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Corrección del Factor de Potencia

Las instalaciones eléctricas cuya carga esta compuesta principalmente por motores de inducción tienen un factor atrasado, por esta razón resulta necesario compensar la carga inductiva con carga capacitiva, además de realizar modificaciones o acciones para que los motores operen en condiciones de carga adecuadas (75 - 100%) para mejorar el factor de carga del mismo y de la instalación total. La solución sencilla es la colocación de bancos de capacitores que proporcionan los KVA's reactivos necesarios para que le factor de potencia esté por encima de lo estipulado en el contrato de suministro. De hecho, las empresas suministradoras de energía eléctrica utilizan este sistema para compensar el factor de potencia de su red de transmisión y distribución. Otra forma de compensar el factor de potencia, en el caso de plantas industriales es utilizar motores síncronos y/o de alta eficiencia en lugar de motores standard de inducción, pero una vez definidos los kVA reactivos necesarios, el problema requiere más bien de un análisis más económico que técnico.

CapacitoresFiltros

 

 

Que es un Capacitor

La Norma Oficial Mexicana NOM 203 define un capacitor eléctrico o condensador, como un conjunto de dieléctrico y electrodos dentro de un recipiente con terminales, capaz de aportar capacitancia a un circuito eléctrico. La representación típica de un capacitor es la de dos placas metálicas paralelas con un área de enfrentamiento entre ellas y separadas una distancia. En esa distancia de separación se interpone un material aislante que se conoce como dieléctrico por su capacidad de almacenar energía electrostática mente. Físicamente existe un capacitor siempre que un material aislante separe a dos conductores que tengan una diferencia de potencial entre sí. Un capacitor en corriente directa, se carga cuando se aplica potencial entre sus terminales o electrodos, pero se mantiene cargado hasta que no se aplique una diferencia de potencial opuesta o se descargue físicamente. Para el caso de un capacitor en corriente alterna, este se carga y descarga sesenta veces en un segundo, por lo que alimenta potencia reactiva capacitiva al circuito al que se encuentra conectado, esta característica de operación es la ventaja que se utiliza para corregir el factor de potencia, ya que el capacitor se comporta como un generador de potencia reactiva capacitiva, cuyo costo no es muy elevado, comparado con otros métodos.

Los capacitores en baja tensión, hasta 600 volts, se fabrican con polipropileno metalizado, el cual se enrolla en "bobinas" de pequeños valores de capacitancia; cuyos valores comerciales se dan en KVAR (kilo volt amperes reactivos). Son muy comunes de 1, 2 y 3 kvar monofásicos. Para alcanzar valores mayores, se conectan entre si generalmente en delta. La tecnología actual ya permite la fabricación de capacitores secos, es decir sin ningún aceite impregnante, lo que hace que su operación sea en cierta forma más confiable, además de que se puede decir que es ecológico, ya que no contamina pues no tiene residuos de aceite. Sin embargo, operativamente y comparativamente en calidad y seguridad, son similares, ya que los capacitores impregnados, (algunos de ellos), tienen protección en cada una de las celdas, lo que los hace completamente seguros, además de que tienen aprobación UL Otra ventaja de los capacitores impregnados en aceite, es que su temperatura de operación puede ser mayor, sin detrimento de la vida de éste, ya que el aceite ayuda a disipar el calor de forma eficiente.

Para el caso de la tecnología de metalizado del polipropileno, también existen dos métodos, una que utiliza aluminio y otra que utiliza zinc, es más recomendable la que usa zinc, ya que no se oxida y tiene mayor duración, pues se pierde menos capacitancia a través del tiempo. Por lo tanto, antes de realizar la compra de capacitores, es necesario verificar que es lo que encuentra en el mercado y que es lo que nos conveniente desde el punto de vista costo- beneficio, ya que no siempre un bajo costo de inversión garantiza una vida útil prolongada. Para el caso de baja tensión es común encontrar capacitores con valores nominales de potencia (kvar), desde 5, 7, 10, 15, 20. 25, 30, 40, 50 y 60 kvar, para 240 volts, mientras que para el caso de 480 volts, se tienen desde 10, 14, 20, 25,30,40,50,60,70, 80, 100 y 120 kvar; Con lo que de acuerdo al calculo que realicemos se pueden hacer combinaciones o grupos de capacitores según las necesidades. Existe también la opción de bancos de capacitores de operación automática, los cuales son capacitores del tipo fijo, como los antes mencionados, únicamente que se colocan en un gabinete autosoportado, fabricado de acero, donde se instalan también contactores y fusibles para protección individual y un regulador de potencia reactiva, que es el que a través de un transformador de corriente y señales de voltaje, mide el factor de potencia existente y manda la conexión y desconexión de los capacitores fijos por medio de los contactores. Para el caso de bancos automáticos en 240 volts se tienen capacidades comerciales desde 25 kvar hasta 450 kvar, desde 5,7, 12 y 15 pasos. Mientras que en 480 volts se tiene capacidades desde 25 kvar hasta 780 kvar en 5, 7, 12 y 15 pasos. Sin embargo los valores reales de KVAR y número de pasos dependen de cada fabricante.

Los capacitores en alta tensión se fabrican con la tecnología tradicional, es decir con película de aluminio y papel impregnado en aceite y en lugar de terminales tradicionales se utilizan terminales de porcelana (bushings) para alta tensión. También existen capacitores del tipo seco que no son muy comerciales Se fabrican comúnmente desde 50 kvar en 2300 volts y 4160 volts, trifásicos; mientras que monofásicos se fabrican desde 50, 100, 150, 200, 300 y 400 kvar, pero a diferencia de los trifásicos, que vienen conectados en delta, estos deben conectarse en estrella. Generalmente se montan individuales monofásicos y se conectan en estrella para hacer bancos trifásicos. Es muy común verlos del tipo poste en pequeñas capacidades (150 a 600 kvar) y en algunas subestaciones grandes montados en estructuras en grandes bancos 2000 kvar y mayores.

Ventajas del uso de capacitores:

  • Reduce el costo de la facturación eléctrica.
  • Permite una potencia adicional, descargando la línea de alimentación del equipo cuyo factor de potencia se quiere mejorar
  • Produce mejoras en los niveles de la tensión dentro de la instalación.
  • Reduce las pérdidas en la instalación.

 

Armónicos en la Red

El suministro eléctrico en nuestro país es a una frecuencia fija (60 Hz, ciclos por segundo) por lo que los equipos eléctricos están diseñados para operar con una onda senoidal de voltaje a esta frecuencia fija. Las corrientes armónicas son ondas electromagnéticas que alteran la forma de onda fundamental de la corriente y voltaje eléctrico, cuyas frecuencias (generalmente en múltiplos pares de la frecuencia fundamental) superan el límite superior de la forma senoidal normal de las ondas de corriente y voltaje. Las corrientes armónicas son inducidas hacia la línea de potencia por equipo electrónico y sistemas no lineales, los cuales generan una corriente no senoidal aún cuando son alimentados con una fuente de voltaje perfectamente senoidal. Las forma de las ondas armónicas se caracterizan por su amplitud y su número armónico. En México, la tercer armónica esta en 180 Hz, o tres veces 60 Hz; mientras que la quinta armónica está en 300 Hz (5 veces 60). No. Frecuencia de Armónica Hz 1 60 3 180 5 300 7 420 11 660 13 780 Las armónicas son producidas durante la "conexión y desconexión de cargas" (también llamadas "cargas no lineales", porque la corriente no varía uniformemente con el voltaje como una simple resistencia o carga reactiva).

La palabra "no lineal" se refiere a los sistemas (generalmente electrónicos, como los convertidores de frecuencia, rectificadores de voltaje, hornos de inducción, fuentes reguladas de voltaje para computadoras, etc.) que modifican la corriente alterna, y convierte o rectifica los niveles de la corriente directa. Todo sistema electrónico hace esto, desde los capacitores al cargarse totalmente en el pico de cada onda de voltaje. Entre los picos de voltaje, la conexión, desconexión o rectificación de la corriente en los capacitores de los circuitos presenta cambios ligeros. Existe flujo de corriente a los capacitores sólo cuando la línea de voltaje es más grande que el voltaje del capacitor; en el resto del tiempo, la corriente es cero. Cada vez que una carga se conecta o desconecta se crea un pulso de corriente. Cada pulso de corriente armónica puede contener muchas frecuencias, que siempre estarán

Efectos de las armónicas

La distorsión armónica incrementa las pérdidas y el calentamiento de los componentes del sistema de potencia, debido a que incrementa el valor RMS del voltaje y la corriente, aparte de que no contribuye con el trabajo efectivo.

Mayores pérdidas en el sistema.

Una parte de las pérdidas en transformadores, motores y conductores es función de la frecuencia, por lo que la presencia de armónicas incrementa las pérdidas en el sistema y en algunos casos reduce la capacidad de los equipos. Es por ello que en sistemas con armónicas los transformadores no se pueden utilizar a toda su capacidad, ya que presentarían un calentamiento excesivo.

Envejecimiento prematuro de equipos.

Las armónicas, además de incrementar el calentamiento de los equipos, aumentan el valor pico del voltaje, lo que provoca un envejecimiento del aislamiento de los equipos.

Bancos de Capacitores.

Son uno de los primeros elementos en ser dañados por las armónicas; el sobrecalentamiento debido a mayores corrientes es la causa común de la falla. Las corrientes armónicas pueden provocar que se fundan fusibles, o aún problemas mayores debidos a resonancias con otros elementos del sistema.

Conductores de Neutro.

Cuando existe una gran cantidad de cargas monófasicas no lineales (como computadoras), las corrientes armónicas originadas por estas cargas, en orden múltiplo de la tercera armónica se suman en el neutro y pueden generar un elevado calentamiento. Es por ello que en sistemas de energía ininterrumpible (UP'S) es necesario sobre dimensionar el conductor de neutro.

Controles electrónicos.

La distorsión en voltaje puede también afectar de manera diversa a los controles electrónicos para conversión de potencia, controles de velocidad y fuentes de potencia. Muchos de estos equipos dependen de una señal exacta que cruce por el cero para generar la sincronización para el disparo de los tiristores. Cuando la onda de voltaje está significativamente distorsionada, estas señales de sincronía son inexactas y causan funcionamiento no predecible.

 

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