Factor de potencia, mitigación armónica y sustentabilidad

En un sistema eléctrico de cualquier instalación moderna, ya sea comercial o industrial, existen diversos factores que intervienen en la calidad de la energía y los costos asociados. Éstos afectan la productividad, incrementan costos operativos y degradan o dañan equipo eléctrico y electrónico.

Factor de Potencia (FP) Distorsión armónica (THD) Existen dos parámetros relacionados que son de particular interés: Factor de Potencia (FP) Distorsión armónica (THD)

El Factor de potencia mide la eficiencia de un sistema. Un bajo factor de potencia genera mayores pérdidas, lo que requiere más generación de energía en kVA para efectuar el mismo trabajo útil en kW.

ESPUMA Cerveza (líquido) Analogía del Factor de Potencia Alto Factor de Potencia Bajo Factor de Potencia Cerveza (líquido) ESPUMA Toda la capacidad del tarro casi llena de cerveza líquida Se dispone de toda la capacidad del sistema Sólo una parte de la capacidad del tarro es ocupada con cerveza líquida El resto de la capacidad del sistema es desperdiciada (espuma)

Las armónicas son generadas principalmente por equipo que paradójicamente ahorra energía, o cuya tecnología está basada en componentes electrónicos. Cargas con electrónica de potencia como alumbrado eficiente, variadores de velocidad para motores, UPS, arrancadores suaves, computadoras y fotocopiadoras; dispositivos productores de arco eléctrico como soldadoras u hornos de inducción; y transformadores en saturación, entre otros, producen este problema. Y hace sentido contar con estas cargas, aplicando métodos para la mitigación y filtrado de dichas corrientes armónicas.

La corrección del Factor de Potencia y la mitigación de armónicas puede lograr ahorros importantes en las instalaciones eléctricas, como ha sido demostrado sobradamente en el caso del factor de potencia. En México ha sido implementado desde hace bastante tiempo. Es posible lograr ahorros típicos del 1% al 20% del total de la facturación.

¿Por qué mejorar el FP? Reduce costos en el consumo de energía Ahorra dinero en el recibo de luz Evita cargos por bajo factor de potencia y produce bonificaciones por parte de las cías suministradoras (LyF y CFE) Libera al sistema de capacidad en kVA Es posible operar más cargas con el mismo transformador Incrementa la eficiencia eléctrica del sistema Mejora la regulación y estabiliza la tensión de operación Reduce pérdidas y corrientes en las redes que disminuyen la temperatura de operación de los equipos y aumentan su vida útil

Toda la energía entregada en kVA es convertida en energía útil (kW) PARA FP = 1: 100 kW 133 kVA 88 kVAr FP = 100/133 = 75% ANTES 100 kW = 100 kVA 133 kVA 0 kVAr por cía suministradora 88 kVAr por capacitores FP = 100/100 = 100% DESPUÉS Toda la energía entregada en kVA es convertida en energía útil (kW)

¿Por qué mitigar armónicas? Las corrientes armónicas incrementan también la potencia total demandada en kVA a las fuentes suministradoras. El Factor de Potencia Total se reduce por la presencia de corrientes armónicas; por lo tanto, los costos de energía son aún mayores. Las armónicas incrementan las pérdidas del sistema y el pago por consumo de energía. Producen disturbios en las redes que dañan equipos y componentes eléctricos y electrónicos, pudiendo ocasionar paros de producción o de planta. Mayor Consumo De energía

Incrementando el FP y mitigando corrientes armónicas: Lo más cerca posible de la carga o cargas Menor corriente en dichos puntos Se obtienen beneficios hacia la fuente Mejora la calidad del voltaje de la instalación Aplicaciones menos complejas

Soluciones mitigación armónicas –Baja tensión Reactores de línea Filtros sintonizados Filtros de banda ancha Rectificadores multi-pulsos Filtros activos Soluciones mitigación armónicas –Baja tensión Filtro dinámico Filtro activo Reactor de línea Filtro sintonizado Filtro pasa-bajas Filtro automático

Aproximación tradicional Solución centralizada Combinación de corrección de FP con filtrado armónico Tendencia a reducir costos iniciales Mejora calidad de energía de instalación con mayores beneficios para compañías suministradoras

Caso de estudio Cliente: Planta manufacturas metálicas Capacidad nominal subestación: 1000 kVA Carga: 647 kW Factor de Potencia inicial (FP) = 0.84 THDI inicial = 22% Se instalaron filtros pasa-bajas (LPF) de diferentes capacidades en puntos seleccionados: Factor de Potencia objetivo (FP) = 0.98 THDI objetivo (final) = 5%

Beneficios obtenidos 33,200 kW-hr 55,800 kW-hr PARA SUMINISTRADORA: Energía total/mes generada antes: 444,000 kW-hr Energía total/mes generada después: 388,200 kW-hr AHORRO EN ENERGÍA TOTAL/MES GENERADA: 55,800 kW-hr PARA EL USUARIO: Energía total/mes consumida antes (sólo por pérdidas): 42,400 kW-hr Energía total/mes consumida después: 9,200 kW-hr REDUCCIÓN TOTAL DE PÉRDIDAS/MES: 33,200 kW-hr

Costo de energía = $0.06 USD/kW-hr:

Impacto ambiental en la generación de energía: Tons diarias 2.6 Tons 1.8 Tons

COMENTARIOS Y CONCLUSIONES: En cuanto a costos, la compañía suministradora ahorra $3,348 USD y el usuario ahorra $1,992 USD por concepto de reducción de pérdidas en cables y transformadores principalmente; el total de los ahorros es de $5,340 USD El tiempo de recuperación de la inversión inicial en los filtros pasa-bajas (low-pass filters, LPF) fue de 5 meses En la generación de energía eléctrica, la reducción en emisiones de CO2 es equivalente a que 180 automóviles compactos dejen de circular diariamente un promedio de 100 km cada uno Se mejoró la Calidad de Energía de toda la instalación y se libera de capacidad a las líneas, transformadores y dispositivos de la compañía suministradora Se incrementa la vida útil de los equipos y sistemas Se mejora la productividad ¡ Y se reduce el daño al medio ambiente !

¡Gracias! ¿Preguntas? Santiago Barcón GRUPO ARTECHE INELAP, S.A. DE C.V. CALLE 2 No. 7 NAUCALPAN, EDO. DE MÉXICO 53370 TEL. +52 (55) 30 98 59 20 FAX. +52 (55) 30 98 59 36 sbarcon@arteche.com.mx