Compensación de Energía Reactiva_ABB
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Julio 2015
ABB PerúCompensación de Energía Reactiva
Ing. Edwin Campos
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Contenido
1. Introducción
2. Ventajas de la compensación de la Energía Reactiva
3. ¿Dónde compensar?
4. Compensación fija
5. Compensación automática
6. Fenómenos transitorios y perturbaciones
7. Elección de las protecciones
8. Compensación en presencia de armónicos
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1. Introducción
Naturaleza de la Energía Reactiva
Incidencias de la Energía Reactiva
Factor de Potencia
Factor de potencia de los receptores más usuales
Cálculo práctico de potencias reactivas
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Naturaleza de la energía reactiva...
Energía activa
Todas las máquinas alimentadas en AC, convierten la
energía eléctrica en otra (mecánica, calor, luz, etc.)
Esta energía se mide en kWh y se llama energía activa
Los que absorben únicamente esta energía se llamanresistivos
Energía reactiva
Ciertos receptores necesitan campos magnéticos para
su funcionamiento (motores, transformadores,
fluorescencia, etc) Esta energía se mide en kVARh y se llama energía
reactiva
Las cargas que absorben este tipo de energía se llaman
inductivas 4
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Incidencias de la energía reactiva
La presencia de energía reactiva en las redes causa:
Sobrecargas a nivel de los transformadores
Caídas de tensión en cabecera de líneas
Calentamiento de los cables de alimentación
Pérdida de energía activa
Sobredimensionamiento de las protecciones
Esto se traduce en:
Inversiones suplementarias para el distribuidor de energía
Aumento en la facturación del usuario (por la penalización del
consumo de energía reactiva)
5
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El factor de potencia
La conexión de cargas inductivas provoca el desfasaje
entre la onda de corriente y de tensión
El ángulo de este desfasaje llamado indica la relación
entre la intensidad reactiva (inductiva) y la intensidad
activa.
Esta misma relación se establece entre las potencias o
energías activa y reactiva
El cos , indicará la relación entre la potencia activa (kW)
y la potencia aparente (kVA) de la instalación
Se puede decir que el cos indica el “rendimientoeléctrico” de una instalación
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Cálculo práctico de potencias reactivas
Sistema trifásico
Potencia aparente
Potencia activa
Potencia reactiva
7
I U 3S
cosI U 3P
senI U 3Q
S Q
P
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2. Ventajas de la compensación reactiva
Reducción del recibo
Aumento de la potencia disponible
Reducción de la sección de los conductores
Disminución de las pérdidas
Reducción de las caídas de tensión
Comparación instalación compensada - sin compensar
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Reducción en el recibo de electricidad
Las compañías eléctricas penalizan el consumo de energíareactiva con el objeto de incentivar su corrección
Actualmente esta penalización se efectúa aplicando un
recargo cuando la Energía Reactiva excede el 30% del
total de la Energía Activa
Este 30% es equivalente a un factor de potencia de 0.96 .Si el factor de potencia es menor de este valor se paga por
exceso de energía reactiva.
0.3P
P
0 .3)tg(
0 16.7
0 . 9 6co s
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Aumento de la potencia disponible
Reducción de la intensidad eficaz
Un factor de potencia elevado mejora el rendimiento de
una instalación
La instalación de condensadores reduce el consumo de
energía reactiva entre fuente y receptores Los condensadores proporcionan la energía reactiva
descargando a la instalación desde el punto de conexión
de los condensadores aguas arriba
Por lo tanto es posible aumentar la potencia disponible
en el secundario de un transformador MT/BT, instalandoen la parte baja un equipo de corrección de factor de
potencia.
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... Aumento de la potencia disponible.
11
0.50
0.65
0.70
0.80
0.85
0.950.90
0.98
100%
53.8%
42.8%
25.0%17.6%
11.1%5.2%2.0%
cos
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Reducción de la sección de los conductores
La instalación de un equipo de corrección del factor de potencia permite reducir lasección de los conductores a nivel de proyecto
Para una misma potencia activa la intensidad resultante de la instalación
compensada es menor
M a y o2 0 0 3
12
CosFactor multiplicador de la
sección del cable
1 1
0.8 1.25
0.5 1.67
0.4 2.5
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Disminución de las pérdidas
La instalación de condensadores permite la reducción deperdidas por efecto Joule (calentamiento) en los
conductores y transformadores
Estas perdidas son contabilizadas como energía
consumida (kWh) en el contador
Las perdidas son proporcionales a la intensidad elevada alcuadrado
Esto es:
13
2
final
inicial
cos
cos
inicialesPérdidas
finalesPérdidas
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Reducción de las caídas de tensión
La instalación de condensadores permite la reducción de
las caídas de tensión aguas arriba del punto de conexión
del equipo de condensación
Esto es apreciable en una instalación existente donde se
mejora el factor de potencia
En una nueva instalación, el mejorar el factor de potencia,
puede llevar a reducir la sección del cable y por lo tanto la
caída de tensión sería la considerada en el proyecto.
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Comparación:
instalación siny concompensación
15
M
630 kVA
kVA
500 kW 440 kVAR
500 kW,
cos = 0.75
L = 30 m
2 x 300 mm2
In = 1000 A
Pe = 3xI2xR
Pe = 3x8752x0.0011
Pe = 2.53 kW
S = P/cos
S = 500/0.75
S = 666 kVA
sc = 5.7 %
I = P/(3xUxcos )
I = 500/(3x440x0.75)
I = 875 A
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Comparación:
instalación siny concompensación
16
M
630 kVA
kVA
500 kW
440 kVAR
L = 30 m
2 x 300 mm2
I = P/(3xUxcos )
I = 500/(3x440x1)
I = 656 A In = 800 A
500 kW,
cos = 0.75
Pe = 3xI2xR
Pe = 3x6562x0.0011
Pe = 1.42 kW
S = P/cos
S = 500/1.0
S = 500 kVA
reserva = 20 %
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3. ¿ Dónde compensar?
¿Dónde instalar los condensadores?
Compensación global
Compensación parcial
Compensación individual
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¿Dónde instalar los condensadores?
Se determina según:
Objetivo buscado: supresión de penalidades, descarga de
las líneas y transformadores, aumento de la tensión en el
final de la línea
El modo de distribución de la energía eléctrica
El régimen de carga
La influencia previsible de los condensadores en la red
El coste de la instalación
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... ¿Dónde instalar los condensadores?
La compensación de energía reactiva puede ser:
Batería de AT en una red de distribución de AT
Batería de MT regulada o fija
Batería de BT regulada o fija
Compensación fija para motor MT
Compensación fija para motor BT
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... ¿Dónde instalar los condensadores?
Los condensadores pueden ser instalados en tres nivelesdiferentes:
En las salidas de BT (compensación global)
Se utiliza en sistemas eléctricos grandes con cargasvariables
En la entrada de cada taller (compensación parcial)
Se utiliza cuando un grupo de cargas funcionansimultáneamente (p.e. varios motores que funcionan enel mismo lugar, lámparas de descarga)
En los bornes de cada receptor inductivo (compensación
individual)
Se utiliza en cargas individuales con potencia constante orelativamente alta, motores asíncronos, transformadores,equipos de soldadura, lámparas de descarga y otros)
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Compensación global
Ventajas:
Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de
energía reactiva
Ajusta la potencia aparente (kVA) a la necesidad real de
la instalación
Descarga el centro de transformación (potencia
disponible kW)
Observaciones:
La corriente reactiva está presente en la instalación
desde el nivel 1 hasta los receptores
Las pérdidas por efecto Joule en los cables no quedan
disminuidas
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Compensación parcial
Ventajas:
Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de
energía reactiva
Optimiza una parte de la instalación, la corriente reactiva
no se transporta entre los niveles 1 y 2
Descarga el centro de transformación (potencia
disponible kW)
Observaciones:
La corriente reactiva está presente en la instalación
desde el nivel 2 hasta los receptores
Las pérdidas por efecto Joule en los cables se
disminuyen
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Compensación individual
Ventajas:
Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de
energía reactiva
Optimiza toda la instalación eléctrica, la corriente reactiva
se abastece en el mismo lugar de su consumo
Descarga el centro de transformación (potencia
disponible kW)
Observaciones:
La corriente reactiva no está presente en los cables de la
instalación
Las pérdidas por efecto Joule en los cables se suprimen
totalmente
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4. Compensación fija
Compensación de transformadores
Compensación de motores asíncronos
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Compensación fija de transformadores
Los transformadores tienen un consumo de potencia reactiva
La compensación se realiza incorporando un equipo de compensación fija en los
bornes de BT del transformador
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... Compensación fija de transformadores
Reactancia paralelo reactancia de magnetización
La energía reactiva es prácticamente constante desde el
vacío a plena carga (0.5 a 2.5%)
Se suele realizar la compensación en vacío de los
transformadores
Reactancia serie flujo de fuga
La energía reactiva es variable con las condiciones de
carga del transformador
Se puede demostrar que este valor de energia reactiva
es igual a
I2 XL 26
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Compensación fija de motores asíncronos...
La potencia reactiva que absorbe un motor asíncrono esprácticamente constante (90% de la corriente de vacío)
A bajas cargas el cos es muy bajo
La potencia, número de polos, velocidad, frecuencia y
tensión influyen en el consumo de los kVAR
Precauciones
Nueva regulación de las protecciones
En un motor con arrancador, los condensadores deben
conectarse después del arranque del motor
No se recomienda compensación individual de motores
especiales (paso a paso, dos sentidos de marcha o
similares.
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... Compensación fija de motores asíncronos...
Auto excitación
La compensación directa en los bornes delmotor genera un flujo de corrientescapacitivas que lleva al motor a funcionarcomo generador asíncrono.
Como evitar la auto excitación Limitar la potencia de compensación
Mediante contactores
28
3UI0.9Q N0M
M
M
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Elección del contactor adecuado
Proceso de conexión de un condensador
La conexión de un condensador puede producir corrientes de conexión > 180 In
y de frecuencias de 1 a 15 kHz
Para solucionar este problema sin tener que acudir a contactores
extraordinariamente sobredimensionados se aumenta la inductancia de la línea
colocando en serie inductancias de choqueContactores especiales para mando de contactores
Son contactores que insertan resistencias en serie en el momento de la
conexión utilizando contactos de cierre adelantados
Aumentan la duración de los componentes (fusibles y condensadores)
No requieren inductancias de choque
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5. Compensación automática
Introducción
Consejos de instalación
Regulación
30
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¿Cuando realizar una compensación automática?
Para evitar que la compensación en algún momentosea tal que la energía reactiva absorbida por la red
sea capacitiva
Mantener el cos siempre en un valor deseadodentro de un margen
Para compensar la totalidad de una instalación o
parte de la misma que no funcionansimultáneamente.
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Componentes principales de una BCA
Elementos internos
El regulador
Mide el cos de la instalación y da las órdenes a los contactores conectando los
distintos escalones de potencia reactiva.
Además actualmente tienen otras funciones complementarias
Los contactores
Son los elementos encargados de conectar los distintos condensadores
El número de escalones depende de la cantidad de salidas que tenga el regulador
Los condensadores
Son los elementos que aportan la energía reactiva a la instalación
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... Componentes principales de una BCA
Elementos externosPara el funcionamiento de un equipo de compensación se requieren datos
externos:
Intensidad de corriente de la instalación: tomada mediante un transformador de
corriente que lea el consumo de la instalación.
Tensión de la red: normalmente se incorpora en la propia batería
Tensión auxiliar de mando: también se incorpora en la propia batería.
Esta información de tensión y corriente le permite al regulador calcular el cos
existente en la instalación en todo momento y tomar la decisión de introducir o
sacar escalones de potencia reactiva.
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Esquema de principio
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TC V
ReguladorCálculo de cos
Contactores
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Consejos de instalación...
Compensación en un solo embarrado
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Es el más usual
Es necesario instalar el TC
en un punto que “lea” elconsumo total de la
instalación
No debe instalarse el TC en
los puntos marcados con X
TC R
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... Consejos de instalación...
Compensación en varios embarrados
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Es otra disposición que se
presenta, donde los
ambarrados sonindependientes
Los TCs deben instalarse
en un punto que “lea” el
consumo total de cadaembarrado
No debe instalarse el TC en
los puntos marcados con X
TC R TCR
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... Consejos de instalación...
Compensación en un embarrado alimentado porvarios transformadores
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Transformadores distintos
Igual que en una instalacióncon alimentación
independiente.
Transformadores iguales
Se puede realizar con unaúnica batería, cuyo regulador
está alimentado por un TC
sumador
TC TC
R
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El concepto de la regulación...
Regulación física (escalonamiento)
Es el conjunto condensador-contactor
Se expresa normalmente como relación de la potencia del primer escalón con elresto de escalones. Ejemplo una batería de 70 kVAR:
Con regulación 1.1.1: tiene 7 escalones de 10 kVAR
Con regulación 1.2.2: tiene 4 escalones de 10 + 3 x 20 kVAR Con regulación 1.2.4: tiene 3 escalones de 10 + 20 + 40 kVAR
Regulación eléctrica
Está dado por el escalón de menor valor
Marca la diferencia de actuación de la batería
En el ejemplo anterior las tres baterías tienen la misma regulación eléctrica: 7 x10 kVAR
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... El concepto de la regulación...
Una batería bien elegida
Cuanto más escalones físicos tiene una batería, resulta más cara, ya que aumenta
el número de conjuntos contactor-condensador y por lo tanto también el tamaño de
la envolvente
Desde el punto de vista de la adaptación al cos objetivo, cuanto menor sea la
regulación eléctrica mejor se podrá adaptar a las variaciones de la demanda de
reactiva
Una batería bien elegida es aquella en la que se consigue un equilibrio entre la
regulación física y eléctrica
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... El concepto de regulación...
40
10 kVAR
1.1.1
10 kVAR
1.2.2
20 kVAR
10 kVAR
1.2.4
20 kVAR
40 kVAR
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El regulador...
Datos que se deben programar
El cos deseado de la instalación
La relación C/K
¿Qué toma en cuenta el regulador?
El regulador toma en cuenta tres parámetros:
El cos que se desea en la instalación
El cos que existe en cada momento en la instalación
La intensidad del primer escalón: la entrada de la intensidad se toma siempre através de un TC de relación X/5
41
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... El regulador...
¿ Qué es el C/K?
Para que el regulador pueda tomar la decisión de conectar o desconectar unescalón debe saber cual va ha ser la intensidad reactiva que va a introducir en lainstalación
Esta intensidad debe estar referida al secundario del transformador de corriente, yaque esta es la intensidad que “lee” el regulador
La forma de programar este valor es lo que se conoce como C/K:
El C/K evita la actuación inestable de la batería
42
eT_Corrient
_escalón1º
R
IC/K
eT_Corrient
1
R
U3/QC/K
El l d
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... El regulador
Interpretación del ajuste C/K
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Corriente activa
C o r r i e n t e r e a c t i v
a
DES
C/K
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6. Fenómenos transitorios y perturbaciones
La utilización de condensadores viene acompañada dediferentes regímenes transitorios y de perturbación
Regimen transitorio de conexión: altas corrientes de
impulso y fuerte sobretensión al conectar los
condensadores
Fenómeno de resonancia y
Sobrecargas armónicas
44
R i i i d ió
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Regimen transitorio de conexión
La amplitud y frecuencia de las sobreintensidades ysobretensiones que se presentan dependen de:
las características de las red aguas arriba,
la inductancia de la unión del aparato de corte y el
condensador
del número de condensadores
Se presentan dos casos:
Caso 1: Un condensador fijo
Caso 2: Una batería automática
45
C d d d fij
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Caso de un condensador fijo
Las corrientes de conexión alcanzan valores de30In
Las sobretensiones pueden llegar a valores
cercanos a 2 veces la tensión de cresta de la red
Las frecuencias pueden llegar a 15 kHz
46
C
CC
C
e
Q
S2
I
I
C
CC0
Q
S
2π
ω
f
Corriente de
conexión
Frecuencia
La L
C
SCC
QC
C d b t í t áti
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Caso de una batería automática
La corriente de cresta en la conexión es máxima cuandoestán en servicio n condensadores y se conecta el último
(n+1)
Los escalones en servicio se descargan en el escalón
que se conecta. Son muy importantes puesto que no
están limitadas por la inductancia de la red.
Las corrientes de conexión alcanzan valores del orden de
200 In
Estas corrientes se limitan con resistencias de
preinserción instaladas el los contactores especiales para
condensadores.
Estas resistencias se ponen en serie mediante contactos
de cierre adelantado y luego son cortocircuitadas por los
contactos principales del contactor.47
C d b t í t áti
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... Caso de una batería automática
La corriente de cresta en la conexión es máxima cuando están en servicio n
condensadores y se conecta el último (n+1)
48 LQ
1U
1n
n
3
2
I
In
C
e
Corriente de
conexión
Ufn
La
C
L
C
L
C
L
C
L
1 2 3 n+1
F ó d i
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Fenómeno de resonancia...
Es el origen de las distorsiones armónicas más importantes.
Causa de la mayor parte de las sobrecargas en los condensadores
La resonancia que veremos en los casos de compensación son del tipo “resonancia
paralelo”
49
Ls
C
Generador de
armónicos
Banco de
condensadores
Carga
lineal
Ih
Transformador de
alimentación
Fenómeno de resonancia
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... Fenómeno de resonancia ...
Esquema equivalente para
estudiar el fenómeno de resonancia
50
Ls RCIh
Z
Z (
)
Zona de
amplificación
armónica
far
Red CON
condensadores
Red SIN
condensadores
Módulo de la impedancia
visto por las corrientes
armónicas
Fenómeno de resonancia
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... Fenómeno de resonancia
Interpretación física
La frecuencia far es la de sintonización del circuito Ls + C
A la frecuencia far , el módulo de la impedancia de la red
visto por los armónicos es máximo. Entonces aparecen
tensiones armónicas importantes y por lo tanto una fuerte
distorsión de tensión
Dentro de la zona de amplificación de los armónicos hay
en el circuito Ls + C circulación de corrientes armónicas
superiores a las armónicas inyectadas
La red de alimentación así como los condensadores de
potencia están sometidos a corrientes armónicas
importantes y por lo tanto al riesgo de sobrecargas
51
S b ó i
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Sobrecargas armónicas
Las tensiones armónicas aplicadas al condensador provocan la circulación de
corrientes proporcionales a la frecuencia de los armónicos
Estas corrientes son responsables de perdidas suplementarias
Las tensiones armónicas aumentan también el valor de cresta de la tensión, lo que
produce un envejecimiento prematuro de los condensadores
Una de las características de los condensadores es la sobrecarga en corriente quepueden soportar (Ejemplo: 30%, 60%).
Esta capacidad de sobrecarga que pueden soportar es el efecto acumulado de los
armónicos y de las fluctuaciones de tensión
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7 Elección de las protecciones
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7. Elección de las protecciones
Corriente de conexión
Dimensionamiento térmico de los componentes
Elección de los calibres de las protecciones
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Corrientes de conexión
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Corrientes de conexión
Las corrientes de cresta producidas al conectar condensadores pueden ser muyelevadas
Es conveniente utilizar contactores con resistencias de pre-inserción, limitadoras de
la corriente de inserción (especiales para condensadores)
Estas contactores permiten:
Olvidarnos de la corriente máxima de cresta admisible por los condensadores
Olvidarnos de la corriente de conexión máxima admisible por los aparatos de
corte (contactor, disyuntor o interruptor)
Aumentar la vida de los contactores
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Dimensionamiento térmico de los componentes
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Dimensionamiento térmico de los componentes
Las variaciones admisibles del valor de la tensiónfundamental y de sus componentes armónicas puedenllevar a un aumento de la corriente en loscondensadores, alrededor del 30 a 45%
Las variaciones debidas a la tolerancia de la capacidadpueden ocasionar un aumento suplementario del 5 a
15%
El efecto acumulado de los dos fenómenos hace que losmateriales deban de estar dimensionados para unacorriente entre:
1.3 x 1.05 = 1.36 veces la Icondensador
1.45 x 1.15 = 1.67 veces la Icondensador
De acuerdo a estos valores también se determina el tipode condensador (estándar, reforzado, protegidos coninductancias antiarmónicas)
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Elección y calibrado de las protecciones
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Elección y calibrado de las protecciones ...
Protección por interruptor
El valor debe ser superior a 1.36 IC , el térmico puede
ser ajustado a 1.36 IC
La protección debe ser sensible al valor eficaz de la
corriente (incluyendo los armónicos) El ajuste de la desconexión instantánea debe de ser
regulado a 10 x IC
El interruptor debe ser preferentemente
termomagnético
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Elección y calibrado de las protecciones
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... Elección y calibrado de las protecciones ...
Protección por fusibles
Condensador fijo
El calibre debe ser superior a 1.6 IC
Batería automática
El calibre de cada escalón debe ser igual o superior a1.6 IC-ESC
El calibre de la batería debe ser igual o superior a 1.4
IC (los escalones no se conectan simultáneamente)
Los fusibles deben ser del tipo gL (gG)
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Elección y calibrado de las protecciones
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... Elección y calibrado de las protecciones.
... Protección por fusibles
Condensador con inductancias anti armónicas
El calibre de cada escalón debe ser superior a 1.4 IC-ESC
El calibre de la batería debe ser superior a 1.2 IC
Protección de los cables
Deben estar dimensionados de la misma forma que los dispositivos de mando
y de protección: 1.36 IC
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8 Compensación en presencia de armónicos
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8. Compensación en presencia de armónicos
Generalidades
Conceptos previos
Resonancia
Amplificación
Soluciones a la compensación en presencia de armónicos
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Generalidades sobre armónicos
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Generalidades sobre armónicos ...
Introducción
En una red se denominan armónicos a las
ondas de tensión o intensidad cuya
frecuencia es varias veces mayor de la
frecuencia fundamental de la red (60Hz)
Generalmente se presentan varias ondas dediferentes ordenes de armónicos a la vez,
constituyendo un espectro y dando como
resultado una onda distorsionada
60
... Generalidades sobre los armónicos...
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... Generalidades sobre los armónicos...
Los armónicos se definen habitualmente con dos datosque los caracterizan:
Su amplitud
Hace referencia al valor de la tensión o intensidad del
armónico
Su orden
Hace referencia al valor de su frecuencia referido a la
fundamental (60Hz ó 50Hz)
Así un armónico de orden 5 tiene una frecuencia 5
veces la frecuencia fundamental: 5 x 60 = 300 Hz
61
... Generalidades sobre armónicos ...
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... Generalidades sobre armónicos ...
Valor eficaz
El valor eficaz de una onda distorsionada se obtiene calculando la suma cuadrática
de los diferentes valores de la onda para todos los órdenes de armónicos
62
2
n
2
2
2
1 I...III Valor eficaz total
Valor eficaz de todas
las armónicas
2
n
2
2h I...II
Este cálculo permite intuir uno de los principales efectos de los
armónicos: aumento de la intensidad eficaz
... Generalidades sobre armónicos ...
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... Generalidades sobre armónicos ...
Medida de los armónicos: distorsión
La mayor o menor presencia de armónicos en una red se denomina distorsión y su
magnitud se cuantifica por las tasas des distorsión armónica:
Th: Tasa de distorsión individual
THD: Tasa de distorsión global
63
1
h
A
ATh(%)
1
h
2
2
h
CIGREE
A
ATHD
h
1
2
h
h
2
2
h
555-IEC
A
ATHD
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¡Gracias por su
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