Power Point Factor De Potencia

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Exposición oral 2009: Factor de Potencia

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Power Point Factor De Potencia

  1. 1. Problemas, Compensación y sus Beneficios Integrantes del Grupo González Trigo Matías Massano Ricardo Herrero Gustavo Blanco Leonardo Caparros Pablo
  2. 2. Introducción En el consumo de electricidad por parte de un usuario están implicadas la potencia activa (kW), la potencia reactiva (kVAr) y la suma vectorial de estas dos denominada potencia aparente. S (kVA) Q (kVAr) P (kW) S = Potencia aparente P = Potencia activa Q = Potencia reactiva
  3. 3. Potencia Activa  Es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo, la que se convierte en potencia útil en el eje del motor, la que se transforma en calor, etc. Es la potencia realmente consumida por el usuario y por lo tanto paga por el uso de la misma.  Su fórmula de cálculo es: P = 3 x U x I x cosφ  Su unidad de medida es: Watts [W]
  4. 4. Potencia Reactiva  Es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos como los motores y transformadores, la cual se intercambia con la red eléctrica sin significar un consumo de potencia útil o activa.  Su fórmula de cálculo es: P = 3 x U x I x senφ  Su unidad de medida es: Volt-Amper Reactivo [VAr]
  5. 5. Potencia Aparente  Es la que determina la prestación en corriente de un transformador y resulta de considerar la tensión aplicada al consumo por la corriente que éste demanda. Es la suma geométrica de las potencias activa y reactiva.  Su fórmula de cálculo es: P = 3 x U x I  Su unidad de medida es: Volt-Amper [VA]
  6. 6. Factor de Potencia  Las tres potencias pueden representarse como lo indica la siguiente figura:  Se denomina factor de potencia a la relación entre potencia activa y potencia aparente: P = potencia activa (W) Q = potencia reactiva (VAr) f = factor de potencia (cosφ )
  7. 7. Factor de potencia  Indica el aprovechamiento de la energía eléctrica y puede tomar valores entre 0 y 1.  Por ejemplo, si el Factor de Potencia es 0,8 indica que del total de la energía abastecida por la Distribuidora sólo el 80 % de la energía es utilizada por el Cliente mientras que el 20 % restante es energía que se desaprovecha.
  8. 8. El bajo factor de potencia Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de: o Un gran número de motores. o Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado. o Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria. o Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.
  9. 9. Problemas generados al usuario:  Aumento de la intensidad de corriente.  Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión.  Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil y reducción de la capacidad de conducción de los conductores.  La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su aislamiento.  Multas y Recargos en las facturas.  Necesidad de utilizar cables de mayor calibre.
  10. 10. Problemas para la empresa distribuidora de energía:  Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional.  Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva.  Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica.
  11. 11. Efectos del factor de potencia en circuitos eléctricos:  Corriente entregada por el operador de red = 180 A.  Corriente que circula por la parte resistiva de la carga = 120 A.  Se esta entregando una corriente adicional de 60 A.
  12. 12. Efectos del factor de potencia en circuitos eléctricos:  P = 14400 W + 176 W = 14576 W  Q = 16000 VAr  S = ( 160002 + 145762 )1/2 = 21600 VA  FP = 14576 W / 21600 VA = 0,674
  13. 13. Efectos del factor de potencia en circuitos eléctricos:  Adicionamos un banco de capacitores de 2,9 mF:  La potencia aparente que debe entregar el operador disminuye de 21,6 KVA a 15,14 KVA.  Nueva corriente entregada por el operador de red = 127 A.  Nuevo factor de potencia = 0,96.
  14. 14. Beneficios en la instalación:  Disminución de las pérdidas en conductores.  Reducción de las caídas de tensión.  Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores, líneas y generadores.  Incremento de la vida útil de las instalaciones.
  15. 15. Beneficios económicos:  Reducción de los costos por facturación eléctrica.  Eliminación del cargo por bajo factor de potencia y bonificaciones .
  16. 16. EDEA: Condiciones generales  El cliente deberá mantener su "factor de potencia" o "coseno fi" por encima de noventa y cinco centésimos (0,95). Se considerará energía reactiva excedente a la que supere el 32,9 % de la energía activa consumida.  La determinación del factor de potencia del cliente podrá llevarse a cabo, a opción de EL DISTRIBUIDOR, efectuando mediciones instantáneas bajo un régimen de funcionamiento y carga normales en las instalaciones objeto del suministro, o bien determinando su valor medio durante el período de facturación, por medición de la energía reactiva entregada al cliente en dicho período.  Si EL DISTRIBUIDOR comprobara que el factor de potencia resulta inferior al valor señalado, notificará al cliente esta circunstancia otorgándole un plazo de treinta (30) días para su corrección. En caso que transcurrido el plazo otorgado para la normalización, el cliente aun registrare bajo factor de potencia, el exceso de energía reactiva será penalizado facturando cada kilovolt-amper reactivo hora (KVARh) excedente al precio fijado en el Cuadro Tarifario aprobado por la Autoridad de Aplicación para ser aplicado por EL DISTRIBUIDOR. No obstante, si el factor de potencia registrado fuere inferior a setenta centésimos (0,70), EL DISTRIBUIDOR previa notificación, podrá suspender el suministro de energía hasta tanto el cliente lleve a cabo la adecuación de sus instalaciones.
  17. 17. Tipos de compensación Cuando se conectan y desconectan consumidores inductivos (motores), el factor de potencia (cos φ) varía con cada maniobra. Los métodos de compensación:  Utilizar máquinas sincrónicas de gran potencia trabajando como generadores de potencia reactiva.  Instalar Condensadores de Potencia en paralelo con la carga inductiva a compensar.
  18. 18. Máquinas sincrónicas Pueden funcionar como generadores de potencia reactiva:  Accionando cargas mecánicas  Funcionando en vacío, (capacitores sincrónicos). Este tipo de compensación no es muy utilizada, Sólo en el caso de que existan en la instalación motores sincrónicos de gran potencia.
  19. 19. Condensadores de Potencia  Se utiliza en la actualidad en la mayoría de las instalaciones  Más económico  Permite una mayor flexibilidad, Los condensadores mejoran el factor de potencia debido a que sus efectos son exactamente opuestos a los de las cargas reactivas.
  20. 20. Compensación individual Los condensadores se conectan directamente a los bornes de cada uno de los consumidores Se conectan a un aparato de maniobra común. Conveniente para grandes consumidores con potencia constante conectados durante largos periodos. Menor corriente por los cables de acometida de los consumidores. Se conecta y desconecta simultáneamente el conjunto con el mismo aparato de maniobra
  21. 21. Compensación individual Ventajas  Suprime las penalizaciones por consumo excesivo de energía reactiva.  Se reducen las pérdidas por efecto joule en los conductores.  Se reducen las caídas de tensión.  Se optimiza la instalación ya que la potencia y corriente reactiva no circula por la misma, sino que es suministrada por el Condensador que está en paralelo con la carga.  Descarga el transformador de potencia. Desventaja  En instalaciones complejas elevado costo de instalación y mantenimiento.  Subutilización para aquellos capacitares que no son usados con frecuencia.
  22. 22. Compensación por grupos Equipamiento de compensación se asigna a un grupo de consumidores. Se conectan a la red en conjunto por medio de un contactor o interruptor automático. Se instalan en tableros de distribución secundarios o Centros de Control de Motores (CCM). Muchas cargas inductivas de igual potencia y que operan simultáneamente, donde no se justifica una compensación individual.
  23. 23. Compensación por grupos Ventajas:  Suprime las penalizaciones por consumo excesivo de energía reactiva.  Se optimiza una parte de la instalación, ya que la potencia y corriente reactiva no circula por los cables de alimentación de estos tableros secundarios.  Se reducen las pérdidas por efecto joule en los cables de alimentación de estos tableros.  Descarga el transformador de potencia. Desventaja  El principal inconveniente es que la sobrecarga no se reduce en las líneas de alimentación principales.
  24. 24. Compensación centralizada Se instalan en el tablero general de baja tensión de la instalación eléctrica. Se emplean, unidades automáticas de regulación de energía reactiva. Gran numero de consumidores, diferentes potencias y tiempos de conexión variables.
  25. 25. Compensación centralizada Ventajas:  Suprime las penalizaciones por consumo excesivo de energía reactiva.  Se ajusta la potencia aparente S (kVA) a la necesidad real de la instalación.  Descarga el transformador de potencia.  Un equipo de compensación es fácilmente controlable debido a su posición central  Es relativamente sencillo realizar un montaje posterior del equipamiento, o su eventual ampliación.  La potencia reactiva suministrada por los condensadores se ajusta por pasos al requerimiento de potencia reactiva de lso consumidores.  Con frecuencia, en función del factor de simultaneidad, la potencia reactiva capacitiva a instalar es menor que en el caso de una compensación individual. Desventajas:  Se requiere de un regulador automático del banco para compensar según las necesidades de cada momento.  La sobrecarga no se reduce en la fuente principal ni en las líneas de distribución .
  26. 26. Instrumentación de Control Instalación de control centralizada marca Leyden  Parte interior donde se encuentra los contactores que conectan.
  27. 27. Instrumentación de Control  Los contactores se seleccionan en base a la potencia de los condensadores
  28. 28. Instrumentación de Control En la siguiente imagen se observa un cantactor en primer plano  Se deben conectar dispositivos de descarga (reactancias o resistencias de descarga),  Descarga total del condensador en menos de 10 s  Ningún capacitor a medio cargar será conectado nuevamente a la red.  La conexión de un condensador parcialmente descargado provocaría picos de corrientes de conexión mayores
  29. 29. Consideraciones prácticas Compensación de energía reactiva de motores trifásicos asincrónicos y transformadores. • Regla general los consumidores cos φ = 0,7. • Para compensar a cos φ = 0,9, • Potencia reactiva compensadora Qc, • Aproximadamente el 50% de la potencia activa instalada, es decir • Calculo de potencia reactiva capacitiva necesaria uso de tablas Factor de potencia existente Potencia reactiva de los condensadores por cada kW de potencia activa para alcanzar el factor de potencia requerido Cos φ1 0,8 0,85 0,9 0,95 1 0,4 1,54 1,67 1,81 1,96 2,29 0,42 1,41 1,54 1,68 1,83 2,16 0,44 1,29 1,42 1,56 1,71 2,04 … … … … … … 0,76 0,11 0,24 0,37 0,53 0,86 … … … … … … 0,86 0,11 0,26 0,59 0,88 0,06 0,21 0,54 0,9 0,15 0,48
  30. 30. Consideraciones prácticas Compensación de motores trifásicos asincrónicos. La potencia de los condensadores no mayor que el 90% de la potencia reactiva del motor funcionando en vacío. Cuando se desconecta el motor existe riesgo de que se produzca una autoexitacion mientras este gira hasta detenerse. La autoexitacion tendrá como consecuencia elevadas sobretensiones en los bornes del motor. En la practica puede considerarse los siguiente  Qc = 0,3 a 0,35 PnM  PnM = Potencia asignada del motor
  31. 31. Consideraciones prácticas Compensación de motores trifásicos asincrónicos con arrancadores estrella – triangulo Motores con rotor jaula en arranque directo,  Condensadores se conectan en forma tripolar a los bornes U, V, W del motor.  Motor y condensadores se conectan en conjunto. Arrancadores estrella – triangulo,  Condensadores se conectan a los bornes U, V, W del motor,  Cuando se desconecta el motor de la red puede producirse una autoexitacion  Motor se convierte en generador y recibe la corriente almacenada en el condensador.  En lo bornes del motor se genera una tensión (hasta 2 veces tensión de red)  Conmutación estrella triangulo, motor queda brevemente desconectado.  El condensador, también desconectado, permanece con carga,  La nueva conexión a la red se produzca en oposición de fases.  Contactor separado de uso exclusivo de para conectar los condensadores
  32. 32. Compensación de transformadores Energía reactiva en vacío de los transformadores, Potencia reactiva de los condensadores de acuerdo con la demanda de energía reactiva del transformador. Q0 ≈ S0 = (i0 x Sr) / 100  Q0 Potencia reactiva en vacío en kvar  S0 Potencia aparente en vacío, en k VA  i0 Corriente en vacío, en % de la corriente nominal del transformador  Sr Potencia aparente asignada del transformador en kVA Normas DIN Potencia capacitiva necesaria con compensación fija en función de la potencia reactiva inductiva de transformadores de distribución trifásicos en vacío.
  33. 33. Compensación de transformadores Por tabla se puede ver: Transformadores aislados con aceite o resinas, con perdidas en vacío según normas DIN Transformadores aislados con aceite o resina, con perdidas Transformadores GEAFOL en vacío reducidas Transformadores de aceite Potencia (en resina) asignada del transformador Potencia Potencia Potencia reactiva del Potencia reactiva del Potencia reactiva del Potencia transformador capacitiva transformador capacitiva transformador capacitiva (en vacío) (en vacío) (en vacío) kVA k VA k var k VA k var k VA k var 250 4,5 5,0 2,8 3,0 1,6 2,0 315 7,9 7,5 3,6 4,0 1,9 2,0 … … … … … … … 1600 23,2 25,0 10,6 10,0 5,3 5,0 2000 27,0 25,0 - - 7,0 7,5 Potencia reactiva de magnetización de los transformadores en vacío. Se recomienda utilizar una batería fija de condensadores. Para transformadores con pérdidas en vacío reducidas, ver rentabilidad.
  34. 34. Ejemplos de aplicación Instalaciones con medición de energía reactiva. Los pasos a seguir son los siguientes: a) Cálculo de la potencia activa y el cos ψ promedio. b) Verificación de la potencia en diferentes momentos del día c) Determinación de la potencia reactiva capacitiva necesaria . Ejemplo: Una fábrica relativamente importante en la que se trabaja de lunes a viernes en dos turnos de 8 horas cada uno, tiene los consumos de tabla y desean llevar el factor de potencia a 0,90. ENERGIA ACTIVA ENERGIA REACTIVA 243792 232618
  35. 35. Ejemplos de aplicación a) Cálculo de la potencia activa y el cos promedio. • P = 243792 Kwh / 22 días x 16 Hs/día = 693 kW • Q = 232618 kVArh / 22 días x 16 Hs/día = 661 kVAr • cos ϕ = P / √ P2 + Q2 = 693 / √ 6932 + 6612 = 0.72 b) Verificación de la potencia en diferentes momentos del día. Se eligieron los momentos considerados de máxima carga ó “punta” en ambos turnos, para lo cual se leyeron las constantes de ambos medidores, se contaron las vueltas de los medidores en un minuto, y se obtuvieron los siguientes resultados: Pico de la mañana: • P = 60 (min./h) x 64 (Vuelta min.) = 768 kW • Q = 60 (min./h) x 59 (Vueltas/min. )/ 5 ( vueltas/Kwh) = 708 kVAr • cos ϕ = P √ P2 + Q2 = 768 √ 7682 + 7082 = 0.735 Pico de la tarde: • P = 60 (min./h) x 70 (Vuelta min.) / 5 ( vueltas/Kwh) = 840 kW • Q = 60 (min./h) x 71 (Vueltas/min.) / 5 ( vueltas/Kwh) = 852 kVAr • cos ϕ = P / √ P2 + Q2 = 840 / √ 8402 + 8522 = 0.735
  36. 36. Ejemplos de aplicación c) Determinación de la potencia reactiva capacitiva necesaria. c1) Considerando los valores promedio : recurrimos a la tabla l y vemos que para llevar el factor de potencia existente del 72 al 90 % hay que conectar: Q (kVAr) = 0,479 x 693 kW = 332 kVAr. c2) Considerando los valores pico: también apelamos a la tabla I: "Pico" de la mañana (73,5 % a 90 %) Q (kVAr) = 0.452 x 768 = 34'7 kVAr "pico" de la tarde (70 % a 90 %) Q (kVAr) = 0.536 x 840 = 450 kVAr Factor de potencia existente Potencia reactiva de los condensadores por cada kW de potencia activa para alcanzar el factor de potencia requerido Cos φ1 0,8 0,85 0,9 0,95 1 0,4 1,54 1,67 1,81 1,96 2,29 0,42 1,41 1,54 1,68 1,83 2,16 0,44 1,29 1,42 1,56 1,71 2,04 … … … … … … 0,76 0,11 0,24 0,37 0,53 0,86 … … … … … … 0,86 0,11 0,26 0,59 0,88 0,06 0,21 0,54 0,9 0,15 0,48
  37. 37. Ejemplos de aplicación d) Solución Adoptada: En este caso se propusieron dos alternativas. d1) Una batería fija de 100 KVAr compuesta por 4 capacitores de 25 kVAr y otra automática de 300 KVAr compuesta por 6 pasos de 50kVAr, y estos a su vez formados por dos capacitores de 25 KVAr, cada paso conectado con un contactor que es accionado por el relé varímétrico de control. d2) Se utiliza una batería automática de 300kVAr, los 100kVAr correspondientes, se distribuyen conectándolos directamente a las barras de los tableros seccionales, aliviando de este modo los cables de alimentación a cada uno de ellos y lográndose el mismo efecto desde el punto de vista de la facturación de energía.
  38. 38. Ejemplos de aplicación Instalaciones sin medición de energía reactiva. Se requiere medir: • La potencia activa promedio en base a la energía consumida • La potencia activa por el método descripto en 3.1. recurriendo al medidor, por medio de una pinza wattimétrica, cofimétrica ó un analizador de energía • La corriente, por medio de una pinza amperométrica ó un analizador de energía • La tensión, por medio de un voltímetro. Las mediciones b); c) y d) conviene efectuarlas en distintos momentos de un día que pueda considerarse típico o si se dispone de una analizador de energía con registro periódico, efectuar una medición con registro cada 15 minutos. Una vez que se dispone de estos datos, se calcula el factor de potencia recurriendo a la siguiente expresión: cos ϕ = P [kW] . 1000 / √3 . U [V]. I [A] Conociendo P (kW) y el. cosϕ en diferentes momentos y cuál es el cosϕ deseado se recurre a la tabla N' 1 para calcular la potencia reactiva necesaria en dichos momentos. Ejemplo: Un comercio que permanece abierto 9 horas diarias de lunes a viernes y 4 horas los sábados tenia un consumo mensual de 9.830 Kw/h. Durante una medición de control la compañía distribuidora de energía comprobó un cosϕ = 0,68 e intimó al usuario a llevar el factor de potencia por encima de 0,85.
  39. 39. Ejemplos de aplicación a) Cálculo de la potencia activa promedio: P = 9830 kWh / (22 d . 9 hs/d + 4 d . 4 hs/d) = 9830 kWh / 214 hs = 46kW b) Determinación del factor de potencia: Se efectuaron dos mediciones de potencia, recurriendo al medidor de energía, por el método descripto en 3.1. y de corriente con una pinza amperométrica. b1) Primera medición. • P = 60 (min./h) x 8 (Vuelta min.) / 10 ( vueltas/Kwh) = 48 kW • I = 110 A (Medidos con pinza) . • U = 380 A (Medidos con pinza) . • cos ϕ = 48000 / (√3 . 380 V. 110 A) = 0.66 b2) Segunda medición. • P = 60 (min./h) x 7 (Vuelta min.) / 10 ( vueltas/Kwh)= 42 kW • I = 90 A (Medidos con pinza) . • U = 380 A (Medidos con pinza) . • cos ϕ = 42000 / (√3 . 380 V. 110 A) = 0.71
  40. 40. Ejemplos de aplicación c) Determinación de la potencia reactiva capacita necesaria: Se recurre a la Tabla N°1 y se adopta como factor de potencia deseado 90%. c1) Para la primera medición (66 % a 90 %): • Q (kVAr) = 0.654 x 48 = 31.4 kVAr c2) Para la segunda medición (71 % a 90 %): • Q (kVAr) = 0.508 x 42 = 21.3 kVAr c3) Teniendo en cuenta el consumo promedio: En este caso no conocemos el factor de potencia promedio correspondiente a los 46 kW de consumo promedio, pero, si calculamos el cosϕ promedio de las dos mediciones tenemos: cosϕ = (0.66 + 0.71) / 2 = 0 685 Valor que coincide prácticamente con el comprobado por la compañía de electricidad, por lo tanto se adopta como valor promedio: cosϕ = 0,68 Q (kVAr) = 0.595 x 46 = 27.4 k VAr
  41. 41. Ejemplos de aplicación d) Solución Adoptada: En este caso se propusieron una alternativa. Se adopta el valor próximo superior de 30kVAr, recurriendo a la instalación de un banco fijo formado por dos capacitores de 15kVAr. En el caso de reglamentaciones muy estrictas en cuanto a la regulación de la potencia reactiva, se puede emplear un equipo automático de la misma potencia.
  42. 42. Conclusión 1. El origen del bajo factor de potencia son las cargas de naturaleza inductiva, entre las que destacan los motores de inducción. 2. El bajo factor de potencia es causa de recargos en la cuenta de energía eléctrica. 3. El primer paso en la corrección del factor es el prevenirlo mediante la selección y operación correcta de los equipos. 4. Los capacitores de potencia son la forma más práctica y económica para mejorar el factor de potencia. 5. Entre más cerca se conecten los capacitores de la carga que van a compensar, mayores son los beneficios que se obtienen. 6. Cuando las variaciones de la carga son significativas, es recomendable el empleo de bancos de capacitores automáticos.
  43. 43. MUCHAS GRACIAS Facultad de Ingeniería Instalaciones Industriales

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