Corrección del Factor de Potencia Instalaciones Industriales Corrección del Factor de Potencia Integrantes: Ferrante, Bruno Mendoza, Martín Morcela, Antonio Mulinetti, Nicolás Valla, Mateo Año 2008

Introducción Cualquier máquina eléctrica alimentada con corriente alterna consume dos tipos de energía: Energía Activa: corresponde a la potencia activa P (kW) medida en kWh. Se transforma íntegramente en energía mecánica (trabajo) y calor (pérdidas). Energía Reactiva: corresponde a la potencia reactiva Q (VAR) medida en kVARh. Es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos como los motores y transformadores. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo útil.

Energía aparente: corresponde a la potencia aparente S (VA) medida en VAh. La red de distribución suministra energía aparente, la cual se compone vectorialmente de la energía activa y la reactiva. Factor de potencia: se define como el cociente entre la potencia activa y la potencia aparente, o bien, como el coseno del ángulo que forman los fasores de las mismas. El factor de potencia es un termino utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se convierte en trabajo. El valor ideal del factor de potencia es 1, indicando que toda la energía consumida por los equipos ha sido transformada en trabajo y perdidas por calor.

CONSUMO DE ENERGÍA REACTIVA En la práctica los circuitos no pueden ser puramente resistivos ni reactivos, observándose desfases, más o menos significativos, entre las formas de onda de la corriente y el voltaje. Así, si el f.d.p. está cercano a la unidad, se dirá que es un circuito fuertemente resistivo por lo que su f.d.p. es alto, mientras que si está cercano a cero que es fuertemente reactivo y su f.d.p. es bajo. Cuando el circuito sea de carácter inductivo, caso más común industrialmente, se hablará de un f.d.p. en retraso, mientras que se dice en adelanto cuando lo es de carácter capacitivo.

CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA Mejorar el factor de potencia consiste en instalar condensadores en la instalación para llevar el factor de potencia, cosφ, lo mas próximo a la unidad. Los condensadores mejoran el factor de potencia debido a que sus efectos son exactamente opuestos a los de las cargas reactivas inductivas, eliminando así el efecto de ellas. La corriente que circula por un condensador está adelantada cerca de los 90 º respecto a la tensión aplicada en sus bornes. De este modo compensa el efecto provocado por las bobinas o elementos que generan campos magnéticos cuya intensidad está retrasada respecto a la tensión y por lo tanto mejora el factor de potencia.

DESVENTAJAS DE UN FACTOR DE POTENCIA BAJO Para el suscriptor: -Aumento de la intensidad de la corriente. -Aumento en la sección de los conductores. Puesto que la sección de los conductores depende de la intensidad de la red y esta es inversamente proporcional al cosφ nos lleva a que a menor cosφ mayor sección. -Aumento de la temperatura de los conductores (por efecto Joule) y por ende disminución de la vida de su aislamiento. -Pérdidas en los conductores y altas caídas de tensión. -Aumento en la facturación del consumo de energía eléctrica. Para la compañía generadora de la energía eléctrica: -Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor. -Mayores capacidades en líneas de transporte y transformadores para el transporte y transformación de esa energía eléctrica. -Caídas y baja regulación de voltajes, los cuales pueden afectar la estabilidad de la red eléctrica.

Locación de los condensadores ¿DÓNDE COMPENSAR? Locación de los condensadores Compensación ideal: producir E reactiva en el lugar donde se consume y en la cantidad demandada. Compensación global. Compensación parcial. Compensación individual. Criterios técnicos-económicos determinan su elección.

COMPENSACIÓN GLOBAL La batería está conectada en la cabecera de la instalación. Conviene cuando la carga es estable. M 1 2 3 Ventajas: - Disminuye S en función de la necesidad de P de la instalación. - Elimina las penalizaciones por consumo excesivo. Desventajas: - La I reactiva está presente de 1 a 3. - No se disminuye las pérdidas por efecto Joule y el dimensionamiento de los cables aguas abajo.

COMPENSACIÓN PARCIAL La batería suministra E reactiva a cada taller o grupo de receptores. Conviene cuando la instalación es amplia y cada taller tiene regímenes de carga distintos. M 1 2 3 Ventajas: - Optimiza parte de la red ya que no circula I reactiva entre los niveles 1 y 2. Desventajas: - Efecto Joule y sobredimensionamiento del cableado entre 2 y 3. - Existe riesgo de sobrecompensación como consecuencia de variaciones de cargas importantes (Se elimina con un sistema de compensación automática)

COMPENSACIÓN INDIVIDUAL La batería está conectada a los bornes de cada receptor. Se justifica cuando la potencia del receptor es importante en relación a la potencia total. La Q de la batería de ser aprox. 25% de la P del motor. M 1 2 3 Ventajas: - Reduce el dimensionamiento de los cables y las pérdidas por efecto Joule. - Produce E reactiva en el lugar donde se consume y en la cantidad demandada. Observaciones: - Evaluar los costos.

DETERMINACIÓN DEL NIVEL DE COMPENSACIÓN DE ENERGÍA REACTIVA Se puede determinar a través de cuatro métodos: Método simplificado Método basado en el cálculo de potencia A partir del balance de potencia reactiva Método basado en los datos del recibo de electricidad

Q (VAR) = P (KW) x 8 tg φ inicial - tg φ deseado) Método simplificado Consiste en considerar que el cos φ de una instalación es un promedio de 0.8 sin compensación. Se considera que hay que subirlo a 0.93, por lo que mediante valores tabulados se necesita 0.335 KVAR por cada KW de carga. Q (VAR) = 0.355 x P (KW) Método basado en el calculo de potencias Datos conocidos: Potencia activa (KW), cos φ inicial y cos φ deseado Q (VAR) = P (KW) x 8 tg φ inicial - tg φ deseado)

Método a partir del balance de potencia reactiva ETAPA 1: Establecer una lista de receptores de la instalacion. ETAPA 2: Determinar el factor de utilización máxima (ku) y el factor e simultaneidad (ks) para determinar las potencias de utilización máxima. ku: aparece porque la potencia utilizada de un receptor puede ser inferior a la nominal. Para cada receptor se toma: -Promedio= 0.75 -Alumbrado y calefacción= 1 -Toma corrientes= depende del destino ks: aparece porque no todos los receptores funcionan simultáneamente Equipos Ks Alumbrado 1 Ventilación Acondicionamiento de aire Hornos Tomas corriente (caso en que “n” tomas esten sobre el mismo circuito 0.1 + 0.9 n Máquinas – Herramientas 0.75 Compresores

Se aplica a la potencia activa de cada receptor el factor ku Se aplica a la potencia activa de cada receptor el factor ku. Se calcula Q a partir de : Q = P tan φ ; Q = S sin φ ETAPA 3: Establecer 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. IDEM para las potencias reactivas. Multiplicar por ks del tablero general de división los valores obtenidos. ETAPA 4: Hacer el mismo balance de potencia para los juegos de barras que se encuentran en el mismo nivel de tensión. ETAPA 5: reiterar desde 1 para un nivel de tensión superior.

Método basado en los datos del recibo de electricidad A partir del recibo de electricidad de la instalación se obtienen: Período del recibo Consumo de energía activa (Ea) [KW-h] Consumo de energía reactiva (Er) [KWAR-h] A partir de la instalación: Calculo de horas efectivas de funcionamiento al mes (T) (período recibo*horas efectivas de funcionamiento) Luego se calcula: tg φ = Er / Ea (se obtiene tg φ inicial en consecuencia el φ) Se obtiene la tan φ deseado a partir del cos φ deseado A partir de los tg φ inicial y deseado calculamos el valor de reactiva necesario Q = (Ea / T) * (tg φ inicial – tg φ deseado)

Tipos de compensación Condensadores fijos: Tiene una potencia unitaria constante. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado y su forma. Su conexión puede ser: Manual: mando por interruptor automático. Semi-automática: mando por medio del contactor. Directa: conectada a los bornes de un receptor Se utilizan: En los bornes de los receptores inductivos (motores, transformadores, reactancias, etc). En la barra donde estén muchos pequeños motores cuya compensación individual sea costosa. Cuando la fluctuación de carga es poco importante. Conviene cuando la potencia de los condensadores en KVAr < 15% de la potencia nominal (Sn) del transformador.

Tipos de compensación Baterías de condensadores de regulación automática Son mas frecuentes y permite la adaptación automática de la potencia reactiva suministrada por la batería de condensadores en función de un cos φ deseado. Se utilizan donde la potencian reactiva consumida y la potencia activa varían en proporciones importantes: En barras de los tableros generales de baja tensión. Para salidas importantes. Conviene cuando la potencia de los condensadores en KVAr > 15% de la potencia del transformador

Ejemplo: Instalación sin 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  = 0,75 El 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 

Ejemplo: Instalación con condensador 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 = 0,928 La energía reactiva es suministrada mediante batería de condensadores Potencia de la batería: 240 kVAr S = P = 500 = 539 kVA cos  0,928 I = P = 779 A U √3 cos 

Cálculo de la potencia reactiva De batería y condensadores Por tabla Es 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 instalación La 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

Cálculo de la potencia reactiva Método simplificado Consiste en considerar que el cos  de una instalación es en promedio de 0.8 sin compensación. Se considera que hay que subirlo a 0.93 por lo visto anteriormente  Es necesario proporcionar 0.335 KVAR por KW de carga. USO de Tabla Método 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)

Cálculo por bce. de la potencia reactiva Ejemplo de estimación de potencias

Recibo 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 EDEA S.A. INDUSTRIA XXXXXXX Fechas medición: 27-06-08 / 27-07-08 Potencia contratada Consumo Unid. Pr. Unit. Total Punta 111.0 kW 7.99000 886.89 Fuera de punta 203.00 5.02000 1019.06 Energía Consumida Resto 41350.00 kWh 91571.30 Valle 2530.00 0.03800 3.61 3850.00 0.03700 196.35 Reactiva 64000.00 0.05100 2012.61 Subtotal 5779.82 Impuestos 3396.60 TOTAL 9176.41 Energía activa total EA= E Resto + E Valle + E Punta EA= 47730 kW hora Energía reactiva ER= 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.

Recibo de la compañía eléctrica En este caso, las horas trabajadas son 18 por día los días de semana: T= 18hs x 22días T= 396 horas Para obtener la tan  a partir del cos  utilizamos la tabla: Q = 47730 (1,33 - 0,33) Q= 121 kVAr 396 Necesitaremos instalar 120 kVAr. Debemos, a continuación, determinar el tipo de compensación (global, parcial, individual o mixta), y el modo de realizarla (compensación fija o automática).

Elección de las soluciones Cuando hay generación de Armónicos 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.