Potencia Electrica Central SA de CV
potenciaelectrica.com.mx ... desde 1988

Mejora del Factor de Potencia

08 Jun 2014

1 – INTRODUCCION
La mejora del factor de potencia en las instalaciones industriales, es un aspecto de un tema mas amplio, que se refiere al uso racional de la energía eléctrica en las instalaciones industriales (y las otras también), que a su vez es un aspecto del tema que se ha hecho importante para la supervivencia de la humanidad, y que es también una cuestión moral… el uso racional de la energía.
Dejando al lector las inquietudes planteadas, concretamente solo nos dedicaremos a observar aspectos del uso racional de la energía eléctrica en instalaciones industriales.
Este tema comienza por un correcto diseño y acertada elección del proceso de la planta industrial. El proceso debe ser racional al menos desde el punto de vista energético.
El diseño de la planta también debe ser racional, de manera que los movimientos de materia prima, y de producto, como también el brindar los servicios (útiles) no impliquen desperdicios energéticos.
Las maquinas que intervienen en el proceso deben ser seleccionadas de manera de que sea también racional su utilización.
Con este enfoque global y dentro de este ámbito, el ingeniero electricista deberá desarrollar su función. En particular le preocupan dos temas en el diseño de la planta, donde están las maquinas que requieren energía eléctrica, y donde se encuentra la energía eléctrica disponible para el suministro.
Cuando se llega a este estado del proyecto, se supone que ya debe haber sido cubierta la racionalidad de los diseños previos, y si esto no fuera asi se debe tener el coraje de cuestionar el enfoque y sugerir las acciones de mejora.
Es cierto que la finalidad de las obras de ingeniería es preponderantemente económica, pero especialmente al inicio del proyecto debemos recordar que el trabajo de ingeniería es una tarea de hombres que afectara la vida de otros hombres, y del ambiente.
Se deberán entonces respetar vínculos que imponen las leyes, y las consideraciones de índole ética y moral, soslayar estos vínculos puede conducir al mas terrible y grave de los errores humanos, el error racional, y este al menos desde el punto de vista moral es delito.
Admitido entonces que el proyecto global no es objeto de cuestionamientos económicos, jurídicos, éticos ni morales, es decir que el proyecto no se basa en «errores racionales», debemos continuar el trabajo no apartándonos de esta senda correcta.

2 – PROCESOS ELECTRICOS

Los procesos en que interviene la energía eléctrica en una industria son:
– Generación, generalmente hecha para recuperar calor, o aprovechar desperdicios (utilizarlos en forma mas racional que perdiéndolos).
– Transmisión de energía eléctrica de un punto a otro de la planta.
– Transformación de energía eléctrica, cuando las tensiones de distribución no son las mismas que las de utilización.
– Distribución a los consumos.
– Utilización en las maquinas de producción, en los auxiliares, en los sistemas de control.
A nivel de utilización los equipos que usan de la energía eléctrica son:
– Motores eléctricos, que deben ser elegidos de buena calidad, y de buen rendimiento, la elección debe ser adecuada a las caracteristicas (potencia y otras) de la maquina que deben impulsar.
La enorme mayoría de motores (especialmente cuando no se requiere control de velocidad) son motores trifasicos de corriente alterna. La elección de la distribución trifasica es mas racional, y da por resultado menores caídas de tensión, menores perdidas, etc. y los motores trifasicos tienen mejor rendimiento.
El sobredimensionamiento de un motor debe ser limitado, para accionar una maquina determinada se pueden elegir motores de potencia creciente, y se observa que el rendimiento del motor cae.
En muchos casos las condiciones de arranque son responsables del sobredimensionamiento, indispensable para que la aceleración dure un tiempo razonable, pero que también puede lograrse con una acertada elección del tipo y modelo adecuado de motor
– Hornos eléctricos, admitido que deben existir, que no es posible otra solución entonces serán trifasicos, con regulación que permita utilizarlos en forma racional.
– Iluminación, este es tema aparte, en la instalación industrial, racionalmente concebida, debe analizarse al detalle su necesidad y su funcionamiento (permanente o no) considerándola complementaria de la iluminación natural, y no totalmente sustitutiva.
En el mantener la calidad de la iluminación resulta fundamental el adecuado mantenimiento, que evite la degradación del servicio producido por la instalación. Sobredimensionar para compensar el posible mal mantenimiento no es bueno, téngase en cuenta que el sobredimensionamiento dará niveles de iluminación excesivos, no aprovechables, y luego la falta de mantenimiento provocara crisis de todos modos.
Especialmente los niveles de iluminación deben ser los adecuados para la función que corresponde, el nivel de iluminación debe ser suficiente, no excesivo.
– Control de los motores eléctricos, ciertos motores tienen ciclos de aceleración y frenado, aceleración significa consumo de energía, frenado las mas de las veces también, no se puede en general recuperar fácilmente la energía cinética en el frenado.
La regulación de velocidad es otro tema que involucra a veces desperdicio de energía, sobre todo cuando se trata de motores asincronicos que requieren regulación continua de la velocidad.
Los motores de corriente continua tienen asociado un sistema rectificador controlado, ya no es normal la distribución de energía en corriente continua, el sistema es eléctrico, pero en los dispositivos se presentan perdidas.
Los rectificadores inyectan en la red armónicas de corriente, que producen perdidas adicionales, Para evitar estas se utilizan otros equipos sofisticados … vale la pena tratar de contestarse la siguiente pregunta: además de la energía que el equipo consume, cuanta energía se ha consumido para fabricarlo, ensayarlo, transportarlo, recuperarlo, instalarlo, probarlo, a partir de ese momento la energía consumida será para producir, hasta que una falla o simplemente la necesidad de preverla, obligue a un mantenimiento, en el que nuevamente se consume energía.
Indudablemente el enfoque excesivamente general es demasiado complejo, pero excesivamente simplificado es injusto y peligroso.

3 – DISEÑO DE LA INSTALACION

El diseño de la instalación implica una correcta elección de los transformadores, cables, y la acertada ubicación de los centros de distribución.
Recordemos que estamos examinando la instalación desde el punto de vista de uso racional de energía:
Es aconsejable evitar las dobles transformaciones (dos transformaciones en cascada, con tensiones de un mismo rango).
La baja tensión esta impuesta hoy en día en valor por las normas de seguridad, pero un análisis detallado podría demostrar que es preferible alimentar a ciertos equipos de baja tensión, con tensiones mas altas que las normalizadas.
Los cables se dimensionan por su corriente transportada, la caída de tensión, conocido el tiempo equivalente (de perdidas) una verificación de la energía perdida puede justificarse.
La tensión intermedia entre la baja y media (entre 1 y 20 kV) justifica una discusión de la acertada elección, con valores crecientes de tensión se reducen las secciones de los cables, y se incrementa el tamaño de las aislaciones.
La resistividad del conductor elegido, cobre, aluminio, merece algún pensamiento.
Longitud de los cables es otro factor que pesa en la elección en forma importante. En esto juega el baricentro de las cargas, con un peso teórico que difícilmente en una instalación industrial permite finalmente adoptarlo como centro de carga.
No siempre las cargas pueden ser desplazadas para lograr un mejor diseño eléctrico de la planta, mas racional desde nuestro punto de vista, pero al menos con los elementos dominables se debe actuar evitando alejarlos capciosamente de los centros de carga, en esa forma se controlan las perdidas, y la inversión en cables.
A medida que aumenta la corriente y la sección, la densidad de corriente admisible (térmica) se reduce.
Cuando se examina en forma general de que dependen las perdidas, surge inmediata la conveniencia de que coseno fi y tensión sean máximas.
Para cada tensión existe un límite tecnológico para cierta potencia, por encima de la cual no es conveniente su ulterior aumento, a medida que aumenta la tensión la seccion de los cables mínima limita la posibilidad de libre elección, y en consecuencia se desaprovechan, además aparecen efecto corona y perdidas por campo eléctrico que condicionan las soluciones.
Otro factor a tener en cuenta es el rendimiento del o los transformadores, que relacionan los circuitos a distintas tensiones, y que implican perdidas en el hierro (en vacío) y en el cobre (en carga en los conductores).
A medida que aumenta el tamaño del transformador en un dado estado de carga sus perdidas en el hierro aumentan, y en el cobre se reducen, por lo que puede afirmarse a priori que cierto sobredimensionamiento es conveniente.
Viceversa, un transformador que deberá funcionar largos tiempos en vacío, producirá excesivas perdidas en el hierro, y no resultara conveniente para el uso racional de la energía.
Aparatos eléctricos, con cierta resistencia eléctrica, implican ciertas perdidas, las resistencias se concentran especialmente en los contactos de los aparatos, en la morseteria, en los puntos de elevada resistencia (articulaciones, relés, laminas fusibles), ciertos aparatos tienen contactos menos eficientes que otros, por ejemplo, en general los contactos de los seccionadores de baja tensión, de diseños menos elaborados, son de mayor resistencia eléctrica que los contactos de los interruptores (de elevada presión).
Estos últimos comentarios valen sobre todo para los aparatos de corrientes nominales elevadas que están cargados en modo importante.
No debe olvidarse que el efecto térmico es acumulativo, el aumento de temperatura aumenta la resistencia eléctrica, y el efecto son mayores perdidas… por lo que es siempre favorable una buena ventilación.
Para una dada potencia utilizable, un mejor factor de potencia hace que la corriente que se transporta sea menor, se disminuyen perdidas de transporte en la red, aparecen las perdidas en los capacitores, que seguramente son menores.
Los capacitores, cuando hay armónicas requieren reactores en serie, y perdidas en los reactores, perdidas adicionales en las zonas de influencia de los reactores debidas al campo magnético.
Generación.
Recuperación de energía eléctrica.
Datos a nivel de funcionamiento de la red, debe conocerse muy bien como la red funciona, los estados de carga de cada utilizador, sus ciclos de funcionamiento, la simultaneidad, etc.
El estudio en detalle debe ser en conjunto, no se puede optimizar racionalmente un solo aspecto, el problema pasa por un correcto conocimiento general.
El método de estudio sugerido, cuando todavía no se dispone de la instalación o no se la puede hacer funcionar en forma arbitraria, es la simulación, la red armada completa debe representar los aspectos de interés de la red real, se la carga y se evalúan las perdidas en cada situación de carga.
Luego se simulan las mejoras, y se hace la nueva evaluación, como se analiza por diferencias, comparando valores del mismo orden, los métodos de calculo deben ser precisos, los errores deben ser conocidos, las aproximaciones desorientan.

4 – POTENCIA REACTIVA

Todas las maquinas electricas consumen energia activa (kWh), ligada a la potencia activa (kW) de las cargas, esta es transformada en potencia mecanica (trabajo) o calor (eventualmente perdidas)
La energia reactiva consumida (kVArh), es usada para magnetizar los circuitos de las maquinas electricas (transformadores y motores), ligada a la potencia reactiva (kVAr) de las cargas.
La energia aparente (kVAh), es la suma vectorial de las potencias, y la potencia aparente (kVA) es la que suministra la red (distribuacion y transporte).
Corriente
Factor de potencia
Coseno fi

El capacitor puede estar en resonancia con la red, sobre una armónica
Armónica de resonancia r = raíz(S / Q)
Donde S es la potencia de cortocircuito (MVA) en el punto donde los capacitores están conectados
Q es la potencia del banco de capacitores en MVAr

La conexión del capacitor es causa de un incremento permanente en la tensión
Incremento de tensión en barras deltaU = U * Q / S
Donde U es la tensión antes de conectar el capacitor kV

Corriente de inserción transitoria (cresta) de un banco único Is = In * raíz(2 * S / Q)
Donde In es la corriente nominal del banco en valor eficaz (A rms)

Corriente de inserción transitoria (cresta) de bancos en paralelo Is = U * raíz(2) / raíz(Xc * XL)
Donde XL es la reactancia entre bancos (ohm), U es la tensión fase tierra (Volt),
La reactancia capacitiva serie en ohm es Xc = 3 * U^2 (1 / Q1 + 1 / Q2) * 1.E-6

Resistencia de descarga R = t / (C * ln(UN * raíz(2) / UR)
Donde C capacitancia en uF, UN Tensión de la unidad (Volt), UR tensión residual, t tiempo de descarga desde UN * raíz(2) hasta UR en segundos

Tiempo de descarga al 10 % t1 = 2.65 * R * C = 2.65 * t / ln(UN * raíz(2) / UR)
Si se respetan estrictamente los limites de la clausula 21 se tiene t1 = 1590 / ln(UN / 53)

Norma IEC 871 Apendice A (formulas para capacitores e instalaciones)