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Mejoramiento del Factor de Potencia

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Jean Paul Neumann

on 23 September 2014

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Transcript of Mejoramiento del Factor de Potencia

Mantención y operación de Máquinas
y Equipos Eléctricos

Mejoramiento del
Factor de Potencia

El bajo factor de potencia
Para producir un trabajo, las cargas eléctricas requieren de un cierto consumo de energía. Cuando este consumo es en su mayoría energía reactiva, el valor del ángulo se incrementa y disminuye el factor de potencia. De acuerdo a lo mencionado anteriormente, conviene que la potencia reactiva (Q) sea baja (tendiendo a cero), con lo cual el ángulo φ tenderá también a cero. El coseno de un ángulo cercano a cero tiende a 1, por lo tanto el valor ideal del factor de potencia es 1, lo cual indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo. Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil.
Factor de Potencia
Se denomina factor de potencia a la relación entre potencia activa y potencia aparente, tal como lo indica la siguiente ecuación: fp = cosφ = P / S El mismo indica el aprovechamiento de la energía eléctrica y puede tomar valores entre 0 y 1.
Introducción
En el consumo de electricidad por parte de un usuario están implicadas la potencia activa (P), la potencia reactiva (Q) y la suma vectorial de estas dos denominada potencia aparente (S).
Problemas por un bajo
Factor de Potencia
Ejemplo
Tipos de compensación
En redes eléctricas, en las cuales se conectan y desconectan consumidores inductivos (por ejemplo motores), el factor de potencia (cos φ) varía con cada maniobra. Las empresas prestatarias del servicio eléctrico exigen a sus clientes que la relación entre la potencia activa P y la potencia aparente S consumidas no supere un valor preestablecido. Los métodos de compensación del factor de potencia utilizados en las instalaciones eléctricas de baja tensión son:
Utilizar máquinas sincrónicas de gran potencia trabajando como generadores de potencia reactiva.
Instalar Condensadores de Potencia en paralelo con la carga inductiva a compensar.
La potencia activa o real es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo, la que se convierte en potencia útil en el eje del motor, la que se transforma en calor, etc. Es la potencia realmente consumida por el usuario y por lo tanto paga por el uso de la misma. Su unidad de medida es: Watts [W]
Potencia activa
La potencia reactiva es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos como los motores y transformadores, su valor medio es igual a 0 (cero) por lo cual no produce trabajo. Su unidad de medida es: Volt-Amper Reactivo [VAr]
Potencia reactiva
Es la potencia que determina la prestación en corriente de un transformador y resulta de considerar la tensión aplicada al consumo por la corriente que éste demanda. Es la suma geométrica de las potencias activa y reactiva. Su unidad de medida es: Volt-Amper [VA]
Potencia aparente
En los artefactos tales como lámparas incandescentes (focos), planchas y estufas eléctricas, toda la energía que requieren para su funcionamiento se transforma en energía lumínica o energía calórica, en estos casos el Factor de Potencia toma valor 1 (100 % energía activa). En otros artefactos, por ejemplo lavarropas, heladeras, equipos de aire acondicionado, ventiladores y todos aquellos que poseen un motor para su funcionamiento, como también los tubos fluorescentes, entre otros, una parte de la energía se transforma en energía mecánica, frío, luz o movimiento (energía activa), y la parte restante requiere otro tipo de energía, llamada energía reactiva, que es necesaria para su propio funcionamiento. En estos casos, el Factor de Potencia toma valores menores a 1.
Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de carácter reactivo a causa de la presencia principalmente de motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros similares. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable, los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución exagerada del factor de potencia.
Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:
Un gran número de motores.
Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.
Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria.
Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.
Al usuario:
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.
Multas y recargos en las facturas por bajo factor de potencia
Necesidad de utilizar cables de mayor calibre
Disparo sin causa aparente de dispositivos de control
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.
Se puede lograr lo siguiente:
Disminución de las pérdidas en conductores.
Reducción de las caídas de tensión.
Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores, líneas y generadores.
Incremento de la vida útil de las instalaciones.
Reducción de los costos por facturación eléctrica.
Eliminación del cargo por bajo factor de potencia y bonificaciones.
Beneficios por corregir el factor de potencia
Las máquinas sincrónicas pueden funcionar como generadores de potencia reactiva, ya sea accionando cargas mecánicas o funcionando en vacío, siendo en este último caso conocidos como capacitores sincrónicos. La generación de potencia reactiva depende de la excitación, necesitando ser sobreexcitados para poder satisfacer sus propias necesidades de energía reactiva y entregar a su vez energía reactiva al sistema. Este tipo de compensación no es muy utilizada, se utiliza sólo en el caso de que existan en la instalación motores sincrónicos de gran potencia (mayores a 200 HP) que funcionan por largos períodos de tiempo.
Compensación mediante Máquinas Síncronas
Compensación mediante Condensadores de potencia
Este método es el que se utiliza en la actualidad en la mayoría de las instalaciones dado que es más económico y permite una mayor flexibilidad.
Los condensadores mejoran el factor de potencia debido a que sus efectos son exactamente opuestos a los de las cargas reactivas ya definidas, eliminando así el efecto de ellas.
Para decidir si al compensar a cada uno de los consumos es más conveniente hacerlo con unidades fijas de condensadores o con un equipamiento centralizado regulable, deben tenerse en cuenta tanto consideraciones económicas como de la técnica de instalaciones. Las unidades reguladoras para la compensación centralizada tienen un costo mayor por unidad de potencia. Pero se debe considerar que en la mayoría de las instalaciones los consumidores no se conectan todos al mismo tiempo y, por lo tanto, con frecuencia, es suficiente si se instala una potencia capacitiva de menor valor.
Compensación por Condensadores
Compensación individual
Los condensadores se conectan directamente a los bornes de cada uno de los consumidores. Se conectan a un aparato de maniobra común. Conveniente para grandes consumidores con potencia constante conectados durante largos periodos. Menor corriente por los cables de acometida de los consumidores. Se conecta y desconecta simultáneamente el conjunto con el mismo aparato de maniobra
Compensación por grupos
Ventajas:Suprime las penalizaciones por consumo excesivo de energía reactiva.Se reducen las pérdidas por efecto joule en los conductores.Se reducen las caídas de tensión.Se optimiza la instalación ya que la potencia y corriente reactiva no circula por la misma, sino que es suministrada por el Condensador que está en paralelo con la carga.Descarga el transformador de potencia.
Desventajas:
En instalaciones complejas elevado costo de instalación y mantenimiento.Subutilización para aquellos capacitares que no son usados con frecuencia.
El equipamiento de compensación se asigna a un grupo de consumidores. Se conectan a la red en conjunto por medio de un contactor o interruptor automático. Se instalan en tableros de distribución secundarios o Centros de Control de Motores (CCM). Muchas cargas inductivas de igual potencia y que operan simultáneamente, donde no se justifica una compensación individual.
Ventajas:Suprime las penalizaciones por consumo excesivo de energía reactiva.Se optimiza una parte de la instalación, ya que la potencia y corriente reactiva no circula por los cables de alimentación de estos tableros secundarios.Se reducen las pérdidas por efecto joule en los cables de alimentación de estos tableros.Descarga el transformador de potencia.
Desventaja:El principal inconveniente es que la sobrecarga no se reduce en las líneas de alimentación principales.
Compensación centralizada
Se instalan en el tablero general de baja tensión de la instalación eléctrica.
Se emplean, unidades automáticas de regulación de energía reactiva.
Gran numero de consumidores, diferentes potencias y tiempos de conexión variables.
Ventajas:
Suprime las penalizaciones por consumo excesivo de energía reactiva.
Se ajusta la potencia aparente S (kVA) a la necesidad real de la instalación.
Descarga el transformador de potencia.
Un equipo de compensación es fácilmente controlable debido a su posición central.
Es relativamente sencillo realizar un montaje posterior del equipamiento, o su eventual ampliación.
La potencia reactiva suministrada por los condensadores se ajusta por pasos al requerimiento de potencia reactiva de los consumidores.
Con frecuencia, en función del factor de simultaneidad, la potencia reactiva capacitiva a instalar es menor que en el caso de una compensación individual.

Desventajas:
Se requiere de un regulador automático del banco para compensar según las necesidades de cada momento.
La sobrecarga no se reduce en la fuente principal ni en las líneas de distribución.
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Ejercicio de Aplicación
Instalaciones sin medición de energía reactiva.
Se requiere medir:
•La potencia activa promedio en base a la energía consumida
•La potencia activa recurriendo al medidor, por medio de una pinza wattimétrica, cofimétrica ó un analizador de energía
•La corriente, por medio de una pinza amperométrica ó un analizador de energía
•La tensión, por medio de un voltímetro.
Las mediciones conviene efectuarlas en distintos momentos de un día que pueda considerarse típico o si se dispone de un analizador de energía con registro periódico efectuar una medición con registro cada 15 minutos. Una vez que se dispone de estos datos, se calcula el factor de potencia recurriendo a la siguiente expresión:



Conociendo P(kW) y el cosϕ en diferentes momentos y cuál es el cosϕ deseado se recurre a la tabla para calcular la potencia reactiva necesaria en dichos momentos.
Ejemplo:
Un comercio que permanece abierto 9 horas diarias de lunes a viernes y 4 horas los sábados tenia un consumo mensual de 9.830 Kw/h. Durante una medición de control la compañía distribuidora de energía comprobó un cosϕ= 0,68 e intimó al usuario a llevar el factor de potencia por encima de 0,93.
Cálculo de la potencia activa promedio:
P = 9830 kWh/ (22 d . 9 hs/d + 4 d . 4 hs/d) = 9830 kWh/ 214 hs = 46 kWh)

Determinación del factor de potencia:
Se efectuaron dos mediciones de potencia, recurriendo al medidor de energía, por el método descripto en 3.1. y de corriente con una pinza amperométrica.
•P = 60 (min./h) x 8 (Vuelta min.) / 10 ( vueltas/Kwh) = 48 kW
•I = 110 A (Medidos con pinza)
•V = 380 V (Medidos con pinza)
•cosϕ= 48000 / (√3 . 380 V. 110 A) = 0.66
Recurrimos a la tabla y adoptamos como factor de potencia deseado 0,93, y tomando en cuenta las mediciones y calculo de potencia activa tenemos

F. de P. 0,66 a 0,93):

Q (kVAr) = 0.743 x (46+48)/2 = 34,92 kVAr
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