technical manual for industrial electrical facilities

7/22/2019 Technical Manual for Industrial Electrical Facilities

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INSTALACIONES ELCTRICAS INDUSTRIALES. MANUAL TCNICO.

RECOPILACIN Y REDACCIN: ING. ISAAS CECILIO VENTURA NAVA.INSTRUCTOR

Cedula Profesional :654329.Reg. C.I.M.E.: 4482.Reg. S.T.P.S. VENI-5511-22-4C8-005.Reg. CO.NO.CER. C22666 0304102

ING. ISAAS CECILIO VENTURA NAVA. ABRIL 2007.

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CONTENIDO

INSTALACIONES ELCTRICAS INDUSTRIALES Pg. 09

CLASIFICACIN DE SUBESTACIONES ELCTRICAS Pg. 04

SIMBOLOGA NEMA Pg. 10

VOLTAJES NORMALIZADOS Pg. 36

TRANSFORMADORES Pg. 37

CORRECCIN DEL FACTOR DE POTENCIAEN SISTEMAS ELCTRICOS INDUSTRIALES. Pg. 70

CONDUCTORES ELCTRICOS. Pg. 118

CUCHILLAS SECCIONADORAS Y FUSIBLES DEPROTECCIN PARA SISTEMAS DE ALTA TENSIN. Pg. 128

PROTECCIN DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBU-CIN ELCTRICA INDUSTRIAL MEDIANTE FUSIBLES. Pg. 144

RUTINA DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE UNA

SUBESTACIN ELCTRICA COMPACTA. Pg. 149

SISTEMAS DE REDES DE PUESTA A TIERRA ENINSTALACIONES ELCTRICAS.

APARTARRAYOS. Pg. 168


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INSTALACIONES ELCTRICAS INDUSTRIALES.

Las instalaciones elctricas industriales, son el conjunto de elementos,

aparatos y equipos que se encargan de la recepcin, conduccin,

transformacin, control, medicin, proteccin, distribucin y utilizacin de laenerga elctrica.

Algunas instalaciones elctricas industriales cuentan con su propia planta de

generacin de energa elctrica, constituida por los turbogeneradores, tal es el

caso de los ingenios azucareros, refineras de PEMEX, complejos

petroqumicos, plataformas petroleras, etc.

Actualmente debido a los altos costos de la energa elctrica por parte de las

empresas suministradoras, algunas empresas utilizan sus plantas de

emergencia para su autoabastecimiento de energa elctrica en las horas de

demanda mxima (hora peak), tal es el caso de una importante cadena de

supermercados a nivel nacional.

Entre los equipos de principal importancia de una instalacin elctrica

industrial, podemos mencionar los siguientes:

1. Subestacin receptora reductora (transformadores, interruptores,

cuchillas seccionadoras, aisladores, apartarrayos, pararrayos, etc.)

2. Lneas y cables de energa.

3. Subestaciones de distribucin.

4. Centros de carga, formados porbreakers.

5. Centros de control de motores elctricos (C.C.M.), constituidos por los

breakers, arrancadores magnticos, arrancadores de estado slido,

drives, p.l.c., etc.

6. Bancos de capacitares de baja tensin y de alta tensin.

7. Circuitos de alumbrado.

8. Motores elctricos tipo rotor jaula de ardilla, tipo rotor devanado,

sncronos, etc.

9. Planta (generadores) de emergencia.

10.Sistemas y red de tierra.


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CLASIFICACIN DE LAS SUBESTACIONES ELCTRICAS.

Una subestacin elctrica es el conjunto de mquinas, aparatos, equipos ycircuitos que tienen la funcin de modificar las caractersticas o parmetros de

la potencia elctrica (tensin y corriente) y de proveer un medio deinterconexin y despacho entre las diferentes lneas de transmisin de unsistema.

Desde el punto de vista de la funcin que desempean las subestacioneselctricas, estas se pueden clasificar como sigue:

Subestaciones de las plantas generadoras o centrales elctricas.-Estas se encuentran adyacentes a las centrales elctricas o plantasgeneradoras de energa elctrica para modificar los parmetros de la potenciasuministrados por los generadores para permitir la transmisin en alta tensinen las lneas de transmisin a este respecto se puede mencionar que losgeneradores de una central pueden generar la potencia entre 4.16 K.V. y 25K.V. y la transmisin dependiendo de la cantidad de energa o potencia y ladistancia se puede efectuar a 115, 230 o 400 K.V. en Mxico, en algunospases se utilizan tensiones de transmisin de 765 K.V. como es el caso deBrasil, 800 K.V. como el caso de Venezuela y hasta de 1,200 K.V.

Subestaciones receptoras primarias.-

Estas son alimentadas directamente de las lneas de transmisin y reducen latensin a valores menores para la alimentacin de los sistemas desubtransmisin o las redes de distribucin, de manera que dependiendo de latensin de transmisin pueden tener en su secundario tensiones del orden de115 K.V. y eventualmente 34.5 K.V., 13.8 K.V. 4.16 K.V.

Subestaciones receptoras secundarias.-Estas son por lo general alimentadas por las redes de subtransmisin ysuministran la energa elctrica a las redes de distribucin a tensionescomprendidas entre 34.5 K.V. y 13.8 K.V.

Las Subestaciones Elctricas tambin se pueden clasificar por el tipo deinstalacin de la siguiente manera:

Subestaciones tipo intemperie.-Estas subestaciones se construyen en terrenos expuestos a la intemperie yrequieren de un diseo, aparatos y equipos capaces de soportar elfuncionamiento bajo condiciones atmosfricas adversas (lluvia, viento, nieve, einclemencias atmosfricas diversas) por lo general se adoptan en los sistemasde alta y extra alta tensin.


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Subestacin tipo interior.-En este tipo de subestaciones los aparatos y equipos que se utilizan estndiseados para operar en interiores, actualmente las subestaciones tipo interiorson utilizadas en las industrias.

Subestacin tipo blindado (Subestaciones Compactas).-En estas subestaciones los aparatos y equipos se encuentran muy protegidosy el espacio necesario es muy reducido en comparacin a las construccionesde subestaciones convencionales, por lo general se utilizan en el interior defabricas, hospitales, auditorios, grandes edificios, centros y plazas comercialesque requieren de poco espacio para estas instalaciones, por lo que se utilizanpor lo general en tensiones de distribucin (23 K.V. y 13.8 K.V).

Subestaciones en Hexafluoruro de Azufre (SF6).-En estas subestaciones la mayor parte de sus componentes se encuentrancompletamente aislados en el interior de compartimientos que contienen un gas

con altas propiedades dielctricas, a este gas se le conoce con el nombre degas hexafluoruro de azufre (SF6). Ocupan este tipo de subestaciones unreducido espacio en comparacin con las subestaciones tipo intemperie.Su operacin se efecta a tensiones que van desde 13.8. 23, 34.5, 115, 230,400, 735 y 800 K.V.

Subestaciones mviles.-Este tipo de subestaciones se encuentran instaladas sobre una plataformamvil (tipo remolque de tractocamin).Son utilizadas por las empresas suministradoras de energa elctrica parasustituir de manera temporal a toda o parte de una subestacin de potenciacuando esta ltima ha fallado.Operan en tensiones de 115 K.V. para reducir a 13.8 K.V. y su capacidadpromedio es de 10 M.V.A = 10,000 K.V.A.

ELEMENTOS QUE INTEGRAN UNA SUBESTACIN ELCTRICA DEPOTENCIA Y DE MEDIA TENSIN.

1. Transformador de potencia.

2. Autotransformadores de potencia.3. Transformadores de servicios propios.

4. Transformadores de potencial. (T.P.)

5. Transformadores de corriente.(T.C.)

6. Divisores de voltaje.

7. Interruptores de potencia.

8. Cuchillas seccionadoras de apertura con carga.

9. Cuchillas seccionadoras de apertura sin carga.10.Cuchillas de puesta a tierra.

11.Bus o barras colectoras.


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12.Bobina o reactor Petersen.

13.Apartarrayos.

14.Pararrayos.

15.Hilos de guarda.

16.Red de tierras.

17.Aisladores.

18.Fusibles de potencia.

19.Tableros de operacin, control, medicin y protecciones.

20.Bancos de bateras.

21.Equipo de comunicaciones.

22.Banco de Capacitores de alta tensin.


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SISTEMAS INDUSTRIALES DE DISTRIBUCIN DE ENERGA ELCTRICA.

Dentro del estudio de los sistemas elctricos de potencia, debemos de conocer

las diferentes etapas por las que pasa la energa elctrica desde su

generacin, hasta su utilizacin por los consumidores o usuarios. Estas etapas

podemos dividirlas de la siguiente manera:

Generacin.

Transformacin de baja tensin para alta tensin.

Transmisin en alta tensin.

Transformacin de alta tensin para baja tensin. Distribucin.

Utilizacin o consumo.

La distribucin a zonas urbanas, zonas rurales y zonas industriales y an

dentro de las propias industrias requiere de calidad, esto es, un buen nivel de

voltaje, y requiere tambin de continuidad del servicio; para esto se deben de

disponer de circuitos de distribucin elctrica confiables con arreglos quepermitan una determinada flexibilidad de los sistemas para reducir al mnimo

posible las interrupciones en el suministro en el servicio de la energa elctrica,

ya sea por fallas que ocurran o por mantenimiento de los equipos elctricos

(transformadores, lneas de conduccin, buses, etc.) y que se necesitan sacar

de servicio (llevar a cabo una libranza).

Los dispositivos que intervienen en las operaciones y maniobras de switcheo

de lneas de distribucin, son: Los interruptores (en aceite, en SF6, al vaco, etc.).

Los seccionadores de alta tensin de operacin en grupo y apertura con

carga.

Las cuchillas seccionadoras de apertura con carga.

Las cuchillas seccionadoras de apertura sin carga.

Los cortacircuitos fusibles que normalmente van instalados en las

terminales de alta tensin de los transformadores de distribucin.


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Los sistemas de distribucin de energa elctrica, se pueden analizar e

interpretar mediante la aplicacin de la simbologa NEMA de diagramas

trifilares y diagramas unifilares de sistemas elctricos.

Qu es un diagrama trifilar?

Un diagrama trifilar es aquel diagrama que mediante el trazo de tres lneas ms

sus correspondientes smbolos NEMA nos permite interpretar todos y cada uno

de los equipos, aparatos, dispositivos, etc. que forman parte de un sistema

elctricos de tres fases o comnmente conocido como sistema elctrico

trifsico. Este tipo de diagrama va acompaado de sus respectivas leyendas y

especificaciones tcnicas de los equipos, tales como capacidad de

transformadores, calibres de conductores, etc.

Qu es un diagrama unifilar?

Un diagrama unifilar, es aquel diagrama que mediante el trazo de una lnea

ms sus correspondientes smbolos NEMA (un smbolo) nos permite interpretar

todos y cada uno de los equipos, aparatos, dispositivos, etc. que forman parte

de un sistema elctrico de tres fases o comnmente conocido como sistema

elctrico trifsico. Al igual que un diagrama trifilar, este tipo de diagrama va

acompaado de sus respectivas leyendas y especificaciones tcnicas de los

equipos, tales como capacidad de transformadores, calibres de conductores,

etc.

Los sistemas de distribucin elctrica en sus diferentes arreglos bsicos, se

pueden analizar e interpretar, mediante los siguientes diagramas de tipo trifilar

y unifilar:

Sistema radial simple.

Sistema radial con centros de carga.

Sistema radial selectivo en el primario con centros de carga.

Sistema secundario selectivo con centros de carga.

Sistema primario en anillo con centros de carga.

Sistema primario selectivo red secundaria.


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SIMBOLOGA NEMA


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SISTEMA RADIAL SIMPLE.

Caractersticas:

Un solo alimentador primario. Un solo transformador que alimenta un bus

secundario. Adecuado para cargas hasta de 1,000 K. V. A.

Ventajas:

Es muy econmico. Es simple. Es fcil de operar. Fcil de ampliar.

Desventajas:

Baja confiabilidad.. En caso de falla en el transformador o en el cable primario,

se pierde el servicio. Altas corrientes de corto circuito. Mala regulacin de

tensin. El equipo debe de desconectarse para mantenimiento.


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SISTEMA RADIAL CON CENTROS DE CARGA.

Caractersticas:

Un solo alimentador primario. Cada transformador alimenta un solo centro de

carga o tablero de distribucin secundaria. Adecuado para cargas mayores de

1,000 K. V. A.

Ventajas:

Es bastante econmico en relacin con otros sistemas ms complejos. Es

simple de operar y fcil tambin. Fcil de ampliar. Buena regulacin de tensin

por tener alimentadores secundarios cortos. Ms confiable que el radial simple.

Bajas corrientes de corto circuito.

Desventajas:

En caso de falla de un transformador, debe desenergizarse el rea

correspondiente para reparaciones. Si el alimentador principal falla, la

interrupcin del servicio es total. El equipo debe desconectarse para

mantenimiento rutinario.


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SISTEMA SECUNDARIO SELECTIVO CON CENTROS DE CARGA.

Caractersticas:

Dos alimentadores primarios. Dos transformadores en cada centro de carga.

Un interruptor de enlace entre los dos centros o tableros de distribucin

(normalmente abierto). Este interruptor debe tener bloqueos con los

interruptores principales secundarios para evitar la conexin y operacin en

paralelo de los dos transformadores pues se aumentara la corriente de corto

circuito.

Ventajas:

Ms confiable que los anteriores sistemas. En caso de falla de un alimentador o

de un transformador, es posible alimentar todos los tableros secundarios.

Restauracin rpida del suministro de energa elctrica. Este sistema

combinado con el sistema primario selectivo da un alto grado de confiabilidad.

Desventajas:

Ms costoso que los sistemas Radial con centros de carga y Radial selectivo

en el primario con centros de carga, dependiendo de que si un alimentador

falla el otro alimentador debe tener la capacidad de llevar toda la carga de la

planta industrial, dependiendo tambin de la capacidad (en K. V. A.) de reserva

de cada transformador. Su operacin es ms delicada.


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SISTEMA PRIMARIO EN ANILLO.

Caractersticas:

Dos alimentadores primarios. Un juego de dos cuchillas desconectadoras de

operacin sin carga o de operacin con carga y un seccionador bajo carga para

cada transformador.

Ventajas:

Ventajoso cuando los centros de carga estn muy separados entre ellos.

Ligeramente ms econmico que el Sistema radial selectivo en el primario. En

caso de falla de algn transformador puede aislarse el equipo, o en caso de

falla de algn tramo de la lnea, se puede aislar el tramo de lnea o aislar el

equipo y dar el servicio de suministro de energa elctrica a los dems

usuarios.

Desventajas:

Ms complicado de operar. Existe el peligro de energizar un punto por dos

lados. Si falla un transformador se pierde el servicio a la carga que alimenta.


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VOLTAJES NORMALIZADOS.


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TRANSFORMADORES.


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ESTUDIO DEL TRANSFORMADOR.

El TRANSFORMADOR.

El transformador es una mquina electromagntica que sirve para transferirenerga elctrica entre dos circuitos aislados elctricamente y unidosmagnticamente. La transferencia se efecta con frecuencia constante.Tambin se define a un transformador como una mquina que cambia lascaractersticas de la energa elctrica, tales como el voltaje y la corriente, perocon frecuencia constante.

Los Transformadores pueden serreductores o elevadores.

Son reductores cuando entregan la energa a menor voltaje que el que

reciben.

Son elevadores cuando entregan la energa a mayor voltaje que el quereciben.

Normalmente los transformadores tienen dos embobinados uno con suficienteaislamiento para operar a alta tensin y el otro con menor aislamiento paraoperar a baja tensin.De lo anterior se deduce el nombre que reciben los embobinados de untransformador.

a. Alta tensin.b. Baja tensin.

Como regla general recibe el nombre de embobinado primario, elembobinado de un transformador que recibe la energa en alta o en bajatensin.

Recibe el nombre de embobinado secundario, el embobinado de untransformador que entrega la energa al sistema en baja o en alta tensin.

Las partes principales de que est constituido un transformador son lassiguientes:

1. El ncleo magntico: Est formado por un conjunto de laminaciones dematerial de muy buena calidad normalmente de alto contenido de silicio,las laminaciones van superpuestas y varan sus espesores entre 15 y 25milsimas de pulgada. El ncleo formando un marco o un cuadro dedeterminadas dimensiones constituye un circuito magntico cerrado.

2. Los embobinados: Normalmente el transformador lleva un embobinado

de baja tensin y otro de alta tensin con suficiente aislamiento en cadacaso quedando el de baja tensin hacia adentro y el de alta tensinhacia fuera, con el ncleo magntico en el centro de los dos, en los tiposde transformadores ms comunes.


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3. El tanque principal: Es un depsito completamente hermtico quecontiene en su interior el ncleo magntico con los embobinados deltransformador los que quedan sumergidos dentro del aceite aislante quecontiene el tanque. Lleva en la parte superior una tapa que se coloca

hermticamente haciendo uso de una junta especial.Sobre la tapa superior van colocadas unas boquillas aislantes deporcelana llamadas bushings a las que van conectadas las terminales dealta tensin, en la parte frontal van colocadas tres o cuatro boquillasaislantes a las que van colocadas las terminales del embobinado de bajatensin (las pasa tapas).

Lleva el transformador instalado conectado en la parte exterior superior unindicador de nivel que marca en todo momento el nivel del aceite dentro deltanque.

En la parte inferior del tanque hay una conexin de tubera con una vlvula quesirve para drenar el aceite del tanque y otra vlvula de menor tamao paraobtener muestras del aceite al cual se le efecta peridicamente su prueba derigidez dielctrica.

Como se comprender el transformador es una pieza esttica que carece depiezas mviles, no tiene entrehierro como sucede con las mquinas elctricasrotatorias (como por ejemplo: los generadores o los motores) y las prdidas enl mismo son muy reducidas, razn por la cual esta mquina (como ladenominan algunos autores) es la ms eficiente de todas las mquinaselctromagnticas, teniendo el caso de transformadores con una eficienciaigual al 98% y al 99%.

N1 N2

E1 E2

I 1 I 2

- NCLEO DE HIERRO, EMBOBINADO PRIMARIO, EMBOBINADOSECUNDARIO DE UN TRANAFORMADOR -


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- NCLEO DE HIERRO, DEVANADO DE MENOR TENSIN, DEVANADO DEMAYOR TENSIN -

Para determinar muchas soluciones entre voltaje, espiras y corriente no secomete ningn error apreciable al considerar que esta mquina tiene unaeficiencia igual al 100%.

PRINCIPIO DE OPERACIN.El principio de operacin del transformador se basa en que se puedetransformar energa elctrica por induccin electromagntica entre dos gruposdiferentes de bobinas que se encuentran colocadas en el mismo circuitomagntico (ncleo magntico) en el que deber tenerse un flujo magnticovariable.

En los generadores de corriente continua y tambin en los alternadores, el flujoproducido en el circuito magntico es constante, pero se logra su variacin conel movimiento relativo de los conductores con respecto al campo magntico yviceversa.(En el generador de corriente continua: se mueven los conductores ypermanecen fijos los polos magnticos.En el generador de corriente alterna o alternador: se mueven los polosmagnticos y permanecen fijos los conductores).La operacin del transformador se basa en el principio de induccin deFaraday.Si alimentamos el primario de un transformador con corriente continua, el flujo

inducido por este tipo de corriente que es unidireccional ser constante y lafuerza electromotriz inducida (o voltaje) ser igual a cero.Para que un transformador pueda operar satisfactoriamente, es necesarioalimentar su devanado o embobinado primario con voltaje de corriente alterna,


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pues debido a que esta vara cclicamente con la frecuencia (60 ciclos porsegundo) de la lnea de alimentacin, el flujo magntico producido por ella en eltransformador variar, y esta variacin permitir que en el transformador hayainduccin de fuerza electromotriz inducida (voltaje).

Una de las figuras anteriores nos representa el circuito magntico y losembobinados primario y secundario con las direcciones en que circulan lascorrientes y el flujo magntico.Si consideramos que se trata de un transformador reductor en el que elembobinado primario deber tener mayor nmero de espiras que elembobinado secundario, es decir N1>N2. Tomando en cuenta que al aplicarlecorriente alterna, esta estar entrando al transformador por su terminal superiordurante la alternancia negativa.Debido a esta condicin y aplicando la regla del tirabuzn veremos que seconduce un flujo magntico que en este caso se desplazar a travs del ncleoen el sentido de las manecillas del reloj.

Para determinar el sentido en que circular la corriente inducida en elembobinado o devanado secundario, debemos aplicar la Ley de Lenz, queestablece lo siguiente:En todos los casos de induccin electromagntica los efectos se oponen a lascausas que las producen.Por consiguiente la corriente inducida en el embobinado o devanadosecundario deber inducir un flujo magntico que se oponga al flujo magnticoque lo produjo.El flujo magntico inducido por la corriente del embobinado primario (I1) y quellamaremos m, al desplazarse a travs del circuito magntico (ncleomagntico), cortar tambin los conductores del embobinado secundario,siendo comn a los dos embobinados, razn por la cual se le conoce con elnombre de flujo mutuo.La direccin que deber tener la corriente inducida en el embobinado odevanado secundario deber ser tal que el flujo magntico inducido por ella enese embobinado tenga tal direccin que se oponga al flujo mutuo.Todas las condiciones establecidas en el transformador sern vlidas por loque a los sentidos se refiere, durante las alternancia positiva y se invertirntodas durante la alternancia negativa.

Teniendo en cuenta que el flujo mutuo es comn al primario y al secundario la

fuerza electromotriz inducida en una espira del primario deber ser igual a lafuerza electromotriz inducida en una espira del secundario.

Llamando por N1 al nmero de espiras que tiene el embobinado primario y porN2 al nmero de espiras que tiene el embobinado secundario; por E1 a lafuerza electromotriz inducida en el primario y por E2 a la fuerza electromotrizinducida en el secundario, podemos establecer entonces que la fuerzaelectromotriz inducida en una espira del primario debe ser igual a la fuerzaelectromotriz inducida en una espira del secundario, lo cual queda establecidopor medio de la siguiente frmula:

{E1/N1 = E2/N2} - - - - - - - - - - - - (1), y de aqu se deduce que:

{E1/E2 = N1/N2 = r} - - - - - - - - - - (2), siendo r, relacin de transformacin.


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Lo anterior nos indica que la fuerza electromotriz inducida en cualquiera de losembobinados del transformador es directamente proporcional al nmero deespiras (vueltas) y que la relacin que existe entre las fuerzas electromotricesinducidas de los embobinados es igual a la relacin que existe entre el nmerode espiras o vueltas, valor que para cualquier transformador es una relacin

constante que se conoce con el nombre de relacin de transformacin (r).

TRANSFORMADOR TIPO POSTE, DE DISTRIBUCIN URBANA,TRIFSICO, ENFRIAMIENTO TIPO O A, CAPACIDAD: 112. 5 K. V. A.,RELACIN: 13.2 K. V. 220 V / 127 V, 60 C. P. S.CONEXIN: DELTA EN EL PRIMARIO, ESTRELLA EN EL SECUNDARIO.


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- VISTA EN CORTE DE UN TRANSFORMADOR TRIFASICO -


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PARTES DE UN TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIN ELCTRICAINDUSTRIAL.

1. Termmetro, escala 0 grados centgrados a 120 grados centgrados.

2. Indicador del nivel del aceite dielctrico.

3. Tapa superior para inspeccin interna.

4. Cambiador de taps o derivaciones para operar exteriormente y

desnergizado.

5. Base el tanque.

6. Ganchos para levantar el tanque.

7. Soporte para levantar con gato hidrulico.

8. Bushings o boquillas de alta tensin. H1, H2, H3.

9. Bushings o boquillas de baja tensin. X0, X1, X2, X3.

10.Panel o radiadores para enfriamiento del aceite.

11.Placa de datos o caractersticas tcnicas.

12.Orejas para levantar la tapa superior del tanque.

13.Manmetro para indicar la presin positiva interna del nitrgeno.

14.Cople de 25 mm en la tapa o codo para el llenado del aceite.

15.Diafragma de alivio de sobre presin.

16.Vlvula de globo de 25 mm de dimetro, para drenado del aceite.

17.Zapata Terminal para conexin a tierra del tanque del transformador.

18.Vlvula de muestreo del aceite.


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TRANSFORMADORES.

Bancos de Transformadores.

En las grandes subestaciones de los sistemas de potencia, as como en los circuitos dedistribucin urbana y rural, es necesario a menudo instalar bancos de transformadores

monofsicos en conexiones trifsicas de acuerdo con las necesidades que se presenten. En lossistemas trifsicos pueden utilizarse tres transformadores en banco para este fin.

Hay cuatro formas normales de conectar un banco trifsico:

1. Conexin Delta-Delta.

2. Conexin Estrella Estrella.

3. Conexin Delta-Estrella.

4. Conexin Estrella-Estrella.

Las principales condiciones para la conexin en banco de transformadores monofsicos, sonlas siguientes:

Que los transformadores tengan la misma capacidad en K.V.A. Que sus voltajes primario y secundario sean iguales. (Misma relacin de

voltajes). Que tengan idnticas marcas de polaridad. Es necesario que los diagramas vectoriales o fasoriales resultantes de las tres

fases, formen figuras iguales y de lados paralelos. Es recomendable que los transformadores sean del mismo fabricante (IEM,

Prolec, etc.).

Transformadores Trifsicos.

Si conocemos el diagrama vectorial o fasorial que representa las conexiones del transformador,la identificacin de fases es sumamente sencilla.

Al efectuar las interconexiones de devanados delta-delta o estrella-estrella, hay la posibilidadde hacerlo de tal manera que la baja tensin quede en fase 0 grados a 180 grados conrespecto a la alta tensin, y en los arreglos estrella-delta delta-estrella, se puede obtener labaja tensin 30 grados adelante o atrs de la alta tensin.Las normas establecen que en los casos delta-delta y estrella-estrella, la baja tensin debeestar en fase con la alta tensin, y en los casos estrella-delta y delta-estrella, la baja tensindebe estar 30 grados atrs de la alta tensin.

Polaridad de los transformadores.

La polaridad de los transformadores indica el sentido relativo instantneo del flujo de corrienteen las terminales de alta tensin con respecto a la direccin del flujo de corriente en lasterminales de baja tensin.

La polaridad de un transformador de distribucin monofsico puede ser aditiva o substractiva.De acuerdo con las normas industriales, todos los transformadores de distribucin monofsicosde hasta 200 K.V.A. con voltajes en el lado de alta tensin de hasta 8,660 volts (voltaje en eldevanado) tienen polaridad aditiva. Todos los dems transformadores monofsicos tienenpolaridad substractiva.

Operacin en paralelo de transformadores.

Conexin en paralelo de transformadores trifsicos.

Dependiendo el tipo de conexin es el desplazamiento angular entre el devanado primario y eldevanado secundario.Se llama desplazamiento angular al desfasamiento en tiempo y en espacio (medido en grados)entre los neutros elctricos del primario y secundario de un banco de transformadores

trifsicos.En caso de una conexin estrella la lnea angular es la recta que se prolonga del neutro hastala punta H1 o X1 segn la estrella sea el devanado de alta o de baja tensin.Si la conexin es delta y de fases balanceadas en voltajes la lnea angular va del centro degravedad del tringulo a la terminal H1 o X1 segn la delta sea el devanado de alta o baja


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tensin.El centro de la delta recibe el nombre de neutro an cuando fsicamente es imposible localizarel neutro en un sistema delta.Cuando se trata de conectar en paralelo dos transformadores trifsicos, es necesario que losdiagramas vectoriales o fasoriales resultantes de las tres fases formen figuras iguales y delados paralelos.

Razones para la operacin en paralelo de transformadores.

Dos o ms transformadores operan en paralelo cuando:

1. La capacidad de generacin es muy grande y no se fabrican transformadores para estacapacidad, o bien si se quiere repartir la carga.

2. Se aumenta la capacidad instalada en alguna subestacin elctrica de potencia oindustrial, ya que resulta ms conveniente conectar en paralelo otro transformador conel transformador ya existente para satisfacer la demanda de energa elctrica, queinstalar uno nuevo que tenga la capacidad total.

3. Se desea continuidad de servicio en una instalacin elctrica de potencia o industrialdonde la carga se divide en dos o ms transformadores en paralelo, de tal manera queel servicio no quede interrumpido por falla o mantenimiento preventivo de un

transformador (por libranza).

Definicin.-

Se dice que dos transformadores operan en paralelo cuando sus devanados primarios estnconectados a una misma fuente y sus devanados secundarios estn conectados a una mismacarga.

Condiciones para la operacin de transformadores en paralelo.

Para que dos o ms transformadores operen correctamente en paralelo, deben de satisfacerlas siguientes condiciones, tener:

Igual relacin de transformacin (iguales voltajes tanto ensus devanados primarios como en sus devanados

secundarios). Igual polaridad. Deben conectarse con la misma secuencia de fase.

Instructivo para la operacin de transformadores en paralelo.

Las condiciones tericamente ideales para la operacin en paralelo de los transformadoresson:

1. Idntica relacin de vueltas y de voltajes nominales.2. Igual porcentaje de impedancias.(Una buena conexin en paralelo se considera como

realizable, cuando el porcentaje de impedancia de los devanados de los

transformadores, estn dentro de 7.5% de uno respecto al otro).3. Igual relacin de resistencia a reactancia.4. La misma polaridad.5. El mismo desplazamiento del ngulo de fase.6. El mismo sentido de rotacin de las fases.

Transformadores monofsicos.-

Para transformadores monofsicos nicamente son aplicables las cuatro primeras condiciones,ya que no hay rotacin de fases ni desplazamiento angular, debido a la transformacin devoltajes.

Transformadores Trifsicos.-

Para transformadores trifsicos, permanecen vlidas las mismas condiciones, excepto que eneste caso, debe tomarse en consideracin la cuestin de rotacin de fases y el desplazamientoangular.


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Especificaciones tcnicas para transformadores.-

Tensin Primaria: 13,200 V., o 23,000 V., o 34,500 V.(Voltaje que se recibe en el devanado primario).

Conexin del primario: Delta.

(Conexin que tiene el devanado de alta tensin).

Tensin Secundaria: 440V/254V, o 220V/127V.(Voltaje que se entrega en devanado secundario).

Conexin del Secundario: Estrella.(Conexin que tiene el devanado secundario, por ejemplo

de baja tensin y que incluye el neutro).

Frecuencia: 60 ciclos por segundo.(Frecuencia del voltaje suministrado y de diseo del

transformador).

Sobrelevacin de temperatura: 65 grados centgrados.(Se refiere a que la temperatura admisible del aceite del

transformador puede ser de 65 grados centgrados sobre la temperatura ambiente y que estaltima puede catalogarse como de 30 o 40 grados centgrados)

Altura de operacin: 1,500 m.s.n.m. 2,280 m.s.n.m.(Se refiere a la altura sobre el nivel del mar en que el

transformador tiene una buena ventilacin para suenfriamiento).

Tipo de enfriamiento: O.A., u O.A./F.A.(Se refiere a que se trata de un transformador cuyo ncleo

y sus devanados estn sumergidos en aceite dielctrico,enfriado por las corrientes de aire circundante, mucho mejor sitiene tubos radiadores, F.A. consiste en agregar ventilacinforzada, mediante ventiladores).

Capacidad o Potencia: en K.V.A. (Kilo volts amperes). Se refiere a la potencia o capacidad para la cual fue

diseado el transformador.

Polaridad de los transformadores.-

La polaridad de los transformadores indica el sentido relativo instantneo del flujo de corrienteelctrica en las terminales de alta tensin con respecto a la direccin del flujo de corrienteelctrica en las terminales de baja tensin.

La polaridad de un transformador de distribucin monofsico puede seraditivao substractiva.Una simple prueba para determinar la polaridad de un transformador consiste en conectar dosbornes adyacentes de los devanados de alta y baja tensin y aplicar un voltaje reducido acualquiera de los devanados.

La polaridad es aditiva si el voltaje medido entre los otros dos bornes de los devanados esmayor que el voltaje en el devanado de alta tensin (Fig. A).

La polaridad es substractiva si el voltaje medido entre los dos bornes de los devanados esmenor que el voltaje del devanado de alta tensin (Fig. B).

De acuerdo con las normas industriales, todos los transformadores de distribucin monofsicosde hasta 200 KVA con voltajes en el lado de alta tensin de hasta 8,660 volts (voltaje deldevanado) tienen polaridad aditiva. Todos los dems transformadores monofsicos tienenpolaridad substractiva.ING. ISAAS CECILIO VENTURA NAVA. ABRIL 2007.

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Designacin de las terminales de transformadores trifsicos y monofsicos.-

De acuerdo con las normas industriales, la terminal de alta tensin marcada como H 1, es el dela derecha, visto el transformador desde el lado de la alta tensin y las dems terminales Hsiguen un orden numrico de derecha a izquierda. La terminal H 0 de los transformadores

trifsicos, si existe, est situada a la derecha de la terminal H1 visto el transformador desde ellado de la alta tensin.

En los transformadores monofsicos la terminal de baja tensin X 1, est situada a la derecha,visto el transformador desde el lado de la baja tensin, si el transformador es de polaridadaditiva (X1 queda diagonalmente opuesto a H1), o a la izquierda, si el transformador es depolaridad substractiva (H1 y X1 son adyacentes).

En los transformadores trifsicos, la terminal X 1 queda a la izquierda, visto el transformadordesde el lado de baja tensin. Las terminales X 1 y X3 estn situados para que las tresterminales queden en orden numrico de izquierda a derecha. La terminal X 0, si existe, estsituada a la izquierda de la terminal X1.

Conexin en paralelo de transformadores monofsicos.-

Si se necesita mayor capacidad en una subestacin, pueden conectarse en paralelo dostransformadores de igual o distinta potencia nominal. Los transformadores monofsicos depolaridad aditiva o substractiva pueden conectarse en paralelo satisfactoriamente si seconectan como se indica a continuacin y se cumplen las condiciones siguientes:

1. Voltajes nominales idnticos.

2. Derivaciones idnticas.

3. El porcentaje de impedancia de uno de los transformadores debe de estar comprendidoentre el 92.5% y el 107.5% del otro.

4. Las caractersticas de frecuencia deben de ser idnticas.

5. Preferentemente que sean del mismo fabricante.


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TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIN ELCTRICA INDUSTRIAL YDISTRIBUCIN URBANA RESIDENCIAL.


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TRANSFORMADOR MONOFSICO CONEXIN Y-T, O DERETORNO POR TIERRA.Relacin: 7.62 K. V. 240 V. / 120 V., 60 Hz.


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TIPOS DE ENFRIAMIENTO PARA TRANSFORMADORES.

Las clasificaciones y definiciones NEMA y ANSI son aplicables a los siguientes tipos deenfriamiento de transformadores:

CLASE OA.

Ncleo y bobinas en aceite, enfriamiento por circulacin del aire exterior.

CLASE OA/FA.

Al aceite similar a la clase OA, enfriado por circulacin forzada del aire.

CLASE OA/FA/FA.

Al aceite, auto enfriado / enfriado por la circulacin forzada del aire / enfriado por la circulacinforzada del aire.

CLASE FOA.

Al aceite, enfriado por la circulacin forzada del aceite con circulacin forzada del aire.

CLASE FOW.

Al aceite, enfriado por la circulacin forzada del aceite y circulacin forzada de agua por mediode un intercambiador.

CLASE OA/FA/FOA.

Al aceite, auto enfriado / enfriado por la circulacin forzada del aire / enfriado por la circulacin

forzada del aceite.

CLASE OA/FOA/FOA.


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Al aceite, auto enfriado / enfriado por la circulacin forzada del aire / enfriado por la circulacinforzada del aceite.

CLASE OA/FOA/FOA.

Al aceite, auto enfriado / enfriado por la doble circulacin forzada del aire y del aceite.

CLASE OW.

Al aceite enfriado por agua.

CLASE OW/A.

Al aceite, enfriado por agua / auto enfriado.


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INFORMACIN ACERCA DEL LQUIDO DE SILICONA PARA TRANSFORMADORES.

La compaa DOW CORNING, fabricante del lquido de silicona para transformadores, obtuvo

de la U.S.E.P.A. (U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY: Agencia de proteccin

ambiental de los Estados Unidos de Norteamrica), las siguientes declaraciones:

La E.P.A. no tiene conocimiento de ninguna situacin en que existan efectos adversos a la

salud o a la ecologa asociados con la produccin, uso o disposicin de fluidos de

polidimetilsiloxano (fluidos de silicona).

DOW CORNING 561 SILICONE TRANSFORMER LIQUID.

El anterior es el nombre comercial del lquido de silicona fabricado para cubrir la demanda de

un refrigerante dielctrico pata transformadores de poca capacidad, de distribucin y de

potencia.

PROPIEDADES TIPICAS.

Apariencia: Lquido cristalino claro.

Propiedades especiales: Buena capacidad a la alta temperatura y propiedades dielctricas,

baja toxicidad y baja flamabilidad .

Resistencia dielctrica (ASTM D-877): 30 K.V.


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TRANSFORMADORES CON LQUIDO, TIPO SECO Y GAS.

Los cuatro tipos bsicos para elegir son los transformadores al aceite, con lquido aislante no

inflamable, como lquido de askarel, o de silicn (el lquido de silicn es una alternativa para los

transformadores con lquido askarel que estn siendo descontinuados por su contaminacinecolgica); los abiertos tipo seco y los de gas.

Los criterios que se aplican para la seleccin de un tipo de transformador son el costo,

resistencia de aislamiento a impulsos, ubicacin del equipo, requisitos de mantenimiento, nivel

de ruido, posibilidad futura de enfriamiento y espacio disponible.

Transformadores con lquido aislante no combustible, tipo askarel, se pueden usar en interiores

y exteriores por su aislamiento lquido no inflamable.

La desventaja de este tipo de transformadores segn lo han revelado estudios detallados, es

que los BPC (Bifenilos policlorinados) de los lquidos aislantes no inflamables pueden escapar

al medio ambiente durante el manejo o cuando se producen fisuras en los depsitos del

transformador. Los BPC no son biodegradables y pueden ocasionar una contaminacin

peligrosa a la ecologa que afecte en forma adversa a la flora y a la fauna. Varios organismos

del gobierno han prohibido su uso. La legislacin los prohbe totalmente. Los principales

fabricantes han interrumpido su fabricacin.

Los transformadores en askarel no se fabrican a consecuencia de un proyecto de ley sobre

substancias toxicas ratificado el 12 de octubre del ao de 1976.

EL LQUIDO DE SILICN REEMPLAZA AHORA AL ASKAREL.

Un nuevo elemento en el grupo de transformadores con lquido aislante no combustible es el

transformador lleno en lquido de silicona. Fue desarrollado especialmente como una

alternativa a los transformadores en askarel y responde a la necesidad de un transformador,

con lquido inofensivo y aceptable ecolgicamente. Se espera que el lquido de silicona

resuelva los problemas de combustibilidad de los aceites minerales y los riesgos ambientalesdel askarel.

Los usuarios deben tener presente el riesgo al instalar transformadores con silicona en lugares

de peligro hasta que estos sean completamente aceptados por el N.E.C. (National Electrical

Code. Cdigo Nacional Elctrico de los Estados Unidos) y las compaas de seguros. El

comprador tiene la responsabilidad de instalar y operar estos transformadores en forma segura

y obtener la aprobacin del cdigo local y la cobertura del seguro para cada instalacin.


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TRANSFORMADORES TIPO SECO AUTOENFRIADOS (CLASE AA).

Se enfran por la circulacin de naire y no estn sumergidos en aceite.

TRANSFORMADORES DE TIPO SECO AUTOENFRIADOS / ENFRIADOS POR LA

CIRCULACIN FORZADA DE AIRE (CLASE AA/FA).

No estn sumergidos en aceite y son capaces de auto enfriarse con enfriamiento por

circulacin natural de aire y por la circulacin forzada de aire.

TRANSFORMADORES CON GAS.

Son recomendables en una situacin donde no es aceptable la presencia de un lquido, y por la

conveniencia del alto nivel de aislamiento de impulso bsico de las unidades con lquido.

El gas que se usa en estas unidades es fluorocarbono (C 2 F6) que no es combustible ni

explosivo y no es txico.

En resumen, los cuatro tipos de transformadores, definidos por el ANSI o NEMA, son:

Al aceite.

Con lquido aislante no combustible (askarel y lquido de silicona).

Tipo seco.

Con gas.

Bibliografa:

TRANSFORMADORES. General Electric. Catlogo.

ANALISIS Y DISEO DE SISTEMAS ELCTRICOS PARA PLANTAS INDUSTRIALES.

Autor: Irwin Lazar.

Editorial Limusa.

Captulo 5, pginas: 126, 127, 128, 129 130, 131.


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CORRECCIN DEL FACTOR DEPOTENCIA EN SISTEMAS ELCTRICOS

INDUSTRIALES.

INSTALACIN DE BANCOS DECAPACITORES.


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G.E. Industrial SystemsMotor Control CentersApplication Guide

Artculo: Power Factor Correction Capacitors. Pg.E5.Traduccin de su original en ingls: Ing. I. C. Ventura Nava.

Descripcin.Los motores y otras cargas inductivas requieren de dos clases de corrienteelctrica: una corriente la cual efecta el trabajo real y una corriente reactiva lacual produce el campo magntico necesario para la operacin de aparatosinductivos tales como los motores elctricos de induccin. Ambos tipos decorrientes producen prdidas I2R (por efecto Joule) en el sistema. Loscapacitores instalados cerca de las cargas inductivas pueden ser utilizadospara reducir la corriente reactiva la cual fluye demasiado a travs del sistema,

reducindose as las prdidas I2R (prdidas por efecto Joule prdidas porcalentamiento).Los capacitores de baja tensin generalmente son unidades trifsicas,conexin delta, y estn protegidos por fusibles limitadores de corriente. Losfusibles desconectan el capacitor en caso de un corto circuito, proveencontinuidad en el servicio para el sistema y reduciendo la posibilidad de rupturadel envolvente o recipiente del capacitor.

Desconexin del capacitor con el motor.

Los capacitores utilizados para correccin del factor de potencia pueden ser

seleccionados utilizando las especificaciones de los fabricantes de motoreselctricos. Cuando los capacitores estn conectados antes del relevadortrmico de sobrecarga (dibujo a, c d), los elementos trmicos de sobrecargadeben ser seleccionados utilizando la corriente de plena carga del motor y elvalor del factor de servicio especificado en la placa de datos del motor. Cuandoel capacitor est conectado en el lado de la carga del calefactor elementotrmico de sobrecarga (dibujo b), se requiere un rango menor del elemento de los elementos trmicos, desde entonces el relevador trmico de sobrecargaen este caso deber responder a la suma vectorial de las corrientes del motor ydel capacitor. Los capacitores no deben exceder los mximos K.V.A.R.recomendados por el fabricante del motor para desconexin con el motorseleccionado especficamente.

Los capacitores para correccin del factor de potencia pueden serdesconectados por un contactor separado (dibujo d) bajo algunas de lassiguientes condiciones:

Alta carga de inercia.

Arranque a tensin reducida con transicin de circuito abierto.

Motores estrella-delta.

Motores con arranques frecuentes o reversibles.

Motores con multivelocidad.

Los capacitores para correccin del factor de potencia no deben serconectados del lado de la carga de un arrancador electrnico de estadoING. ISAAS CECILIO VENTURA NAVA. ABRIL 2007.

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slido ni de un drive variador de frecuencia (variador de velocidad).

Se debe hacer notar que los arrancadores para motores de dos velocidades(motores de polos consecuentes) requieren de contactores separados para quese conecten (para que entren) los capacitores despus de un retardo detiempo a fin de evitar un posible dao al motor mientras se descargara elcapacitor.

Por la misma razn, los arrancadores estrella-delta tienen la aplicacin delcapacitor despus de que se efecta ha sido efectuada la conexin en delta.

Fundamentos de Ingeniera para la correccin del Factor de Potencia. F.P. =

COS .Consideraciones Fundamentales para corregir el Factor de potencia en los

Sistemas Elctricos de alimentacin industrial.-

Tomado del libro:Anlisis y Diseo de Sistemas Elctricos para Plantas Industriales.Autor: Irwin Lazar.Editorial Noriega Editores.Capitulo 2.

En las plantas de energa elctrica que alimentan zonas industriales, hanaumentado continuamente las reactancias del sistema (Kilovars o KVAR),debido al uso cada vez mayor de equipo que produce cargas inductivas.Algunas fuentes de este tipo de cargas son los motores de induccin(principalmente cuando operan a menos de plena carga), transformadores,soldadoras de arco, rectificadores, hornos de arco, lmparas fluorescentes yvarios tipos de equipo electrnico.

El sistema de suministro de energa elctrica (compaa suministradora, ya seala C.F.E. o la C.L.y F.C.) tiene que alimentar la potencia activa (til) y tambinla potencia reactiva (no til) que necesitan estas cargas inductivas. Estoimpone una carga adicional a la capacidad de generacin del sistema desuministro pblico. (C.F.E. o C.L.y F.C.).

El gasto por prdidas en el sistema debido al flujo de reactivos es un factoreconmico importante que no deber menospreciarse, ya que si los Kilovars quenecesitan estas cargas no se suministran por otro medios, el flujo de corrientesreactivas en el sistema consume las capacidades trmicas y de voltaje de lalnea y del equipo.

Una planta industrial que opera sus sistema elctrico con un bajo factor depotencia bajo puede:

Reducir la capacidad del sistema y su rendimiento debido a conductoresy transformadores sobrecargados.

Aumentar las prdidas debido a resistencia de o en los conductores. Reducir el nivel del voltaje, afectando en forma adversa la eficiencia de

operacin de los motores.


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Reducir la iluminacin de las lmparas incandescentes.

Aumentar el costo de la energa cuando la compaa suministradoraimpone las condiciones del factor de potencia.

La corriente reactiva tambin origina prdidas considerables en losgeneradores, transformadores y conductores. Los generadores y las lneas sesobrecargan innecesariamente debido a la corriente reactiva, por lo que serequiere de generadores, transformadores y conductores de mayor capacidad.Las compaas o empresas suministradoras generalmente compensan lasprdidas de sus ingresos causados por un bajo factor de potencia en lainstalacin elctrica de la planta industrial del usuario, haciendo un cargoadicional a la tarifa normal (penalizacin econmica o multa). El mejoramientodel factor de potencia conduce a importantes ahorros en el costo de la energay mejora la eficiencia de la planta industrial.Los mtodos ms comnmente usados para mejorar el factor de potencia de

una planta industrial incluyen el uso de condensadores estticos llamadostambin capacitores, as como motores y condensadores sncronos.

Los condensadores o capacitores mejoran el Factor de Potencia.-

El mtodo ms simple y econmico para mejorar el factor de potencia en lasplantas industriales que no requieren de motores adicionales de mayorcapacidad es mediante el uso de capacitores.

Cuando los capacitores se aplican adecuadamente a un sistema, suministran lacorriente reactiva de magnetizacin y eliminan la corriente reactiva del circuito

de la planta, mejorando as el factor de potencia global. Los capacitorestambin mejoran la eficiencia de una planta industrial liberando la capacidadelctrica del sistema (K.V.A.), elevndose el nivel del voltaje y reduciendo lasprdidas para poder admitir cargas adicionales en el mismo sistema.

A continuacin se muestra como se puede ahorrar dinero mejorando elFactor de Potencia.

Supngase que una planta industrial tiene una carga de 1,500 K.W. con unfactor de potencia = cos de 0.75 y la empresa suministradora tiene una tarifade 2 dolares/K.V.A., con un factor de potencia mximo de 0.90.

Los K.V.A. facturados son:

F.P.=cos = K.W./K.V.A., despejando K.V.A., tenemos

K.V.A.= K.W./F.P., recordando que F.P.= cos

K.V.A.= 1,500 K.W./0.75

K.V.A.= 2,000

El cargo por el servicio es:

2000 K.V.A. X 2 dlares/K.V.A.= 4,000 dlares por mes.

Los K.V.A mnimos en los que se puede basar el costo de los 1,500 K.W.demandados por la planta son:

1,500K.W./0.90 = 1,667 K.V.A.


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El cargo por demanda de 1,667 K.V.A., sera de:

1,667 K.V.A. X 2 dlares/K.V.A. = 3,334 dlares por mes.

Esto muestra que si se mejora el factor de potencia de cos=0.75 a cos=0.90,se reduce el cargo por consumo en 666 dlares por mes (4,000 3,334 = 666).

(Las tablas que indican la capacidad necesaria de los capacitores en K.V.A.R.para mejorar el factor de potencia de 0.75 a 0.90, se explicarn en detalle msadelante. Las tablas tambin proporcionan los factores de multiplicacinaplicables a los K.W. para obtener los K.V.A.R. necesarios a diferentes factoresde potencia).

Para la carga de potencia activa de 1,500 K.W. y un factor de potencia de0.75, la potencia reactiva (K.V.A.R.) es:

1,500 K.W. X 0.882(el factor de multiplicacin) = 1,323 K.V.A.R.

Para la carga de potencia activa de 1,500 K.W. y un factor de potencia de

0.90, la potencia reactiva (K.V.A.R.) es:1,500 K.W. X 0.484(el factor de multiplicacin) = 726 K.V.A.R.

La capacidad que se requiere para corregir el factor de potencia de 0.75 a 0.90es de 597 K.V.A.R.(1,323 K.V.A.R. 726 K.V.A.R. = 597 K.V.A.R.).

O bien utilizando el factor de multiplicacin que se localiza en el cruce de lacolumna factor de potencia original (0.75) con la columna factor de potenciacorregido (0.90), dicho factor en este caso ser 0.398 y multiplicarlo por lacarga de 1,500 K.W., para obtener la potencia reactiva capacitiva:K.V.A.R.= 0.398 X 1,500 K.W. = 597 K.V.A.R.

El costo actual de los capacitores estticos de 480 volts de 600 volts es deaproximadamente de 10 dlares/KVAR, o 5,970 dlares (597KVAR X 10dlares/KVAR = 5,970 dlares), para los capacitores de 597 KVAR necesariosen este ejemplo. Con el ahorro de 666 dlares mensuales, el costo inicial de loscapacitores se amortiza en menos de nueve meses. (5,970 dlares/666 dlares= 8.96 meses).Sn embargo despus de los primeros nueve meses, se seguirn ahorrando666 dlares mensuales. (El ahorro es variable segn las tarifas de la empresasuministradora de energa elctrica, tal como la C.F.E. la C.L.y F.C. y la zonaen que opera la misma).

El uso de capacitores para mejorar el factor de potencia es el medio mseconmico para sistemas elctricos industriales en los que no se empleanmotores sncronos. Durante los ltimos veinte aos, el costo por KVAR de loscapacitores ha disminuido continuamente en comparacin con otros medios desuministro de potencia reactiva KVAR, como generadores y condensadoressncronos. Los motores sncronos se utilizan para mejorar el factor de potencia= cos principalmente en las plantas industriales que necesitan nuevas tomasde fuerza mecnica de gran capacidad. Si ste no es el caso, el uso decondensadores estticos o capacitores es la mejor opcin.

El condensador sncrono es una mquina elctrica rotatoria similar al motorsncrono. Sin embargo, el condensador sncrono mejora el factor de potenciapero no acciona carga alguna. Los condensadores sncronos generalmente seutilizan en las plantas de suministro de energa elctrica, en grandes plantas


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industriales metalrgicas como aceras.

FACTOR DE POTENCIA = COS .Las cargas inductivas tales como motores elctricos de induccin,transformadores, autotransformadores, reactores, hornos de induccinelectromagntica, soldadoras de arco, balastros para lmparas fluorescentes yotras, requieren dos clases de corriente, corriente de magnetizacin corrientereactiva y corriente productora de potencia activa.

La corriente de magnetizacin, tambin conocida como no suministradora dewatts, reactiva no til, proporciona el flujo para los campos magnticos de losdispositivos de induccin. Sin corriente de magnetizacin la energa elctricano puede fluir a travs del ncleo de los transformadores en el entrehierro delos motores de induccin.Sin embargo, los generadores y motores sncronos se magnetizan mediantecorriente directa proveniente de los excitadores de corriente continua. Los

transformadores y motores de induccin se magnetizan con la componente deretraso de la corriente alterna de la lnea. La energa utilizada en formar elcampo magntico fluye hacia atrs y hacia adelante entre el generador y lacarga.Esta corriente de magnetizacin es la causa real de un factor de potencia bajoen el sistema elctrico.La unidad de medicin de los voltsamperes de magnetizacin es el Kilovar. Elinstrumento que mide Kilovars se llama Kilovarmetro.Las lecturas de Kilovars son ms tiles que las de factor de potencia porqueindican el valor real de las componentes de magnetizacin.

La corriente productora de potencia tambin conocida como potencia activa,corriente que produce un trabajo til, se convierte en trabajo til como larotacin del eje de un motor, la luz de una lmpara incandescente bombeo deagua. La unidad de medicin de lapotencia activa es el kilowatt.La corriente total es la leda en un ampermetro en el circuito y est formadatanto de la corriente de magnetizacin como de la corriente productora depotencia.

El total de Voltsamperes, conocido tambin como potencia aparente, seexpresa en Kilovoltsamperes KVA.

CORRIENTE ACTIVA Y CORRIENTE REACTIVA.-

Las cargas inductivas requieren las dos componentes de corriente, la corrientede magnetizacin (corriente reactiva) y la corriente productora de potencia(corriente activa). Estas dos componentes de corriente se representanvectorialmente, a 90 grados una de la otra.

La corriente total se puede determinar de la expresin:(Corriente total)2=(Corriente activa)2 + (Corriente reactiva)2.

En un punto de voltaje comn, los KVA y los KW son proporcionales a lacorriente. Entonces:

(KVA)2=(KW)2 + (KVAR)2 (Potencia aparente)2=(Potencia activa)2 + (Potencia reactiva)2 .


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QU ES EL FACTOR DE POTENCIA?

El Factor de Potencia se define como la relacin la razn de la potenciaactiva (KW) a la potencia aparente total (KVA):

F.P.= KW/KVA

KVA x F.P. = KW.

Trigonomtricamente: F.P. = COS = KW/KVA.


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Notas tomadas del libro titulado:Biblioteca practica de Motores Elctricos. Tomo No. 1Autor: R.J. LawrieEditorial:Ocano Centrum

Pginas 18 y 86.

Recopilacin Ing. Mec. Elect. Isaas Cecilio Ventura Nava.

EFECTOS DEL FACTOR DE POTENCIA = COS, EN MOTORESELCTRICOS DE INDUCCIN.

La corriente elctrica que toma un motor de induccin consta de doscomponentes: una reactiva o magnetizante y otra activa o de trabajo. Lacomponente que produce el par mecnico (es decir, la que realiza trabajo til)est prcticamente en fase con el voltaje; es decir, su factor de potencia es casi

del 100% (F.P. = cos = 1.00). La componente magnetizante podraconsiderarse puramente inductiva, salvo por la pequea resistencia deldevanado del estator y porque tal corriente est atrasada casi 90 gradosrespecto al voltaje. Por lo tanto, su factor de potencia es prcticamente cero(F.P. = cos 900 = 0.00).El campo magntico se conserva sensiblemente constante desde la marchalibre, es decir en vaco o sin carga, hasta la carga nominal o una mayor, demodo que la componente magnetizante de la corriente total es casi la mismapara cualquier valor de carga. En cambio la componente activa varia con lacarga y aumenta al incrementarse esta. A plena carga la corriente activa esmayor que la corriente magnetizante, de modo que, para un motor tpico el

factor de potencia de la corriente resultante est entre F.P.= cos = 0.85 y elF.P.= cos = 0.90. A medida que disminuye la carga, la componente activadisminuye mientras que la componente magnetizante se conserva casi sinvariacin, lo cual hace que la corriente resultante tenga un menor factor depotencia = cos. Cuanto menor sea la carga, menores sern la componenteactiva y el factor de potencia.El bajo factor de potencia resultante a bajas cargas es una consecuencia deque la corriente magnetizante sea aproximadamente la misma a cualquiercarga.

Es necesario mencionar que un bajo factor de potencia tambin puede

incrementar el costo de la energa elctrica si la compaa de suministro tieneuna clusula al respecto. Los condensadores estticos o capacitores paracorreccin del factor de potencia pueden elevarlo y reducir o eliminar lapenalizacin por este concepto.Los capacitores suministran la potencia reactiva requerida por el motor, la cualno interviene en la lectura del watthormetro o del medidor de demanda enwatts. Por consiguiente, aun cuando podra haber un ligero decremento en lasprdidas I2R en los conductores de alimentacin como resultado de eliminar lacorriente reactiva por medio de capacitores adyacentes a los motores (esto noocurre si tales elementos se colocan al inicio de la alimentacin), debe hacersehincapi en el hecho de que los capacitores no reducen en forma alguna lasprdidas de un motor.Aunque los capacitores mejoran el factor de potencia del sistema que alimentaa las mquinas, el factor de potencia de stas permanece sin cambio, ya quepara el motor es completamente indiferente recibir la potencia reactiva delING. ISAAS CECILIO VENTURA NAVA. ABRIL 2007.

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sistema o de un banco de capacitores instalado cerca del motor.

Revista tcnica Schneider Electric Nmero 9 Enero 2003.

Cmo mejorar la calidad de la energa a travs de la correccin del factorde potencia?

Las redes de distribucin elctrica en las instalaciones de los sectoresindustriales, comerciales o de servicios, tienen equipos que al ser energizadosproducen un beneficio, tal como el alumbrado, el aire acondicionado, lacalefaccin, la extraccin de gases, etc. Es comn que estos equipos incluyanpara su operacin dispositivos resistivos e inductivos. Los ejemplos msclsicos de cargas resistivas son las lmparas incandescentes y los

calefactores, mientras que el ejemplo tpico de cargas inductivas son losmotores elctricos.

La tensin de la red elctrica (V~) es aplicada a las diferentes cargas; cuandose cierra el interruptor de encendido de cada una de ellas, circula la corrienteelctrica(I). La corriente tiene un comportamiento que depende del tipo decarga por la que circula. En la siguiente figura se ilustra la forma de onda queadquiere la corriente cuando se conduce por una carga resistiva ( R ) y unainductiva (L), tambin se muestra la corriente total


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El Tringulo de Potencias.-

La potencia en una red elctrica se calcula multiplicando la tensin por lacorriente, y en virtud de que en el dibujo superior se presentan tres corrientes,tambin existen tres tipos de potencia, lo que origina el tringulo de potencias.

La potencia Real P (W) es la que realiza un trabajo til, es la que se factura porlas compaas suministradoras. La potencia Reactiva Q(VAR) es necesariapara crear el campo magntico en un motor, elemento indispensable para queel rotor pueda girar.La Potencia Aparente S(VA) es la suma vectorial de las dos anteriores, es lapotencia asociada a la corriente total que se conduce por los dispositivos de lared de distribucin elctrica; por ejemplo los transformadores se especifican enVA, los interruptores en Amperes, es decir son parmetros que involucran lacorriente total; lo mismo sucede con relevadores, cables, etc.

El ngulo entre la Potencia Real y Aparente determinan el Factor de Potenciade la red de distribucin elctrica, que se calcula como el Coseno de . ElFactor de Potencia es una relacin que muestra que tan eficiente es la redelctrica, mientras ms cercano est a la unidad, significa mayor corriente realy menos corriente reactiva.

La compensacin del Factor de Potencia

En virtud de que la corriente total determina en gran medida el costo de diseo,instalacin y operacin de la red de distribucin elctrica, es importante que lacorriente que fluye sea principalmente la que realiza un trabajo til, es decir laasociada a la Potencia Real; al mismo tiempo se busca que sea menor laPotencia Reactiva y en consecuencia la Potencia Aparente.

Para lograr este objetivo, es necesario incorporar dispositivos capacitivos que

tiene un efecto contrario a las cargas inductivas.Cuando se grafican las corrientes inductivas y capacitivas en un plano fasorial,se dibujan a 1800 por lo que la suma de sus valores realmente es una resta, asse logra la reduccin de la potencia reactiva.


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Los bancos de capacitores permiten corregir el valor de potencia reactiva, paralograr que la potencia real y la aparente tengan un valor muy similar. Si no setoman acciones para corregir el factor de potencia, la potencia reactiva tambindebe ser suministrada y conducida por los equipos de la compaa

suministradora de energa elctrica, por lo tanto, en la factura para el usuariose presenta una penalizacin econmica por tener un bajo factor de potencia.

Revista Tcnica Schneider Electric. Nmero 6. Abril 2002.

Bajo Factor de Potencia.

La compaa suministradora, genera una seal elctrica con una potencia(capacidad de hacer trabajo) determinada, esta potencia se mide en KVAs (KiloVoltAmper) y es distribuida a travs de una red interconectada nacional para su

consumo.Un usuario tiene requerimientos especficos de potencia para hacer que susmaquinas se muevan o para que sus instalaciones estn iluminadas. A lapotencia que se consume se le mide en KW (Kilo Watts). Si no hubiera algntipo de prdida, la potencia que se produce y la corriente que se consumeseran iguales en cantidad, pero no es as en la prctica. La diferencia entreesos valores es, para fines prcticos, el factor de potencia. El factor de potenciaes entonces, una representacin de las prdidas que tiene un sistema elctricoy es por ello que las compaas generadoras de energa elctrica multan a losusuarios que tienen un consumo menor al 90% de la produccin asignada paraellos. Si representamos las dos potencias mencionadas como dos vectores queparten del mismo punto y cerramos el tringulo con un tercer vector, tenemos loque se conoce como el tringulo de potencias. El coseno del ngulo formadoentre los KVA y los KW es precisamente el Factor de Potencia y la potenciaque completa el tringulo es la potencia reactiva que se mide en KVARs (KiloVoltsAmperes Reactivos).

Revista Tcnica Schneider en Lnea. Nmero 6. Abril del 2002.Correccin del bajo Factor de Potencia.

El bajo factor de potencia sigue siendo una de las principales oportunidadespara reducir los costos de la facturacin de energa elctrica, el clculo de unbanco de capacitores no implicaba grandes consideraciones del entornoelctrico o clculos complejos, sin embargo el desarrollo de nuevas tecnologasen electrnica para aplicaciones de ahorro de energa y/o de control hapropiciado que las armnicas produzcan un efecto en los capacitores conocidocomo resonancia en paralelo, el cual est asociado con altas corrientes o

tensin que llegan a ser destructivos para las mquinas (PC, motores,transformadores, etc.) instalados en la planta industrial.


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Los tipos de compensacin que podemos realizar en baja tensinprincipalmente son tres:

1.- Compensacin individual por carga.

Es recomendable cuando la potencia de los motores es significativa respecto a

la potencia (KVA) requerida en la instalacin. Definitivamente aqu losbeneficios de instalar bancos de capacitores son notables, en la eliminacin demultas, la reduccin de prdidas en los conductores y en los calibres, encuestiones de mantenimiento ser necesario incluir en nuestra agenda unarutina para la supervisin de los capacitores. Si su planta industrial seencontraba bajo este esquema de compensacin, seguramente ha realizadoalgunos cambios, considerando que la modernizacin lleg en pro del ahorrode la energa y con ello comienza la sustitucin de los arrancadores a tensinplena, o de tensin reducida por arrancadores de estado slido electrnicos, elms utilizado los drives de frecuencia ajustable (variadores de velocidad), queadems son excelentes ahorradores de energa elctrica en aplicaciones de

bombeo o de aire acondicionado. En la mayora de las veces esta sustitucinse realiza de manera progresiva y los problemas se presentan casi al finalizarel reemplazo, cuando la distorsin armnica en corriente se fue incrementandohasta distorsionar la forma de onda de la tensin y por consiguiente ladistorsin armnica de la tensin llega a tener valores fuera del estndarrecomendado por el IEEE del 5% y el dao a los equipos no se hace esperar.Cuando realice este tipo de compensacin siempre tenga presente que unbanco de capacitores fijo con un variador electrnico de velocidad o unarrancador de estado slido, no son la mejor pareja.Si la distorsin armnica est creando problemas en la red de distribucin deenerga elctrica la solucin debe ser un banco de capacitores antiresonantes

un filtro. Para determinar la capacidad del banco se deben de observar variascondiciones antes de determinar si la solucin es local y se deba hacer deforma global.

Compensacin por zonas.-

Este tipo de compensacin se recomienda cuando la instalacin es bastanteamplia y donde las trayectorias de la carga/tiempo difieren de una parte de lainstalacin, los bancos de capacitores se conectan al bus o barras colectorasde distribucin donde se encuentran el grupo de cargas.La ventaja adems de la eliminacin de multas, son que se reduce la demanda

aparente KVA, se libera capacidad en el transformador el cual es capaz deaceptar ms carga, el calibre de los conductores de alimentacin en el buslocal puede ser reducidos o se puede tener ms capacidad para cargas futurasy finalmente las prdidas en los mismos conductores se ve reducida.Entre las desventajas, la corriente reactiva contina fluyendo a corrientedescendente adonde se han instalado los capacitores y es la razn por la quelos calibres de esos conductores y las prdidas no son mejoradas por este tipode compensacin. Otro problema puede ser cuando las cargas tienen grandescambios, pudindose presentar un riesgo de sobrecompensacin y desobretensin.


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Compensacin Global.-

Este tipo de compensacin se recomienda cuando la carga es contina yestable, los bancos de capacitores se instalan en la subestacin principal yfuncionan en los periodos de carga normal.

Los beneficios continan siendo la eliminacin de multas, disminucin de lademanda de potencia aparente en KVA y disponibilidad en el transformadorpara cargas futuras.Las desventajas son las mismas que en el caso de compensacin por zonas.

Como indicamos al principio, la instalacin de bancos de capacitores es elmtodo ms recurrido para disminuir los consumos de energa pero, si stos nofueron bien seleccionados y aplicados sus costos de operacin se puedenincrementar.

Empresas fabricantes de capacitores como es el caso de Merln Gerin ofrecen

bancos de capacitores fijos (Rectibloc Plus) y automticos (Secomat Plus), conlos estndares de seguridad, proteccin y modularidad que se requieren en elmercado de equipo elctrico.

MOTORES ELCTRICOS SELECCIN, MANTENIMIENTO Y REPARACIN.Autor: Robert W. SmeatonSegunda Edicin

Tomo 1Editorial Mc Graw Hill.(Pginas: 2-50, 2-51, 2-48 y 2-49).

Uso de Motores de Induccin y Capacitores.-

Los capacitores estticos proporcionan una manera simple de corregir el factorde potencia de los motores de induccin. La siguiente figura muestra las tresposibles conexiones de capacitores que se usan con motores de induccin. Lapractica ms comn es conectar el capacitor y el motor como una unidad, comose muestra en la figura 20a o 20b . Cuando se aplican capacitores del lado de lacarga del relevador trmico de sobrecarga, se debe tomar en cuenta lareduccin de la corriente a travs del elemento trmico de sobrecarga. Estemtodo es ms aplicable a instalaciones nuevas de motores puesto que elrelevador apropiado se puede adquirir inicialmente. La ubicacin del capacitordel lado de la fuente respecto al relevador trmico de sobrecarga es aplicableen viejas instalaciones de arrancadores de motores en las que solamente sehan agregado capacitores. No se requieren cambios en los relevadores desobrecarga existentes. Cuando se desea dejar el capacitor permanentementeconectado al sistema, se puede usar la conexin de la figura 20 c. Este mtodo

elimina la necesidad de un dispositivo separado de interrupcin de conexin delcapacitor.


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Limitaciones de los capacitores para maniobras de unidades.-

Cuando se maniobra una combinacin de capacitor-motor de induccin, haydos consideraciones que limitan los KVAR del capacitor que pueden aplicarse.Estos dos factores son el sobrevoltaje permisible debido a la autoexcitacin y elpar transitorio permisible. Estas limitaciones no se aplican al arreglo mostradoen la figura 20c puesto que el capacitor no se conecta ni desconecta junto conel motor, y la la planta es normalmente grande en comparacin con la cargaque se conecta as

Sobrevoltaje de autoexcitacin.La energa rotacional almacenada en el rotor del motor y en la transmisincontinua haciendo girar el motor despus de la desconexin de la fuente dealimentacin. Normalmente el voltaje generado durante este periodo se reducerpidamente puesto que no est presente la necesaria fuente de excitacin. Sinembargo, si est conectado un capacitor con el motor, se proporciona unafuente de excitacin en las terminales del motor y se puede inducir altosvoltajes en el estator. La magnitud del voltaje inducido depende del valor de lacapacitancia.Es posible generar voltajes del orden del 135% a 175% del nominal cuando se

usa la capacitancia suficiente para optimizar el factor de potencia a plenacarga.

Factor de Potencia de Motor Sncrono.

Una mquina sincrnica (generador o motor sncrono), a diferencia de unamquina asncrona o de induccin (motor de induccin, motor de rotordevanado), es capaz de satisfacer su propia necesidad de excitacin. Unamquina sincrnica sobreexcitada, ya sea motor o sea generador, proporcionapotencia reactiva al sistema al que est conectada. Por el contrario, una

mquina sincrnica subexcitada consume potencia reactiva o corriente deexcitacin del sistema. La lnea divisoria entre la operacin sobreexcitada ysubexcitada es el valor de la corriente de campo requerida para producir laoperacin con factor de potencia unitario (F.P.= cos = 1.00) con cualquiercarga particular.

Los factores de potencia nominales estndar de los motores sincrnicos sonfactor de potencia adelantado de unidad (F.P. = cos = 1.00) y de 0.80 (F.P. =cos = 0.80). Debido a las mayores corrientes de armadura y de campoasociadas con la operacin a F.P. = cos = 0.80 de factor de potencia, elmotor con este factor es mayor y ms caro que un motor de la misma

capacidad con factor de potencia unitario ( F.P. = cos = 1.00).El motor sincrnico d

technical manual for industrial electrical facilities

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