Técnicas avanzadas de compensación del FP

La eficiencia energética y la seguridad de suministro del sistema eléctrico son temas de primordial interés, por parte de los técnicos y del público en general. 

La consecución de dichos objetivos requiere la optimización del sistema de distribución y transporte de energía en dos aspectos: mejora del factor de potencia (FP) y equilibrado de consumos.Los equipos clásicos de compensación del FP no están pensados para sistemas muy desequilibrados y por tanto no consiguen un aprovechamiento óptimo del sistema de distribución ya que permiten más pérdidas que las estrictamente necesarias y no las reparten adecuadamente entre las fases. Por ello, la compensación de FP en redes con consumos desequilibrados requiere sistemas de control (reguladores) inteligentes, con prestaciones especiales y capaces de gestionar adecuadamente la combinación de un factor de potencia bajo y un desequilibrio importante.· Este artículo muestra las bases teóricas de la compensación de factor de potencia en sistemas desequilibrados y propone

soluciones que permiten mejorar la eficiencia energética de la red de distribución.

En las instalaciones eléctricas es cada vez más frecuente encontrar consumos fuertemente desequilibrados. Contribuyen a dicho desequilibrio dos tipos de cargas: Por un lado las cargas entre fase y neutro y por otro lado cargas monofásicas entre fase y fase. Estas últimas están proliferando con potencias considerables en plantas industriales con algunos tipos de hornos, sistemas de calentamiento por inducción y/o equipos de soldadura. Los efectos más importantes de dichos desequilibrios son de dos tipos:

a)   Corrientes de neutro elevadas (Corriente homopolar).b)   Corrientes en las fases desiguales, con desfases desiguales (Compo-nente inversa).

El aumento de la corriente de neutro por desequilibrio es un tema muy conocido, pero los efectos del desequilibrio de las corrientes de fase han sido menos estudiados. Dicho desequilibrio disminuye significativamente la eficiencia de los sistemas de distribución y transporte. A título de ejemplo, consideremos un transformador de 1000 kVA. El diseño se ha hecho considerando que esta potencia estará repartida entre las tres fases. Si pretendiéramos alimentar con él un sistema cuyas cargas estuvieran todas ellas entre una fase y neutro o cargas entre dos fases, evidentemente no podríamos obtener 1000 kW, aunque el factor de

potencia de las cargas fuese la unidad (incluyendo cos + reducción por armónicos). Así pues la potencia que podemos obtener de un transformador depende de alguna forma del grado de desequilibrio de las cargas. Obsérvese que el problema tiene un cierto paralelismo con el del factor de potencia. En efecto, si conectamos a un transformador, como el del ejemplo anterior, de 1000 kVA, cargas con un factor de potencia inferior a la unidad, tampoco podemos obtener los 1000 kW.  El ejemplo anterior sirve para poner de relieve que el desequilibrio de las corrientes de carga, al igual que un factor de potencia inferior a la unidad, comportan un uso ineficiente del sistema de distribución y transporte.En los siguientes párrafos se explican algunos principios teóricos para la caracterización de los sistemas desequilibrados, se definen los coeficientes de desequilibrio y de corriente homopolar y se proponen soluciones para mejorar la eficiencia del sistema de distribución de energía eléctrica.

Desequilibrio del sistema trifásico: Principios teóricosUn sistema trifásico de tensiones o corrientes perfectamente equilibrado puede representarse por tres fasores desfasados entre sí 120° , tal como representa la figura 1.a , pero en caso de sistemas desequilibrados , como el que muestra la figura 1.b , se tienen fasores o bien con módulos distintos o con desfases distintos de 120° o ambas cosas a la vez.Para el análisis de sistemas desequilibrados , Fortescue y Stokvis , idearon un método conocido como método de las componentes simétricas. Dicho método dice esencialmente que cualquier sistema

trifásico desequilibrado puede descomponerse en suma de tres sistemas: Uno de secuencia directa, otro de secuencia inversa y otro de secuencia cero, llamado también homopolar (ver figura 2).  Entendemos por sistema de secuencia directa un sistema simétrico de vectores iguales entre sí, desfasados 120°, en el que la sucesión de fases es a, b, c;  por secuencia inversa aquel sistema de vectores iguales entre sí, con desfase de 120° y secuencia a, c, b y por secuencia cero aquel sistema formado por tres vectores iguales entre sí y en fase. La figura 2 muestra un ejemplo con un sistema directo, uno inverso y uno homopolar y  la suma vectorial de los tres, de la cual resulta un sistema desequilibrado. El método de descomposición descrito es válido para sistemas trifásicos cualesquiera, de tres hilos o de cuatro hilos, es decir con o sin neutro y sirve tanto para el estudio de tensiones como para corrientes. Para indicar el grado de desequilibrio de un sistema se usan dos coeficientes:Coeficiente de desequilibrio, Kd: Relación entre las amplitudes de las componentes inversa y directa.Coeficiente de asimetría Ka: Relación entre las amplitudes de las componentes homopolar y directa.

 

    (1)

 

 

En los sistemas sin neutro la componente homopolar es siempre nula y por tanto la simetría de la red de distribución se mide sólo por el coeficiente de desequilibrio. La norma EN-50.160, fija para el caso de las tres tensiones de red, un límite de desequilibrio de forma que el coeficiente de desequilibrio, medido en promedios de 10 segundos, debe ser menor del 2% durante el 95% del tiempo.Los desequilibrios de las corrientes de carga tienen dos efectos:

c)    Reducen la capacidad de carga y la eficiencia de transformadores y líneas de distribución.d)    Generan desequilibrios de las tensiones en el punto de acoplo de los abonados. Por tanto, debido a este efecto los desequilibrios de una instalación propagan sus efectos a otras instalaciones vecinas.

Respecto al primer punto, que es el que más nos interesa en este artículo, cabe decir que en muchas instalaciones actuales se acentúa el nivel de desequilibrio debido a la presencia de determinadas cargas que toman energía entre fase y neutro (caso común en edificios comerciales o de oficinas) o algunas de tipo monofásico, que están conectadas entre dos fases (el caso más típico son las máquinas

de soldadura). La consecuencia de esto es que líneas y transformadores de distribución, aparentemente bien dimensionados, son incapaces de suministrar la potencia instalada sin causar problemas de sobrecalentamiento, bajo rendimiento, saturación de transformadores, etc. En resumen, el desequilibrio de las corrientes de carga ha de ser considerado como una causa más de ineficiencia del sistema de distribución energética. En caso de desequilibrios importantes, se requieren instalaciones (transformadores y cables) más sobredimensionadas y se generan mayores pérdidas que en una instalación de igual potencia con consumos equilibrados.

¿Cómo afecta el desequilibrio a los sistemas de compensación del FP?La “compensación de factor de potencia”, juega un papel primordial en optimización de los sistemas de distribución y la minimización de pérdidas en las instalaciones eléctricas.  Cuando hablamos de compensación de factor de potencia en este contexto debemos entenderla en su forma más general que engloba la compensación de desfase tensión corriente (cos j), el filtrado de armónicos y la corrección de desequilibrios [1].Hasta el presente la mejora de factor de potencia se ha venido realizando mediante dos tipos de equipos:

e)    Equipos de condensadores y/o filtros pasivos de armónicos. (figura 3)f)    Filtros activos, basados en la inyección de corrientes para compensar el cos y los armónicos (figura 4). g)    Los equipos del primer grupo tienen  habitualmente una estructura trifásica y equilibrada, mientras que en el caso de filtros activos existen dos categorías: h)    Filtros activos de 3 hilos. Pueden compensar el cos j, los armónicos de sistemas trifásicos equilibrados. i)    Filtros activos de 4 hilos, que pueden compensar el cos  j, los armónicos e incluso el desequilibrio de sistemas trifásicos desequilibrados.

Lógicamente estos últimos son el tipo de compensador más completo, puesto que son capaces de compensar todos y cada uno de los términos que empeoran el factor de potencia. El inconveniente es que en muchos casos su coste resulta prohibitivo y difícilmente justificable frente a otras soluciones, que sin llegar a una compensación perfecta, ofrecen soluciones muy válidas a un coste sensiblemente inferior. Concretamente nos referimos a soluciones de compensación de cos  j con condensadores o sistemas de filtrado pasivo, basados en conjuntos sintonizados L-C (inductancia – condensador), que son capaces de

llevar el factor de potencia (incluyendo un filtrado de armónicos) a valores superiores al 95%. Sin embargo, las baterías de condensadores y los filtros pasivos estándar ofrecidos actualmente en el mercado son siempre equipos trifásicos equilibrados lo cual hace que sean muy ineficientes para redes con un alto grado de desequilibrio. En los párrafos siguientes se indican las nuevas tendencias en equipos de compensación basados en condensadores o grupos L-C

Nuevas técnicas de compensación de FP para sistemas desequlibradosComo se ha dicho, el sistema clásico de compensación de reactiva y filtrado de armónicos se basa en equipos que conectan pasos trifásicos equilibrados. Es frecuente incluso que el regulador de FP mida corriente sólo en una fase y regula la compensación suponiendo que el sistema es equilibrado. La conexión del circuito de potencia se hace mediante contactores (baterías convencionales) o mediante tiristores (baterías estáticas) en el caso de cargas con un perfil de corriente muy variable con el tiempo (grandes variaciones en cortos intervalos de tiempo). La figura 5 muestra un esquema típico de conexión de un regulador para control de cos , midiendo tensión y corriente de una sola fase. Se muestra sólo un paso del circuito de potencia, aunque el equipo se compone

habitualmente de varios pasos que permitirían la regulación en un sistema equilibrado.Para sistemas con cargas muy desequilibradas el esquema de la figura 5 no consigue una buena regulación del cos y puede producir una compensación errónea por varios motivos: El primero y más importante es que la compensación depende de la fase donde se mide la corriente. Según sea la más cargada o la menos cargada el sistema puede crear sobrecompensación o falta de compensación a nivel global, generando en ambos casos pérdidas innecesarias y causando un consumo de energía reactiva  que luego será motivo de un recargo en la factura del suministro eléctrico.

Supuesto que se mida en tres fases y se compense según un valor promedio de la energía reactiva medida en las tres fases, se consigue una notable mejora, pero el  sistema de compensación sigue siendo imperfecto, ya que se carga con una reactiva innecesaria algunas fases y no se llega a compensar completamente otras. Para solucionar estos problemas y aumentar la eficiencia de los sistemas de compensación del factor de potencia CIRCUTOR ha desarrollado una nueva serie de reguladores, denominada COMPUTER+,  capaces de medir  y realizar la compensación individual de cada fase, tanto para sistemas donde

dominan las cargas en estrella (fase – neutro) como para sistemas en los que dominan las cargas en triángulo (trifásicas o monofásicas entre fase y fase). La figura 6 muestra un esquema para un paso de un filtro, controlado por tiristores, en configuración triángulo,  de forma que puede compensarse cada fase individualmente. Nótese que esta compensación debe hacerse siempre con interruptores estáticos. No podría hacerse con contactores, puesto que éstos conectan las tres fases a la vez.Para instalaciones donde dominan las cargas monofásicas entre fase y neutro, los pasos deberían configurarse en estrella y el regulador medirá la tensión y corriente en las tres fases y decidirá cómo compensar cada una independientemente. Para instalaciones con cargas entre fases desequilibradas, el regulador es capaz de escoger la conexión óptima que minimiza la corriente de todas y cada una de las fases, consiguiendo así el mínimo de pérdidas y en consecuencia la máxima eficiencia en la instalación.

Incidencia del desequilibrio en los costes de una instalación de suministroLos costes de una instalación para alimentar una planta industrial,  un edificio comercial, un edificio de oficinas o de viviendas, podemos dividirlos en dos grandes conceptos:

k)    Coste de la infraestructura para alimentación, básicamente transformadores y líneas de distribución.l)    Coste de la energía consumida.

El desequilibrio de cargas incrementa los costes por ambos conceptos. En efecto, a causa del desequilibrio

se debe aumentar la potencia nominal de los transformadores y la sección de los cables, pues la corriente máxima que circulará por alguna de las  fases en caso de desequilibrio será mayor que la que circularía en caso de alimentar cargas equilibradas. A título de ejemplo hagamos un sencillo cálculo para una carga de 1 kVA en dos casos:Caso 1: Carga alimentada por un sistema trifásico equilibrado a 400 V. El consumo es de 1,44 A por fase, en las tres fases.Caso 2: Carga alimentada entre dos fases.  El consumo de corriente es de 2,5 A en dos fases y cero en la tercera. Por tanto en este caso de desequilibrio extremo podemos tener que sobredimensionar los cables y el transformador hasta un 73%.En cuanto al coste de la energía consumida, éste también se incrementa en los sistemas desequilibrados, debido a las pérdidas. Si tomamos como ejemplo el mismo caso anterior y llamamos R a la resistencia de cada una de las fases, resultarán unas pérdidas de transporte que serán: Caso 1: Pérdidas por kVA ……….. 3 fases x (RI2)= 3xRx1,442=6,22 x R vatios por kVA.Caso 2: Pérdidas por kVA ………….. 2 fases x (RI2)= 2xRx2,52=12,5 x R vatios por kVA.Obsérvese que las pérdidas son prácticamente el doble para el caso extremo considerado.

Caso típicoSe ha hecho un estudio de un caso típico que permite ver las ventajas de la compensación fase fase. Concretamente se estudia una instalación con un conjunto de cargas formadas por una combinación de

cargas equilibradas en triángulo y otras cargas monofásicas entre fase y fase, alimentadas a 400V / 50Hz. Los datos de potencias, corrientes y pérdidas antes y después de la compensación pueden verse en la tabla 1. La Tabla 2 muestra la comparación si se utilizara una compensación equilibrada controlando con la potencia promedio de las tres fases. Nótese que la compensación de FP fase a fase, aparte de anular la potencia reactiva, consigue un equilibrado de las potencias activas consumidas por cada una de las fases y una reducción de pérdidas a la mitad. En el caso de compensación por métodos promediados, en algunos casos (tabla 3) se consiguen mejoras muy pobres en la reducción de pérdidas y puede empeorar la corriente de alguna fase, como puede verse en dicha tabla para la fase que ya es capacitiva de entrada.El caso estudiado podemos considerarlo típico en plantas industriales, dónde lo común es la conexión de cargas en triángulo o en caso monofásico entre fase y fase. Para edificios de oficinas el caso suele ser distinto, ya que las cargas suelen estar entre fase y neutro y la compensación fase ha de hacerse conectando los condensadores en estrella. Esta solución suele ser más cara por la necesidad de aumentar el tamaño de los condensadores al trabajar estos a menor tensión.

ConclusionesEl uso de equipos de compensación de FP que usan pasos equilibrados no consigue una compensación correcta del FP en instalaciones con alto grado de

desequilibrio. El caso más escandaloso en el que se produce este efecto es el de plantas con máquinas de soldadura monofásicas conectadas entre  fase y fase y otro caso muy típico se da en edificios con mayoría de cargas entre fase y neutro. Los reguladores de nueva generación con regulación individual fase fase, junto con equipos dotados de interruptores estáticos consiguen mejorar el equilibrio de corrientes en el sistema hasta un punto óptimo,  anulando por completo el consumo de reactiva y minimizando las pérdidas de la instalación.

AgradecimientosEl autor desea expresar su gratitud a CIRCUTOR SA por el soporte en la realización de este proyecto en el Departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC y por las facilidades ofrecidas para la comprobación experimental del método de compensación fase a fase, finalmente incorporado a sus reguladores COMPUTER+.

 

Referencias

[1] J. Balcells ; “Calidad y uso racional de la energía eléctrica”, ISBN 84-699-2666-7 ; Editado por CIRCUTOR S.A. (www.circutor.com)[2] Parra V.M., Ortega J., Pastor A. y Pérez-Coyto A., “Teoría de Circuitos” ; Edita UNED. 2 tomos. [3]  B. González, J.C. Toledano. “Sistemas polifásicos”. Ed. Paraninfo.[4] Ras, E. “Teoría de Circuitos: Fundamentos” . Ed. Marcombo. Barcelona, (4ª Edición 1988)

Autor:

Josep Balcells. Profesor Titular del Dept. d’Enginyeria Electrònica UPC. Senior Member de IEEE. Asesor Técnico de CIRCUTOR, S.A.

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