): Aumento de la intensidad de corriente. Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión. Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil y reducción de la capacidad de conducción de los conductores. La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su aislamiento. Aumentos en la factura por consumo de energía eléctrica. A la empresa distribuidora de energía: Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional. Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva. Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica.

12 Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone de ellos). Un capacitor instalado en el mismo circuito de un motor de inducción tiene como efecto un intercambio de corriente reactiva entre ellos. La corriente de adelanto almacenada por el capacitor entonces alimenta la corriente de retraso requerida por el motor de inducción. Caso puntual: Un motor de inducción sin corrección de factor de potencia que consume sólo 80 A para su carga de trabajo, necesita la corriente de magnetización de 60 A (reactiva), debiendo obtener del circuito de alimentación 100 A: Las siguientes figuras, muestra un motor de inducción sin corrección del factor de potencia y otro con CFP.

13 El circuito de alimentación conduce ahora únicamente corriente de trabajo (80A). Esto permite conectar equipo eléctrico adicional en el mismo circuito y reduce los costos por consumo de energía como consecuencia de mantener un bajo factor de potencia. Por la línea de alimentación fluye la corriente de trabajo junto con la corriente no útil o corriente de magnetización (reactiva). Después de instalar un capacitor en el motor para satisfacer las necesidades de magnetización del mismo, el circuito de alimentación sólo tiene que conducir y suministrar 80A para que el motor efectúe el mismo trabajo, ya que el capacitor se encarga de entregar los 60A restantes.

14 Por qué mejorar el Factor de Potencia? Reducción del costo de energía (amortización: 6-18 meses, en general) Reducción de pérdidas ohmicas Mejoramiento de la Calidad de Energía (armónicas, caídas de tensión, etc.) Mayor carga de kw de equipos de transmisión y distribución y/o menor dimensionamiento de estos equipos (cable, transformador, barras, etc.) Protección Climática

15 Cómo mejorar el Factor de Potencia? Capacitores de CFP (HV o LV, automáticos o fijos) Reducir la cantidad de carga inductiva Uso de convertidores de moderna tecnología Generadores sincrónicos sobre-excitados CFP Activa (tiempo real) con switches con tiristores

16 0 Principio de la Correccion del Factor de Potencia. Corriente 65 Energía Activa Trabajo mecánico o calor Corriente Corriente 95 Energía Reactiva Capacitor Generación de campos magnéticos Carga Suministro

17 Principio de la Correccion del Factor de Potencia. P = Potencia Activa Q = Potencia Reactiva S = Potencia Aparente S 1 S 2 Q C Q P Q 2 = Q 1 - Q C En términos simples, el factor de potencia mide la eficiencia de su consumo eléctrico, a la hora de convertirlo en potencia útil, como luz, calor o movimiento mecánico. En términos técnicos, es el ratio de potencia activa o útil medida en kilovatios (kw) respecto a la potencia aparente total (potencia activa y reactiva) medida en kilovoltioamperios. Factor de Potencia = kw / kva Corrección del Factor de Potencia

18 Métodos de Correccion del Factor de Potencia Compensación individual Compensación en grupo Conpensación automática centralizada Compensación combinada CFP Activa (Tiempo Real, por medio de semiconductores) Corrección del Factor de Potencia

19 1. Compensación Individual (fija) Ventajas a primera vista kvar producidos en el lugar Reducción de pérdidas en línea Reducción de caídas de tensión Ahorro de desconectador Desventajas Muchos capacitores pequeños son más caros que uno central. Bajo factor de utilización de capacitores para equipos de operación no habitual. Corrección del Factor de Potencia

20 1. Compensación Individual - motor Para compensar motores asincrónicos la potencia del capacitor debería ser como máximo 90 % de la potencia reactiva de vacío del motor. Mayores relaciones de kvar provocan la auto- excitación del motor después de la desconexión de la red. Riesgo de Sobre Tensión > 1,1 * Unominal! La relación de kvar recomendada asegura un FP < 1 pero > 0,9 en vacío, asi como también a plena carga del motor. Una regla práctica recomienda: kvar = 35% de la potencia activa (kw) del motor. La potencia activa se puede encontrar en la placa de características del motor. Corrección del Factor de Potencia

21 Bancos de Compensación Fijos Los bancos fijos son muy útiles cuando se requiere mejorar el factor de potencia de una carga o un grupo de cargas cuya demanda de potencia reactiva es básicamente constante. El banco fijo siempre estará conectado a la línea de alimentación Corrección del Factor de Potencia

22 2. Compensación en Grupo Ventajas a primera vista Reducción de la inversión de capital Pérdidas reducidas en líneas de distribucion. Caídas de tensión reducidas en líneas de distribución. Mayor factor de utilización de capacitores M M M Corrección del Factor de Potencia

23 3. Compensación Centralizada Ventajas a primera vista Mejor utilización de capacitores Solución más efectiva (costo) Más fácil supervisión Control automático En fábricas con muchas cargas de distintas potencias y tiempos de operación, la compensación fija es generalmente demasiado costosa y no efectiva. La solución más económica para aplicaciones complejas es generalmente un banco centralizado y automático de capacitores, controlado por un controlador automático de CFP. El punto de conexión generalmente es el tablero general de distribución. Corrección del Factor de Potencia

24 BANCOS DE COMPENSACIÓN Y REGULADOR DE ENERGIA REACTIVA RTR El banco automático de capacitores consta de un conjunto de celdas capacitivas de valores distintos y también idénticos. El relevador de factor de potencia se encarga de detectar las necesidades de potencia reactiva del sistema y conecta los grupos necesarios. Corrección del Factor de Potencia

25 REGULADOR DE ENERGIA REACTIVA RTR CARACTERÍSTICAS GENERALES Permiten un preciso seguimiento de la curva de cargas existentes, asegurando llevar el cos φ a los valores programados. Se basan en el sistema FCP, que dan al regulador unas prestaciones como: Minimizar el número de maniobras, aumentando la vida de los componentes de la batería de condensadores. Aumento de la velocidad de respuesta del equipo, lo que comporta un mayor ahorro energético. Sistema antipenduleo, evitando conexiones y desconexiones innecesarias de los condensadores. Óptima regulación, gracias a la precisa información del estado de los parámetros de red y el sistema antipenduleo, nos aseguramos seguir con precisión la curva de cargas de la instalación y conseguir el cos φ objetivo, entre otros aspectos más.

26 REGULADOR DE ENERGIA REACTIVA RTR Para la puesta en marcha es necesario la instalación de un transformador de intensidad (normalmente 5A) de acuerdo a la intensidad total de la carga La tensión de alimentación del regulador se realiza entre dos fases y la corriente se toma de la tercera. Debe alimentarse a través de un interruptor o interruptor automático CONEXIONADO El transformador de intensidad tiene que estar colocado de forma que mida la corriente total de las cargas más los condensadores Corrección del Factor de Potencia

27 Medida en 4 cuadrantes El regulador PR-11D6 / D12, es un equipo que mide en 4 cuadrantes. Para potencias generadas, aparece un signo negativo en la visualización del cos ϕ. Comprobar fases de conexión y programación si la indicación no es correcta (SET- UP - Phase).

28 ARRANQUE DIRECTO DE UN MOTOR TRIFASICO DE INDUCCION

29 DIAGRAMA DE CONTROL REGULADOR DE ENERGIA REACTIVA RTR Corrección del Factor de Potencia

30 FORMAS DE ONDA Forma de onda con el motor apagado Forma de onda con el motor encendido sin compensación

31 Forma que toma la onda senoidal sin compensación con el motor a plena carga el cual consume una corriente de 2 Amperios. Forma que toma la onda senoidal con compensación de 0.99 con el motor a plena carga.

32 En Resumen: Cuando el sistema energético de una instalación tiene una demanda de energía reactiva alta, significa que está demandando más energía de la que realmente usa. Esto da como resultado costes adicionales en su factura eléctrica e incrementa la cantidad de energía demandada a la red eléctrica de abastecimiento que podría evitarse. Una alta demanda de energía reactiva puede ser causada por varios factores, pero las causas primarias son equipos que crean campos magnéticos para funcionar, como alumbrado, climatización, ascensores, frigoríficos, etc. La energía usada para crear el campo magnético requerido por estos aparatos para funcionar, sobredemanda su sistema eléctrico y el de la red suministradora, si no se instalan los equipos adecuados de compensación de energía reactiva, como condensadores y filtros armónicos, su sistema eléctrico puede verse sujeto a una alta demanda de energía reactiva. Si la factura eléctrica es anormalmente alta, o si está recibiendo cargos extra por energía reactiva (factor de potencia), son signos obvios de que el sistema eléctrico tiene una alta demanda de energía reactiva.