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Calculadores energéticos y artículos sobre el uso de la energía, su eficiencia e impacto sobre el medio ambente. Aplicaciones prácticas Biblioteca - ISSN 2326-6880 |
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Sistema Electroenergéticos - Compensación del factor de potencia.
Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido Objetivos.Introducción.Determinación de los ckVAr a conectar Aumento de la capacidad con igual caída del voltaje Motor de Inducción Mediciones de la energía reactiva. El analizador de redes eléctricas Transformadores Las pérdidas en transformación Introducción. Ya conocemos sobre los parámetros principales que debemos determinar en el SEN para calificar la eficiencia energética de su operación. También ha sido explicado que es el factor de potencia y cómo influyen sus mejoras en la cantidad de energía útil, en las pérdidas en conductores, en la demanda activa y en la caída de voltaje. En esta página estudiaremos cómo proceder para mejorar el factor de potencia. Existen tres métodos fundamentales para mejorarlo: 1- Mediante la conexión al SEN de capacitores o condensadores estáticos. 2- Mediante la instalación de sistemas dinámicos, cómo sistemas de capacitores o condensadores y/o motores sincrónicos. 3- Limitando o sustituyendo los equipos altos consumidores de energía reactiva que estén conectados al SEN. La forma más empleada es la primera. El condensador es un equipo consumidor de energía reactiva, casi pura, si despreciamos las pérdidas de su dieléctrico. Lo peculiar de esta demanda reactiva es que tiene la misma magnitud, pero en sentido contrario que la demanda reactiva inductiva. Esta característica de la demanda reactiva capacitiva se aprovecha para anular o reducir, la demanda reactiva inductiva. La parte anulada será igual a la demanda reactiva capacitiva conectada. Al disminuir la demanda reactiva inductiva, se producen efectos positivos, ya descrito antes. Recordemos que aumenta la capacidad de realizar trabajo útil, se reducen las pérdidas en los conductores y se reduce la caída de voltaje, cualidades positivas pare la operación eficiente del SEN. Determinación de los ckVA a conectar para corregir el factor de potencia. En el triángulo rectángulo mencionado antes, que está compuesto por la hipotenusa que representa la demanda aparente, y los lados perpendiculares, demanda reactiva y demanda activa, podemos establecer la siguiente relación:
Asumiremos, cómo antes hemos hecho, que la demanda activa no variará.
La cantidad de ckVA a instalar deberá ser igual a la cantidad de kVAr a descontar.
Si conectamos 169 cKVAr capacitivos en el SEN, llevaremos el factor de potencia desde 0.8 a 0.94 y reduciremos las pérdidas eléctricas en casi un 30%. Este cálculo lo hemos hecho sobre la base que la demanda activa es invariable, pero por lo general no ocurre así, cada hora varía tanto la demanda activa cómo el factor de potencia. De ahí la necesidad de medir hora a hora las características eléctricas del SEN. Para compensar una instalación que la carga varía con el tiempo el método de análisis es el siguiente: 1- Para determinar la cantidad de ckVAr a conectar, debemos guiarnos por un gráfico general de demanda, tomando los datos de un día representativo de trabajo del SEN. De este gráfico obtenemos los valores de la demanda real y del factor de potencia de la madrugada y compensamos para factor de potencia unitario para esa hora de la demanda mínima. Cómo a esa hora las demandas activas y reactivas son las más bajas del ciclo, esto asegura que a la hora de mínima demanda el factor de potencia no sobrepase la unidad y se haga capacitivo. Recordemos que al mejorar el factor de potencia, también se reducía la caída de voltaje. Al reducirse la caída, el voltaje de punta aumenta y si sobrepasa ciertos límites puede ser dañino para el funcionamiento de la maquinaría eléctrica. 2- Determinar el factor de potencia que se obtendría en el resto de las horas del día al conectar los ckVAr anteriores. Ese cálculo podemos efectuarlo ya que conocemos los ckVAr instalados fijos, la demanda activa horaria y el factor de potencia horario, medido antes de conectar los ckVAr fijos. Entonces, el nuevo factor de potencia horario sería:
de donde
Si establecemos que compensaremos el reactivo para factor unitario, entonces podemos determinar cuántos ckVAr fijos debemos instalar.
Así podremos ir calculando el resto de los factores de potencia para cada una de las horas de la curva de demanda. La fuente más común de la demanda reactiva y la más importante, es el motor de inducción y a sus bornes se conectan los capacitores para compensación directa de la fuente de reactivo. Al aplicar este tipo de solución directa, debe compensarse la demanda reactiva del motor en vacío, ya que el consumo mínimo de energía reactiva se produce en vacío. De esta forma la línea de alimentación del motor nunca se hará capacitiva, evitando los sobrevoltajes.
También se puede hallar que cantidad de ckVA capacitivo debemos instalar en el SE, cuándo queremos agregar kVA, manteniendo la carga resultante invariable. Estas relaciones consideran que la nueva carga a conectar tendrá el mismo factor de potencia que las existentes.
Motor de Inducción Calculamos kVAr o reactivo del motor a plena carga. arcos (0.88) = 28,35º sen (28,35º) = 0.475 Calculando la demanda aparente (kVA). Llevemos los HP a kW multiplicando por 0.746 kW/HP kVA=100*0.746/0.88 = 84.78 kVA Valor de demanda reactiva (kVAr ) = 84.78*0.475 = 40.3 kVAr. Esta será la demanda reactiva a plena carga. La relación kVAR/kW a plena carga sera de (40/74.6)*100 = 54 Ahora podemos estimar la demanda reactiva del motor en vacío mediante la relación respecto a los kW. Si asumimos que en vacío el motor consumirá un 20% menos de reactivo, el indicador en vacío será 54-20=34% kVAr en vacío= 0.34 * kW = 0.34 * 74.6 = 25.4 kVAr El valor del condensador recomendado se encuentra entre 20 y 25 ckVA. Nos inclinamos por uno de 25 ckVA Factor de Potencia en línea con el motor a plena carga Conocemos por cálculo que la cantidad de reactivo que el motor consume a plena carga es de 40 kVAr. Se han conectado a los bornes del motor un condensador de 25 cKVAr. La diferencia es el reactivo que no se ha compensado = 15 cKVar. Ahora calcularemos la tangente del ángulo formado por la demanda reactiva a plena carga, que resta sin compensar y la demanda activa, que es 74.6 kW. Ese ángulo es de 0.21 , y el arctan de 11.8º. El coseno de 11.8º es 0.98. Así hemos elevado el factor de potencia de línea al instalar en los terminales del motor un condensador en paralelo. Este aumento es válido en la línea desde los bornes del motor hasta la fuente de alimentación. Otras formas de mejorar el factor de potencia de los motores de inducción. a) Reduciendo el voltaje aplicado a sus bornes El voltaje optimo de utilización, es igual a la raíz cuadrada de la carga relacionada con la potencia nominal. Así un motor que desarrolla una carga activa de 1.44 kW, el voltaje optimo debe ser sq(1,44,2) = 1.2 volt Al reducir el voltaje se reducen las pérdidas de hierro del motor por lo que mejora su eficiencia. Los inconvenientes de reducir el voltaje es que no es fácil operacionalmente y por otra parte, reduce el momento de arranque de la máquina, de manera cuadrática. Otra forma de reducir el voltaje es reconectar el motor de delta a estrella. Cuándo se reconecta en estrella, el voltaje aplicado a cada una de las bobinas será el voltaje de línea dividido por la raíz de 3, sq(3,2). Por ejemplo un motor que opera a 440V, cuándo se conecta en estrella el voltaje se reduce en los enrollados a 440/1.73 = 254 volt c) Mediante la limitación del giro en vacío Mediciones de la energía reactiva. El analizador de redes eléctricas Los analizadores de redes tal y cómo sus identificaciones transmiten, realizan los análisis de calidad de la potencia del sistema eléctrico donde se conectan. Poseen una CPU que contiene funciones de análisis de circuitos y herramientas avanzadas de software de análisis incluidas. A la vez que tienen posibilidades de ser conectados a una red interna (Ethernet Interno / Web Ready) para transmitir información, muestran resultados a través de una pantalla digital. El Dispositivo es ideal para realizar monitoreos de carga, bancos de transformación, análisis y auditorías de variables eléctricas y de calidad de potencia en interiores o exteriores. El analizador de Redes por lo general está inmerso en su propio embalaje de transporte y emplea conectores especiales de intemperie, para la conexión de puntas de voltaje y corriente. Estos instrumentos miden todos los aspectos de potencia y provee herramientas extensivas para la grabación de tendencias y eventos de calidad de energía. Es normal que estos equipos ofrezcan salidas de grabación, incluyendo el análisis de Voltaje, Fallas de Corriente, Armónicos e Inter Armónicos, Grabación Gráfica de Formas de Onda, Eventos Transitorios en Base Ciclo a Ciclo. A la vez facilitan que se visualice la información con algún Software Avanzado. El analizador tiene grabación de datos extensiva a bordo para cualquier análisis histórico deseado. Los más corrientes monitorean los parámetros siguientes, sobre cualquier intervalo de registro seleccionado: a) Voltajes b) Distorsión de Corriente c) Factor de Potencia d) Watt/VAR/VA e) Frecuencia f) Energía Acumulada Algunos cuentan con modos de alarma para alerta cuándo los parámetros del sistema analizado sobrepasan ciertos límites. Aplicaciones Medición en empresas eléctricas Medición comercial Sub estaciones Medición industrial Generación Medición en campus Sub medición Reemplazo de medición análoga La dotación de estos equipos cuentan con un parque de pinzas amperimétricas para mediciones en diferentes rangos: - pinza tipo clamp o con Terminales tipo Banana, de 1 a 2 metros (Rango 10-100A, a 600V) - idem con Rango 100-1000A, a 600V - idem con Rango 1000-3000A, a 600V Transformadores El transformador se basa en la energía que se puede transportar desde una bobina a otra mediante inducción electromagnética y por medio de un flujo variable, con un mismo circuito magnético y a la misma frecuencia. La potencia nominal o aparente de un transformador (trafo) es la que el puede suministrar sin que se produzca el recalentamiento en régimen de trabajo. Las dos primeras pérdidas son las llamadas pérdidas en el hierro. Las corrientes de Focault se producen en cualquier conductor debido a las variaciones del flujo magnético y se clasifican cómo pérdidas parásitas. Las pérdidas por este concepto de calculan mediante la siguiente expresión:
donde: Pf: Pérdidas de focault, en W/kg de hierro f: frecuencia en HZ ßmax, inducción magnética en Gauss ∆, espesor de las láminas de hierro del núcleo, en mm. De la fórmula anterior se deduce que el cambio de frecuencia de 50 a 60 ciclos, aumenta las pérdidas en proporción cuadrática. Si aplicamos esta expresión a transformadores que tengan un espesor de láminas de hierro con diferentes concentraciones de Si (entre 0,5 a 4,5 %) y de espesor entre 0.5 y 0.35 mm, trabajando a 50 HZ, tenemos que para capacidades de 10 000 Gauss (1 Weber/m2) y de 15 000 Gauss (1,5 Weber/m2), las pérdidas varían entre 0.9 y 7.4 W/kg. La Tabla siguiente precisa el valor de estas pérdidas: Nota: 1 Weber/m2 = 1 Tesla
Las pérdidas por histéresis dependen esencialmente del tipo de material, y en menor grado de la frecuencia, pues esta siempre se mantiene constante o con pocas variaciones en un mismo SEN. La expresión para calcularlas es mediante:
donde:
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