CERFACompensacin de Energa Reactiva y Filtrado de Armnicos

Manual de Curso Centro de Formacin Tcnica Schneider Electric Centroamrica

*Obtenga ms con el especialista mundial en Distribucin Elctrica y Automatizacin Industrial.

CFTIndice GeneralCaptulo 1 QUE ES EL FACTOR DE POTENCIA? 1. Naturaleza de la energa reactiva ................................... 2. Consumidores de energa reactiva ................................. 3. Factor de potencia .......................................................... 4. Medicin prctica del factor de potencia ....................... 5. Valores prcticos del factor de potencia ........................ Captulo 9 DIMENSIONAMIENTO DE UNA BATERIA DE CONDENSADORES EN PRESENCIA DE ARMONICOS 1. Problemas planteados por los armnicos ....................... 29 2. Soluciones posibles ....................................................... 29 3. Eleccin de las soluciones ............................................ 29 4. Precaucin de cara al distribuidor de energa ................ 31 Captulo 10 INSTALACION DE LAS BATERIAS DE CONDENSADORES 1. El elemento condensador .............................................. 33 2. Eleccin de los aparatos de proteccin y mando y de los cables de conexin ................................................... 34 Captulo 11 LOS ARMONICOS 1. Algunas definiciones ..................................................... 36 2. Los efectos de los armnicos ........................................ 38 3. Lmites aceptables, recomendaciones y normas ............ 39 Captulo 12 LOS GENERADORES DE ARMONICOS O CONTAMINADORES 1. Cules son? .................................................................. 42 2. Cules son los armnicos generados? ......................... 42

1 1 2 3 3

Captulo 2 POR QUE MEJORAR EL FACTOR DE POTENCIA? 1. Reduccin del recargo de reactiva en la factura de electricidad ......................................................................... 5 2. Optimizacin tcnico-econmica de la instalacin ......... 5 Captulo 3 COMO COMPENSAR UNA INSTALACION? 1. Principio terico ............................................................. 7 2. Con qu compensar?...................................................... 7 3. Eleccin entre condensadores fijos o bateras de regulacin automtica .......................................................... 9 Captulo 4 DONDE COMPENSAR? 1. Compensacin global ...................................................... 11 2. Compensacin parcial ...................................................... 11 3. Compensacin individual .............................................. 12 Captulo 5 COMO DETERMINAR EL NIVEL DE COMPENSACION EN ENERGIA REACTIVA? 1. Introduccin .................................................................. 15 2. Mtodo simplificado ..................................................... 15 3. Mtodo basado en los datos del recibo de electricidad .. 15 4. Mtodo basado en el balance de potencias .................... 16 5. A partir del balance de potencia reactiva ...................... 16 Captulo 6 COMPENSACION EN LOS BORNES DE UN TRANSFORMADOR 1. Compensacin para incrementar la potencia disponible ............................................................................ 21 2. Compensacin de la energa reactiva absorbida por el transformador ................................................................. 22 Captulo 7 COMPENSACION EN LOS BORNES DE UN MOTOR ASINCRONO 1. Conexin de la batera de condensadores y protecciones ....................................................................... 25 2. Cmo evitar la autoexcitacin de los motores asncronos? ......................................................................... 26

Captulo 13 INFLUENCIA DE LOS CONDENSADORES EN PRESENCIA DE ARMONICOS 1. Red sin condensadores ................................................... 46 2. Red con condensadores ................................................. 46 3. Modelizacin de la red .................................................. 47 Captulo 14 SOLUCIONES 1. Limitacin de las corrientes armnicas ......................... 50 2. Desplazar la resonancia fuera del espectro inyectado .... 50 3. Instalacin de una inductancia antiarmnicos ............... 51 4. Instaslacin de filtros ................................................... .52 5. Sobredimensionado del material .................................. .54 Captulo 15 EJEMPLO DE ESTUDIO DE UNA RED SIMPLIFICADA 1. Ejemplo de estudio de una red simplificada .................. 56

Capitulo 16 SOLUCIONES A LA COMPENSACION EN REDES CON ARMONICOS 1.Equipos SAH..........................62 2.Filtro Sintonizado Simple SAH........63 Captulo 8 3.Criterios de Eleccion................64 EJEMPLO DE INSTALACION ............................................................................................ 27 4.Instalacion y Montaje................66

CERFA

I

CFT

II

CERFA

CFTCaptulo 1 QUE ES EL FACTOR DE POTENCIA?

1. Naturaleza de la energa reactivaCualquier mquina elctrica (motor, transformador...) alimentado en corriente alterna, consume dos tipos de enega: . La energa activa corresponde a la potencia activa P medida en KW (kilowatt); se transforma integralmente en energa mecnica (trabajo) y calor (prdidas). . La energa reactiva corresponde a la potencia reactiva Q medida en KVAR (kilovolt-Ampere reactivo); sirve para alimentar circuitos magnticos en mquinas elctricas y es necesaria para su funcionamiento. Es suministrada por la red o, preferentemente, por condensadores previstos para ello. La red de distribucin suministra la energa aparente S, medida en KVA (kilovolt-Ampere). La energa aparente se compone vectorialmente de los dos tipos de energa: activa y reactiva. Las redes elctricas de corriente alterna suministran dos formas de enrga: . Energa activa, transformada en trabajo y calor. . Energa reactiva, utilizada para crear campos magnticos.

Fig. 1: Un motor absorbe de la red energa activa P y energa reactiva Q

2. Consumidores de energa reactivaEl consumo de energa reactiva vara segn los receptores. La proporcin de energa reactiva con relacin a la activa vara del: . 65 al 75% para los motores asncronos y del: . 5 al 10% para los transformadores. Por otra parte, las inductancias (balastos de tubos fluorescentes), consumen tambin energa reactiva. Los receptores utilizan parte de su potencia aparente en forma de energa reactiva.

Fig. 2: Los receptores consumen energa reactiva

CERFA

1

CFTQu es el factor de potencia? 3. Factor de potenciaDefinicin del factor de potenciaEl factor de potencia F de la instalacin es el cociente de la potencia activa (KW) consumida por la instalacin y la potencia aparente (KVA) suministrada a la instalacin. Su valor est comprendido entre 0 y 1. Con frecuencia, el cos tiene el mismo valor. De hecho, es el factor de potencia de la componente a frecuencia industrial (60 Hz) de la energa suministrada por la red. Por lo tanto, el cos no toma en cuenta la potencia transportada por los armnicos. En la prctica, se tiende a hablar del cos . Un factor de potencia prximo a 1 indica un consumo de energa reactiva poco importante y optimiza el funcionamiento de una instalacin. El factor de potencia (F) es la proporcin de potencia activa frente a la potencia aparente. Cuanto ms prximo a 1 est, mejor es.

Representacin grfica a partir de las potenciasPotencia activa (en kW) . Monofsico P-N . Monofsico 2P . Trifsico 3P 3P + N Potencia reactiva (en kvar) . Monofsico P-N . Monofsico 2P . Trifsico 3P 3P + N Potencia aparente (en kVA) . Monofsico P-N . MonoFsico 2P . Trifsico 3P 3P + N V: tensin entre fase y neutro U: tensin entre fases: P =VI cos P = UI cos P = 3 UI cos

Q = VI sin cos Q = UI sin cos 3 UI sin cos

S = VI S = UI S = 3 UI con:

Se suele utilizar de modo clsico, la representacin grfica siguiente:

Fig. 3: Diagrama de potencias.

2

CERFA

CFTQu es el factor de potencia?Representacin grfica a partir de las intensidadesAl diagrama establecido para las potencias corresponde el diagrama de las intensidades ( es suficiente con dividir las potencias por la tensin). Las intensidaes activa y reactiva componen la intensidad aparente o total que es la que recorre la linea elctrica y se mide con ampermetro. El esquema siguiente es la representacin clsica, donde: lt = intensidad total que recorre los conductores. la = intensidad activa transformada en energa mecnica o en calor. lr = intensidad reactiva necesaria para la exitacin magntica de los receptores.

Fig. 4: Diagrama de intensidades

Las relaciones entre dichas intensidades son:

lt = la2 + lr2 la = lt cos lr = lt sin

4. Medicin prctica del factor de potenciaEl factor de potencia o cos se mide:

. Con el cofmetro, que d una medida instantnea. . Con el registrador varimtrico, que permite obtener en un perodo determinado (da, semana...) los valores de intensidad,tensin y factor de potencia. Las mediciones en un perodo ms largo permiten evaluar mejr el factor de potencia medio de una instalacin.

5. Valores prcticos del factor de potenciaEjemplo de clculo de las potenciasTipo circuito monofsico P-N monofsico 2P ejemplo trifsico 3P o 3P + N ejmplo S (Potencia aparente) S = VI S = UI 10kVA S = 3 UI 65 kVA P (Potencia activa) Q (Potencia reactiva) P = VI cos P = UI cos 5 kW P = 3 UI cos 56 Kw Q = VI sen Q = UI sin cos 8,7 kVAR q = 3 UI sen 33 kvar

receptor 5 kW cos = 0,5 motor Pn : 51 kW cos = 0,86 = 0,91

Figura 5: Ejemplo de clculo de las potencias activa y reactiva

V es la tensin entre fase y neutro. U es la tensin entre fases. CERFA

3

CFTQu es el factor de potencia?El clculo de valores para el ejemplo de la tabla en trifsico es el siguiente: Pn = potencia disponible en el eje = 51 kW P = potencia activa consumida =

S = potencia aparente

y, segn la figura 22 de la pgina18 la correspondencia entre el cos y la tg de un mismo ngulo, sea para cos = 0,866; tg = 0,59 Q = tg = 56 x 0,59 = 33 kvar = rendimiento electromecnico del motor

Fig. 6.

Factor de potencia de los aparatos ms corrientesAparato cos carga 25 % 50 % 75 % 100 % 0% 0,55 0,73 0,80 0,85 1 0,5 0,93 0,4 a 0,6 1 0,85 0,85 0,8 a 0,9 0,5 0,7 a 0,9 0,7 a 0,8 0,8 0,17 1,52 0,94 0,75 0,62 0 1,73 0,39 2,29 a 1,33 0 0,62 0,62 0,75 a 0,48 1,73 1,02 a 0,75 1,02 a 0,75 0,75 tg 5,8

. motor asincrnico ordinario

. lmparas incandescentes . lmparas fluorescentes no compensadas . lmparas fluorescentes compensadas (0,93)* . lmparas de descarga . hornos de resistencia . hornos de induccin por compensacin integrada . hornos con calentamiento dielctrico . mquinas de soldadura con resistencia . centros estticos monofsico de soldadura por arco . grupos rotatorios de soldadura por arco . transformadores - rectificadores de soldadura por arco . hornos de arco* a veces 0,86

Fig. 7: Cuadro de valores del cos y la tg para los aparatos corrientes.

4

CERFA

CFTCaptulo 2 POR QUE MEJORAR EL FACTOR POTENCIA? DE

1. Reduccin del recargo de reactiva en la factura de electricidadEn la regin Centroamericana todos los pases penalizan con un recargo cuando el factorde potencia es inferior a 0.85 Este recargo le permite al distribuidor compensar el costo de oportunidad (de no generar piotencia real para poder satisfacer la demanda de reactivo al cliente .

2. Optimizacin tcnico - econmica de la instalacinUn buen factor de potencia permite optimizar tcnico y econmicamente una instalacin. Evita el sobredimensionamiento de algunos equipos y mejora su utilizacin.

Disminucin de la seccin de los cablesLa figura 8 indica el aumento de seccin de los cables motivado por un bajo cos , de este modo se ve que cuanto mejor es el factor de potencia (prximo a 1), menor ser la seccin de los cables. Factor multiplicador de la seccin cos 1 1 1,25 0,8 1,67 0,6 2,5 0,4

Fig. 8: Factor multiplicador de la seccin de los cables en funcin del cos .

Disminucin de las prdidas en las lneasUn buen factor de potencia permite tambin una reduccin de las prdidas en las lneas para una potencia activa constante. Las prdidas en WATT (debidas a la resistencia de los conductores) estn, efectivamnte, integradas en el consumo registrado por los contadores de energa activa (KILO WATT-HORA) y son proporcionales al cuadrado de la intensidad transportada.

Fig. 9: Reduccin de las prdidas en las lneas.

CERFA

5

CFTPor qu mejorar el factor de potencia?Reduccin de la cada de tensinLa instalacin de condensadores permite reducir, incluso eliminar, la energa reactiva transportada, y por lo tanto reducir las cadas de tensin en lnea.

El: aumento de tensin en la extremidad de la lnea (%). X: reactancia unitaria de la lnea (/Km). Qn: potencia nominal del condensador conectado al final de la lnea (KVAR). Un: tensin compuesta de la lnea (KV). L: longitud de la lnea (Km).

Ejemplo:

Un = 3 x 380 V L = 0.6 Km Qn = 60 KVAR X = 0,333 /Km EL = 0,333 / Km

. 0,6 Km . 60 Kvar = 8,3 % 10 . (0,38KV)2

Aumento de la potencia disponibleLa instalacin de condensadores aguas abajo de un transformador sobrecargado que alimenta una instalacin cuyo factor de potencia es bajo, y por lo tanto malo, permite aumentar la potencia disponible en el secundario de dicho transformador. De este modo es posible ampliar una instalacin sin tener que cambiar el transformador. Esta posibilidad se desarrolla en el captulo 6. La mejora del factor de potencia optimiza el dimensionamiento de los transformadores y cables. Reduce tambin las prdidas en las lneas y las cadas de tensin.

6

CERFA

CFTCaptulo 3 COMO COMPENSAR UNA INSTALACIN?

1. Principio tericoEl hecho de instalar un condensador generador de energa reactiva es la manera ms simple, flexible y rpidamente amortizable de asegurar un buen factor de potencia. Esto se llama compensar una instalacin.

Fig. 10: Esquema de principio de la compensacin: Qc =Pa (tg - tg ').

La figura de arriba ilustra el principio de compensacin de la potencia reactiva Q de una instalacin a un valor ms bajo Q' mediante la instalacin de una batera de condensadores de potencia Qc. Al mismo tiempo, la potencia aparente pasa de S a S'. Ejemplo: Sea un motor que, en un rgimen normal, absorve una potencia de 100 kW con un cos = 0,75, o sea tg = 0,88. Para pasar a un cos = 0,93, o sea tg = 0,40, la potencia de la batera a instalar es:

Qc = 100 KW (0,88 - 0,40) = 48 KVAR.Los elementos de la eleccin del nivel de compensacin y de clculo de la potencia en KVAR de la batera dependen de la instalacin contemplada. Se explican de modo general en el captulo 5, as como en los captulos 6 y 7 para los transformadores y motores. Nota: Previamente a la compensacin, deben tomarse ciertas precauciones. En particular, se evitar el sobredimensionamiento de los motores as como su marcha en vaco mediante mandos individuales. Mejorar el factor de potencia de una instalacin consiste en instalar un condensador, fuente de energa reactiva. Esto se llama compensar la instalacin. La instalacin de una batera de condensadores de potencia Qc reduce la cantidad de energa reactiva suministrada por la red. La potencia de la batera de condensadores a instalar se calcula a partir de la potencia activa de la carga (Pa en KW) y del desfase tensin intensidad antes () y despus (') de compensar.

2. Con qu compensar?Compensacin en B.T.En baja tensin la compensacin se realiza con dos tipos de equipos: . Los condensadores de valores fijos. . Los equipos de regulacin automtica o bateras automticas que permiten ajustar permanentemente la compensacin a las necesidades de instalacin.

CERFA

7

CFTCmo compensar una instalacin?Observacin: Cuando la potencia a instalar es superior a 800 KVAR con una carga estable y continua, puede resultar ms econmico elegir instalar bateras de condensadores de alta tensin en la red.

Condensadores fijosEstos condensadores tienen una potencia unitaria constante y su conexin puede ser: . Manual: mando por interruptor. . Semi-automtica: mando por contactor. . Directa: conectada a los bornes de un receptor. Se utilizan: . En los bornes de los receptores de tipo inductivo (motores y transformadores). . En barras donde estn muchos pequeos motores cuya compensacin individual sea demasiado costosa. . Cuando la fluctuacin de carga es poco importante. La compensacin de energa reactiva puede hacerse con condensadores fijos.

Fig 11: Ejemplo de condensadores fijos Varplus M

Bateras de condensadores de regulacin automticaEste tipo de equipo permite la adaptacin automtica de la potencia reactiva suministrada por las bateras de condensadores en funcin de un cos deseado e impuesto permanentemente. Se utiliza en los casos donde la potencia reactiva consumida o la potencia activa varan en proporciones importantes, es decir esencialmente: . En las barras de los tableros generales BT. . Para las salidas importantes. La compensacin de energa reactiva se hace con ms frecuencia mediante bateras de condensadores de regulacin automtica.

Fig. 12: Ejemplo de batera de regulacin automtica Rectimat F.

8

CERFA

CFTCmo compensar una instalacin?Principio e inters de la compensacin automticaInstaladas en cabecera del tablero de distribucin BT o de un sector importante, las bateras de condensadores estn formadas por distintos escalones de potencia reactiva. El valor del cos es detectado por un rel varimtrico que manda automticamente la conexin y desconexin de los escalones, a travs de contactores, en funcin de la carga y del cos deseado. El transformador de intensidad debe instalarse aguas arriba de los receptores y de las bateras de condensadores. La compensacin automtica permite la inmediata adaptacin de la compensacin a las variaciones de la carga y, de este modo, evita devolver energa reactiva a la red y sobretensiones peligrosas para los circuitos de iluminacin durante los funcionamientos a baja carga de la instalacin. Las bateras de regulacin automtica permiten la inmediata adaptacin de la compensacin a las variaciones de la carga.

Fig. 13: Principio de la compensacin automtica de una instalacin

fig. 14 : Ejmplos de bateras de condensadores de regulacin automtica Rectimat y Secomat.

3. Eleccin entre condensadores fijos o bateras de regulacin automticaReglas prcticasSi la potencia de los condensadores (KVAR) es inferior al 15% de la potencia del transformador, elegir condensadores fijos. Si la potencia de los condensadores (KVAR) es superior al 15% de la potencia del transformador, elegir una batera de condensadores de regulacin automtica.

CERFA

9

CFT

10

CERFA

CFTCaptulo 4 DONDE COMPENSAR?

La locacin de los condensadores BT en una red elctrica constituye lo que se denomina el modo de compensacin. La compensacin de una instalacin puede realizarse de distintas maneras. Esta compensacin puede ser global, parcial (por sectores), o local (individual). En principio, la compensacin ideal es la que permite producir energa reactiva en el lugar mismo donde se consume y en una cantidad que se ajusta a la demanda. Los criterios tcnico-econmicos determinan su eleccin.

1. Compensacin globalPrincipioLa batera est conectada en cabecera de la instalacin (ver captulo 6) y asegura la compensacin del conjunto de la instalacin. Est permanentemente en servicio durante la marcha normal de la fbrica.

Ventajas: . Elimina las penalizaciones por consumo excesivo de energa reactiva . Disminuye la potencia aparente (o de la aplicacin) ajustndola a la necesidad real de KW de la instalacin. . Descarga el centro de transformacin (potencia disponible en KW). Observaciones: . La corriente reactiva est presente en la instalacin desde el nivel 1 hasta los receptores. . Las prdidas por efecto Joule (KWh) en los cables situados aguas abajo y su dimensionamiento no son, por tanto, disminuidos.Cuando la carga es estable y continua , conviene una compensacin global

Fig. 15: Compensacin global.

2. Compensacin parcialPrincipioLa batera est conectada al cuadro de distribucin y suministra energa reactiva a cada taller o a un grupo de receptores. Se descarga as gran parte de la instalacin, en particular los cables de alimentacin de cada taller.

CERFA

11

CFTDnde compensar?

Ventajas . Elimina las penalizaciones por consumo excesivo de energa reactiva . Descarga el centro de transformacin (potencia disponible en KW) . Optimiza parte de la red ya que la corriente reactiva no circula entre los niveles 1 y 2 Observaciones . La corriente reactiva est presente en la instalacin desde el nivel 2 hasta los receptores . Las prdidas por efecto Joule (KWh) en los cables quedan reducidas de este modo . Existe un riesgo de sobrecompensacin como consecuencia de variaciones de carga importantes (este riesgo se elimina conla compensacin automtica) Se recomienda una compensacin parcial cuando la instalacin es amplia y comprende talleres cuyos regmenes de carga son distintos.

Fig. 16: Compensacin parcial

3. Compensacin individualPrincipioLa batera est conectada directamente a los bornes de cada receptor de tipo inductivo (en particular motores, ver pg. 7). Esta compensacin individual debe contemplarse cuando la potencia del motor es importante con relacin a la potencia total. La potencia en KVAR de la batera representa aproximadamente el 25% de la potencia en KW del motor. Cuando es aplicable, esta compensacin produce energa reactiva en el lugar mismo donde es consumida y en una cantidad que se ajusta a las necesidades. Puede preverse un complemento en cabecera de la instalacin (transformador).

Ventajas . Elimina las penalizaciones por consumo excesivo de energa reactiva . Descarga el centro de transformacin (potencia disponible en KW) . Reduce el dimensionamiento de los cables y las prdidas por efecto Joule (KWh) Observaciones . La corriente activa ya no est presente en los cables de la instalacin

12

CERFA

CFTDnde compensar?

Se puede contemplar una compensacin individual cuando la potencia de algunos receptores es importante con relacin a la potencia total. Es el tipo de compensacin que ms ventajas ofrece.

Fig. 17: Compensacin individual.

CERFA

13

CFT

14

CERFA

CFTCaptulo 5 COMO DETERMINAR EL NIVEL DE COMPENSACION EN ENERGIA REACTIVA?1. IntroduccinPara deteminar la potencia ptima de la batera de condensadores, es necesario tener en cuenta los elementos siguientes: . Facturas de electricidad antes de instalar la batera . Facturas previsionales de electricidad despus de instalar la batera . Gastos relativos a la compra de la batera y su instalacin Se proponen 3 mtodos simplificados para el clculo de la potencia del equipo de compensacin.

2. Mtodo simplificadoPrincipio generalUn clculo muy aproximado es suficiente. Consiste en considerar que el cos de una instalacin es en promedio de 0,8 sin compensacin. Se considera que hay que "subir" el factor de potencia a cos = 0,93 para eliminar las penalizaciones y compensar las prdidas habituales de energa reactiva de la instalacin. para "subir"de este modo el cos el cuadro 19 de la pgina siguiente indica que, para pasar de cos = 0,8 a cos = 0,93, es necesario proporcionar 0,335 KVAR por KW de carga. la potencia de la batera de condensadores a instalar (a la cabeza de la instalacin) ser:

Q (KVAR) = 0,355 P (KW)Esta relacin permite hallar rpidamente un valor muy aproximado de la potencia de condensadores a instalar. Ejemplo: Se desea pasar el cos = 0,75 de una instalacin de 665 KVA a un cos = 0,928. la potencia activa de la instalacin es 665 x 0,75 = 500 KW. Se lee, en la figura 22 a la interseccin de la linea cos = 0,75 (antes de compensar) con la columna cos = 0,93 (despus de compensar) que hay que instalar 0,487 kvar por KW. Los KVAR a instalar, independientes de la tensin de la red, sern de 500 x 0,487 sea 244 KVAR.

.

3. Mtodo basado en los datos del recibo de electricidadDatos obtenidos del recibo: . Perodo del recibo (1 mes, 2 meses,...) . Consumo de energa activa (KWh) (suma de kw,h correspondientes a "activa", "punta", "valle"y "llano") . Consumo de energa reactiva (KVARh) Datos obtenidos en la instalacin: . Clculo de horas efectivas de funcionamiento al mes: (ejemplo: h = 22 das x 9 h/da = 189 h/mes) . Clculo segn estos datos: cos inicial:

Potencia activa consumida en el perodo: P = KWh (consumo energa activa en el perodo) /perodo recibo x horas efectivas funcionamiento A partir de la potencia activa, el cos inicial y el cos deseado, segn el punto 2 o 4 se podr calcular la Q necesaria.

CERFA

15

CFTCmo determinar el nivel de compensacin en energa reactiva? 4. Mtodo basado en el clculo de potenciasDatos conocidos : . Potencia activa (KW), cos inicial, cos deseado Clculo: . Q (KVAR) = Potencia activa (KW) x (tg inicial - tg deseada)

5. A partir del balance de potencia reactivaEtapa 1Establecer la lista de receptores de la instalacin. Se trata de considerar todos los receptores instalados sin olvidar las tomas de corriente sobre las que se pueden conectar receptores mviles.

Etapa 2Todos los receptores no son obligatoriamente utilizados a plena carga, ni al mismo tiempo. los factores ku y ks permiten determinar las potencias de utilizacin mxima.

Factor de utilizacin mxima (ku)El rgimen de funcionamiento normal de un receptor puede ser tal que su potencia utilizada sea inferior a la potencia nominal instalada. Por esta razn aparece el concepto de factor de utilizacin. El factor de utilizacin se aplica individualmente a cada receptor. Esto se verifica para receptores a motor, susceptibles de funcionar por debajo de su plena carga. En una instalacin industrial, este factor puede estimarse en promedio a 0,75 para los motores. Para el alumbrado y la calefaccin, siempre ser igual a 1. Para las tomas de corriente, depender de su destino.

Factor de simultaneidad (ks)Todos los receptores instalados no funcionan simultaneamente. En consecuencia se permite aplicar a los diferentes conjuntos de receptores (ejemplo, al nivel de un tablero terminal, de un tablero general de divisin, de un armario...). La determinacin de estos factores de simultaneidad implica el conocimiento detallado de la instalacin y de sus condiciones de explotacin. Por consiguiente, no se pueden dar valores precisos para todos los casos.

Equipos industriales o terciarios Alumbrado (atencin: verificar en las lmparas de descarga) Ventilacin Acondicionamiento del aire Hornos Tomas de corriente (caso en que n tomas estn sobre el mismo circuito) Mquinas-herramientas CompresoresFig. 18: Factores de simultaneidad ms usuales

KS 1 1 1 1 0,1 + 0,9 n 0,75 0,75

Aplicar a la potencia activa de cada receptor el factor de utilizacin ku. La potencia reactiva absorvida por un receptor no est afectada por este coeficiente. Se deducir la potencia reactiva Q de un receptor a partir de la potencia activa P y del cos .

Q = P tan

o

Q = S sin

16

CERFA

CFTCmo determinar el nivel de compensacin en energa reactiva?Ejemplo: Tipo circuito Monofsico F-N Monofsico 2F Ejemplo receptor 5 kW cos = 0,5 Trifsico 3F o 3F + N Ejemplo motor Pn:51 kW cos = 0,86 = 0,91

S (potencia aparente)S = VI S = UI 10 kVA S = 3 UI 65 kVA

P (potencia activa) P = VI cos P = UI cos 5 kW P = 3 UI cos 56 kW

Q (potencia reactiva) Q = VI sin Q = UI sin 8,7 kvar Q = 3 UI sin 33 kvar

V es la tensin entre fase y neutro. U es la tensin entre fases.Fig.19 : Ejemplo de clculo

El clculo de los elementos para el ejemplo de un tablero en trifsico es el siguiente: Pn = potencia disponible en el eje = 51 KW P = potencia activa consumida = Pn / h = 51 / 0,9 = 56 KW S = potencia aparente = P / cos = P / 0,86 = 65 KVA (La correspondencia entre el cos y la tg de un mismo ngulo, sea para cos = 0,86; tg = 0,59) Q = P tg = 56 x 0,59 = 33 KVAR. = rendimiento electromecnico.

Fig. 20:Ejemplo de clculo.

Etapa 3Para obtener las potencias de utilizacin mxima activa y reactiva en un juego de barras: . De una parte sumar las potencias activas de todos los receptores conectados al juego de barras . De otro parte sumar las potencias reactivas de todos los receptores conectados al juego de barras . Multiplicar por el factor de simultaneidad Ks del tablero general de divisin los valores obtenidos anteriormente

Etapa 4Hacer el mismo balance de potencias para los juegos de barras que se encuentran en el mismo nivel de tensin

Etapa 5Reiterar desde el principio para un nivel de tensin superior.

CERFA

17

CFTCmo determinar el nivel de compensacin en energa reactiva?

Ejemplo de estimacin de potencias

Utilizacin

Potencia Factor de Potencia Factor de Potencia Factor de Potencia Factor de Potencia absorvida utilizacin utilizacin simultaneidad utilizacin simultaneidad utilizacin simultaneidad utilizacin KW max max. KW KW KW KW 5 5 5 5 2 2 18 3 15 10,6 1 2,5 2,5 15 15 18 2 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 1 1 0,8 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 4 4 1,6 1,6 18 3 12 10,6 1 2,5 2,5 15 15 18 2 caja de divisin 0,75

Taller A

Taller B

Taller C

torno n1 torno n2 torno n3 torno n4 agujereadora n1 agujereadora n2 5 tomas 10 / 16 A 30 fluorescente compresor 3 tomas 10 / 16 A 10 fluorescente ventilador n4 ventilador n2 hornos n1 hornos n2 5 tomas 10 / 16 A 20 fluorescente

fuerza 14,4

armario del taller A 0,9 armario del taller B armario del taller C 0,9

18,9

armario general

0,2 1 1 0,4 1 caja de divisin 1 0,28 1

tomas 3,6 alum. 3 fuerza 12 tomas 4,3 alum. 1 fuerza 35 tomas 5 alum. 2

15,6

0,8

58

BT AT

37,8

Fig. 21: Ejemplo de estimacin de potencias.

18

CERFA

CFTCmo determinar el nivel de compensacin en energa reactiva?

Antes de la compensacin tg 2,29 2,22 2,16 2,10 2,04 1,98 1,93 1,88 1,83 1,78 1,73 1,69 1,64 1,60 1,56 1,52 1,48 1,44 1,40 1,37 1,33 1,30 1,27 1,23 1,20 1,17 1,14 1,11 1,08 1,05 1,02 0,99 0,96 0,94 0,91 0,88 0,86 0,83 0,80 0,78 0,75 0,72 0,70 0,67 0,65 0,62 0,59 0,57 0,54 0,51 0,48 cos 0,40 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,80 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90

Potencia del condensador en kvar a instalar por kW de carga para aumentar el factor de potencia (cos o la tg a un valor dado ) tg cos 0,75 0,80 1,557 1,474 1,413 1,356 1,290 1,230 1,179 1,130 1,076 1,030 0,982 0,936 0,894 0,850 0,809 0,769 0,730 0,692 0,665 0,618 0,584 0,549 0,515 0,483 0,450 0,419 0,388 0,358 0,329 0,299 0,270 0,242 0,213 0,186 0,159 0,132 0,105 0,079 0,053 0,026 0,59 0,86 1,691 1,625 1,561 1,499 1,441 1,384 1,330 1,278 1,228 1,179 1,232 1,087 1,043 1,000 0,959 0,918 0,879 0,841 0,805 0,768 0,733 0,699 0,665 0,633 0,601 0,569 0,538 0,508 0,478 0,449 0,420 0,392 0,364 0,336 0,309 0,282 0,255 0,229 0,202 0,176 0,150 0,124 0,098 0,072 0,046 0,020 0,48 0,90 1,805 1,742 1,681 1,624 1,558 1,501 1,446 1,397 1,343 1,297 1,248 1,202 1,160 1,116 1,075 1,035 0,996 0,958 0,921 0,884 0,849 0,815 0,781 0,749 0,716 0,685 0,654 0,624 0,595 0,565 0,536 0,508 0,479 0,452 0,425 0,398 0,371 0,345 0,319 0,292 0,266 0,240 0,214 0,188 0,162 0,136 0,109 0,083 0,054 0,028 0,46 0,91 1,832 1,769 1,709 1,651 1,585 1,532 1,473 1,425 1,370 1,326 1,276 1,230 1,188 1,144 1,103 1,063 1,024 0,986 0,949 0,912 0,878 0,843 0,809 0,777 0,744 0,713 0,682 0,652 0,623 0,593 0,564 0,536 0,507 0,480 0,453 0,426 0,399 0,373 0,347 0,320 0,294 0,268 0,242 0,216 0,190 0,164 0,140 0,114 0,085 0,059 0,031 0,43 0,92 1,861 1,798 1,738 1,680 1,614 1,561 1,502 1,454 1,400 1,355 1,303 1,257 1,215 1,171 1,130 1,090 1,051 1,013 0,976 0,939 0,905 0,870 0,836 0,804 0,771 0,740 0,709 0,679 0,650 0,620 0,591 0,563 0,534 0,507 0,480 0,453 0,426 0,400 0,374 0,347 0,321 0,295 0,269 0,243 0,217 0,191 0,167 0,141 0,112 0,086 0,058 0,40 0,93 1,895 1,831 1,771 1,713 1,647 1,592 1,533 1,485 1,430 1,386 1,337 1,291 1,249 1,205 1,164 1,124 1,085 1,047 1,010 0,973 0,939 0,904 0,870 0,838 0,805 0,774 0,743 0,713 0,684 0,654 0,625 0,597 0,568 0,541 0,514 0,487 0,460 0,434 0,408 0,381 0,355 0,329 0,303 0,277 0,251 0,225 0,198 0,172 0,143 0,117 0,089 0,36 0,94 1,924 1,840 1,800 1,742 1,677 1,628 1,567 1,519 1,464 1,420 1,369 1,323 1,281 1,237 1,196 1,156 1,117 1,079 1,042 1,005 0,971 0,936 0,902 0,870 0,837 0,806 0,775 0,745 0,716 0,686 0,657 0,629 0,600 0,573 0,546 0,519 0,492 0,466 0,440 0,413 0,387 0,361 0,335 0,309 0,283 0,257 0,230 0,204 0,175 0,149 0,121 0,33 0,95 1,959 1,896 1,836 1,778 1,712 1,659 1,600 1,532 1,497 1,453 1,403 1,357 1,315 1,271 1,230 1,190 1,151 1,113 1,076 1,039 1,005 0,970 0,936 0,904 0,871 0,840 0,809 0,779 0,750 0,720 0,691 0,663 0,634 0,607 0,580 0,553 0,526 0,500 0,474 0,447 0,421 0,395 0,369 0,343 0,317 0,291 0,264 0,238 0,209 0,183 0,155 0,29 0,96 1,998 1,935 1,874 1,816 1,751 1,695 1,636 1,588 1,534 1,489 1,441 1,395 1,353 1,309 1,268 1,228 1,189 1,151 1,114 1,077 1,043 1,008 0,974 0,942 0,909 0,878 0,847 0,817 0,788 0,758 0,729 0,701 0,672 0,645 0,618 0,591 0,564 0,538 0,512 0,485 0,459 0,433 0,407 0,381 0,355 0,329 0,301 0,275 0,246 0,230 0,192 0,25 0,97 2,037 1,973 1,913 1,855 1,790 1,737 1,677 1,629 1,575 1,530 1,481 1,435 1,393 1,349 1,308 1,268 1,229 1,191 1,154 1,117 1,083 1,048 1,014 0,982 0,949 0,918 0,887 0,857 0,828 0,798 0,769 0,741 0,712 0,685 0,658 0,631 0,604 0,578 0,552 0,525 0,499 0,473 0,447 0,421 0,395 0,369 0,343 0,317 0,288 0,262 0,234 0,20 0,98 2,085 2,021 1,961 1,903 1,837 1,784 1,725 1,677 1,623 1,578 1,529 1,483 1,441 1,397 1,356 1,316 1,277 1,239 1,202 1,165 1,131 1,096 1,062 1,030 0,997 0,966 0,935 0,905 0,876 0,840 0,811 0,783 0,754 0,727 0,700 0,673 0,652 0,620 0,594 0,567 0,541 0,515 0,489 0,463 0,437 0,417 0,390 0,368 0,335 0,309 0,281 0,14 0,99 2,146 2,082 2,022 1,964 1,899 1,846 1,786 1,758 1,684 1,639 1,590 1,544 1,502 1,458 1,417 1,377 1,338 1,300 1,263 1,226 1,192 1,157 1,123 1,091 1,058 1,007 0,996 0,937 0,907 0,878 0,850 0,821 0,794 0,767 0,740 0,713 0,687 0,661 0,634 0,608 0,582 0,556 0,530 0,504 0,478 0,450 0,424 0,395 0,369 0,341 0,0 1 2,288 2,225 2,164 2,107 2,041 1,988 1,929 1,881 1,826 1,782 1,732 1,686 1,644 1,600 1,559 1,519 1,480 1,442 1,405 1,368 1,334 1,299 1,265 1,233 1,200 1,169 1,138 1,108 1,079 1,049 1,020 0,992 0,963 0,936 0,909 0,882 0,855 0,829 0,803 0,776 0,750 0,724 0,698 0,672 0,645 0,620 0,593 0,567 0,538 0,512 0,484

Fig. 22: KVAR a instalar por KW para aumentar el factor de potencia.

CERFA

19

CFT

20

CERFA

CFTCaptulo 6 COMPENSACION EN BORNES TRANSFORMADOR DE UN

1. Compensacin para aumentar la potencia disponibleLa potencia activa disponible en el secundario de un transformador es ms elevada cuanto mayor es el factor de potencia de la instalacin. En consecuencia, es conveniente, en previsin de futuras ampliaciones, o en el mismo momento de una ampliacin, corregir el factor de potencia y evitar as la compra de un nuevo transformador. La tabla 23 da directamente la potencia activa en KW que puede suministrar un transformador a plena carga en funcin del factor de potencia y por lo tanto, por diferencia, el aumento de potencia disponible en caso de modificacin del factor de potencia. Ejemplo: Una instalacin es alimentada por un transformador de 630 KVA que suministra una potencia activa P1 = 450 KW con un cos medio de 0,8.

( Potencia aparente (Potencia reactivaSe pretende realizar una ampliacin de potencia P2:

) )

P2 = 100 kW con un cos de 0,7 (Potencia aparente (Potencia reactiva ) )

Cul es la potencia mnima de la batera de condensadores a instalar para evitar la sustitucin del transformador? Potencia activa total a suministrar:

P = P1 + P2 = 550 KWPotencia reactiva mxima que puede suministrar el transformador de 630 KVA:

Potencia reactiva total a suministrar a la instalacin antes de la compensacin:

Q1 + Q2 = 337 + 102 = 439 KVARDedonde la potencia mnima de la batera a instalar:

Q = 439 - 307 = 132 KVAR.A subrayar que el clculo se hizo sin tener en cuenta puntas de potencia ni su duracin. En la mejor hiptesis, se efectuar una compensacin total (cos = 1), lo que permitir tener una reserva de potencia de 630 - 550 = 80 KW, la batera de condensadores a instalar ser entonces de 439 KVAR calculados arriba. La instalacin de una batera de condensadores puede evitar la sustitucin del transformador en el momento de una ampliacin. CERFA

21

CFTCompensacin en bornes de un transformador

Fig. 23: La compensacin Q permite la ampliacin contemplada S2 sin tener que sustituir el transformador que puede suministrar una potencia superior a S.

tg 0,00 0,20 0,29 0,36 0,43 0,48 0,54 0,59 0,65 0,70 0,75 0,80 0,86 0,91 0,96 1,02

cos 1 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0,82 0,80 0,78 0,76 0,74 0,72 0,70

Potencia nominal del transformador (en KVA) 500 250 315 400 100 160 500 250 315 400 100 160 490 309 392 245 157 98 480 302 384 240 154 96 470 296 376 235 150 94 460 290 368 230 147 92 450 284 360 225 144 90 440 277 352 220 141 88 430 271 344 138 215 86 336 420 210 265 134 84 410 328 205 258 131 82 400 320 200 252 128 80 390 312 195 246 125 78 380 304 190 239 122 76 370 296 185 233 118 74 360 288 180 227 115 72 350 280 112 175 220 70

630 630 617 605 592 580 567 554 541 529 517 504 491 479 466 454 441

800 800 784 768 752 736 720 704 688 672 656 640 624 608 592 576 560

1000 1000 980 960 940 920 900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700

1250 1250 1225 1200 1175 1150 1125 1100 1075 1050 1025 1000 975 950 925 900 875

1600 1600 1568 1536 1504 1472 1440 1408 1376 1344 1312 1280 1248 1216 1184 1152 1120

2000 2000 1960 1920 1880 1840 1800 1760 1720 1680 1640 1600 1560 1520 1480 1440 1400

Fig. 24: Potencia activa en KW que puede suministrar un transformador a plena carga en funcin del factor de potencia.

2. Compensacin de la energa reactiva absorbida por el transformadorLa energa reactiva que consume un transformador no es despreciable (del orden del 5%); puede ser suministrada por una batera de condensadores. Los transformadores necesitan energa reactiva para su propio funcionamiento. Su valor vara en funcin del rgimen de carga: . En vaco absorve energa reactiva para sostener el flujo magntico en el hierro. . En carga adems deber sostener el flujo magntico de dispersin. Dado que el transformador est conectado durante largos perodos de tiempo, el impacto econmico de la reactiva no es despreciable. La figura 25 muestra la energa reactiva absorbida por un transformador (20/0,4 KV) en vaco y a plena carga. La conexin del factor de potencia se realizar instalando en los bornes del secundario un condensador fijo de potencia adecuada a la de la tabla. Se deber verificar que la suma de todos los condensadores fijos no supere el 15% de la potencia del transformador.

22

CERFA

CFTCompensacin en bornes de un transformador

Potencia

Potencia reactiva a compensar en vaco KVAR 2,5 3,7 5,3 6,3 7,6 9,5 11,3 20 23,9 27,4 31,9 37,8 44,8 53,3 a plena carga KVAR 6,1 9,6 14,7 18,4 22,9 28,7 35,7 54,5 72,4 94,5 126,2 176 230 303

KVA 100 160 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150

Fig. 25:Consumo de energa reactiva de los transformadores de distribucin - tensin primaria 20 KV.

Ejemplo: Para un transformador de 630 KVA 20KV, se puede compensar 11,3 y 35,7 KVAR.

CERFA

23

CFT

24

CERFA

CFTCaptulo 7 COMPENSACION EN LOS BORNES UN MOTOR ASNCRONO DE

1. Conexin de la batera de condensadores y proteccionesPrecaucin generalEl cos de los motores es muy bajo en vaco o con poca carga; conviene por lo tanto evitar este tipo de funcionamiento sin prever una compensacin.

ConexinLa batera est conectada directamente a los bornes del motor.

ArranqueSi el motor arranca con la ayuda de un dispositivo especial (resistencia, inductancia, dispositivo estrella-tringulo, autotransformador), la batera de condensadores debe ponerse en marcha slo despus del arranque.

Motores especialesSe recomienda no compensar los motores especiales (paso a paso, a dos sentidos de marcha).

Regulacin de las proteccionesLa intensidad aguas arriba del conjunto motor-condensador se vuelve inferior a la intensidad antes de la compensacin, para un funcionamiento idntico del motor ya que los condensadores suministran una parte de la energa reactiva consumida por el motor (figura 26).

Fig. 26: A la izquierda el transformador suministra toda la energa reactiva. A la derecha, la batera de condensadores contribuye.

Cuando la proteccin del motor contra las sobrecargas est situada aguas arriba del conjunto motor-condensador, la regulacin de esta proteccin debe reducirse en la relacin: . cos antes de la compensacin . cos despus de la compensacin

CERFA

25

CFTCompensacin en los bornes de un motor asncronoAl compensar los motores con una potencia en KVAR correspondiente a los valores indicados en la tabla 28 (valores mximos que pueden instalarse en un motor asncrono sin riesgo de auto-exitacin), esta relacin tiene aproximadamente el valor indicado en la figura 27. Dbe contemplarse la compensacin individual cuando la potencia del motor es importante con relacin a la potencia contratada. Velocidad en RPM 750 1000 1500 3000 Coef. de reduccin 0,88 0,90 0,91 0,93

Fig. 27: Coeficiente de reduccin de la regulacin de la proteccin de un motor teniendo en cuenta la compensacin.

2. Cmo evitar la autoexitacin de los motores asncronos?Cuando un motor arrastra una carga que tiene una gran inercia puede, despus del corte de la tensin de alimentacin, seguir funcionando utilizando su energa cintica y ser autoexitado por una batera de condensadores conectada a sus bornes. Estos le suministran la energa reactiva necesaria para su funcionamiento como generador asincrnico. Dicha autoexitacin provoca un mantenimiento de la tensin y a veces sobretensiones elevadas. Para evitar este fenmeno, es necesario asegurar que la potencia de la batera es inferior a la potencia necesaria para la autoexitacin del motor, comprobando: Qc 0,9 Io Un 3 (lo intensidad en vaco del motor) la figura 28 da los valores de Qc correspondientes. Ejemplo: Para un motor de 75 KW, 3000 RPM, la figura 28 indica que se le puede asociar como mximo cuando una batera de condensadores est instalada en los bornes de un motor, es necesario asegurarse que la potencia de la batera es inferior a la potencia necesaria para la autoexitacin del motor. Motor trifsico : 230 / 400 V Potencia Potencia (KVAR) nominal a instalar velocidad de rotacin (RPM) KW 22 30 37 45 55 75 90 110 132 160 200 250 280 355 400 450 CV 30 40 50 60 75 100 125 150 180 218 274 340 380 482 544 610 3000 6 7,5 9 11 13 17 20 24 31 35 43 52 57 67 78 87 1500 8 10 11 13 17 22 25 29 36 41 47 57 63 76 82 93Fig. 28

1000 9 11 12,5 14 18 25 27 33 38 44 53 63 70 86 97 107

750 10 12,5 16 17 21 28 30 37 43 52 61 71 79 98 106 117

Fig. 29:Esquema de coneccin de la batera al motor.

26

CERFA

CFTCaptulo 8 EJEMPLO DE INSTALACIONInstalacin con condensadorKVA = KW + KVAR

Instalacin sin condensadorKVA = KW + KVAR . Los kvar en exceso son facturados

. El consumo en kvarh essuprimido o reducido segn el cos deseado . Las penalizaciones en el total de la factura est suprimidas . La contratacin de potencia en kva se ajusta a la necesidad real en KW

.kVA kw kvar

La potencia aplicada en kVA es superior a la necesidad real en kW . La intensidad correspondiente conlleva prdidas activas pagadas en kWh, sobredimensionadas

630 kVA

Caractersticas de la instalacin 500kw cos = 0,75 . El transformador est sobrecargado . La potencia necesaria: S= P = 500 = 665 KVA 0,75 cos S = Potencia aparente KVA Por lo tanto, el transformador est sobredimensionado para tal potencia de aplicacin

630 kVA

Caractersticas de la instalacin 500 KW cos = 0,928 . El transformador ya no est sobrecargado . La potencia de aplicacin es 539 KVA . Se dispone de una reserva de potencia del 14%

400 V

.

400 V

x

. La intensidad que circula en la instalacin aguas abajo del automtico es:I= = 960 A U 3 cos . El dimensionamiento de los cables y automtico ser para ln = 960 A P

x

. La intensidad que circula en la instalacin aguasabajo del disyuntor es de 778 A . La intensidad que circula en la instalacin . El dimensionamiento de los cables y automtico ser para ln = 778 A

. Las prdidas en los cables son calculadas en funcindel cuadrado de la corriente aparente: (960)2 P = RI2

. Las prdidas en los cables son reducidas sobre labase de (778)2 (960)2 o sea el 65% de su valor sin compensacin P = Rl2 Por lo tanto se economiza en kw-h

Cos = 0,75 . La energa reactiva es suministrada por el transformador y circula por la instalacin . El transformador, disyuntor y cables estn sobredimensionados

Cos = 0,928 . La energa reactiva es suministrada por la batera de condensadores kvar Potencia de la batera: 250 KVAR Tipo: Rectimat + (batera automtica) 5 escalones de 50 KVAR

Cos = 0,75 taller

Nota: En realidad, el cos del taller sigue siendo 0,75 pero el cos de toda la instalacin aguas arriba de la batera de condensadores es de 928.

Cos = 0,928 taller

Fig. 30: Comparacin tcnico-econmica de una instalacin antes y despus de la compensacin.

CERFA

27

CFT

28

CERFA

CFTCaptulo 9 DIMENSIONAMIENTO DE UNA BATERIA DE CONDENSADORES EN PRESENCIA DE ARMONICOS1. Problemas planteados por los armnicosLos equipos que utilizan electrnica de potencia (motores de velocidad variable, rectificadores estticos, los balastos de tubos fluorescentes, etc.) son responsables de la circulacin de armnicos en la red. Dichos armnicos perturban el funcionamiento de mquinas o aparatos electrnicos. En particular, los condensadores son extremadamente sensibles a ellos debido a que su impedancia decrece proporcionalmente al rango de los armnicos presentes (frecuencia). Si la frecuencia propia del conjunto condensador-red est prxima al rango de un armnico, se producir entonces una resonancia que amplificar el armnico correspondiente. En este caso particular, la corriente resultante provocar el calentamiento y luego la perforacin del condensador. Ser conveniente tambin comprobar que la coexistencia entre los condensadores y generadores de armnicos no causa una tasa de distorcin incompatible con el buen funcionamiento de los equipos de la fbrica.

2. Soluciones posiblesContra los efectos de los armnicosLa presencia de los armnicos implica un aumento de la intensidad en el condensador a pesar de que est diseado para una intensidad eficaz igual a 1,3 veces su intensidad nominal. Todos los elementos en serie (aparamenta y conexiones) se calibrarn entre 1,3 y 1,5 veces la intensidad asignada. Tener en cuenta los fenmenos armnicos consiste principalmente en sobredimensionar los condensadores y asociarlos a inductancias anti-armnicos (filtros).

Contra los fenmenos de resonanciaLos condensadores no son en si mismos generadores de armnicos. En cambio, cuando en una red circulan armnicos, la presencia de un condensador amplifica ms o menos algunos de dichos armnicos. Esto produce una resonancia cuya frecuencia es funcin de la impedancia de la red (o de la potencia de cortocircuito). El valor de la frecuencia propia es Scc/Q. Scc = potencia de cortocircuito de la red en KVA. Q = potencia de la batera de condensadores en KVAR. Esta resonancia ser tanto ms importante cuando Scc/Q est prximo a la frecuencia de los armnicos de rango n presentes. La sobrecarga de intensidad podr preovocar el calentamiento y el envejecimiento prematuro del condensador. Para paliar estos fenmenos, se utilizarn: . Condensadores sobredimensionados en tensin, por ejemplo 440V para una red 400V. Inductancias anti-armnicos asociadas a los condensadores. La inductancia anti-armnicos asociada en serie constituye un conjunto sintonizado a 228 Hz para una red de 60 Hz. Esto permite a la vez reducir las tensiones armnicas en los bornes del condensador y las intensidades de sobrecarga que los atraviesan.

3. Eleccin de las solucionesElementos a tener en cuentaLa eleccin se hace a partir de los elementos siguientes: . Gh = potencia en KVA de todos los generadores de armnicos (convertidores estticos, onduladores, variadores de velocidad) alimentados por el mismo embarrado que los condensadores. Si la potencia de los generadores es conocida en KW,

CERFA

29

CFTDimensionamiento de una presencia de armnicos batera de condensadores en

se divide por 0,7 (valor medio de factor de potencia) para obtener Gh . Scc = potencia de cortocircuito real (KVA) de la red. . Sn = potencia del (de los) transformador(es) aguas arriba (KVA). Si varios transformadores estn en paralelo, el paro voluntario o no de uno de ellos genera una disminucin de Sn y de Scc. La eleccin de las soluciones se hace a partir de: . Gh = potencia en kVA de todos los generadores de armnicos . Sn = potencia del o de los transformadores aguas arriba (en KVA).

Eleccin de una solucinA partir de estos elementos, la eleccin de una solucin que limite los armnicos a un nivel aceptable para los condensadores est definida en la figura 31.

Condensadores alimentados en . BT por un transformador de potencia Sn > 2 MVA (regla general) Gh < Scc 120 Scc 120 Gh Scc 70 Scc 70 Gh Scc 30 Scc 30 < Gh

Condensadores estndar

Condensadores sobreaislados (salvo 230V)

Condensadores sobreaislados + inductancia anti- armnicos

Condensadores sobreaislados + filtro

Condensadores alimentados en . BT por un transformador de potencia Sn < 2 MVA (regla simplificada) Gh 0,15 Sn Condensadores estndar 0,15 Sn < Gh 0,25 Sn Condensadores sobreaislados (salvo 230V) 0,25 Sn < Gh < 0,60 Sn Condensadores sobreaislados + inductancia anti- armnicos Gh > 0,60 Sn Condensadores sobreaislados + filtro

Fig. 31: Tabla de eleccin de una solucin para limitar a los armnicos.

EjemplosLos 3 casos siguientes explican la utilizacin del condensador estndar, sobredimensionado y de inductancia anti-armnicos. Ejemplo 1: Potencia nominal del transformador = 2500KVA Tensin de cortocircuito = 7% Suma de las potencias de los generadores de armnicos

Gh = 250 KVA

Solucin: utilizar condensadores estndar.

30

CERFA

CFTDimensionamiento de una presencia de armnicosEjemplo 2: Potencia nominal del transformador = 2500 KVA Tensin de cortocircuito = 7% Suma de las potencias de los generadores de armnicos Gh = 400 KVA

batera

de

condensadores

en

Gh incluido entre

y

Solucin: utilizar condensadores sobredimensionados en tensin (440 V). Ejemplo 3: (regla simplificada) Potencia nominal del transformador = 630 KVA Tensin de cortocircuito = 4% Suma de las potencias de generadores de armnicos

Gh = 250 KVA

0,25 Sn < Gh = 0,4 Sn < 0,6 SnSolucin: Utilizar inductancias anti-armnicos. En este caso los condensadores sern sobredimensionados (440 V). Observacin: por encima de los valores:

. Gh >

(Caso Sn > 2 MVA)

. Gh > 0,6 Sn (Caso Sn < 2 MVA)consultarnos.

4. Precaucin con relacin al distribuidor de energaLa tasa global de distorsin o ms sencillamente "distorsin" (THD) es la relacin entre el valor eficz de los armnicos y el valor de la fundamentel a la frecuencia industrial. Para evitar que los problemas derivados de la polucin armnica se recomienda: Limitar al 4 o 5% la distorsin aguas abajo del transformador. Si se exeden estos valores, se tendr que utilizar filtros. Dichos filtros estn sintonizados con los principales rangos de armnicos presentes y calculados para absorver estas corrientes armnicas. Compensan tambin la energa reactiva de la red. Es necesario comprobar tambin que la coexistencia de condensadores y generadores de armnicos no genera en la red una tasa de distorsin inaceptable por parte del suministrador de energa.

CERFA

31

CFT

32

CERFA

CFTCaptulo 10 INSTALACION DE LAS BATERAS DE CONDENSADORES1. El elemento condensadorTodos los condensadores de baja tensin realizados a partir de elementos cuyas caractersticas principales son las siguientes:

TecnologaEl condensador es de tipo seco (sin impregnante) auto-cicatrizante con dielctrico film polipropileno metalizado, bobinado. Su proteccin interna est asegurada por desconectador asociado al fusible HPC que garantiza la proteccin intrnseca de la bobina monofsica contra las pequeas intensidades prximas a los valores de la intensidad de cortocircuito.

CapacidadLa capacidad nominal es respetada con una tolerancia que va de 0,85 a 1,15 veces el valor nominal.

Fig. 32: Seccin de un condensador monofsico

Caractersticas elctricas . Clase de aislamiento: 0,6 KV . Tensin de ensayo de corta duracin 60 Hz 1 mn: 3 KV . Tensin de ensayo de onda de choque 1,250 us: 15 KV . Sobretensiones de corta duracin: 20% durante 5 mn . Sobreintensidades debidas a los armnicos: 30% Factor de prdidaEl factor de prdida vara de 0,2.10-3 a 0,3.10-3 segn la potencia. Este valor corresponde a una potencia disipada de aproximadamente 0,3W por KVAR, incluyendo las resistencias de descarga. La resistencia de descarga est integrada en el condensador. Clase de temperatura - 25 C + 50 C. Es decir que el condensador est diseado para funcionar en las condiciones siguientes: . Temperatura mxima: 50 C . Temperatura media en 24 h: 40 C . Temperatura media anual: 30 C.

CERFA

33

CFTInstalacin de las bateras de condensadores

NormasLos condensadores cumplen las normas: CEI 831 y NF C 54 - 104.

2. Eleccin de los aparatos de proteccin y mando y de los cables de conexinDimensionamiento de los componentesLa eleccin de los cables y del aparato de proteccin y mando aguas arriba de los condensadores depende de la corriente absorvida. Para los condensadores, la intensidad es funcin de: . La tensin aplicada y sus componentes armnicos . La capacidad La intensidad nominal de un condensador de potencia Q conectado en una red de tensin Un es:

ln =

para una red trifsica.

Las variaciones admisibles del valor de la tensin fundamental y los componentes armnicos pueden conducir a una amplificacin de la intensidad del 30%. Las variaciones debidas a las tolerancias en los condensadores (norma NF C 54 - 104) pueden conducir a una amplificacin de la intensidad del 15% (en el caso de los condensadores de baja tensin Merlin Gerin, esta variacin solo es del 10%). El efecto acumulado de los dos fenmenos obliga a dimensionar los componentes para 1,3 x 1,15 sea 1,5 ln. Este dimensionamiento tiene en cuenta una temperatura ambiente mxima de 50 C. En caso de temperaturas ms elevadas en el interior de los equipamientos, se tendrn que prever disminuciones de rango. Los contactores para comando de condensadores son diseados especialmente para reducir las sobrecorrientes transitorias de coneccin. Esta reduccin se produce por medio de unos contactos auxiliares de precierre y resistencias de amortiguacin, las que se conectan en serie con el condensador y luego son punteadas por los contactos principales del contactor, segn muestra el esquema de la figura 33.

Fig. 33.

Los contactores LC1 D.K Telemecanique , son contactores para conexin de condensadores, los cuales se pueden usar tanto sean para bateras de un solo escaln como para bateras de varios escalnes, sin necesidad de utilizar inductancias de choque intercaladas (para reducir la corriente de insercin).

34

CERFA

CFTInstalacin de las bateras de condensadoresProteccines (proteccin externa)La conexin de un condensador equivale al cierre en un cortocircuito durante el tiempo de carga. La corriente de cresta es:

Ip= . Para un condensador unitario, la impedancia aguas arriba (cables, transformador) desempea el papel de inductancia de limitacin de corriente. . En el caso de una batera automtica de condensadores, la conexin de un escaln de una batera automtica va acompaada de una corriente de descarga muy importante, en direccin a la fuente, debido a los condensadores ya conectados. Su valor es: Ip= lp : Corriente de cresta conexin U : Tensin compuesta de la red n : Nmero de escalones conectados c : Capacidad de un escaln L : Inductancia de conexin entre juego de barras y condensadorEsta corriente de cresta lp debe permanecer inferior a 100 l. l : Intensidad de un escaln en rgimen permanente Para que permanezca por debajo de 100 l, se deben utilizar la lnea de contactores Telemecanique LC1D

. K, diseados para

esta funcin. En consecuencia, los interruptores de proteccin deben siempre ser elegidos con rels con un elevado umbral magntico. Nota: El poder de corte elegido ser como mnimo igual a la corriente de cortocircuito mxima que pueda establecerse en el lugar de la red donde est conectada la batera de condensadores.

Seccin de los conductoresLa corriente de uso es 1,5 veces la corriente asignada del condensador. La canalizacin en esta funcin de sus caractersticas, su modo de instalacin y la temperatura ambiente.

Caso de los condensadores Merlin GerinPara los condensadores Merlin Gerin, la tolerancia sobre el valor de la capacidad C/C es inferior o igual a 10%. La sobrecarga de corriente admisible, debida a la variacin de la tensin y a las componentes armnicas, y de la amplificacin del 10%, debida a la tolerancia sobre el valor de la capacidad, puede conducir a una amplificacin de 1,3 x 1,10 = 1,43ln. Por lo tanto, la corriente de uso lb, utilizada para determinar la corriente asignada del dispositivo de proteccin ser de 1,43 ln en el caso de condensadores estndar o sobredimensionados.

CERFA

35

CFTCaptulo 11

LOS1. Algunas definiciones

ARMONICOS

La variacin en funcin del tiempo de las magnitudes elctricas corriente y tensin de las redes alternas industriales se alejan considerablemente de la sinusoide pura (ver figura 35). En realidad la variacin se compone de un cierto nmero de sinusoides de diferentes frecuencias. En particular comprende una sinusoide de frecuencia industrial, llamada fundamental o simplemente, el fundamental.

ArmnicoPor este nombre se designa cada una de los componentes sinusoidales. Cada armnico posee una frecuencia mltiple a la fundamental. La amplitud del armnico es generalmente una fraccin de la amplitud del armnico fundamental.

Rango del armnicoEs el cociente entre la frecuencia del armnico fh y la frecuencia del fundamental (generalmente la frecuencia industrial es 50 o 60 Hz):

h=

fh f1

Por definicin, el fundamental f1 es de rango 1.

Fig. 35: Imagen de una onda deformada.

EspectroEs el histograma que muestra la amplitud de cada armnico en funcin del rango (ver figura 36).

Expresin de la onda deformadaEl desarrollo en serie de fourier de cualquier fenmeno alterno es la forma:

CERFA

36

CFTLos armnicosDonde:

. YO = Amplitud de la componente continua (generalmente nula en distribucin elctrica) . Yh = Valor eficaz de la componente de rango h . h = Desfase de la componente armnica en el instante inicialLos armnicos son generalmente despreciados a partir del rango 23.

Valor eficaz de una onda deformadaEl valor eficaz de la onda deformada condiciona los calentamientos, ya que habitualmente las ondas armnicas se expresan en valores eficases. Para una onda sinusoidal, el valor eficaz es el valor mximo dividido por la raz cuadrada de dos. Para una onda deformada y, en rgimen permanente, la energa disipada por efecto Joule es la suma de las energas disipadas por cada componente armnica, sea:

R . l2 . t = R . l12 . t + R . l22 . t + ... + R . lh2 . to tambin:

en la medida que la resistencia sea considerada como una constante. La medida del valor eficaz de la onda deformada se realiza directamente con aparatos de valor eficaz real o trmicos, o con la ayuda de analizadores de espectros.

Tasa individual o tasa de distorsinLas tasas individuales y la de distorsin en tensin son significativas del grado de contaminacin de una red. "Tasa individual": Mide la importancia de cada armnico respecto al fundamental. La tasa individual es el cociente entre el valor eficaz de la amplitud del armnico de rango h y el del fundamental. Ejemplo: tasa de h en % = 100 (lh/l1) "Tasa global de distorsin" o simplemente "distorsin": Mide la influencia trmica del conjunto de armnicos. Es el cociente entre el valor eficaz de los armnicos y el valor eficaz del fundamental solo, donde D > O puede ser muy grande:

Fig. 36: La amplitud se expresa habitualmente relativa a la amplitud del armnico fundamental.

37

CERFA

CFTLos armnicosResumenDefiniciones: Rango del armnico:

h=

fh f1

f1 : Frecuencia fundamentalTasa individual de corriente :

Th =

lh . 100 l1 Uh . 100 U1Uh U1

Tasa individual de tensin :

Th =

Tasa global de distorsin (de tensin) :

D=

. 100

2. Los efectos de los armnicosTres valores permiten detectar la presencia de corrientes armnicas: . Una intensidad eficaz ms elevada . Una intensidad cresta ms elevada . Frecuencias ms elevadas Y cada uno de estos valores genera perturbaciones especficas: a. El valor eficaz de la corriente resultante, para una corriente til dada, ser ms elevada que la correspondiente a la potencia aparente necesaria. Esto aumentar el riesgo de sobrecalentamiento por efecto Joule, y provocar el envejecimiento prematuro del material. b. Si el valor de cresta resultante es ms elevado de lo habitual, ciertos aparatos de medida pueden ser perturbados y dar falsas lecturas. En funcin de las impedancias presentes, los circuitos magnticos pueden eventualmente saturarse. c. La impedancia de los cables depende de la frecuencia. Para frecuencias del orden de 400 Hz y ms altas, la seccin del cable tiene poca influencia y el aumento de su seccin para paliar las cadas de tensin resulta ineficaz. d. Algunos fenmenos de resonancia pueden producirse en ciertas frecuencias, generando sobretensiones, o sobreintensidades peligrosas. e. En un sistema trifsico equilibrado, la corriente en el neutro es nula. Por contra, cuando hay corrientes armnicas no sucede lo mismo. Para los armnicos de frecuencia mltiple de tres (3, 6, 9, 12, ...), las corrientes no se compensan. Estos son los llamados armnicos homopolares. Las corrientes de las tres fases se adicionan en el neutro y obligan a sobredimensionar el conductor en cuestin.

ConsecuenciasSobre los condensadores Las prdidas, causa de sobrecalentamientos, son debidas a dos fenmenos: conduccin e histresis en el dialctico. En el caso de la conduccin, las prdidas son en primera aproximacin proporcionales al cuadrado de la tensin aplicada. En el caso de la histresis, stas son proporcionales a la frecuencia. Los condensadores son sensibles a las sobrecargas, provocadas por una tensin fundamental demasiado alta o por la presencia

CERFA

38

CFTLos armnicosde tensiones armnicas. Adems, estos sobrecalentamientos pueden fundir el condensador, particularmente cuando la tensin armnica en sus bornes es demasiado elevada.

ResumenSobrecarga de los condensadores: provoca sobrecalentamiento que pueden fundir el condensador. Sobre las mquinas

. Prdidas suplementarias (prdidas Joule, Prdidas causadas por las corrientes de foucault en las superficies de un rotor) en el estator, y principalmente en los circuitos del rotor (cajas, amortiguadores, circuitos magnticos). . Pares armnicos parsitos que provocan oscilaciones alrededor del valor fundamental. . Vibraciones causadas por los pares armnicos.Sobre los cables Calentamiento de cables y de equipos. Las prdidas en los cables se ven incrementadas cuando corrientes armnicas los atraviesan. Estas provocan una elevacin de la temperatura. Entre las causas de prdidas suplementarias, se pueden citar: . La elevacin de la resistencia del alma del cable con la frecuencia (fenmeno debido al efecto pantalla) . La elevacin de prdidas dialcticas en el aislante en funcin de la frecuencia, cuando el cable se somete a una distorsin de tensin no despreciable

Otros efectos . Sobre los sistemas electrnicos (ondulador, rectificador), las tensiones armnicas pueden influir en las condiciones de conmutacin de los tristores. . Los contadores de energa de induccin presentanerrores suplementarios, como por ejmplo: un contador clase 2 (en Francia) dar un error suplementario de 0,3% con una tasa del 5% del armnico 5 sobre la corriente y la tensin. . Perturbaciones de los receptores de telemando centralizado . Vibraciones, ruidos acsticos generados en las inductancias . Vacilacin de las lmparas de descarga ResumenLos tres efectos de las corrientes armnicas: . Una intensidad eficaz ms elevada . Una intensidad de cresta ms elevada . Frecuencias ms elevadas

3. Lmites aceptables, recomendaciones y normasValores dados a ttulo indicativo: . Mquina sincrnica: distorsin admisible en la corriente del estator = 1,3 a 1,4% . Mquina asincrnica: distorsin admisible en la corriente del estator = 1,5 a 3,5 . Condensadores de potencia: distorsin en la corriente = 83%, lo que supone una sobrecarga del 30% (1,3 l nominal). Lasobrecarga en tensin puede llegar al 10% (ver NF C 54 - 100, norma francesa). . Electrnica sensible: distorsin en tensin 5%, tasa individual 3% en funcin del material.

39

CERFA

CFTLOS ARMONICOS

Lmites de utilizacin en las redes de distribucinSe estima que la distorsin de la tensin no sobrepasar del 5% en el nivel de los bornes si ningn cliente, por separado, produce: . Distorsin en la tensin superior a 1,6% . Tasas individuales superiores a: . 0,6 para las tensiones armnicas de rango par . 1% para las tensiones armnicas de rango impar Las tasas individuales de tensin medidas en las redes de distribucin alta tensin se adjuntan en la tabla 3, donde: . Valor base = valores usuales cerca de las cargas perturbadoras y asociados con una dbil probabilidad de efectos perturbadores . Valor alto = valores raramente sobrepasados en las redes. Corresponden a una probabilidad no despreciable de existencia de efectos perturbadores.

Lmites utilizados en las redes industrialesSe admite que una red industrial que no posee ningn material electrnico sensible, como los reguladores, autmatas, etc., tolera una distorsin de tensin del 5%. Los valores admisibles de distorsin y de tasas individuales de tensiones armnicas pueden limitarse por las exigencias de los materiales sensibles.

Rango del armnico 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Valor base % 1 1,5 0,5 5 0,2 4