INTRODUCCIN

En muchas ocasiones al observar nuestra factura de electricidad, nos hemos percatado de que adems de los cargos por la energa elctrica que hemos consumido aparecen otros cargos, los cuales no sabemos de dnde vienen y mucho menos qu hacer para eliminarlos. Los recargos ms importantes son el cargo por demanda mxima y el cargo por bajo factor de potencia, siendo este ltimo el de mayor relevancia.

El factor de potencia es un indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energa, de forma general es la cantidad de energa que se ha convertido en trabajo. Los beneficios de corregir un bajo factor de potencia son: Disminucin de prdidas en los conductores, reduccin de las prdidas de las cadas de tensin, aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores y lneas, incremento de la vida til de las instalaciones elctricas, y reduccin del costo de su facturacin de energa elctrica.

ANTECEDENTES El primer capacitor de la historia lo inventaron simultneamente dos fsicos en el mismo ao, alrededor de 1745 en dos pases diferentes, el primero fue por el fsico holands Pieter van Musschenbroek de la Universidad de Leide y el segundo y Ewald Georg von Kleist en Alemania, en un principio el primitivo capacitor se compona bsicamente de una botella de vidrio forrada en estao por fuera y con bolitas de este mismo metal por dentro, llena de agua y una tapa atravesada por un clavo en contacto con en el agua. Por ese motivo se le denomin Botella de Leyden, en alusin a la universidad donde se cre, siendo comn encontrarla en los laboratorios de fsica, aunque ya no se usa actualmente de manera prctica.

Posteriormente, en 1747 John Bevis, fsico y astrnomo ingls, elimin el agua y revisti la botella con dos capas de papel de aluminio, una interna y otra externa. Ambas capas quedaban separadas de forma equidistante por el propio vidrio de la botella, que a su vez haca funcin de aislante.

Ms tarde, Benjamn Franklin inventara el condensador plano paralelo, es decir la forma ms bsica del capacitor moderno. Franklin not que "el fluido elctrico", trmino que se usaba en aquella poca, no se creaba ni se destrua, sino que simplemente pasaba de un objeto a otro. Esto implicaba que dos placas enfrentadas una con otra tendran el mismo efecto que una botella de Leyden. l lo llam "batera elctrica", un trmino que hoy usamos de manera diferente. De cierta forma, la batera es esencialmente un capacitor y viceversa, los dos almacenan carga, con la diferencia que la batera es capaz de mantener constante la diferencia de potencial entre sus terminales debido a la presencia de iones

http://www.monografias.com/trabajos53/estanio-peruano/estanio-peruano.shtmlhttp://www.monografias.com/Fisica/index.shtml

disueltos en un electrolito que reaccionan qumicamente con los electrodos y el capacitor solo puede mantener una corriente transitoria hasta que la diferencia de potencial entre sus placas sea 0, es decir hasta que estn al mismo potencial. Esto se ve claramente en la frmula del capacitor, y es que la carga que adquiere un capacitor puede ser muy alta si el voltaje entre sus terminales es alto, a pesar de que la capacidad del condensador sea pequea. No obstante los aos transcurridos desde su invento, los capacitores modernos an se basan en el mismo principio fsico de almacenamiento de energa de la primitiva Botella de Leyden.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el presente trabajo realizaremos el dimensionado de un Banco de Capacitores para consumo de energa domstico. Es importante sealar que la finalidad del dimensionado est nica y exclusivamente dirigida al conocimiento y enriquecimiento didctico, adems de analizar la fiabilidad de dichos sistemas y de hacer completo nfasis en la importancia de la implementacin de un banco de capacitores para la regulacin y correccin del factor de potencia.

METODOLOGA

CONCEPTOS BSICOS DE POTENCIA

Todos los aparatos elctricos que suministran energa ya sea en forma de luz, calor, sonido, rotacin, movimiento, etc. Consumen una cantidad de energa elctrica equivalente a la entregada directamente de la fuente de electricidad a la cual estn conectados. Esta energa consumida se denomina Activa, la cual se registra en los medidores y es facturada al consumidor por las respectivas empresas de suministro elctrico. Algunos aparatos, debido a su principio de funcionamiento, toman de la fuente de electricidad una cantidad de energa mayor a la que registra el medidor: una parte de esta energa es la ya mencionada energa Activa, y la parte restante no es en realidad consumida sino entretenida entre el aparato y la red de electricidad. Esta energa entretenida se denomina Reactiva y no es registrada por los medidores del grupo tarifario al cual pertenecen los consorcios. La energa total (formada por la Activa y la Reactiva) que es tomada de la red elctrica se denomina Aparente y es la que finalmente debe ser transportada hasta el punto de consumo. La energa que toman los aparatos de la fuente es de una corriente alterna que tiene que ser convertida a corriente continua, esta conversin provoca un desfasamiento de la corriente y que pierda su forma senoidal originando un factor de potencia bajo.

POTENCIA REACTIVA

Adems de utilizar potencia activa para producir un trabajo, los motores, transformadores y dems equipos similares requieren un suministro de potencia reactiva para generar el campo magntico necesario para su funcionamiento.

La potencia reactiva no produce por s misma ningn trabajo; se simboliza con la letra Q y sus unidades son los volts-ampers reactivos (VAR).

POTENCIA APARENTE

La potencia total o aparente es la suma geomtrica de las potencias activa y reactiva, o bien, el producto de la corriente y el voltaje; su smbolo es S y sus unidades se expresan en volts-ampers (VA).

TRINGULO DE POTENCIAS

La siguiente figura puede ser usada para ilustrar las diferentes formas de potencia elctrica.

De la figura anterior se observa:

Por lo que se puede conocer la potencia aparente a partir del teorema de Pitgoras aplicado en el tringulo de potencias.

FACTOR DE POTENCIA (FP)

El factor de potencia es la relacin entre la potencia activa (en watts, W), y la potencia aparente (en volts-ampers, VA) y describe la relacin entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida.

El Factor de Potencia (FP) est definido por la siguiente ecuacin:

El factor de potencia expresa en trminos generales, el desfasamiento o no de la corriente con relacin al voltaje y es utilizado como indicador del correcto aprovechamiento de la energa elctrica, el cual puede tomar valores entre 0 y 1.0

siendo la unidad (1.0) el valor mximo de FP y por tanto el mejor aprovechamiento de energa.

CAUSAS DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA

Las cargas inductivas como motores, balastros, transformadores, etc., son el origen del bajo factor de potencia ya que son cargas no lineales que contaminan la red elctrica, en este tipo de equipos el consumo de corriente se desfasa con relacin al voltaje lo que provoca un bajo factor de potencia.

CONSECUENCIAS DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA

Las instalaciones elctricas que operan con un factor de potencia menor a 1.0, afectan a la red elctrica tanto en alta tensin como en baja tensin, adems, tiene las siguientes consecuencias en la medida que el factor de potencia disminuye:

1.- Incremento de las prdidas por Efecto Joule

La potencia que se pierde por calentamiento est dada por la expresin I2R donde I es la corriente total y R es la resistencia elctrica de los equipos (bobinados de generadores y transformadores, conductores de los circuitos de distribucin, etc.). Las prdidas por Efecto Joule se manifestarn en:

Calentamiento de cables. Calentamiento de embobinados de los transformadores de distribucin. Disparo sin causa aparente de los dispositivos de proteccin.

Uno de los mayores problemas que causa el sobrecalentamiento es el deterioro irreversible del aislamiento de los conductores que, adems de reducir la vida til de los equipos, puede provocar cortocircuitos.

2.- Sobrecarga de los generadores, transformadores y lneas de distribucin.

El exceso de corriente debido a un bajo factor de potencia, ocasiona que los generadores, transformadores y lneas de distribucin, trabajen con cierta sobrecarga y reduzcan su vida til, debido a que estos equipos, se disean para un cierto valor de corriente y para no daarlos, se deben operar sin que ste se rebase.

3.- Aumento de la cada de tensin

La circulacin de corriente a travs de los conductores ocasiona una prdida de potencia transportada por el cable, y una cada de tensin o diferencia entre las tensiones de origen y la que lo canaliza, resultando en un insuficiente suministro de potencia a las cargas (motores, lmparas, etc.); estas cargas sufren una reduccin en su potencia de salida. Esta cada de voltaje afecta a:

Los embobinados de los transformadores de distribucin Los cables de alimentacin Sistemas de proteccin y control

4.- Incremento en la facturacin elctrica

Debido a que un bajo factor de potencia implica prdidas de energa en la red elctrica, el productor y distribuidor de energa elctrica se ve en la necesidad de penalizar al usuario haciendo que pague ms por su electricidad.

CARGOS Y BONIFICACIONES POR FACTOR DE POTENCIA

En Mxico, de acuerdo a la tarifa y al Diario Oficial de la Federacin del da 10 de noviembre de 1991, cuando el factor de potencia tenga un valor inferior a 0.9, el suministrador de energa elctrica tendr derecho a cobrar al usuario una penalizacin o cargo por la cantidad que resulte de aplicar al monto de la facturacin el porcentaje de recargo que se determine segn la siguiente ecuacin:

BENEFICIOS DEL USO DE CAPACITORES

Disminucin de prdidas en los conductores. Reduccin de las prdidas de las cadas de tensin. Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores y lneas. Incremento de la vida til de las instalaciones elctricas. Reduccin del costo de su facturacin de energa elctrica.

CORRECTOR DE FACTOR DE POTENCIA CFP

La finalidad de corregir el factor de potencia es reducir o an eliminar el costo de energa reactiva en la factura de electricidad. Para lograr esto, es necesario distribuir las unidades capacitivas, dependiendo de su utilizacin, en el lado del usuario del medidor de potencia. Existen varios mtodos para corregir o mejorar el factor de potencia, entre los que destacan la instalacin de capacitores elctricos o

bien, la aplicacin de motores sincrnicos que finalmente actan como capacitores.

Compensacin individual en motores Compensacin por grupo de cargas Compensacin centralizada Compensacin combinada

Los capacitores elctricos o bancos de capacitores, pueden ser instalados en varios puntos en la red de distribucin en una planta, y pueden distinguirse cuatro tipos principales de instalacin de capacitores para compensar la potencia reactiva. Cada una de las instalaciones observadas en la figura corresponden a una aplicacin especfica, no obstante, es importante mencionar que antes de instalar capacitores elctricos, se deben tomar en cuenta los siguientes factores: tipos de cargas elctricas, variacin y distribucin de las mismas, factor de carga, disposicin y longitud de los circuitos, tensin de las lneas de distribucin, entre

otros.

COMPENSACIN INDIVIDUAL

La compensacin individual se refiere a que cada consumidor de carga inductiva se le asigna un capacitor que suministre potencia reactiva para su compensacin. La compensacin individual es empleada principalmente en equipos que tienen una operacin continua y cuyo consumo de la carga inductiva es representativo. A continuacin se describen dos mtodos de compensacin individual:

1. Compensacin individual en motores elctricos

El mtodo de compensacin individual es el tipo de compensacin ms efectivo ya que el capacitor se instala en cada una de las cargas inductivas a corregir, de manera que la potencia reactiva circule nicamente por los conductores cortos entre el motor y el capacitor. La compensacin individual presenta las siguientes ventajas: Los capacitores son instalados cerca de la carga inductiva, la potencia reactiva es confinada al segmento ms pequeo posible de la red. El arrancador para el motor puede tambin servir como un interruptor para el capacitor eliminando as el costo de un dispositivo de control del capacitor solo.

El uso de un arrancador proporciona control semiautomtico para los capacitores, por lo que no son necesarios controles complementarios. Los capacitores son puestos en servicio slo cuando el motor est trabajando.

2. Compensacin individual en transformadores de distribucin

Otro mtodo para corregir el factor de potencia es compensar la potencia reactiva en los transformadores de distribucin. La potencia total del banco de capacitores se calcula para compensar la potencia reactiva absorbida por el transformador en vaco, que es del orden del 5 al 10% de la potencia nominal.

De acuerdo con las normas tcnicas para instalaciones elctricas, con el fin de evitar fenmenos de resonancia y sobretensin en vaco, la potencia total del banco de capacitores no debe exceder el 10% de la potencia nominal (en VA) del transformador.

COMPENSACIN EN GRUPO

Es aconsejable compensar la potencia inductiva de un grupo de cargas, cuando stas se conectan simultneamente y demandan potencia reactiva constante, o bien cuando se tienen diversos grupos de cargas situados en puntos distintos.

La compensacin en grupo presenta las siguientes ventajas: Se conforman grupos de cargas de diferente potencia pero con un tiempo de operacin similar, para que la compensacin se realice por medio de un banco de capacitores comn con su propio interruptor.

Los bancos de capacitores pueden ser instalados en el centro de control de motores. El banco de capacitores se utilizan nicamente cuando las cargas estn en uso. Se reducen costos de inversin para la adquisicin de bancos de capacitores. Es posible descargar de potencia reactiva las diferentes lneas de distribucin de energa elctrica.

En las lneas de alimentacin principal se presenta la desventaja de que la sobrecarga de potencia reactiva no se reduce, es decir, que seguir circulando energa reactiva entre el centro de control de motores y los motores.

COMPENSACIN CENTRAL CON BANCO AUTOMTICO

Este tipo de compensacin ofrece una solucin generalizada para corregir el factor de potencia ya que la potencia total del banco de capacitores se instala en la acometida, cerca de los tableros de distribucin de energa, los cuales, suministran la potencia reactiva demandada por diversos equipos con diferentes potencias y tiempos de operacin.

La potencia total del banco de capacitores se divide en varios bloques que estn conectados a un regulador automtico de energa reactiva, que conecta y desconecta los bloques que sean necesarios para obtener el factor de potencia previamente programado en dicho regulador.

La compensacin centralizada presenta las siguientes ventajas:

Mejor utilizacin de la capacidad de los bancos de capacitores. Se tiene una mejora en la regulacin del voltaje en sistema elctrico. Suministro de potencia reactiva segn los requerimientos del momento. Es de fcil supervisin.

La desventaja de corregir el factor de potencia mediante la compensacin centralizada, es que las diversas lneas de distribucin no son descargadas de la potencia reactiva, adems, se requiere de un regulador automtico el banco de capacitores para compensar la potencia reactiva, segn las necesidades de cada momento.

IMPORTANCIA DE UN CORRECTOR DE FACTOR DE POTENCIA

La compensacin del factor de potencia trae como consecuencia los siguientes beneficios energticos y econmicos:

Eliminacin del cargo por factor de potencia. Bonificacin por parte de la compaa suministradora. Disminucin de la cada de tensin en cables.

EJEMPLO DE PENALIZACIN DE ACUERDO A UN RECIBO DE CFE

Factor de potencia:

P= 6857 kwh

P=6857/744= 9.21 kw

KVARhr=5323

Fp= 6857/68572+53232=0.789922

%de penalizacin:

60[(0.9/0.789922)-1]=8.36

Penalizacin= $1552.6

BANCO DE CAPACITORES

Qc=P(tan()-tan('))

=0.789922

'=0.9

Qc=9.21(tan(cos-1)-tan(cos-1')) = 4.93 KVAR

Clculo emprico

Una forma de calcular el banco de capacitores adecuado para corregir el factor de potencia, es utilizando la tabla siguiente, donde se necesita conocer la demanda en KW, para multiplicarla por el factor que resulte en el cruce del FP conocido y el FP deseado.

Qc= 0.344 * 9.216 = 3.17 KVAR

CONCLUSIN

La implementacin de los bancos de capacitores consiste en mejorar el desempeo cualquier instalacin elctrica, tanto en el sector de generacin y produccin como en sistemas elctricos convencionales por las ventajas previamente descritas, las cuales tendrn un impacto econmico positivo para el propietario de la instalacin. Si se colocan nicamente con el propsito de evitar las penalizaciones de la compaa suministradora, se podra obtener una pequea bonificacin en la facturacin de la energa elctrica. Adems, corregir el factor de potencia es dentro de los mtodos para el ahorro de energa, el que tiene el retorno de inversin ms rpido.

BIBLIOGRAFA

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/mendez_s_j/capitulo1.pdf

http://www.cfe.gob.mx/Industria/AhorroEnergia/Lists/Ahorro%20de%20energa/Attachments/3/Factordepotencia1.pdf

http://www.grupoipse.com/component/content/article/9-calcular-banco-de-capacitores.html

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