CORRECCION del FACTOR de POTENCIA

CORRECCION del FACTOR
de POTENCIA
Las cargas generan perturbaciones
CARGA
Armónicas
Potencia Reactiva
Cargas Asimétricas
Flicker
RED
2
Diferentes aspectos de la calidad de energía eléctrica
Perturbaciones
Causadas por:
Potencia Reactiva
Cargas Inductivas, Electrónica de Potencia
Armónicas
Electrónica de Potencia, cargas no lineales
Commutación
Convertidores y drives
Caídas de tensión
Variaciones de carga, corrientes de inserción
Redes asimétricas
Cargas monofásicas desbalanceadas
Radio frecuencias
Control de Ripple
Interrupción de tensión Iluminación, sobrecarga, switching
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Cuales son los diferentes tipos de carga ?
Cargas Ohmicas
Cargas Inductivas
Lamp. incandescentes
Motores Eléctricos
Planchas
Transformadores
Calentamiento resistivo
Cargas Capacativas
Capacitores
Cables subterraneos
Generadores
sincrónicos
sobre-exitados
RED
Reactores/chokes
Líneas aereas
Generadores
sincrónicos
sub-exitados
Lámparas de descarga
Electrónica de Potencia
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Tres diferentes tipos de carga: 1. CARGAS‐OHMICAS
Cargas Ohmicas
U e I en fase
Desfase = 0
 En circuitos resistivos las formas de onda de
la tensión y de la corriente alcanzan sus picos,
valles y cruces por cero en el mismo instante de
tiempo.
Sin penalidad
I - Corriente
 Se dice que la tensión y la corriente están en
fase ( = 0°) y toda la potencia de entrada se
convierte en potencia activa. Por lo tanto, los
circuitos resistivos tienen un factor de potencia
unitario .
=0°
U - Tensión
 La resistencia ohmica no depende de la
frecuencia.
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Tres diferentes tipos de carga: 2. CARGAS‐INDUCTIVAS
Cargas Inductivas
U adelanta 90° a I
desfase = 90°
Penalidad !
U - Tensión
=90°
 La mayoría de las carga industriales son
inductivas por naturaleza, por ejemplo: motores,
transformadores, etc. Debido a la reactancia
inductiva de la carga, la corriente tomada por la
carga se retrasa eléctricamente con respecto a
la forma de onda de la tensión en un ángulo .
 La magnitud de  es proporcional a la
reactancia inductiva.
 Impedancia-XL = 2 * 3.14 * f * L
I - Corriente
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Tres diferentes tipos de cargas: 2. CARGAS‐INDUCTIVAS
Desfase
 Cargas inductivas
Potencia
causan un desfase
 Se observa potencia
positiva y negativa.
Corriente + ve
+ ve

U, I y potencia
entre corriente y tensión.
-ve
Tensión
t
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Tres diferentes tipos de carga: 3. CARGAS‐CAPACITIVAS
Cargas Capacativas
 Debido a la reactancia capacitiva de la carga,
I adelanta 90° a U
desfase = 90°
Sobrecompensación
es riesgoso !
la corriente tomada por la carga se adelanta a la
tensión en un ángulo .
 La magnitud de  es proporcional a la
I - Corriente
reactancia capacitiva.
=90°
 Impedancia
XC 
1
1

  C 2  f  C
U - Tensión
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Tres diferentes tipos de potencia eléctrica
Potencia Reactiva (kvar)
Q 
S
2
P
2
Q2
QC
Q1
• S = Potencia Aparente
• P = Potencia Activa
S2
Potencia Activa
P  S²  Q²
[ KW 
2
1
Potencia Aparente
S1
S 
P²  Q²
 kVA 
• Q = Potencia Reactiva
cos  = P/S
sin  = Q/S
Q = S sin 
Q = P tan 
 = fase
Ángulo de desplazamiento
S 1 = Potencia Aparente No Compensada
S 2 = Potencia Aparente Compensada
con Capacitores
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Que es la Potencia Activa ?
La parte de la potencia de entrada que se convierte en potencia de
salida, se denomina “Potencia Activa” y se indica generalmente P.
La Potencia Activa se define por la siguiente fórmula.
P  3  U  I  cos 
[W]
Idealmente, toda la potencia de entrada por ej. la Potencia Aparente
se debería convertir en potencia de salida útil, por ej. calentamiento
de un horno, movimiento de un motor, luz de una lámpara.
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Que es la Potencia Reactiva ?
Las máquinas eléctricas trabajan basadas en el principio de
conversión de energía electromagnética (por ej. motores
eléctricos, transformadores). Una parte de la energía de
entrada se consume para crear y mantener el campo
magnético. Esta parte de la energía de entrada no puede ser
convertida en energía activa y es retornada a la red eléctrica al
removerse el campo magnético. Esta potencia se conoce
como Potencia “Reactiva” Q , y se define del siguiente modo.
Q  3  U  I  sin 
[VAr]
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Que es la Potencia Aparente ?
Las aplicaciones de los equipos eléctricos se basan en la
conversión de la energía eléctrica en alguna otra forma de
energía. La potencia eléctrica tomada por un equipo desde el
suministro se denomina Potencia Aparente, y consiste de
potencia activa y reactiva.
La corriente medida con una pinza amperométrica indica la
potencia aparente. Se define como:
S  3 U  I
[VA]
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Que es el Factor de Potencia ?
Factor de Potencia = cos
cos-phi = P (kW) / S (kVA)
desfase
Potencia
Corriente + ve
+ ve
U, I y Potencia

-ve
Tensión
t
Fábrica
Cervecerías
Carnicerías
Plantas de cemento
Compresores
Gruas
Plantas de secado
Maquinaria, gran tamaño
Maquinaria, pequeño tamaño
Plantas de papel
Molinos
Fábrica de acero
Azucar
Tabaco
Bombas de agua
Transformadores de soldadura
FP Típico
No Compensado
0,6..0,7
0,6..0,7
0,6..0,7
0,7..0,8
0,5..0,6
0,8..0,9
0,5..0,6
0,4..0,5
0,6..0,7
0,6..0,7
0,6..0,7
0,8..0,85
0,6..0,7
0,8..0,85
0,4..0,5
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El bajo factor de potencia (1/2)
Causas:
Para producir un trabajo, las cargas eléctricas
requieren de un cierto consumo de energía.
Cuando este consumo es en su mayoría energía
reactiva, el valor del ángulo 
se incrementa y
disminuye el factor de potencia.
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El bajo factor de potencia (2/2)
Factor de potencia VS ángulo

0
30
60
90

V
FP=Cos 
1
0.866
0.5
0
1
2
3
I
15
Problemas por bajo factor
de potencia (1/3)
Problemas técnicos:
Mayor consumo de corriente.
Aumento de las pérdidas en conductores.
Sobrecarga de transformadores, generadores y
líneas de distribución.
Incremento de las caídas de voltaje.
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Problemas por bajo factor
de potencia (2/3)
Pérdidas en un conductor VS factor de potencia
kW
9
6
3
FP
0
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
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Problemas por bajo factor
de potencia (3/3)
Problemas económicos:
Incremento de la facturación eléctrica por mayor
consumo de corriente.
Penalización de hasta un 120 % del costo de la
facturación.
CFE
LFC
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Beneficios por corregir el factor
de potencia (1/2)
Beneficios en los equipos:
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.
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Beneficios por corregir el factor
de potencia (2/2)
Beneficios económicos:
Reducción de los costos por facturación eléctrica.
Eliminación del cargo por bajo factor de potencia.
Bonificación de hasta un 2.5 % de la facturación
cuando se tenga factor de potencia mayor a 0.9
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Por qué mejorar el Factor de Potencia ?
 Reduccióndelcostodeenergía(amortización:6‐18meses,engeneral)
 Reduccióndepérdidasohmicas
 MejoramientodelaCalidaddeEnergía(armónicas,caídasdetensión,..)
 MayorcargadekWdeequiposdetransmisiónydistribucióny/omenor
dimensionamientodeestosequipos(cable,transformador,barras,..)
 ProtecciónClimática
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Cómo mejorar el Factor de Potencia ?
 CapacitoresdeCFP(HVoLV,automáticosofijos)
 Reducirlacantidaddecargainductiva
 Usodeconvertidoresdemodernatecnología
 Generadoressincrónicossobre‐excitados
 CFPActiva(tiemporeal)conswitchescontiristores
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Principio de la CFP
23
Principio de la CFP
65
0
95
Corriente
Energía Activa
Energía Reactiva
Trabajo
mecánico
o calor
Generación de
campos
magnéticos
Suministro
Carga
Capacitor
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Principio de la CFP
S1
QC Q1
S2
1
2
Q2 = Q1 - QC
P
• S = Potencia Aparente
• P = Potencia Activa
• Q = Potencia Reactiva
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Análisis Trigonométrico
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Métodos de CFP
Compensación individual
Compensación en grupo
Conpensación automática centralizada
Compensación combinada
CFP Activa (Tiempo Real, por medio de semiconductores)
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Métodos de CFP: 1. Compensación Individual (fija)
28
Métodos de CFP: 1. Compensación Individual (fija)
Ventajas a primera vista
Desventajas
kVAr producidos en el lugar
Muchos capacitores pequeños
Reducción de pérdidas en línea
Reducción de caídas de tensión
son más caros que uno central.
Bajo factor de utilización de
capacitores para equipos de
Ahorro de desconectador
operación no habitual.
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Métodos de CFP: 1. Compensación Individual ‐ motor
Para compensar motores asincrónicos la potencia del capacitor debería ser
como máximo 90 % de la potencia reactiva de vacío del motor.
Mayores relaciones de kVAr provocan la auto-excitación del motor después de la
desconexión de la red.
Riesgo de Sobre Tensión > 1,1 * Unominal!
La relación de kVAr recomendada asegura un FP < 1 pero > 0,9 en vacío,
asi como también a plena carga del motor.
Una regla práctica recomienda: kVAr = 35% de la potencia activa (kW) del motor.
La potencia activa se puede encontrar en la placa de características del motor.
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Bancos de Compensación Fijos
Los bancos fijos son muy útiles cuando se requiere mejorar el factor
de potencia 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
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Métodos de CFP: 1. Compensación Individual ‐ Trafos.
Para la compensación de la potencia reactiva de vacío de transformadores,
el dimensionamiento de los kVAr de los capacitores se basa en el consumo
de energía reactiva propio del transformador.
Los valores recomendados compensan sólo la potencia magnetizante de un
transformador en vacío.
Se puede usar la siguiente fórmula aproximada:
Qo = So = io x SN / 100
io
Qo = Potencia reactiva de vacío del transformador en kVAr
So = Potencia aparente de vacío del transformador en kVA
= Corriente de vacío del trabsformador en % de la corriente nominal
SN = Potencia nominal del transformador en kVA
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Métodos de CFP: 2. Compensación en Grupo
Ventajas a primera vista
Reducción de la inversión de capital
Pérdidas reducidas en líneas de distrib.
Caídas de tensión reducidas en lín. distrib.
Mayor factor de utilización de capacitores
M
M
M
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Métodos de CFP: 3. Compensación Centralizada
controlador
M
M
M
34
Bancos de compensación Automáticos
El banco automático de capacitores consta de un conjunto de celdas capacitivas de valores
distintos y también idénticos.
El relevador de factor de potencia se encarga de detectar las necesidades de potencia
reactiva del sistema y conecta los grupos necesarios.
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Bancos automáticos de capacitores (1)
Cuenta con un regulador de VARS que mantiene el FP prefijado, ya
sea mediante la conexión o desconexión de capacitores
conforme sea necesario
Pueden suministrar potencia reactiva de acuerdo a los siguientes
requerimientos:
– constantes
– variables
– instantáneos
Se evitan sobrevoltajes en el sistema
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Bancos automáticos de capacitores (2)
Elementos de los bancos automáticos:
– Capacitores fijos en diferentes cantidades y potencias
reactivas (kVAR)
– Relevador de factor de potencia
– Contactores
– Fusibles limitadores de corriente
– Interruptor ternomagnético general
Los bancos de capacitores pueden ser fabricados en cualquier No.
De pasos hasta 27 (pasos estandar 5,7,11 y 15)
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Bancos automáticos de capacitores (3)
El valor de los capacitores fijos depende del No. De pasos
previamente seleccionado, así como, de la cantidad
necesaria en kVAR’s para compensar el FP a 1.0
A mayor No. de pasos, el ajuste es más fino, dado que
cada paso del capacitor es más pequeño, permitiendo
lograr un valor más cercano a 1.0, no obstante ocasiona
un mayor costo
La conmutación de los contactores y sus capacitores
individuales es controlada por un regulador (vármetro)
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Esquema de un banco
automático de capacitores
39
Métodos de CFP: 3. Compensación Centralizada
Ventajas a primera vista
En fábricas con muchas cargas de distintas
Mejor utilización de capacitores
potencias y tiempos de operación, la
compensación fija es generalmente demasiado
Solución más efectiva (costo)
costosa y no efectiva.
Más fácil supervisión
La solución más económica para aplicaciones
Control automático
complejas es generalmente un banco
centralizado y automático de capacitores,
controlado por un controlador automático de
CFP. El punto de conexión generalmente es el
tablero general de distribución.
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Corrección en Bancos Automáticos
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Dimensionado de una batería de condensadores
en presencia de 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.
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.
Una vez determinado la capacidad del condensador debe verificar que no entre
en resonancia con la armónica preponderante en el circuito a compensar, para
ello se debe determinar la frecuencia al cual entra en resonancia. Cambiar la
capacidad del condensador.
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Aplicación
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