Corrección de Potencia Reactiva Instalaciones Industriales 2006 Maximiliano Muñoz Lucía Orellano...

Corrección de Potencia Reactiva

Corrección de Potencia Reactiva

Instalaciones Industriales 2006Instalaciones Industriales 2006

Maximiliano Muñoz

Lucía Orellano

Maximiliano Muñoz

Lucía Orellano

Capacitores: generan energía reactiva de sentido inverso a la consumida en la instalación neutralizan el efecto de las pérdidas por campos magnéticos.

Reducen el consumo total de energía (activa + reactiva)

Todas las máquinas eléctricas alimentadas en corriente alterna utilizan dos tipos de energía: Energía ACTIVA [ kW] : transformada íntegramente en trabajo

o en calor. Energía REACTIVA[KVAr]: está asociada a los campos

magnéticos internos de los motores

y transformadores.

provoca sobrecarga sin producir un trabajo útil

neutralizarla o compensarla.

Instalaciones Industriales 2006Muñoz - Orellano

Naturaleza de la energía reactivaNaturaleza de la energía reactiva

S (kVA)

P (kW)

Q (kVAr)

S = Potencia aparenteP = Potencia activaQ = Potencia reactiva


Los consumidores de energía reactivaLos consumidores de energía reactiva

Los transformadores, en proporciones del 5 al 10% de Q En relación a P.Los transformadores, en proporciones del 5 al 10% de Q En relación a P.

Otros elementos, como las reactancias de las lámparas fluorescentes, o los convertidores estáticos (rectificadores).

Otros elementos, como las reactancias de las lámparas fluorescentes, o los convertidores estáticos (rectificadores).

Los motores asíncronosLos motores asíncronos: en proporciones del 65 al 75% de Q a P.Los motores asíncronosLos motores asíncronos: en proporciones del 65 al 75% de Q a P.


El factor de potenciaEl factor de potencia

P = potencia activa (W)

S = potencia aparente (VA)

F = factor de potencia (cos .)

P = potencia activa (W)

S = potencia aparente (VA)

F = factor de potencia (cos .)

El factor de potencia de una instalación es el cociente de la potencia activa P (W) consumida por la instalación, en relación a la potencia aparente S (VA) suministrada para esta potencia activa.

Un factor de potencia próximo a 1 indica que la potencia absorbida de la red se transforma prácticamente en trabajo y pérdidas por calentamiento, optimizando el consumo.


Representación gráficaRepresentación gráfica

P (KW)

Q (KVA)

S (KVA)

A partir de potenciasA partir de potencias A partir de intensidadesA partir de intensidades

Ir

It

It = corriente total que circula por los conductores.

Ia = corriente activa.

Ir = corriente reactiva necesaria para la

excitación magnética de los receptores.

It = corriente total que circula por los conductores.

Ia = corriente activa.

Ir = corriente reactiva necesaria para la

excitación magnética de los receptores.

Ejemplo: La reducción de pérdidas en un transformador de 630 kVA Pcu = 6500 W al pasar de cos inicial = 0,7 a un cos final = 0,98 será:


Reducción de los recargos

Reducción de las caídas de tensión

Reducción de la sección de los conductores

Reducción de la sección resultante de una mejora del cos transportando la misma potencia activa.

Aumento de la potencia disponible en la instalación sin ampliar equipos

Disminución de las pérdidas por efecto Joule

cos Factor reducción

1 40%

0,8 50%

0,6 67%

0,4 100%

Pcu final = cos2 inicial

Pcu inicial cos2 final

6500 x (1-(0,7/0,98)2)= 3184 W

Ventajas de la compensaciónVentajas de la compensación


¿Cómo compensar una instalación?¿Cómo compensar una instalación?

Mejorar el factor de potencia de una instalación consiste en instalar un condensador al lado del consumidor de energía reactiva.

La instalación de una batería de condensadores de potencia Qc

disminuye la cantidad de energía reactiva suministrada por la red.

Instalaciones Industriales 2006Instalaciones Industriales 2006Muñoz - OrellanoMuñoz - Orellano

EjemploEjemplo: : Instalación Instalación sinsin condensador condensadorEjemploEjemplo: : Instalación Instalación sinsin condensador condensador

Característica de la instalación: 500 kW, cos = 0,75 El transformador está sobrecargado

La potencia en kVA es superior a las necesidades en kW

kVA = kW + kVAr cos = 0,75El interruptor automático y los cables son elegidos para una corriente

total de 963 A.

Las pérdidas en los cables en función del cuadrado de la corriente: (963)2 , P= R.I2

Los kVAr en exceso son facturados.La energía reactiva está suministrada por el transformador y es

transportada por la instalación. El interruptor automático y la instalación están sobredimensionados.

S = P = 500 = 666 kVA cos 0,75

I = P = 960 A U √3 cos

cos Factor reducción

1 100%

0,8 90%

0,6 80%

0,4 60%

Aumento de la potencia que puede suministrar un

transformador corrigiendo a cos = 1.

Característica de la instalación: 500 kW, cos = 0,928 Queda disponible un 12 % más de potencia

El interruptor automático y los cables son elegidos para corriente de 779 A.

Las pérdidas en los cables son función del cuadrado de la corriente: (779)2 , P= R.I2

• El consumo se acota a los kVA deseados• Quedan suprimidas las penalizaciones• Contrato de potencia acorde con la demanda real kW

KVA = kW + kVAr cos = 0,928La energía reactiva es suministrada mediante batería de condensadores

– Potencia de la batería: 240 kVAr– Tipo: Rectimat con 4 escalones de 60 kVAr y regulación

automática en función de la carga.


S = P = 500 = 539 kVA cos 0,928

I = P = 779 A U √3 cos

EjemploEjemplo: : Instalación Instalación con con condensadorcondensadorEjemploEjemplo: : Instalación Instalación con con condensadorcondensador


Cálculo de la potencia reactivaCálculo de la potencia reactiva

De batería y condensadores

Por tablaPor tablaEs necesario conocer:

• La potencia activa consumida en kW• El cos inicial• El cos deseado

A partir de la potencia en kW y del cos de la instalaciónLa tabla nos da, en función del cos y de la instalación antes y después de la compensación, un coeficiente a multiplicar por la potencia activa para encontrar la potencia de la batería de condensadores a instalar

Ejemplo: Se desea calcular la potencia de la batería de condensadores necesaria para compensar el factor de potencia de una instalación que consume una potencia activa P=500kW desde un cos inicial = 0,75 hasta un cos final = 0,95 Consultando la tabla obtenemos un coeficiente c = 0,553 Entonces la potencia de la batería será Q = P x C = 500 x 0,553 = 277 kVAr

cos deseado 0,95

cos inicial

0,75 0,533 [ kVAR

] kW



Método simplificadoMétodo simplificado

Consiste en considerar que el cos de una instalación es en promedio de 0.8 sin compensación. Se considea que hay que subirlo a 0.93 por lo tanto, del cuadro anterior Es necesario proporcionar 0.335 KVAR por KW de carga.

Q(KVAR) = 0.355 P(KW)Q(KVAR) = 0.355 P(KW) Valor aproximadoValor aproximado

Método basado en el cálculo de potenciasMétodo basado en el cálculo de potencias

Datos conocidos:

Potencia activa (kW), cos inicial, cos deseado.

Q(KVAR) = Potencia activa (KW) x (tg inicial- tg deseada)Q(KVAR) = Potencia activa (KW) x (tg inicial- tg deseada)



A partir del balance de potencia reactivaA partir del balance de potencia reactivaETAPA 1: Establecer una lista de receptores de la instalación.ETAPA 2: Determinar el factor de utilización máxima (ku) y el factor de

simultaneidad (ks)•Factor de utilización máxima (ku): Para cada receptor.

Promedio: 0.75, Alumbrado y calefacción: 1Tomas depende de destino.

•Factor de simultaneidad (ks):Equipos industriales o terciarios KSAlumbrado 1Ventilación 1Acondicionamiento del aire 1Hornos 1Tomas de corriente (caso en que n tomas están sobre el mismo circuito) 0.1+ 0.9 nMaquinas- Herramientas 0.75Compresores 0.75

Aplicar a la potencia activa de cada receptor el factor de utilizacion ku. Se deducirá la potencia reactiva Q a partir de P y del cos . Q=P tan .



ETAPA 3Para obtener las potencias de utilización máxima activa y reactiva en un juego de barras:

Sumar las potencias activas de todos los receptores conectados al juego de barras.

Sumar las potencias reactivas de todos los receptores conectados al juego de barras.

Multiplicar el factor de smultaneidad ks del tablero general de división los valores obtenidos anteriormente.

ETAPA 4

ETAPA 5

Hacer el mismo balance de potencias para los juegos de barras que se encuentran en el mismo nivel de tensión.

Reiterar desde el principio para un nivel de tensión superior.



UtilizaciónPotencia

absorvida (kW)

kuPotencia

utilización máx. (kW)

ksPotencia de utilización

(kW) ks

Potencia de utilización

(kW) ks

Potencia de utilización

(kW)

torno 5 0.8 4torno 5 0.8 4torno 5 0.8 4torno 5 0.8 4agujereadora 2 0.8 1.6agujereadora 2 0.8 1.65 tomas 10/16 A 18 1 18 0.2 3.630 fluorescente 3 1 3 1 3compresor 15 0.8 12 1 123 tomas 10/16 A 10.6 1 10.6 0.4 4.310 fluorescente 1 1 1 1 1

venilador 2.5 1 2.5 35ventilador 2.5 1 2.5hornos 15 1 15hornos 15 1 155 tomas 10/16 A 18 1 18 0.28 520 fluorescente 2 1 2 1 2

14.4 Tablero taller A

0.9

Tablero taller B

0.9

Tablero taller C

0.9

58

Taller A

Taller B

Taller C

18.9

15.6

37.8

Tablero general

0.8

Caja de división 0.75

Caja de división 1

Ejemplo de estimación de potencias


Recibo de la compañía eléctricaRecibo de la compañía eléctrica

El cálculo de potencia a través del recibo es solamente un método aproximado pero muy práctico para el cálculo de baterías. Generalmente proporciona resultados aceptables, pero en el caso que existan regímenes de funcionamiento muy dispares o no se conozcan las horas de funcionamiento, los resultados pueden ser insatisfactorios

EDEARG S.A. INDUSTRIA XXXXXXX

Fechas medición: 27-06-06 / 27-07-06

Potencia contratada Consumo Unid. Pr. Unit. Total

Punta 111.0 kW 7.99000 886.89

Fuera de punta 203.00 kW 5.02000 1019.06

Energía Consumida

Resto 41350.00 kWh 91571.30

Valle 2530.00 kWh 0.03800 3.61

Punta 3850.00 kWh 0.03700 196.35

Reactiva 64000.00 kWh 0.05100 2012.61

Subtotal 5779.82

Impuestos 3396.60

TOTAL 9176.41

Energía activa totalEA= E Resto + E Valle + E PuntaEA= 47730 kW hora

Energía reactivaER= 64000 kVAr hora

Calculamos Tg tg = 64000 = 1,33 47730

Calculamos el valor de reactiva necesario

Q= EA (tg actual - tg T deseado) donde T= cantidad de horas de trabajo en el período de medición.


En este caso, las horas trabajadas son 18 por día los días de semana:T= 18hs x 22díasT= 396 horasPara obtener la tan a partir del cos utilizamos la tabla:

Q = 47730 (1,33 - 0,33) Q= 121 kVAr Necesitaremos instalar 120 kVAr. 396

cos tan

0,6 1,33

0,95 0,33

Debemos, a continuación, determinar el tipo de compensación (global, parcial, individual o mixta), y el modo de realizarla (compensación fija o automática).

Recibo de la compañía eléctricaRecibo de la compañía eléctrica


¿Con qué compensar?Condensadores fijos

¿Con qué compensar?Condensadores fijos

PPotencia unitaria otencia unitaria fija y constantefija y constante..

Instalación:

Manual: mando por interruptor automático.

Semiautomático: mando por medio de contactor.

Directo: conectado a los bornes de un receptor..

Utilizados en:En bornes de una carga de tipo inductiva (motores, transformadores, reactancias...).Sobre un embarrado que alimenta diversas cargas inductivas y en el que una compensación individual sería demasiado costosa.Es recomendable en aquellas instalaciones en las que la potencia reactiva a compensar no supere el 15% de la potencia nominal del transformador (Sn).


Permiten la adaptación automática de la potencia

reactiva suministrada por los condensadores, en función de la potencia reactiva solicitada en cada momento para ajustar el sistema a un factor de potencia prefijado.

Utilizados cuando: La potencia reactiva consumida o la actiava varían en proporciones importantes.

Ej: Barras de tableros generales.

Salidas importantes. Es recomendable en las instalaciones donde la potencia reactiva a compensar supere el 15% de la potencia nominal del transfomador (Sn).

¿Con qué compensar?Baterías de condensadores

¿Con qué compensar?Baterías de condensadores


Elección entre condensadores fijos o baterías de regulación automática

Elección entre condensadores fijos o baterías de regulación automática

Regla general:

Si la potencia de los condensadores (KVAR) < al 15% Potencia del transformador Condensadores fijos

Si la potencia de los condensadores (KVAR) > al 15% Potencia del transformador Batería de condensadores con regulación automática


¿Cómo compensar?¿Cómo compensar?

La compensación puede ser:

Global.

Por sectores.

Individual.

La compensación puede ser:

Global.

Por sectores.

Individual.


Compensación globalCompensación global

Nº1En las salidas BT (TGBT)

Ventajas• Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva.• Ajusta la necesidad real de la instalación kW al contrato de la potencia aparente (S en kWA).• Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kW).

•Disminuye la potencia aparente acercándola a la potencia activa.

•Optimiza el rendimiento del transformador de suministro.

ObservacionesLa corriente reactiva (Ir) circula por toda la instalación. Las pérdidas por efecto de Joule en cables no quedan disminuídas (kWh).

La batería es conectada en la cabecera de la instalación.

Si la carga es estable y continua.Si la carga es estable y continua.


Compensación parcialCompensación parcial

Nº2 A la entrada de cada taller

Ventajas• Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva.• Optimiza una parte de la instalación, la corriente reactiva no se transporta entre los niveles 1 y 2 Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kW).Observaciones La corriente reactiva (Ir) está presente en la instalación desde el nivel 2 hasta los receptores. Las pérdidas por calentamiento (Joule) se mantienen a partir del nivel 2 y no

permite una reducción del dimensionamiento de la instalación

Cuando la distribución de cargas es muy desequilibrada y de un cuadro de distribución depende una carga importante.

Instalaciones amplias con talleres cuyos regímnes de carga son distintos.


Compensación individualCompensación individual

Nº3 En los bornes de cada receptor de tipo inductivo

Ventajas Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de energía reactiva. Optimiza toda la instalación eléctrica. La corriente reactiva Ir se abastece en el mismo lugar de consumo. Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kW).

ObservacionesLa corriente reactiva no está presente en los cables de la instalación. Las pérdidas por efecto Joule en los cables se suprimen totalmente (kWh).


Compensación en los bornes de untransformador

Compensación en los bornes de untransformador

La potencia activa disponible en el secundario de un transformador es mayor a medida que el factor de potencia se acerque al máximo cos .

En algunos casos, corregir el factor de potencia, evita el cambio de tranformadores.

Compensación para aumentar la potencia disponibleCompensación para aumentar la potencia disponible

Compensación de la energía reactiva absorbida por el transformador.Compensación de la energía reactiva absorbida por el transformador.

Transformadores Requieren energía reactiva para su funcionamiento.

Conectado por largos períodos de tiempo

Impacto EconómicoImpacto

Económico

Compensación por condensadores fijos en los bornesCompensación por condensadores fijos en los bornes


Compensación a los bornes de un motorasíncrono

Compensación a los bornes de un motorasíncrono

La compensación individual se ha de considerar, sobre todo, cuando la potencia del motor es importante en relación a la potencia total de la instalación.

Conexión

La batería se puede conectar a los bornes del motor.

Arranque

la batería de condensadores no debe ser puesta en servicio hasta que termine el proceso de arranque.

Disminuye la intensidad después de la compensación en la relación:


Cómo evitar la autoexcitación de los motores asíncronos

Cómo evitar la autoexcitación de los motores asíncronos

Si un motor arrastra una carga con gran inercia (volante), puede suceder que después de un corte de la alimentación siga girando por la fuerza de la energía cinética y utilice la energía de la batería de condensadores para autoexcitarse y trabajar como un generador asíncrono.

Para evitar este fenómeno, debemos asegurarnos que la potencia de la batería de condensadores es inferior a la autoexcitación propia del motor, asegurándonos que:

Qc de tablas entrando con la potencia del motor y RPM


Dimensionado de una batería de condensadores

en presencia de armónicos

Dimensionado de una batería de condensadores

en presencia de armónicos

Las cargas no lineales tienden a crear armónicos

Los condensadores, en particular, son muy sensibles a los armónicos por el hecho de que su impedancia decrece en función de la frecuencia del armónico, facilitando puntos de perforación.

Convertidores

Los equipos con reactancias saturadas

Equipos de soldadura

Hornos de arco

Si: Conexión a la red del condensador está próxima a un generador de armónicos, puede producirse una oscilación que entre en resonancia, amplificando así la oscilación.

Corriente resultante calienta excesivamente al condensador y puede producir perforaciones en el mismo.

Circuitos de electrónica de potencia

Variadores de velocidad

Rectificadores estáticos


Soluciones posiblesSoluciones posibles

La presencia de armónicos produce un aumento de la intensidad en el condensador.

Por ello todos los elementos en serie (aparatos y conductores) serán dimensionados de 1,3 a 1,5 veces la intensidad nominal del circuito.

Contra los fenómenos de resonancia

La presencia de un condensador, puede provocar una amplificación del armónico.

Contra los efectos de los armónicos

Scc = potencia de cortocircuito de la red en kVA.

Q = potencia de la batería de condensadores en kVAr.

Para reducir este fenómeno podemos utilizar:Condensadores sobredimensionados dieléctricamente (en tensión)Bobinas (self), antiarmónicos, conectadas en serie con los condensadores y sintonizadas a 190 Hz para redes de 50 Hz y a 228 Hz para redes de 60 Hz.


Elección de las solucionesElección de las soluciones

Elementos a tener en cuenta:R (Gh): la potencia en kVA de todos los generadores de armónicos.

Sn: potencia del o de los transformadores aguas arriba (en kVA).

Scc: potencia de cortocircuito real (KVA) de la red.



Ejemplo 1:

Potencia nominal del transformador = 500 kVA.

Tensión de cortocircuito (transformador) = 4%.

Suma de potencias creadoras de armónicos . R = 50 kVA.

Scc = 500 · 100= 12.500 kVA 4Scc= 12.500 = 104 120 120

R = 50 < Scc 120

Solución: utilizar condensadores estándar. Tabla



Ejemplo 2:

Potencia nominal del transformador = 1.000 kVA.


Suma de potencias creadoras de armónicos R = 250 kVA.

Scc = 1000 · 100= 25000 kVA 4

Scc= 25.000= 208120 120

Scc= 25.000= 35770 70

R = 250 comprendido entre Scc y Scc 120 70

Solución: utilizar condensadores sobredimensionados a (440 V).

Tabla



Ejemplo 3:

Potencia nominal del transformador = 630 kVA.


Suma de potencias creadoras de armónicos R = 250 kVA.

0.25 Sn < R = 0.4 Sn < 0.6 Sn

Solución: Utilizar inductancias anti- armónicos. En este caso los condensadores serán sobredimenconados (440 V).

R = 0.4Sn

Tabla


Condensadores secosCondensadores secos

El sistema HQ consta de:

– Una membrana de sobrepresión que protege frente a intensidades de defecto pequeñas.

– Un fusible interno de alto poder de ruptura que, coordinado con la membrana, protege frente a intensidades de defecto elevadas cada uno de los elementos capacitivos monofásicos que componen un condensador trifásico.

Fusible de alto poder de corteResistencia de descargaMembrana de sobrepresión

Están realizados a partir de elementos capacitivos cuyas caracteristicas principales son las siguientes:

– Tipo seco (sin impregnantes)

– Dieléctrico: film de propileno metalizado

– Protección sistema HQ

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