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Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE NUEVO
LAREDO
Departamento de Ing. Eléctrica
Ingeniería Eléctrica
“Taller de Investigación – I”
Titulo: Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en las instalaciones
eléctricas de baja tensión.
Alumnos:
Job Fernando Alfaro Castro (10100085), Ramiro Téllez Andrade (10100103), David
Jonathan Cruz Aguilar (10100138)
Profesor: Ing. Juan G. Sigrist Pérez.
Nuevo Laredo, Tamaulipas a 23 de Noviembre del 2012
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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CONTENIDO
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I- Portada 1
1-Prólogo 8
2-Introducción 9
3-Título del tema 10
4-Enunciado del problema y su formulación 11
4.1- Enunciado del problema 11
4.2- Formulación del problema 11
5-Objetivos 12
5.1- Objetivo general 12
5.2- Objetivos específicos 12
6-Justificación 13
6.1- Justificación teórica 13
6.2- Justificación práctica 13
6.3- Justificación metodológica 14
7-Alcances o delimitaciones 12
7.1- Tiempo 15
7.2- Espacio o territorio 15
7.3- Recursos 15
8-Marco de referencia 16
8.1- Antecedentes 16
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8.2-Estado del arte 18
8.3-Marco conceptual 19
8.4-Marco teórico 21
8.5-Marco legal 25
8.6-Marco ambiental 28
9-Hipótesis 30
10-Diseño experimental 31
10.1-Formulas para cálculo 31
10.2-Mediciones indirectas 32
10.2.1-Osciloscopio 32
10.2.2-Método de los tres voltímetros 33
10.2.3-Método de los tres amperímetros 34
10.2.4-Método del Watimetro, Voltímetro y Amperímetro 35
10.2.5-Método de los Watimetros 35
10.3-Mediciones directas 36
10.3.1-Cofímetro monofásico 36
10.3.2-Cofímetro trifásico 38
10.3.3-Power Quality Analizer (Analizador de potencia) 39
11-Desarrollo de la investigación (obtención de datos) 44
12-Conclusiones y resultados finales 66
13-Apéndices y anexos 70
13.1-Apéndice 1-Bibliografía 70
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13.2-Apéndice 2-Cronograma 72
13.3-Apéndice 3-Presupuesto 73
13.4-Apéndice 4-Manual de operación del Amprobe 74
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Índice de tablas y figuras
Figuras
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Figura 7.1-Triángulo de potencias 22
Figura 7.2-Vista interna del capacitor 23
Figura 10.1-Ondas senoidales con desfasamiento… 32
Figura 10.3-Conexión de voltímetros para medir el FP 33
Figura 10.4-Conexión de amperímetros para medir el FP 34
Figura 10.5-Conexión de Wattimetro, votímetro y amperímetro 35
Figura 10.6-Conexión de dos Wattimetros para medir el FP 35
Figura 10.7-Cofímetro monofásico 36
Figura 10.8-Funcionamiento del cofímetro monofásico 37
Figura 10.10-Funcionamiento cofímetro trifásico 38
Figura 10.11-Power quality analyzer (analizador de la potencia) 39
Figura 10.12-Power harmonics analyzer (analizador de armónicos) 39
Figura 10.13-DM-II Pro, Amprobe 39
Figura 11.1-Motor trifásico conectado en delta (motor 1) 44
Figura 11.2-DM-II-AMPROBE 45
Figura 11.3-Motor 1 conectado al equipo de medición con pinzas
de corriente 46
Figura 11.4-Motor 1 y 2, banco de capacitores y AMPROBE 46
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Figura 11.5-Conexión para medición del factor de potencia con un
motor trifásico 47
Figura 11.6-Motor trifásico conectado (número 2) 50
Figura 11.7-Conexión de las bobinas de un motor (1) 51
Figura 11.8-Conexión de las bobinas de un motor (2) 51
Figura 11.9-Capacitores conectados en delta 57
Figura 11.10-Conexión para medición del factor de potencia con
un motor trifásico con capacitores conectados en delta entre sí y en
paralelo con la carga
58
Figura 11.11-Conexión de los capacitores en delta 61
Figura 11.12-Conexión de los capacitores en delta y en paralelo
con la carga (motor) 61
Figura 11.13-Recibo de energía eléctrica con cargo de FP 64
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Tablas
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Tabla 10.1-Datos necesarios para el análisis 42
Tabla 11.1-Datos obtenidos, primer medición 43
Tabla 11.2-Datos obtenidos, segunda medición 53
Tabla 11.3-Datos obtenidos después de la corrección del FP 59
Tabla 11.4-Datos obtenidos después de la corrección del FP (2) 62
Tabla 13.1-Transformadores (capacidad) 68
Tabla 13.2-Diametros de los conductores para instalaciones 69
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1-PRÓLOGO
Éste documento contiene la investigación realizada a lo largo del semestre
que comprende los meses de agosto a diciembre del 2012, aproximadamente.
Se presenta un reporte final de todo lo que conlleva un proyecto de
investigación a nivel superior: desarrollo de la investigación (mediciones, trabajo
de campo, entre otras cosas), análisis de la información, etc.
El documento se revisó con rigurosa dedicación de acuerdo a las normas
establecidas en la norma “ITNL-DIEE-AIEE-E01-2000” (para el desarrollo de la
memoria de un proyecto) y así posteriormente ser revisado por el profesor de la
materia Taller de Investigación I.
La intención de éste reporte es que futuras generaciones tengan una base
para la elaboración de un proyecto de investigación y a la vez para el tema
desarrollado en el mismo, que sirva de apoyo para análisis y mejoramiento de
información útil para el provecho del lector.
Concluyendo este apartado se recomienda mucha precaución al leer el
contenido del proyecto, ya que cada cosa es cadena de otra y el perder la secuencia
causaría un difícil entendimiento.
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2-INTRODUCCION
El factor de potencia es un tema que tiene mucha relevancia para las
compañías suministradoras, porque si en una industria, empresa o comercio
trabajan con una cierta cantidad de energía eléctrica y en lugar de entregarle la que
necesitan debido a las cargas inductivas, estas tendrán que dar más energía de la
que necesitan provocando mas usos de combustibles fósiles y energía renovables
que no llegasen a utilizarse por este desperdicio.
Se dará a conocer técnicas e instrumentos que nos ayudaran a detectar este
problema algunos métodos para cuando no se cuenta con los instrumentos
especiales. También daremos una breve explicación a los instrumentos de cómo
trabajan y la forma de cómo conectarlos. Además para llegar a los resultadas se
hará la corrección de este problema al llevar a cabo la experimentación de campo.
Para llevar a cabo la corrección normalmente se utiliza un dispositivo
llamado capacitor, que ayudara a que la energía se utilice de manera eficiente, se
explicará también la forma de cómo deben de conectarse en la fuente de la
alimentación para que pueda corregir el bajo factor de potencia.
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3-TITULO DEL TEMA
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en las instalaciones
eléctricas de baja tensión.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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4-EL ENUNCIADO DEL PROBLEMA Y SU FORMULACIÓN
4.1-Enunciado del problema
Hoy en día la preocupación por el ahorro de la energía y su máximo uso ha
sido tan importante que hay leyes y reglamentos que nos obligan a no hacer mal
uso de la energía eléctrica. Toda esta idea aterriza mucho, principalmente a las
industrias, a que toda la energía consumida sea la misma utilizada de manera
eficiente y productiva.
Para aprovechar la energía es necesario detectar primero como ésta se
desperdicia, de manera que para evitarlo se recurran a técnicas específicas y así no
afecten al rendimiento de su uso.
Como ingeniero eléctrico el rendimiento de la energía es lo primordial, el
mayor problema que se presenta a nivel industria es que, se tienen elementos que
pueden tener una gran cantidad de pérdidas, debido al calentamiento que se
presenta en ellos.
“En algunas aplicaciones industriales se requiere mucha cantidad de energía
y por ende también existen muchas pérdidas y todo esto contribuye al concepto que
llamamos factor de potencia”.
Si no se llegara a solucionar este problema se vería manifestado como
grandes problemas a las compañías suministradoras y las consumidoras, tales
como: mayor consumo de corriente por parte del usuario, las instalaciones solo
trabajaran a una fracción de su capacidad, ocasionara pérdidas eléctricas y caídas
de tensión en los alimentadores, se necesitará invertir en instalaciones adicionales
para satisfacer los aumentos de carga.
4.2-Formulación del problema
-¿Cuál sería una forma para la detección de este desperdicio de la energía?
-¿Se podrá corregir este problema del desperdicio de la energía utilizando
elementos cuyo costo se recuperará a largo plazo?
-¿Cuáles serian los beneficios si se logra corregir o mejor aún evitar éste
fenómeno?
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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5-OBJETIVOS
5.1-General
Conocer de qué manera se detecta y corrige del bajo factor de potencia en una
instalación de baja tensión y ver que beneficios trae dicho trabajo.
5.2-Específicos
1. Conocer como calcular el factor de potencia en baja tensión.
2. Conocer instrumentos que detectan el factor de potencia en las instalaciones de
baja tensión.
3. Determinar de qué manera los dispositivos conectados a la instalación afectan al
factor de potencia.
4. Determinar qué elementos ayuden a mejorar el uso de la energía.
5. Observar las distorsiones que se presenten en el sistema donde se alimenta la
energía.
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6-JUSTIFICACIÓN
6.1-Teórica
Según las referencias leídas, el factor de potencia se presenta como pérdidas y se
presentan de diversas maneras, por ejemplo:
-Calentamiento del aceite de un transformador
-Calentamiento en los embobinados de un transformador
-Calentamiento en los motores
-Variación en la frecuencia de trabajo
Y todo lo mencionado anterior nos representa grandes pérdidas de energía en
cantidades colosales, ya que en una línea de producción hay un gran consumo de
energía que si no se utiliza de manera correcta, provoca lo mencionado.
6.2-Práctica
Las ventajas o la importancia de la corrección del factor de potencia se pueden
mencionar varias como:
-Eliminar el cargo del bajo factor de potencia que la compañía suministradora
multa a la empresa que presente este problema
-Las instalaciones eléctricas se pueden trabajar más eficientemente
-Se puede prolongar la vida útil de los equipos eléctricos (motores,
transformadores, etc.)
-Se presenta menores pérdidas de energía en el sistema eléctrico
-Se reducen caídas de tensión
Otra mejora seria en la optimización de las líneas eléctricas que se emplearan, los
conductores serian un poco mas delgados, supongamos el ejemplo anterior de los
170Kw circula una corriente por el conductor de 350 A con un factor de potencia
de 0.7, con la corrección a un FP de 0.9 el conductor circulara 270 A.
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6.3-Metodológica
El procedimiento a llevar a cabo para detectar el bajo factor de potencia es el
siguiente:
1- Identificar en la instalación de baja tensión si existe un bajo factor de potencia,
esto se observa en el recibo de cobro de la energía eléctrica.
2-Una vez detectado el problema se lleva a cabo un proceso de medición por
aproximadamente una semana normal de trabajo (considerando que los equipos de
trabajo están conectados).
3-Obteniendo los datos se procede a obtener un promedio de los datos necesarios
para calcular la dimensión del problema.
4-Después de saber lo anterior, se procede a calcular cuanta energía es necesaria
para compensar el desperdicio que se presenta en la instalación.
5-Se consiguen los elementos capaces de evitar el desperdicio de energía y se
agregan al sistema de la manera que mas adelante se presentara en el apartado de
“diseño experimental”.
6-Para finalizar, después de llevar a cabo el paso anterior se vuelven a hacer las
mediciones esperando resultados favorables, osea esperar que el bajo factor de
potencia se haya elevado a valores necesarios que evitan el desperdicio de energía.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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7-LIMITACIONES
7.1-Tiempo
La investigación se llevó a cabo en 10 semanas, aproximadamente, que forman
parte del semestre en curso: agosto-diciembre 2012. También se presenta la
semana de ingeniería eléctrica en el Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo, pero
consideramos que se trabajara en ese tiempo también.
7.2-Espacio o territorio
Al considerar instalaciones de baja tensión, el estudio se limita a analizar tensiones
nominales (corriente alterna) iguales o inferiores a 1000 voltios, todo esto basado
en la información vigente de: las normas de instalaciones en baja tensión de CFE,
la NOM-001-SEDE-2005 y el NEC-1999.
7.3-Recursos
En base a estudios realizados anteriormente el costo del análisis asciende hasta los
$200,000 sin incluir la corrección del factor de potencia.
A continuación presentó lo que incluye ésta cotización:
-Monitoreo en baja tensión con instrumentos de análisis de potencia.
-Programación del equipo para monitoreo.
-Análisis de ingenieros expertos en el tema.
-Determinar la solución al problema.
-Cotización posterior al análisis.
Se hicieron mediciones en subestaciones del Instituto Tecnológico de Nuevo
Laredo pero debido a que el material está fuera de alcance se tomará como análisis
solamente, solo en instalaciones mas pequeñas se hará la corrección del factor de
potencia.
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8-MARCO DE REFERENCIA
8.1-Antecedentes
El origen del bajo factor de potencia son las cargas de naturaleza inductiva.
Las cargas que son puramente resistivas, tales como los calefactores, lámparas
incandescentes, etc., no requieres de una potencia reactiva para su funcionamiento,
entonces la potencia reactiva y la potencia total son iguales por lo que podríamos
decir que F.P.=1.
Sin embargo, los equipos eléctricos requieren para su funcionamiento una
corriente de magnetización para la creación de campos magnéticos, tal como los
motores, transformadores, balastros, etc., consumen además, potencia reactiva
(KVAR) en la red. Esta potencia reactiva para evitarnos problemas en las
instalaciones deberá conseguirse un banco de capacitores. Los sistemas de
compensación de reactivos (capacitores principalmente) son una forma practica y
económica de mejorar el factor de potencia, sobretodo e instalaciones existentes.
Los capacitores instalados correctamente y con el valor adecuado se compensaran
la energía reactiva necesaria requerida por la instalación elevando el factor de
potencia por encima de los valores mínimos requeridos.
La necesidad de realizar éste estudio también se debe a que actualmente en
muchos sistemas eléctricos surge la necesidad de convertir la corriente alterna en
directa y además elevar ésta a corriente a niveles de tensión altos, lo cual provoca
una distorsión y reduce la eficiencia en la transferencia de energía, generando así
muchos problemas al sistema y a su vez dando lugar a que nuestro factor de
potencia sea bajo.
Las ventajas de la corrección del factor de potencia se pueden dividir en los
siguientes:
1. Eliminación del cargo por bajo factor de potencia. La compañía
suministradora penaliza a las empresas que presentan un bajo factor de
potencia (inferior a 0.9).
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2. Bonificación por un factor de potencia superior al 0.9. Los capacitores
ayudan a liberar la carga del sistema y ayudan a diferir inversiones por parte
de la compañía suministradora.
3. Menores pérdidas en el sistema: Una mejoría del Cos de 0.6 a 0.9 reduce las
pérdidas en 56% y una mejora de 0.6 a 1.0 resultará en una reducción del
64%.
4. Potencia liberada en el transformador: (kvas disponible).
5. La instalación eléctrica puede trabajar más eficientemente.
6. Se prolonga la vida útil de los equipos (cables, motores, transformadores,
etc.).
El factor de potencia es el terminó usado para describir la relación entre la
potencia de trabajo o real y la potencia total consumida. A la energía que se
transforma en trabajo, se la denomina energía activa, mientras que aquella usada
para el propio funcionamiento del artefacto, se llama energía reactiva.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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8.2-Estado del arte
Los capacitores han tomado relevancia en la actualidad ya que son muy
utilizados en las empresas e industrias para corregir el bajo factor de potencia que
inventaron un tipo de bancos de capacitores que brida mayor confiabilidad y
ahorro económico.
Este tipo especial de capacitores ya que cuando ya que el factor de potencia
es alto o bajo, los bancos automáticos de capacitores se encargan de mejorarlos,
tanto en instalaciones completas como las zonas especificas.
Lo que hacen los bancos automáticos de capacitores es vigilar o supervisar
las variaciones del factor de potencia. Una vez que detectan variaciones
considerables, de manera automática las corrige.
Las acciones de los bancos automáticos de capacitores son:
Eliminar o disminuir las variaciones derivadas del factor de potencia.
Reducir las pérdidas en el sistema eléctrico debido al calentamiento.
Garantizar una mejor regulación de la tensión.
Liberar la capacidad del sistema.
Los principales beneficios de usar bancos automáticos de capacitores son:
Se evita el desgaste prematuro de los equipos eléctricos y electrónicos.
No requieren demasiado mantenimiento.
El consumo final de energía disminuye, con lo que disminuyen los costos
por suministro.
El factor de potencia tiene un seguimiento durante las variaciones de la
carga eléctrica.
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8.3-Marco conceptual
Inductancia
“Es posible demostrar que el paso de corriente por un conductor va
acompañado de efectos magnéticos; la aguja de una brújula colocada cerca de un
conductor, por ejemplo, se desviará de su posición normal norte-sur. La corriente
crea un campo magnético.”[X]
La transferencia de energía al campo magnético representa trabajo efectuado
por la fuente de FEM (Fuerza Electro Motriz). Se requiere potencia para hacer
trabajo, y puesto que la potencia es igual a la corriente multiplicada por la tensión,
debe haber una caída de tensión en el circuito durante el tiempo en que la energía
está almacenándose en el campo.
Esta caída de tensión que no tiene nada que ver con la caída de tensión de
ninguna resistencia del circuito, es el resultado de una tensión opuesta inducida en
el circuito mientras el campo crece hasta su valor final. Cuando el campo se vuelve
constante,
La FEM inducida o fuerza contra electromotriz desaparece, puesto que ya no
se está almacenando más energía. Puesto que la FEM inducida se opone a la FEM
de la fuente, tiende a evitar que la corriente aumente rápidamente cuando se cierra
el circuito.
La amplitud de la FEM inducida es proporcional al ritmo con que varía la
corriente y a una constante asociada con el circuito, llamada inductancia del
circuito.
La inductancia depende de las características físicas del conductor. Por
ejemplo, si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Un arrollamiento de
muchas espiras tendrá más inductancia que uno de unas pocas vueltas. Además, si
un arrollamiento se coloca alrededor de un núcleo de hierro, su inductancia será
mayor de lo que era sin el núcleo magnético.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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Capacitancia
En electromagnetismo y electrónica, la capacitancia1 o capacidad eléctrica es
la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La
capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada
para un potencial eléctrico dado. El dispositivo más común que almacena energía
de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o
tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada
en éste
Voltaje
La tensión eléctrica o diferencia de potencial (también
denominada voltaje1 2 ) es una magnitud física que cuantifica la diferencia
de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como
el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre
una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Se puede
medir con un voltímetro.3
La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende
exclusivamente del potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico,
que es un campo conservativo.
Amperaje
El amperio o ampere (símbolo A), es la unidad de intensidad de corriente
eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de
Unidades y fue nombrado en honor al matemático y físico francés André-Marie
Ampère. El amperio es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose
en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular
despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío,
produciría una fuerza igual a 2×10-7
newton por metro de longitud.
El amperio es una unidad básica, junto con el metro, el segundo, y
el kilogramo:3 es definido sin referencia a la cantidad de carga eléctrica. La unidad
de carga, el culombio, es definido, como una unidad derivada, es la cantidad de
carga desplazada por una corriente de un amperio en el tiempo de un segundo.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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Impedancia
La impedancia es una magnitud que establece la relación (cociente) entre
la tensión y la intensidad de corriente. Tiene especial importancia si la corriente
varía en el tiempo, en cuyo caso, ésta, el voltaje y la propia impedancia se
describen con números complejos o funciones del análisis armónico. Su módulo (a
veces impropiamente llamado impedancia) establece la relación entre los valores
máximos o los valores eficaces del voltaje y de la corriente. La parte real de la
impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia. El concepto de
impedancia generaliza la ley de Ohm en el estudio de circuitos en corriente alterna
(AC).El término fue acuñado por Oliver Heaviside en 1886. En general, la solución
para las corrientes y las tensiones dev un circuito formado
por resistencias, condensadores e inductancias y sin ningún componente de
comportamiento no lineal, son soluciones de ecuaciones diferenciales. Pero,
cuando todos los generadores de voltaje y de corriente tienen la misma frecuencia
constante y sus amplitudes son constantes, las soluciones en estado
estacionario (cuando todos los fenómenos transitorios han desaparecido) son
sinusoidales y todos los voltajes y corrientes tienen la misma frecuencia que los
generadores y amplitud constante. La fase, sin embargo, se verá afectada por la
parte compleja (reactancia) de la impedancia.
8.3-Marco teórico
Primeramente en cualquier instalación donde haya un cableado eléctrico, se
puede observar el efecto de calentamiento en ellos y esto representa desperdicio de
energía. Existen ciertos equipos que lo presentan en un mayor grado y hablando de
una industria, se dice que tienen un gran número de éstos artefactos generando así,
demasiadas pérdidas.
Lo cuál nos lleva a mencionar el concepto de factor de potencia, que
representa la relación entre la potencia real (energía utilizada) y la potencia
aparente (energía requerida). Esto significa que el factor de potencia es una
relación que existe entre la potencia aparente (VA) que requiere el sistema con la
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potencia real (*Watts) que se está consumiendo realmente y la diferencia de ambas
es el desperdicio de energía del sistema.
Algunas de las causas de las que halla perdidas de energía son la cantidad de
corriente que se esta manejando, mayor corriente mayores serán las perdidas.
Como se requiere grandes conductores para transportar estas grandes cantidades de
corrientes se requiere grandes conductores (cable) y eso aumentara la cantidad de
cobre del conductor por lo que la compañía de luz entra que hacer un mayor
esfuerzo para suministrar esta gran cantidad de energía a la compañía que la
solicita.
Si nos ponemos a pensar, podríamos decir “no pasa nada si desperdicio
energía”, es tener un pensamiento erróneo porque en realidad si pasa, según J.
David Irwin éste fenómeno es de gran importancia en una industria al tener un gran
impacto económico al tener la necesidad de una gran cantidad de energía.
Lo primero que sea hace es un cálculo matemático que nos arroja la
información de que rango de pérdidas se presentan en nuestra instalación.
Después se plantea que elementos necesito para hacer que esa pérdida sea
muy mínima y no me provoque problemas.
Factor de potencia es un término muy usado para describir la relación que
hay de trabajo real y la potencia real consumida. Así pues, el triangulo de potencia
muestra gráficamente la relación entre la potencia real (KW), la potencia reactiva
(KVAR) y la potencia total o aparente (*KVA).
KW = Potencia Real
Figura 7.1 – Triángulo
de potencias
*Watt: La unidad Watt (W) se utiliza para medir la "potencia activa", es decir aquella cuyo vector no posee
componente en el eje j y que se disipa en las resistencias puras en forma de calor. Es la potencia eléctrica capaz de
generar trabajo.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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KVAR = Potencia Reactiva (no produce trabajo, pero si hay que pagar por ella)
KVA = Potencia requerida para alimentar la carga
F.P. = Cos φ = P/S o también Cos φ= KW/KVA
Capacitores
El método más común y económico para la corrección de bajo factor de
potencia es la utilización de banco de capacitores, aparte de ser económicos
pueden fabricarse en diferentes capacidades pero la única desventaja es que son
afectados por las vibraciones (armónicas) presentes en la red” [2]. El método
más utilizado y económico para poder corregir el bajo F.P. utilizado por las
empresas y fábricas es el banco de capacitores, para poder identificar el bajo factor
de potencia y la capacitancia requerida para el sistema.
¿Qué es un capacitor? El capacitor es un dispositivo que almacena energía
en forma de un campo magnético conformado por dos placas conductoras aisladas
y están separadas por un dieléctrico [3]. Esto significa que un capacitor almacena
energía hasta el momento de su utilización, está compuesto por 2 placas
conductoras separadas por un dieléctrico como el aire o un tipo de solución acida
como las pilas
Los tipos de capacitores que se
utilizaran en baja tensión pueden ser hasta 600V, son fabricados con polipropileno
metalizado, los cuales se enrollan en bobinas de pequeños valores de capacitancia,
los valores comerciales se dan en KVAR (Kilo Volt Amper Reactivos). Son muy
Figura 7.2-Vista interna del
Capacitor
*VA: Los Volt-Ampere (VA) miden la "potencia aparente" es decir la potencia que en "apariencia" puede manejar una
instalación eléctrica o un equipo, surge de la suma vectorial de las potencias activas (expresadas en Watts) y las potencias
reactivas (expresadas en Volt-Ampere Reactivos o comúnmente llamados VARS).
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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comunes de 1,2 y 3 KVAR monofásicos. Para alcanzar valores mayores se
conectan entre sí generalmente en delta.
Los bancos fijos de capacitores son muy útiles cuando se requiere mejorar el
factor de potencia en baja tensión 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 pero dependiendo de la aplicación pueden ser
conectados o desconectados con los arrancadores de los motores.
Los bancos fijos de capacitores representan los siguientes beneficios:
Reducción del monto del recibo de energía eléctrica debido a que se
minimizan las penalizaciones y se podría tener una bonificación hasta de del
2.5% del recibo total.
Consumo total de energía disminuye.
Evita el desgaste prematuro de los equipos.
El banco requiere de mantenimiento mínimo.
Vida útil mayor de 15 años por sus bajas perdidas y hasta 80°C te
temperatura continuos.
Amplio espacio de instalación.
Su montaje puede ser de piso o pared.
El banco es 100% reparable en el campo.
Tiene indicación visual de falla en las celdas.
El banco automático de capacitores consta de un conjunto de celdas
capacitivas de valores distintos y también idénticos (según el arreglo), los cuales se
encuentran agrupados para obtener el factor de potencia con variaciones de carga.
El relevador de factor de potencia se encarga de detectar las necesidades de
potencia reactiva del sistema y conecta los grupos necesarios para obtener, en el
menor tiempo posible y con el menor número de operaciones, el factor de potencia
requerido.
Una ventaja de los bancos de capacitores que combinan grupos de operación
de distintos tamaños con grupos del mismo tamaño es que gracias a los grupos más
pequeños se puede seguir más de cerca las variaciones menores en el factor de
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
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potencia de la instalación, obteniéndose una mejor compensación de potencia
reactiva. Otras ventajas de usar un banco de capacitores automáticos son:
Consumo total de energía disminuye.
El banco requiere de mantenimiento mínimo.
Vida útil mayor de 15 años por sus bajas perdidas y hasta 80°C te
temperatura continuos.
Su montaje puede ser de piso o pared.
Tiene indicación visual de falla en las celdas.
El relevar tiene un programa de switcheo con el cual rota el uso de los
capacitores haciendo que todos tengan un desgaste similar.
Se suministra con todos los componentes necesarios y debidamente
distribuidos para facilitar su instalación.
Se evitan problemas por resonancia gracias a la desconexión automática de
los grupos en condiciones de carga baja.
Los grupos más pequeños siguen de cerca al factor de potencia objetivo
obteniéndose una compensación más exacta de la potencia reactiva.
Medición del factor de potencia
Medición directa: Generalmente se usa para medir el factor de potencia (fase
entre una tensión y una corriente) y se obtiene de una lectura directa de un
instrumento que mide esta variable.
Medición indirecta: Se miden otras variables que se están relacionadas con
el ángulo de fase entre dos señales y luego por cálculo se obtiene el ángulo de fase
correspondiente.
8.4-Marco legal
El factor de potencia puede tomar valores entre 0 y 1, por ejemplo: en
elementos como planchas o estufas eléctricas toda la energía que requieren se
convierte en energía lumínica o calorífica y de esa forma el valor que toma es 1.
Los artefactos que tienen una energía electro-mecánica (transforma la
electricidad en movimiento), como lavadoras, equipos de aire acondicionado,
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
26
entre otros, requieren mas de la energía mecánica y esto provoca que el factor tome
el valor menor a 1.
“Según lo mencionado anteriormente, en México, de acuerdo a la tarifa y al
Diario Oficial del día 10 de noviembre de 1991, cuando el factor de potencia
tenga un valor inferior a 0.9, el suministrador de energía eléctrica tendrá derecho
a cobrar al usuario una penalización o cargo por la cantidad que resulte de
aplicar al monto de la facturación el porcentaje de recargo que se determine
según la siguiente formula [4]:
Cálculo de penalización por bajo factor de potencia (FP<0.9)
Penalización (%)=
[
]
En el caso de que el factor de potencia tenga un valor superior de 90%, el
suministrador tendrá la obligación de bonificar al usuario la cantidad que resulte de
aplicar a la factura el porcentaje de bonificación según la siguiente formula:
Cálculo de bonificación por alto factor de potencia (FP>0.9)
Bonificación (%)=
[
]
Normas aplicables a la corrección del bajo factor de potencia y para la instalación
de elementos que ayuden a la misma. [5]
*NOM-008-SCFI-2002. Sistema general de unidades de medida.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
27
*NMX-J-203/1-ANCE-2005. Capacitores - Parte 1: Capacitores de potencia en
conexión paralelo -
Especificaciones y métodos de prueba.
NMX-J-235/1-ANCE-2000. Envolventes - Envolventes (gabinetes) para uso en
equipo eléctrico - Parte1:
Requerimientos generales - Especificaciones y métodos de prueba.
NMX-J-235/2-ANCE-2000. Envolventes - Envolventes (gabinetes) para uso en
equipo eléctrico - Parte2:
Requerimientos específicos - Especificaciones y métodos de prueba.
NMX-J-266-ANCE-1999. Productos eléctricos – Interruptores - Interruptores
automáticos en caja Moldeada - Especificaciones y métodos de prueba.
*NRF-048-PEMEX-2003. Diseño de Instalaciones Eléctricas en Plantas
Industriales.
NRF-049-PEMEX-2006. Inspección de bienes y servicios.
NRF-053-PEMEX-2006. Sistemas de protección anticorrosiva a base de
recubrimientos para instalaciones superficiales.
*NMX - Norma Mexicana,* NOM - Norma Oficial Mexicana,* NRF - Norma de Referencia.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
28
8.5-Marco ambiental
Según el Reglamento Ambiental para uso, Manejo, Transporte y Disposición
de Bifenilos Policlorados de la Subsecretaría de Gestión Ambiental se establece lo
siguiente:
Capitulo 2 - Medidas de prevención en los talleres de descontaminación de
los Bifenilos Policlorados (PCB).
Articulo 1. En el reglamento se establece definir y garantizar la gestión
ambiental segura y racional con relaciones a los PCB contenidos en los
capacitores.
Articulo 4. Para los efectos de aplicación del presente Reglamento se
entenderá por:
Bifenilos Policlorados: compuesto químico formado por cloro, carbón e hidrógeno,
resistente al fuego, muy estable, no conduce la electricidad y tiene baja volatilidad
a temperaturas normales, persistentes en el ambiente y bioacumulables en los
tejidos de organismos vivos.
Título 2. Disposiciones generales.
Articulo 6. La Secretaría de Estado de Medio Ambiente y Recursos Naturales
elaborará un Registro de Usuarios y Generadores de PCB, en el cual se asentará a
toda persona o entidad que importe, utilice, maneje, transporte o exporte PCB o
residuos con PCB.
En el reglamento hay mas artículos que describen todo lo relaciona con el
PCB, pero de manera general se explicó la utilización de éste.
Corroborando lo mencionado del reglamento, se agrega la norma que
establece la disposición de los elementos con PCB:
NOM-133-ECOL-2000, Protección ambiental-Bifenilos Policlorados (BPC)-
Especificaciones de manejo.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
29
Agregando que en ella se establece lo siguiente:
12.Reclasificación, desincorporación y acondicionamiento, descontaminación,
reciclaje y disposición final
12.1 Las empresas de servicio, con instalaciones fijas o móviles que lleven a
cabo el manejo de los BPC incluyendo procesos de reclasificación,
desincorporación, acondicionamiento, eliminación y descontaminación, deben
contar con la autorización correspondiente otorgada por la Secretaría. No se
autorizará la exportación para confinamiento de equipos BPC, equipos eléctricos
BPC, equipos contaminados BPC y residuos BPC que contengan cualquier
concentración de BPC.
Si no se cumple con lo establecido, la multa por el daño al medio ambiente podrá
ser de 1000 a 5000 salarios mínimos.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
30
9-HIPÓTESIS:
1. El bajo factor de potencia generado en una instalación eléctrica de baja tensión
será corregido mediante la instalación de un banco de capacitores lo cual se hará
utilizando un “analizador de la calidad de la potencia (quality power analyzer).
2. La corrección del bajo factor de potencia ayudará al usuario a evitar la
penalización que el suministrador de energía eléctrica demanda conociendo el
factor de potencia que aparece en el recibo de la compañía suministradora antes y
después de la corrección (si es necesaria).
3. Las ventajas de la corrección del bajo factor de potencia serían
-Uso optimizado de las máquinas
-Uso optimizado de las líneas eléctricas
-Reducción de las pérdidas en el sistema
-Reducción de las caídas de tensión
Lo anterior se calcularía de manera matemática de acuerdo a las formulas
necesarias.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
31
10-DISEÑO EXPERIMENTAL
10.1-Formulas para cálculos
Lo que permite conocer la potencia activa, real o efectiva P, que corresponde a la
energía eléctrica consumida por unidad de tiempo:
P = V x I x Cos j (Watts) Ecuación109.1
La potencia reactiva o magnetizante Q, que representa la energía utilizada para
crear un campo magnético y devuelta a la red:
Q = V x I x Sen j (VAR) Ecuación 10.2
Si el consumo es trifásico, el voltaje V se medirá entre dos fases. Si la carga esta
equilibrada o balanceada, la corriente I se mide en una, cualquiera de ellas. Es fácil
deducir que en tal caso resulta:
Potencia Aparente:
S = 3 ×V×I (VA) Ecuación 10.3
Potencia Activa :
P = 3 ×V×I×Cos (W) Ecuación 10.4
Potencia Reactiva:
Q = 3× ×V×I× Sen (VAR) Ecuación 10.5
Factor de potencia
F.P =
=
Ecuación 10.6
F.P. = cos(ѳ) =
√ Ecuación 10.7
I activa = I Cos j (Amperes) Ecuación 10.8
I reactiva = I Sen j (Amperes) Ecuación 10.9
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
32
Además del cálculo basado en formulas existen métodos, los cuales serán tomados
de para calcular el factor de potencia:
10.2-Mediciones indirectas
10.2.1-Osciloscopio: Existen dos formas de obtener el desfasaje entre dos señales
sinodales con el osciloscopio:
En el primer caso se representa las dos señales de las cuales se quiere conocer el
desfasaje en la pantalla del osciloscopio por medio del barrido interno de este
(figura 1).
De esta forma podemos conocer la diferencia temporal entre dichas señales y así
llegar al desfasaje por la aplicación de la siguiente fórmula:
Donde t representa la diferencia temporal de las dos ondas y T el periodo de dichas
señales (considerando las ondas con la misma frecuencia).
El segundo método consiste en la composición de las ondas en ambos canales X -
Y. Así formamos la figura de Lisajouss (figura 2) y determinamos el desfasaje de
la siguiente manera:
Figura 10.1-Ondas senoidales con desfasamiento (lado izquierdo) y
ondas senoidales en la figura Lisajouss (lado derecho).
Ecuación 10.10
Ecuación 10.11
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
33
10.2.2-Método de los tres voltímetros: Con este método podemos calcular el cos
φ de una carga dada. Se usa cuando la magnitud de la tensión es mucho mayor que
la de la corriente en el circuito.
Para conocer el factor de potencia de la carga conectamos en serie con esta una
resistencia anti inductiva conocida, y con los voltímetros determinamos las
tensiones como indica la figura 3
Si hacemos el diagrama de fasores de las tensiones, tenemos que estas forman
entre si un triangulo. Aplicando el teorema del coseno a dicho triangulo tenemos:
Aplicando coseno a ambos miembros:
Reemplazando en ecuación 9.12:
Despejando tenemos que:
Figura 10.3-Conexión
de voltímetros para
medir el FP
Ecuación 10.12
Ecuación 10.13
Ecuación 9.14
Ecuación 10.15
Ecuación 10.16
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
34
De la formula obtenida podemos ver que los instrumentos a emplear deben ser de
gran precisión pues tenemos que las tensiones están multiplicadas y elevadas al
cuadrado, por lo que la propagación de los errores en dicha fórmula se suman y el
error puede ser grande en el cálculo.
10.2.3-Método de los tres amperímetros: A este método se emplea cuando la
intensidades de corriente son grandes y las caídas de tensión bajas. El elemento
que se investiga es Zx, y se le conecta en paralelo una resistencia antiinductiva.
Igual que el método anterior nos queda que:
Igual al método de los tres voltímetros aplicamos el teorema del coseno al
triangulo de corrientes del diagrama de fasores y así llegamos a la formula que nos
da el factor de potencia de la carga:
Nuevamente podemos ver que las corrientes están multiplicadas y elevadas al
cuadrado, por lo que las mismas deben ser medidas con instrumentos muy
precisos.
Figura 10.4-Conexión de amperímetros para medir el FP
Ecuación109.17
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
35
10.2.4-Método del Watimetro, Voltímetro, Amperímetro: Se usa tanto para
circuitos monofásicos como trifásicos equilibrados. Y se basa en la aplicación
directa de la formula de la potencia para circuitos de corriente alterna.
10.2.5-Método de los dos Watimetros: Este método se usa para cargas trifásicas
equilibradas, cuando las corrientes son puramente senoidales. El circuito es el
siguiente:
Tenemos que las potencias leídas por los Watimetros son:
Figura 10.5-Conexión de Wattimetro, voltímetro y amperímetro para medir el
FP
Figura 10.6-Conexión de dos
wattímetros para medir el FP
Ecuación 10.18
Ecuación 10.19
Ecuación 10.20
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
36
Si los watimetros son iguales y se cumple que:
Entonces:
10.3-Mediciones Directas (Instrumentos). Se efectúan con un instrumento que generalmente mide el factor de potencia de
una carga dada. Estos instrumentos pueden ser trifásicos o monofásicos.
10.3.1-Cofímetro monofásico: El cofímetro es un instrumento electrodinámico
medidor de cocientes y consta de tres carretes. Dos de estos carretes están sujetos
entre si formando un ángulo de 90°, estos giran en el campo del tercer carrete que
es fijo. En estos instrumentos el órgano móvil esta desprovisto de momento
directriz mecánico, por lo que la posición de éste es arbitraria. En la siguiente
figura puede observarse una vista en corte del instrumento:
Figura 10.7-Cofímetro
monofásico
Ecuación 10.21
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
37
Funcionamiento: Según se indica en la figura, los carretes S y S1 forman un ángulo
que coincide con la desviación del índice. Sus campos y 1 son proporcionales a
las corrientes I e I1 .Sea el defasaje entre U e I. Para que también 1 esté en fase
con U, o sea con l1, se conecta en serie una gran resistencia antiinductiva R1.
De este modo, entre I e I1 hay un defasaje temporal , entonces el momento será:
Los carretes S1 y S2 y sus campos son perpendiculares entre sí. Los campos 2 y
forman un ángulo de 90º . Para que 2 e l2 presenten un de fasaje en el tiempo de
90° respecto de 1 , se utiliza una "conexión a 90°". Con ello, l2 presenta un retraso
de 90° respecto de U y de l2, y entre l2 e I el de fasaje es de 90º. Por lo
consiguiente el momento de estos dos carretes es:
Los carretes S1 y S2 están unidos de manera que Me1 y Me2 actúen en sentidos
opuestos, con lo cual cada uno de los carretes proporciona el momento antagónico
para el otro carrete. Los momentos dependen, además, de la posición del órgano
móvil, de modo que si al girar este, uno de los momentos aumenta mientras el otro
disminuye, existe una posición para la cual es:
Me1=Me2
Figura 10.8-Funcionamiento del
cofímetro monofásico
Ecuación 10.22
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
38
Por lo que remplazando se obtiene:
Podemos ver entonces que la desviación del índice es una medida de defasaje
existente entre la corriente I y la tensión U.
10.3.2-Cofímetro trifásico: El principio de funcionamiento es el mismo que el del
cofímetro monofásico. Se usa cuando el consumo es simétrico en las fases. En este
instrumento no es necesaria una conexión especial que produzca un desfasaje de
90°, pues este lo conseguimos con el propio desfasaje del sistema trifásico. El
esquema es el siguiente:
Como podemos ver, Por la bobina fija circula la corriente de una de las fases. Los
carretes cruzados están conectados en las otras dos fases a través de resistencias
antiinductivas, R1 y R2. Así las corrientes I1 e l2 están en fase con URT y URS,
formando un ángulo de 60°. El ángulo entre lR y URT vale ; entre lR y URS,
Figura 10.10-Funcionamiento cofímetro trifásico
Ecuación 10.23
Ecuación 10.24
Ecuación 10.24
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
39
10.3.3-Power Quaity Analyzer
A parte de estos instrumentos en México se utilizan los siguientes instrumentos:
Figura 10.12-Power harmonics analyzer
(Analizador de armónicos y potencia)
Fluke
Figura 10.11-Power quality analyzer
(Analizador de la calidad de la potencia)
Hioki
Figura 10.13 – DM-II Pro,
Amprobe
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
40
Estos instrumentos proporcionan todos los datos mencionados anteriormente en los
cálculos y otros métodos, es de las tecnologías mas actualizadas y mejores hoy en
día.
Para calcular el costo de penalización por el bajo factor se utiliza la siguiente
formula:
Cálculo de penalización por bajo factor de potencia (FP<0.9)
Penalización (%)=
[
]
Formula para observar el uso optimizado de las líneas eléctricas:
Formula para detectar la reducción de pérdidas en un sistema trifásico:
Y por ultimo para determinar las caídas de tensión en una línea trifásica:
Para calcular la capacitancia necesaria después de tomar las mediciones y hacer el
calculo que nos ayudará a hacer la corrección es la siguiente:
=
=
= -
C=
Ecuación 10.25
Ecuación 10.26
Ecuación 10.27
Ecuación 10.28
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
41
Población para el estudio
Realizaremos las mediciones en las instalaciones de baja tensión del Instituto
Tecnológico de Nuevo Laredo y ya que son 4 subestaciones se tomará como
población ese número, las subestaciones se encuentran en:
Subestación 1: junto a las oficinas administrativas del Tecnológico.
Subestación 2: Laboratorio de Ingeniería Mecánica.
Subestación 3: junto al edificio de Ingeniería Electrónica.
Subestación 4: gimnasio del Tecnológico.
Muestra
Para poder tener datos válidos tomaremos como muestra 2 de las 4 instalaciones
para llevar a acabo las mediciones correspondientes, mostradas mas adelante.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
42
La siguiente tabla muestra los datos principales que se obtendrán en las
mediciones que se llevarán a cabo y posteriormente de ellas se analizarán para
su aprovechamiento.
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica No. de
lectura Fecha Hora
Corriente
L1
Corriente
L2
Corriente
L3
Voltaje
L1-N
Voltaje
L2-N
Voltaje
L3-N
Tabla 10.1.Datos necesarios para el
análisis (Parte 1)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
43
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica
No. de
lectura Fecha Hora
Voltaje
L1-L3
Voltaje
L1-L2
Voltaje
L2-L3
Potencia
activa-
Trifásica
Potencia
aparente-
Trifásica
Potencia
reactiva-
Trifásica
Factor
de
potencia
– Cos ѳ
Tabla 10.1.Datos necesarios para el
análisis (Parte 2)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
44
11-DESARROLLO (RECOPILACIÓN DE DATOS) 11.1-Monitoreo
Lo que se llevó a cabo en la recopilación de datos fueron mediciones con
algunos motores trifásicos, de los cuales se agregó sus datos correspondientes,
diagramas de conexión; para la comprensión de los que se realizó se agregaron
imágenes con una breve descripción de lo que muestran gráficamente.
En la primera medición que se hizo la fuente de alimentación utilizada era de
220 volts trifásicos y como se describió en la sección de diseño experimental
la muestra se tomó de la instalación de baja tensión ubicada en el laboratorio
de ingeniería mecánica del Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo, se aclara
que por necesidad se tomaron lecturas por solo 12 segundos, para que el motor
no llegara a dañarse por lo que se ve en la figura 11.1, unas pinzas para
detener el rotor del motor para poder simular que se tenía presente una carga.
El motor de la figura 11.1 tiene los siguientes datos en su placa:
Voltaje nominal: 220-440 v
Corriente nominal: 2.5 A
Potencia: ½ HP
Polos: 4
Frecuencia de trabajo: 60 Hz
Figura 11.1-Motor
trifásico conectado
en delta (motor
número 1)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
45
En el apartado del diseño experimental se presentaron varios equipos de
medición útiles para nuestro desarrollo de recopilación de datos, de acuerdo a
los alcances que se ténganse recomienda utilizar cualquiera de los descritos,
en este caso presentaremos el uso del DM-II-AMPROBE (Fig. 11.2) y no solo
para ésta medición, si no, para todo la experimentación llevada a cabo, gracias
a esto se tuvieron ventajas al realizar las mediciones, ya que nos permitía
hacer grabaciones y mediciones periódicas que facilitarían en un futuro
cualquier monitoreo que se llegue a realizar.
Para llevar a cabo la conexión del equipo de monitoreo, se tiene que consultar
el anexo 5 (Manual del usuario para DM-II-AMPROBE) y así llevar a cabo el
proceso, que es primero programar el tipo de conexión y después seguir los
pasos indicados en el equipo.
Ahora se presenta la conexión que se estableció de manera física (en la figura
11.3) al momento del desarrollo de la recopilación de los datos. La imagen en
sí muestra como se tiene que conectar el motor para ser alimentado.
En la imagen no se describe pero la alimentación es trifásica de 220v, lo cual
concuerda con la alimentación del motor.
“Se recomienda tener cuidado al conectar el medidor predeterminado por el
experimentador, ya que cada aparato puede llegar a tener su propio tipo de
conexión y creer que todos se conectan igual, puede causar muchas
consecuencia al obtener resultados erróneos.”
Figura 11.2-DM-II-
AMPROBE (Medidor de la
calidad de la energía)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
46
Las imágenes anexadas a continuación muestran la conexión física que se
llevó a acabo para el monitoreo necesario para obtener los resultados
necesarios:
En la imagen 11.3 se observa el motor conectado con sus tres fases y
pinzas en cada una de ellas para la medición de la corriente, además se
observa el motor con pinzas en el rotor lo cual sirve para amarrar el
rotor y generar una carga.
En la imagen 11.4 se observa el aparato conectado y se alcanza a
observar que en la fuente están conectadas las terminales medidoras de
voltaje y aparte también las pinzas para medir corriente. También se
observa los motores y capacitores para la corrección que se describirán
masadelante.
Imagen 11.3-Motor 1
conectado al equipo de
medición, en medio se
observan las pinzas de
corriente del aparato
Imagen 11.4-Motor 1 y 2,
banco de capacitores en
medio de los motores y
Amprobe.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
47
Figura 11.5-Conexión para medición del
factor de potencia con un motor trifásico-
AutoCAD (2012)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
48
En la tabla mostrada a continuación se presentan las mediciones obtenidas de la conexión presentada anteriormente.
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica con carga inductiva (motor 1)
No. de lectura Fecha Hora Corriente L1 Corriente L2 Corriente L3 Voltaje
L1-N Voltaje
L2-N Voltaje
L3-N
1 16-10-2012 7:30 am 2.2 A 2.2 A 2.2 A 128 v 132 v 135 v
2 16-10-2012 7:32 am 2.3 A 2.3 A 2.3 A 127 v 133 v 135 v
3 16-10-2012 7:34 am 2.3 A 2.3 A 2.3 A 127 v 133 v 135 v
4 16-10-2012 7:36 am 2.3 A 2.3 A 2.3 A 128 v 133 v 135 v
5 16-10-2012 7:38 am 2.3 A 2.3 A 2.3 A 128 v 133 v 135 v
6 16-10-2012 7:40 am 2.2 A 2.2 A 2.2 A 128 v 133 v 134 v
7 16-10-2012 7:42 am 2.2 A 2.2 A 2.2 A 128 v 133 v 134 v
8 16-10-2012 7:44 am 2.2 A 2.2 A 2.2 A 128 v 133 v 135 v
9 16-10-2012 7:46 am 2.3 A 2.3 A 2.3 127 v 132 v 135 v
10 16-10-2012 7:48 am 2.3 A 2.3 A 2.3 129 v 132 v 135 v
11 16-10-2012 7:50 am 2.2 A 2.2 A 2.2 128 v 132 v 135 v
12 16-10-2012 7:52 am 2.2 A 2.2 A 2.2 128 v 133 v 134 v
Tabla 11.1-Datos obtenidos, primer
medición
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
49
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica (continuación tabla 16.1)
No. De lectura
Fecha Hora Voltaje L1-L3
Voltaje L1-L2
Voltaje L2-L3
Potencia activa-
Trifásica
Potencia aparente –
Trifásica
Potencia reactiva – Trifásica
Factor de potencia –
Cos ѳ
1 16-10-2012 7:30 am 223 v 226 v 223 v 198 W 300 VA 226 VAR .65
2 16-10-2012 7:32 am 223 v 226 v 223 v 197 W 300 VA 226 VAR .65
3 16-10-2012 7:34 am 223 v 226 v 223 v 198 W 301 VA 226 VAR .65
4 16-10-2012 7:36 am 224 v 226 v 224 v 198 W 301 VA 228 VAR .65
5 16-10-2012 7:38 am 223 v 226 v 223 v 198 W 301 VA 226 VAR .65
6 16-10-2012 7:40 am 223 v 226 v 224 v 198 W 301 VA 225 VAR .64
7 16-10-2012 7:42 am 222 v 225 v 223 v 198 W 302 VA 228 VAR .65
8 16-10-2012 7:44 am 223 v 226 v 223 v 197 W 301 VA 226 VAR .65
9 16-10-2012 7:46 am 223 v 226 v 223 v 197 W 301 VA 226 VAR .65
10 16-10-2012 7:48 am 223 v 225 v 223 v 198 W 301 VA 226 VAR .65
11 16-10-2012 7:50 am 223 v 226 v 223 v 198 W 301 VA 224 VAR .65
12 16-10-2012 7:52 am 222 v 226 v 223 v 198 W 300 VA 227 VAR .64
Los datos obtenidos en la tabla 11.1 nos muestran claramente que nuestro factor de potencia (cos ѳ=.65) se
encuentra en un valor que no nos beneficia para nada, ya que como se había aclarado anteriormente si el factor de
potencia se encuentra de bajo de el valor de 0.9 es perjudicial para el usuario. Con estos resultados al finalizar la
recopilación se procedió a calcular en que nos perjudica éste fenómeno.
Tabla 11.1-Datos obtenidos, primer
medición
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
50
Días posteriores se procedió a tomar una segunda medición pero realizándose
en otra instalación de baja tensión dentro del laboratorio de ingeniería
mecánica y considerando otro motor trifásico de otras capacidades que
posteriormente se describirán, ahora se tuvo la ventaja que el motor trifásico
utilizado por si mismo generaba una carga (corriente) y no tenía que detenerse
el rotor del motor para simular la demanda de carga.
Se anexa la imagen del motor con sus respectivas conexiones, las cuales se
graficarán posteriormente.
Los datos del motor de la figura 11.4 son los siguientes:
Tipo: abierto
Potencia nominal: ¾ HP
RPM: 1725
Voltaje nominal: 220/440 v
Corriente nominal 3.3 A
Frecuencia de trabajo: 60 Hz
Figura 11.6-Motor
trifásico conectado
(número 2)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
51
La observación que se tuvo con este motor y que pueda servir para cualquier
estudio posterior es que tenía 12 terminales de salida, lo cual significa que
había que hacer la conexión de ellas para que pudiera trabajar con 220 v
(conexión de las bobinas en paralelo y delta), a continuación se observa de
manera gráfica como se realiza la conexión:
Figura 11.7-Bobinas en serie-440 v (lado izquierdo) y bobinas en paralelo-220v (lado derecho)
Figura 11.8-Terminales del motor en el recuadro del lado izquierdo y conexión zig-zag de las
bobinas de un motor
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
52
Las conexiones mostradas en la figura 11.5 y 11.6 son estándares para
conectar motores trifásicos según la norma NEMA (Asociación de fabricantes
eléctricos nacionales) y la I.E.C (Comisión electrónica nacional).
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
53
Para la conexión del motor 2 a la fuente se toma como referencia la conexión presentada en la figura 11.3, como en
el motor 1.
Ahora, a continuación se presentan los resultados obtenidos de la segunda medición con la referencia dicha
anteriormente sobre conexión y el motor usado.
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica con carga inductiva(motor 2)
No. de lectura Fecha Hora Corriente L1 Corriente L2 Corriente L3
1 23-10-2012 11:47:05 am 2.12 A 2.09 A 2.11 A 2 23-10-2012 11:47:06 am 2.12 A 2.09 A 2.11 A
3 23-10-2012 11:47:07 am 2.11 A 2.09 A 2.11 A
4 23-10-2012 11:47:08 am 2.11 A 2.09 A 2.11 A
5 23-10-2012 11:47:09 am 2.11 A 2.09 A 2.11 A 6 23-10-2012 11:47:10 am 2.11 A 2.09 A 2.10 A
7 23-10-2012 11:47:11 am 2.11 A 2.08 A 2.10 A
8 23-10-2012 11:47:12 am 2.11 A 2.08 A 2.10 A
9 23-10-2012 11:47:13 am 2.11 A 2.08 A 2.10 A
10 23-10-2012 11:47:14 am 2.10 A 2.08 A 2.10 A
11 23-10-2012 11:47:15 am 2.10 A 2.08 A 2.10 A
12 23-10-2012 11:47:16 am 2.10 A 2.08 A 2.10 A
13 23-10-2012 11:47:17 am 2.10 A 2.08 A 2.10 A 14 23-10-2012 11:47:18 am 2.09 A 2.07 A 2.09 A
15 23-10-2012 11:47:19 am 2.10 A 2.07 A 2.09 A
16 23-10-2012 11:47:20 am 2.10 A 2.07 A 2.09 A
17 23-10-2012 11:47:21 am 2.10 A 2.07 A 2.09 A 18 23-10-2012 11:47:22 am 2.10 A 2.07 A 2.09 A
19 23-10-2012 11:47:23 am 2.10 A 2.07 A 2.09 A
20 23-10-2012 11:47:24 am 2.09 A 2.07 A 2.09 A
Tabla 11.2-Datos obtenidos, segunda medición
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
54
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica con carga inductiva (continuación
tabla 16.2)
No. de lectura
Fecha Hora Voltaje L1-L3
Voltaje L1-L2
Voltaje L2-L3
Potencia activa-
Trifásica
Potencia aparente - Trifásica
Potencia reactiva - Trifásica
Factor de potencia –
Cos ѳ
1 23-10-2012 11:47:05 am 222.81 v 223.68 v 225.19 v 542.19 W 812.01 VA 604.47 VAR .67
2 23-10-2012 11:47:06 am 222.89 v 223.77 v 225.26 v 542.60 W 811.89 VA 603.95 VAR .67
3 23-10-2012 11:47:07 am 222.91 v 223.79 v 225.25 v 542.79 W 811.37 VA 603.07 VAR .67
4 23-10-2012 11:47:08 am 222.83 v 223.65 v 225.22 v 542.28 W 810.62 VA 602.53 VAR .67
5 23-10-2012 11:47:09 am 222.87 v 223.62 v 225.24 v 541.83 W 809.63 VA 601.80 VAR .67
6 23-10-2012 11:47:10 am 222.76 v 223.58 v 225.23 v 538.40 W 806.63 VA 600.64 VAR .67
7 23-10-2012 11:47:11 am 222.67 v 223.46 v 224.79 v 540.38 W 806.53 VA 598.76 VAR .67
8 23-10-2012 11:47:12 am 222.66 v 223.46 v 224.73 v 540.19 W 805.76 VA 597.88 VAR .67
9 23-10-2012 11:47:13 am 222.76 v 223.57 v 225.20 v 541.80 W 807.57 VA 598.86 VAR .67
10 23-10-2012 11:47:14 am 222.90 v 223.60 v 225.34 v 542.16 W 807.83 VA 598.88 VAR .67
11 23-10-2012 11:47:15 am 222.95 v 223.67 v 225.43 v 542.57 W 807.80 VA 598.47 VAR .67
12 23-10-2012 11:47:16 am 222.81 v 223.57 v 225.41 v 541.75 W 806.48 VA 597.43 VAR .67
13 23-10-2012 11:47:17 am 222.85 v 223.60 v 225.34 v 541.49 W 805.50 VA 598.34 VAR .67
14 23-10-2012 11:47:18 am 222.77 v 223.67 v 225.36 v 541.55 W 805.39 VA 596.14 VAR .67
15 23-10-2012 11:47:19 am 222.83 v 223.57 v 225.27 v 541.74 W 805.28 VA 595.98 VAR .67
16 23-10-2012 11:47:20 am 222.78 v 223.44 v 225.34 v 540.19 W 805.50 VA 595.65 VAR .67
17 23-10-2012 11:47:21 am 222.87 v 223.60 v 225.43 v 541.80 W 805.39 VA 595.59 VAR .67
18 23-10-2012 11:47:22 am 222.76 v 223.67 v 225.41 v 542.16 W 805.28 VA 595.33 VAR .67
19 23-10-2012 11:47:23 am 222.89 v 223.57 v 225.34 v 542.57 W 805.65 VA 594.98 VAR .67
20 23-10-2012 11:47:24 am 222.77 v 223.60 v 225.23 v 541.75 W 806.33 VA 594.88 VAR .67
Tabla 11.2.Datos obtenidos, segunda medición
(segunda parte)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
55
A pesar de que la capacidad del motor número 2 se considera mayor, el valor
del factor de potencia (cos ѳ=.67) se encuentra en el mismo rango, porque no
se aleja mucho del valor obtenido en el motor 1, un bajo factor de potencia
similar y con las mismas características, bajo y atrasado.
Consideramos que con estas dos mediciones es suficiente muestreo para
proceder a hacer la corrección del bajo factor de potencia identificado en
nuestra experimentación.
11.2-Corrección
Este apartado representa la base de nuestra investigación, todo el estudio se
reduce a que nuestro cálculo a continuación sea el correcto.
Para llevar a cabo la corrección del factor de potencia, calculamos la
capacidad de los capacitores que nos ayudarían a compensar los reactivos
generados en el motor 1.
Los datos arrojados son los siguientes:
=
=
Ecuación 11.1
VA
De acuerdo a los datos que recopilamos, utilizamos la misma fórmula pero
para un F.P. de 0.9
=
=
Ecuación 11.2
198.2+j95.88VA
Con la potencia aparente nueva y vieja se conseguirá la relación de VAR que
se necesita el capacitor para corregir hasta .09 el F.P.
= - = -j130 VAR Ecuación 11.3
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
56
Con la capacitancia ya deducida ahora calcularemos los faradios que tendrá el
banco de capacitores.
C=
=
= 7.1 µf Ecuación 11.4
Como el banco de capacitores trabaja con 300v y será alimentado con 220, la
relación del capacitor cambia tendremos que aumentar la capacitancia para
compensar esa relación:
Ecuación 11.5
Ahora también hacemos la corrección del factor de potencia, calculamos la
capacidad de los capacitores que nos ayudarán a compensar los reactivos
generados en el motor 2.
Los datos arrojados son los siguientes:
=
=
Ecuación 11.6
VA
De acuerdo a los datos que recopilamos, utilizamos la misma fórmula pero
para un F.P. de 0.9
=
=
Ecuación 11.7
598.7+j289.6 VA
Con la potencia aparente nueva y vieja se conseguirá la relación de VAR que
se necesita el capacitor para corregir hasta .09 el F.P.
= - = -j408.92 Ecuación 11.8
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
57
Con la capacitancia ya deducida ahora calcularemos los faradios que tendrá el
banco de capacitores.
C=
=
= 22.4 µf Ecuación 11.9
Como el banco de capacitores trabaja con 300v y será alimentado con 220, la
relación del capacitor cambia tendremos que aumentar la capacitancia para
compensar esa relación:
Ecuación 11.10
Antes de proceder a la corrección y haber conseguido los capacitores que
tuvieran el valor de capacitancia necesaria para corregir el bajo factor de
potencia en cada caso se anexa la manera de conectar los dispositivos.
A continuación la figura 11.9 lo muestra:
“Se recomienda tener mucha precaución al conectar los capacitores, ya que
estos dispositivos son muy peligros al estar cargados y además que puedan
ser conectados en delta de manera correcta.”
Figura 11.9-Capacitores
conectados en delta
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
58
La conexión de los capacitores a la fuente de alimentación para motores y de esa manera corregir el bajo factor de
potencia es la siguiente:
Figura 11.10-
Conexión para
medición del
factor de
potencia con
un motor
trifásico con
capacitores
conectados en
delta entre sí y
en paralelo con
la carga
(motor) -
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
59
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica con carga inductiva y banco de
capacitores
No. de lectura Fecha Hora Corriente L1 Corriente L2 Corriente L3 Voltaje
L1-N Voltaje
L2-N Voltaje
L3-N
1 23-10-2012 12:09:32 pm 1.46 A 1.42 A 1.45 A 125.32 v 127.12 v 123.33 v
2 23-10-2012 12:09:33 pm 1.46 A 1.42 A 1.46 A 125.73 v 126.80 v 124.5 v
3 23-10-2012 12:09:34 pm 1.46 A 1.42 A 1.45 A 126.12 v 127.13 v 123.9 v 4 23-10-2012 12:09:35 pm 1.46 A 1.42 A 1.45 A 125.32 v 128. 14 v 123,45 v
5 23-10-2012 12:09:36 pm 1.46 A 1.43 A 1.45 A 126.38 v 127.6 v 125.32 v
6 23-10-2012 12:09:37 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 124.90 v 125.69 v 124.79 v
7 23-10-2012 12:09:38 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 125.32 v 126.12 v 126.12 v
8 23-10-2012 12:09:39 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 125.69 v 128.22 v 127.3 v
9 23-10-2012 12:09:40 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 125.6 v 127.49 v 126.4 v
10 23-10-2012 12:09:41 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 126.38 v 127.4 v 123.56 v
11 23-10-2012 12:09:42 pm 1.45 A 1.42 A 1.44 A 125.32 v 127.6 v 124.67 v 12 23-10-2012 12:09:43 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 126.10 v 125.69 v 125.8 v
13 23-10-2012 12:09:44 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 126.10 v 126.12 v 127 v
14 23-10-2012 12:09:45 pm 1.45 A 1.42 A 1.45 A 126.10 v 125.69 v 126.74 v
15 23-10-2012 12:09:46 pm 1.45 A 1.42 A 1.44 A 125.97 v 126.12 v 126.12 v 16 23-10-2012 12:09:47 pm 1.45 A 1.42 A 1.44 A 125.32 v 125.40 v 127.3 v
17 23-10-2012 12:09:48 pm 1.45 A 1.41 A 1.44 A 126.38 v 127.6 v 126.4 v
18 23-10-2012 12:09:49 pm 1.45 A 1.41 A 1.44 A 125.32 v 125.69 v 123.56 v
19 23-10-2012 12:09:50 pm 1.45 A 1.41 A 1.44 A 125.32 v 126.12 v 124.67 v 20 23-10-2012 12:09:51 pm 1.45 A 1.41 A 1.44 A 125.32 v 125.99 v 125.89 v
Tabla 11.3-Datos obtenidos después de la
corrección del factor de potencia
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
60
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica con carga inductiva y banco de
capacitores (continuación tabla 11.3)
No. de lectura
Fecha Hora Voltaje L1-L2
Voltaje L2-L3
Voltaje L1-L3
Potencia activa-
Trifásica
Potencia aparente - Trifásica
Potencia reactiva - Trifásica
Factor de potencia –
Cos ѳ 1 23-10-2012 12:09:32 pm 222.48 v 224.05 v 221.43 v 510.81 W 549.50 VA 202.54 VAR .93
2 23-10-2012 12:09:33 pm 222.52 v 224.06 v 221.57 v 512.47 W 550.86 VA 202.04 VAR .93
3 23-10-2012 12:09:34 pm 222.52 v 224.13 v 221.60 v 507.27 W 545.66 VA 201.05 VAR .93
4 23-10-2012 12:09:35 pm 222.38 v 224.03 v 221.50 v 510.48 W 548.21 VA 199.86 VAR .93 5 23-10-2012 12:09:36 pm 222.50 v 224.19 v 221.63 v 511.07 W 548.82 VA 200.02 VAR .93
6 23-10-2012 12:09:37 pm 222.37 v 224.12 v 221.55 v 510.17 W 547.67 VA 199.17 VAR .93
7 23-10-2012 12:09:38 pm 222.43 v 224.17 v 221.72 v 510.97 W 548.31 VA 198.88 VAR .93
8 23-10-2012 12:09:39 pm 222.39 v 224.25 v 221.76 v 510.74 W 547.20 VA 196.39 VAR .93 9 23-10-2012 12:09:40 pm 222.39 v 224.20 v 221.76 v 511.15 W 547.92 VA 197.32 VAR .93
10 23-10-2012 12:09:41 pm 222.46 v 224.19 v 221.81 v 512.12 W 549.31 VA 198.67 VAR .93
11 23-10-2012 12:09:42 pm 222.38 v 224.00 v 221.65 v 510.81 W 546.96 VA 195.55 VAR .93
12 23-10-2012 12:09:43 pm 222.35 v 224.96 v 221.53 v 506.61 W 542.64 VA 194.42 VAR .93 13 23-10-2012 12:09:44 pm 222.48 v 224.03 v 221.56 v 510.95 W 546.72 VA 194.50 VAR .93
14 23-10-2012 12:09:45 pm 222.45 v 224.04 v 221.51 v 510.38 W 545.52 VA 192.62 VAR .93
15 23-10-2012 12:09:46 pm 222.44 v 224.12 v 221.60 v 510.43 W 545.01 VA 191.05 VAR .93
16 23-10-2012 12:09:47 pm 222.34 v 224.06 v 221.48 v 511.72 W 547.22 VA 193.87 VAR .93
17 23-10-2012 12:09:48 pm 222.34 v 224.05 v 221.49 v 511.10 W 546.11 VA 192.37 VAR .93
18 23-10-2012 12:09:49 pm 222.36 v 224.05 v 221.53 v 510.93 W 545.55 VA 191.24 VAR .93
19 23-10-2012 12:09:50 pm 222.41 v 224.06 v 221.54 v 510.77 W 545.28 VA 190.94 VAR .93
20 23-10-2012 12:09:51 pm 222.42 v 224.04 v 221.61 v 510.38 W 544.69 VA 190.26 VAR .93
Tabla 11.3-Datos obtenidos después de la
corrección del factor de potencia
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
61
La tabla 11.3 muestra valores al corregir los valores mostrados en la tabla 11.2
con mejoría, la capacitancia utilizada fue la obtenida de la ecuación 10.10 y
los valores mejorados son la corriente, la potencia aparente y la potencia
reactiva. Podemos decir que la corriente ha sido reducida en un 30% y la
potencia aparente y reactiva hasta un 70 % del valor obtenido en la medición
sin el banco de capacitores, notando así que los cálculos fueron hechos de una
manera correcta.
La tabla 11.4 también muestra valores con mejoría corrigiendo los obtenidos
en la tabla 10.1, pero en este caso la capacitancia utilizada fue la de al
ecuación 11.5 observando así que la corriente, la potencia aparente y reactiva
fueron reducidas de manera gratificante. Al igual que en la tabla 11.3 la
corriente fue reducida en un 30 % aproximadamente y la potencia aparente y
reactiva en un 70 % aproximadamente.
A continuación la imagen 11.11 y 11.12 muestran como fueron conectados los
capacitores tanto para la corrección del motor 1 como para la corrección del
motor 2.
Figura 11.11-Conexión de los
capacitores en delta
Figura 11.12-Conexión de los
capacitores en delta y en paralelo
con la carga (motor)
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
62
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica con carga inductiva No. de lectura
Fecha Hora Corriente L1 Corriente L2 Corriente L3 Voltaje
L1-N Voltaje
L2-N Voltaje
L3-N
1 16-10-2012 7:30 am 1.5 A 1.6 A 1.3 A 128 v 132 v 135 v
2 16-10-2012 7:32 am 1.5 A 1.6 A 1.3 A 127 v 133 v 135 v
3 16-10-2012 7:34 am 1.5 A 1.6 A 1.3 A 127 v 133 v 135 v
4 16-10-2012 7:36 am 1.5 A 1.6 A 1.5 A 128 v 133 v 135 v
5 16-10-2012 7:38 am 1.5 A 1.6 A 1.5 A 128 v 133 v 135 v
6 16-10-2012 7:40 am 1.5 A 1.6 A 1.3 A 128 v 133 v 134 v
7 16-10-2012 7:42 am 1.5 A 1.6 A 1.3 A 128 v 133 v 134 v
8 16-10-2012 7:44 am 1.5 A 1.5 A 1.3 A 128 v 133 v 135 v
9 16-10-2012 7:46 am 1.5 A 1.5 A 1.3 A 127 v 132 v 135 v
10 16-10-2012 7:48 am 1.5 A 1.5 A 1.5 A 129 v 132 v 135 v
11 16-10-2012 7:50 am 1.4 A 1.4 A 1.4 A 128 v 132 v 135 v
12 16-10-2012 7:52 am 1.4 A 1.4 A 1.4 A 128 v 133 v 134 v
Tabla 11.4-Datos obtenidos después de la
corrección del factor de potencia
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja tensión
63
Datos para el análisis en instalación de baja tensión de 220 v trifásica con carga inductiva (continuación
tabla 4)
No. de lectura
Fecha Hora Voltaje L1-L3
Voltaje L1-L2
Voltaje L2-L3
Potencia activa-
Trifásica
Potencia aparente - Trifásica
Potencia reactiva - Trifásica
Factor de potencia –
Cos ѳ
1 16-10-2012 7:30 am 223 v 226 v 223 v 198 W 211 VA 79.1 VAR .92
2 16-10-2012 7:32 am 223 v 226 v 223 v 197 W 210 VA 79.1 VAR .92
3 16-10-2012 7:34 am 223 v 226 v 223 v 198 W 210 VA 79.1 VAR .92
4 16-10-2012 7:36 am 224 v 226 v 224 v 198 W 210 VA 79.1 VAR .92
5 16-10-2012 7:38 am 223 v 226 v 223 v 198 W 210.5 VA 80 VAR .92
6 16-10-2012 7:40 am 223 v 226 v 224 v 198 W 210.2 VA 80.3 VAR .92
7 16-10-2012 7:42 am 222 v 225 v 223 v 198 W 210 VA 79.1 VAR .92
8 16-10-2012 7:44 am 223 v 226 v 223 v 197 W 211 VA 80 VAR .92
9 16-10-2012 7:46 am 223 v 226 v 223 v 197 W 211 VA 80 VAR .92
10 16-10-2012 7:48 am 223 v 225 v 223 v 198 W 211 VA 80 VAR .91
11 16-10-2012 7:50 am 223 v 226 v 223 v 198 W 211 VA 80 VAR .91
12 16-10-2012 7:52 am 222 v 226 v 223 v 198 W 211 VA 80 VAR .91
Tabla 11.4-Datos obtenidos después de la
corrección del factor de potencia
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
64
Caso de estudio
De acuerdo al recibo
mostrado a la derecha se
obtuvo la siguiente
información:
Compañía: COMAPA DE NUEVO
LAREDO, RIB RÍO
BRAVO JTO PTA TRAT
AGUAS
Período de facturación: 29-2-2009 a 31-3-2009
Carga conectada (kW):
1,042
Demanda contratada
(kW):
550
Factor de potencia:
0.81
Cargo Factor de potencia:
$13,892.18
Ahora después de obtener todas las mediciones antes y después de la
corrección del factor de potencia se puede calcular las ganancias se
mencionaron en el diseño experimental:
Imagen 11.13 – Recibo de energía eléctrica
con cargo de factor de potencia
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
65
Cálculo por penalización del bajo factor de potencia mostrado en la tabla 10.2:
Penalización (%)=
[
]
Penalización (%)=20.59%
Con un factor de potencia de 0.9
Penalización (%)=
[
]
Penalización (%)= 0%
Como aproximadamente el factor de potencia es igual para los dos motores los
cálculos que se hicieron sirven para los dos casos.
Teniendo estos resultados observamos que la penalización si el factor de
potencia se corrige a 0.9 es del 0%. A nivel industrial si el pago de energía
eléctrica es de $200,000 y se tuviera un cargo del 20% el pago ascendería a
$240,000 y corrigiendo el factor de potencia solo serian los $200,000 de renta.
Ahora teniendo el valor de las corrientes mostrado en la tabla 10.2 de 2.1 A
aproximadamente, teniendo la corrección mostrada en la tabla 6 se obtiene un
valor de corrientes de 1.4, llegando a la conclusión que el calibre de las líneas
te transmisión disminuirá y por ende el precio del conductor disminuiría
proporcionalmente.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
66
12-RESULTADOS Y CONCLUSIONES
De acuerdo a las mediciones tomadas a lo largo de aproximadamente 3
semanas, los equipos de medición arrojaron datos de acuerdo a la teoría, se
observó que al tener conectada una carga inductiva (motores trabajando) a la
fuente de alimentación ésta provocaría que nuestro factor de potencia fuera
bajo.
Como se explicó en el marco de referencia la potencia reactiva (energía
generada por el calentamiento en las bobinas de los motores) es la causante
del problema del bajo factor de potencia; entonces, después de obtener los
datos necesarios se procedió a hacer el calculo de cuanta potencia reactiva era
la que demandaba la carga y así también identificar de cuanta capacidad
deberían ser el banco de capacitores para hacer que fuera compensada esa
potencia.
Entonces al conectar los capacitores en paralelo con la fuente de
alimentación se procede a hacer nuevas mediciones y los resultados mostrados
fueron favorables para nuestro análisis, ya que, el bajo factor de potencia fue
corregido a 0.9, teniendo como conclusión que nuestros cálculos y demás
mediciones fueron las correctos para llevar a cabo la experimentación y
comprobar nuestra primera hipótesis.
Después de tener resultados positivos en la medición también
comprobamos la segunda hipótesis según el cálculo establecido para la
penalización (con un bajo factor de potencia) o bonificación (con un alto
factor de potencia), indicando que después de la corrección del factor de
potencia en la instalación respectiva se olvida de la penalización que la
compañía suministradora aplica por dicho problema y cobrando solo la tarifa
normal de renta.
De igual manera se pudo analizar que, al tener resultados favorables
respecto a tener un mejor factor de potencia, la potencia requerida en el
sistema era menor, por tanto, se puede decir que el transformador a utilizar en
la instalación sea de menor capacidad y por ende menor costo; no solo eso,
también, si la potencia disminuye, la carga (corriente) requerida también
disminuye, generando una ventaja en cuanto a la selección del diámetro del
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
67
conductor y así menos costo al realizar la instalaciones de las líneas de
transmisión en el sistema eléctrico al cual se esta monitoreando.
Al disminuir la carga (corriente) requerida hay una reducción de las
pérdidas en los conductores eléctricos del sistema, porque las perdidas de
potencia dependen de la resistencia del conductor y del cuadrado de la
corriente que lo atraviesa, entonces como el factor de potencia se ha elevado la
corriente es mas baja y así se tienen menos pérdidas.
Otro beneficio es tener una menor caída tensión entre fases (voltaje
concatenado), ya que cuando existe un bajo factor de potencia el ángulo de
desfasamiento entre la corriente y el voltaje es alto, provocando así que exista
una mayor caída de tensión y a medida que esto se corrige y el ángulo
disminuye casi llegando a 0, la caída de tensión es menor.
Según este estudio, procediendo a corregir el factor de potencia leído
podemos tener un ahorro de hasta un 30
Las observaciones que se pueden destacar es que al momento de hacer
la medición se observe como es que el dispositivo de medición debe de ir
conectado, ya que el mal procedimiento lleva a obtener resultados erróneos,
por eso es bueno también apoyarse con la teoría para verificar dichos
resultados.
También cabe aclarar que al realizar las mediciones, el experimentador
tiene que observar y estar consciente que para identificar el problema de bajo
factor de potencia tiene que existir una carga presente, lo que significa que
debe tener trabajando todos los elementos que el sistema eléctrico contenga. Si
es posible, se recomiendo hacer las mediciones mientras se trabaja o utiliza la
mayor cantidad de carga que el sistema pueda demandar.
Todo lo anterior se mostrará de manera gráfica y tabulada para la
comprensión del lector.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
68
Observar la tabla 13.1
Si corregimos el factor de potencia de una potencia total de 170kW con
un factor de potencia de 0.7 (se necesita un transformador de 250 kVA) a un
factor de potencia de 0.9 bastaría cambiar el transformador a 200 kVA que nos
reduciría un costo enorme a la hora de cotizarlo.
Observar la tabla 13.2
También si consideramos una carga que requiera una potencia de 170 kW con
un factor de potencia de 0.7, con un voltaje de 400 v, la corriente absorbida
será:
Tabla 13.1-Transformadores
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
69
Si se elige un cable unipolar de cobre aislado de EPR y tendido
horizontalmente en bandeja perforada, en condiciones normales, es necesario
utilizar un sección de 120 mm² .
Efectuando la corrección del factor de potencia a 0.9, la corriente necesaria
será:
Se reducirá la sección del cable a 70 mm² y por ende será menor el costo al
hacer la compra de las líneas eléctricas.
Tabla 13.2-
Diametros de
los
conductores
para
instalaciones
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
70
13-ANEXOS
13.1-ANEXO-1
Bibliografía:
1. ABB-Asea Brown Boveri, Sa, Cuadernillo de aplicaciones técnicas:
Corrección del factor de potencia y filtrado de armónicos en las instalaciones
eléctricas, pp. 3-20, Enero 2009.
2. CFE, Corrección del factor de potencia, única edición pp. 1-2, México,
2011.
3. Comisión Nacional para el Ahorro de la Energía, Información control de la
demanda, pp. 5-11 México, 2010.
4. ELSPEC, Capacitores en instalaciones eléctricas de baja tensión, pp. 1-4,
2006.
5. INELAP S.A de C.V. , Folleto-1-Factor de potencia-INELAP, pp. 1-18,
México, Enero del 2009.
6. J. D., Irwin, Basic Engineering Circuit Analysis, United States, Ed. Courier-
Kendalville, 2008.
7. J. M. Salgado Galicia, Número de documento: NRF-197-PEMEX-2008, pp.
6-8, Pemex, México, Mayo del 2008.
8. M. Early, J. Seehan y J. Caloggero, Código Electrónico Naciaonal-NEC-
1999 Massachusetts: Ed.One Batterymarch Park, pp. 55-60, 1999.
9. R. L. Boylestad, Introducción al análisis de circuitos, pp. 1248 México, Ed.
PEARSON EDUCACIÓN, 2005.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
71
10. Secretaría de energía, NOM-001-SEDE-2005, segunda edición, pp. 553-
555, lunes 13 de marzo del 2006.
11. SEMARNAT, Manual de Sistemas de Manejo Ambiental, segunda
edición, pp. 1-15, México, 2010.
12. Subsecretaría de Gestión Ambiental, Reglamento-PCB , pp. 1-13, México,
abril de 2005.
13. Universidad Nacional del Sur-Departamento de ingeniería eléctrica y de
computadoras,
Tipos de medición-Factor de potencia, pp. 1-3, México, 2003.
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
72
13.2-ANEXO 2
Cronograma:
Tabla 2.Cronograma
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
73
13.2-ANEXO 3
Presupuesto:
Egresos en Miles de Pesos MX
Material o Actividad Costos (Pesos MXN)
Honorarios de los investigadores 6,500
Amprobe 40,000
Libros 1,000
Viáticos 3000
Papelería 250
Asesorías 1000
Material Didáctico 1500
Laboratorio 4000
Mano de Obra (Hombre)
20000
Motor trifásico ½ HP
500
Motor trifásico 5 HP
5000
TOTAL
98,750
Ingresos en Miles de Pesos MX
Aportes de la Institución 66,500
Recursos Propios 32250
Total 98,750
Detección y corrección del bajo factor de potencia generado en instalaciones de baja
tensión
74
13.2-ANEXO 4-Manual de operación del Amprobe