¿Qué es?
Una forma para medir el desperdicio de energía causado por el defasamiento (o corrimiento) entre la tensión (voltaje) y la corriente. Dicho de otra forma, es la relación que existe entre KW y KVA que consume un equipo. Lo que consume contra lo que entrega a la carga. Su valor esta entre 0.01 y 1.00
¿Quién lo produce?
Lo causan todos los equipos (comerciales o industriales) que no entregan a su carga, toda la energía que demandan de la red de alimentación. Por ejemplo, transformadores, motores, convertidores electrónicos AC/DC, variadores de velocidad, UPS, computadoras (PC’S), etc.
Un ejemplo: Cuando un motor de 50 HP, no entrega a la carga los 50 HP que solicito a la CFE, regresará los caballos no utilizados hacia los generadores, 1/4 de ciclo después el motor requiere a CFE otros 50 HP, estos nuevos HP se cruzaran con los que regresan desde motor, causando que el conductor sea insuficiente para los dos grupos, produciendo calentamiento y una sobrecarga inútil a los generadores.
Para evitar este efecto, se instala un capacitor que almacenará los HP que el motor no utilizo (y regresan por la línea), 1/4 de ciclo después cuando el motor solicite nuevamente 50 HP a la alimentación, primeramente utilizara los HP almacenados en el capacitor y el faltante lo tomará de la CFE.
Efectos.
El bajo factor de potencia produce, mayor consumo de corriente, calentamiento adicional en conductores, interruptores, fusibles y transformadores y además, la penalización del proveedor de la energía.
¿Cómo se corrige?
Instalando capacitores que almacene este desperdicio de energía y lo entregue a la carga 1/4 ciclo después, cuando ésta nuevamente requiera energía a la red.
¿Qué son las armónicas?
Para su análisis, cualquier señal periódica puede descomponerse en una senoide de frecuencia básica o fundamental y un grupo de componentes (o señales) senoidales de frecuencia múltiplo entero de la frecuencia fundamental. A estos componentes múltiplos de la frecuencia fundamental, se les ha dado el nombre de componentes armónicas o simplemente armónicas.
Cualquier señal de tensión o corriente alterna distorsionada, puede descomponerse para su estudio es una señal senoidal de 60 Hz (fundamental) y muchas componentes senoidales de frecuencia múltiplo entero (non) de 60 Hertz (180, 300, 420, 540 hertz etc. que se nombran 3ª, 5ª, 7ª, 9ª, etc. armónica). En los sistemas trifásicos generalmente no se presentan los múltiplos de orden par.
¿Quién las produce?
Todos los equipos eléctricos que al operar consumen una corriente no senoidal, o recortan la forma senoidal de la corriente y no consumen la totalidad (de la señal senoidal). Por ejemplo, variadores de velocidad, o de frecuencia, inversores, drivers, convertidores electrónicos AC/DC, transformadores saturados, hornos de inducción, algunos balastros electrónicos, UPS’S, PC’S, equipos de copiado, impresoras lasser, etc. En general cualquier equipo que tenga un convertidor electrónico AC/DC, se clasifica como carga no lineal.
Los efectos de la distorsión armónica.
Las tensiones y corrientes armónicas, producen mayor consumo de corriente, disparo en ‘falso’ de los interruptores, calentamiento adicional en los conductores (fases o neutro), interruptores, fusibles y transformadores, vibración en los transformadores y motores de inducción, error o falla en algunos equipos de medición y PLC’S, error en la detección del cruce por cero del voltaje o corriente y también pueden establecer resonancia en serie o paralelo con los bancos de capacitores.
Efecto de resonancia (vibrar en el mismo tono).
El uso de bancos de capacitores para corregir el factor de potencia es una practica común en las instalaciones industriales. Un efecto al que se ha prestado poca atención es, que los capacitores y la inductancia del transformador forman un circuito oscilador (o tanque) de frecuencia ‘ X ‘. Si la carga es lineal, no existe ningún riesgo, pero cuando la carga no es lineal y su corriente contiene una corriente armónica que se aproxima o coincide con la frecuencia ‘ X ‘ de los capacitores, entonces se presenta en los capacitores y en toda la red eléctrica, sobre corrientes y voltajes con alta distorsión, se ha establecido una resonancia (o dialogo) entre la carga no lineal y los capacitores y el transformador que amplificará la (o las) corriente de la frecuencia de coincidencia. Las armónicas presentes en las cargas no lineales son 3ª, 5ª, 7ª, 11ª, 13ª, la 3ª es generada por las cargas monofásicas (PC’S).
Por ejemplo: En un transformador de 1000 KVA con Z= 6%, KVA sc AT = 50 MVA y KVA sc BT = 12,500 KVA, se conectan capacitores de 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 KVAR calculemos la frecuencia de resonancia para cada caso.
Hr = raíz (KVA sc BT / KVAR),
Raíz (12,500 / 50) = 15.81
Raíz (12,500 / 100) = 11.18
Raíz (12,500 / 150) = 9.12
Raíz (12,500 / 200) = 7.90
Raíz (12,500 / 250) = 7.07
Raíz (12,500 / 300) = 6.45
Raíz (12,500 / 350) = 5.97
Raíz (12,500 / 400) = 5.59
Raíz (12,500 / 450) = 5.27
Raíz (12,500 / 500) = 5.00
Si en la planta existe una o varias cargas no lineales que generen armónicas de la misma frecuencia que el banco de capacitores, fácilmente puede aparecer el fenómeno de resonancia.
En las plantas que tienen instalado uno o más bancos automáticos de capacitores, puede ocurrir que las resonancias aparecen y desapareces ‘misteriosamente’.
La resonancia en paralelo es el efecto más importante y peligroso de las armónicas en los sistemas eléctricos, debido a la amplificación de la corriente que se produce en las cargas y los capacitores.
¿Cómo se corrige?
Instalando un filtro para reducir las armónicas, que tiene un doble propósito, Eliminar (por bloqueo o absorción) algunas tensiones y corrientes de frecuencia superior a 60 hertz y proporcionar KVARc para corregir el factor de potencia de la carga. Un filtro esta formado por un inductor (reactor) + un capacitor. Nuestros reactores se fabrican para baja o alta absorción y se sintonizan tomando en cuenta las condiciones eléctricas del lugar donde se instalarán.
Precaución adicional con los bancos de capacitores.
La conexión de un banco de capacitores trae como consecuencia una corriente de energización elevada, este fenómeno se agrava cuando uno o más bancos están eléctricamente cerca de (otros) bancos ya energizados. Esta corriente de energización elevada puede alcanzar niveles de corto circuito (50 a 100 veces In) y resultar peligrosa para quien accione el interruptor. Este riesgo puede evitarse instalando reactores de baja absorción en serie con los bancos de capacitores. En esta configuración, el reactor actúa además como un limitador de corriente, bloqueando el paso a este efecto transitorio.
A.- Pequeños filtros para armónicas conectados en las cargas.
Estos filtros se conectan directamente a las zapatas de alimentación del Driver, Variador o Inversor o a las terminales de carga de su interruptor. Su diseño cumple tres propósitos, corregir el factor de potencia del variador a un valor superior a 0.94, reducir la distorsión armónica generada por el variador y en consecuencia, disminuir (realmente) el nivel de distorsión armónica general de la red.
Algunas ventajas de este método son las siguientes:
Reduce efectivamente la distorsión armónica de la red, al eliminarla (o reducirla) en el lugar donde se produce, minimizando la contaminación en la red y evitando la formación de otros efectos de resonancia (llamadas también resonancias en paralelo), además de mejorar el factor de potencia.
Tamaño. Un equipo para reducir las armónicas y corregir el factor de potencia de un variador de 50 HP mide solamente 50 x 25 x 15 Cm, (fácilmente puede colocarse junto al variador), para un variador de 200 HP mide 50 x 30 x 25 cuando el capacitor se instala junto al reactor o un gabinete de 80 x 60 x 30 cm si el capacitor se instala dentro del gabinete.
Tiempo y costo de instalación. Si el o los variadores están alojados en un gabinete tipo armario, uno o varios filtros pueden colocarse en el piso interior y conectarse directamente a las zapatas de alimentación de cada variador o a su interruptor, utilizando la misma protección para ambos equipos. Esta forma de instalación asegura que durante la operación, el factor de potencia del variador será superior a 0.94.
Modularidad. Los filtros que se conectan directamente a la carga, pueden comprarse en partidas (módulos) semanales, quincenales o mensuales, de acuerdo al presupuesto disponible e instalarse inmediatamente para empezar a mejorar la calidad de energía eléctrica de la planta.
Costo. Al comparar un filtro automático instalado en la subestación Vs (contra) un arreglo de pequeños filtros conectados a las cargas para reducir (o eliminar) la misma cantidad “X” de ampers de 5ª o 7ª armónica, el costo de los filtros pequeños es menor (entre el 25 y 40%) contra el filtro de operación automática.
B.- En el CCM (centro de control de motores).
Cuando los motores son pequeños o no puede hacerse una instalación tipo A en un motor grande, los capacitores o filtro pueden conectarse a las barras del CCM mediante un interruptor que los proteja (a los capacitores o filtro y al CCM). En este caso la cantidad de KVARc se selecciona tomando como base el promedio de KVARc que requiere el CCM para alcanzar un factor de potencia de 95 más un 15% adicional.
C.- En el tablero de distribución.
Es similar a la anterior, los capacitores o filtro se conectan a las barras del tablero mediante un interruptor que los proteja (a los capacitores o filtro y al tablero). En este caso la cantidad de KVARc se selecciona tomando como base el promedio de KVARc que requiere el tablero a plena carga o en carga normal según sea el uso más frecuente.
D.- En el tablero principal de la subestación.
Esta ubicación se utiliza cuando los capacitores o filtro no puede instalarse en ningún lugar de la planta, o el requerimiento de KVARc es pequeño, o cuando se han utilizado arreglos del tipo A y además se requiere compensar el transformador porque la planta no trabaja el fin de semana o durante la noche, la capacidad de trabajo se reduce al mínimo. Para corregir el transformador en vacío se instalan KVA * Z (transformador) = KVARc, en el tablero principal.
Si el caso lo requiere, utilizando capacitores con reactores de filtro, puede instalarse hasta el 75 % de KVARc de la capacidad del transformador.
Bancos automáticos de capacitores o filtros instalados en la subestación.
Este banco o filtro se conecta a las barras del tablero principal y está formado por varios pasos o filtros, controlados por una computadora que mantiene en todo momento el factor de potencia general de la subestación en un valor preestablecido (entre 0.90 y 1.00), conectando o desconectando los pasos (escalones o filtros) de acuerdo a la necesidad de potencia reactiva (KVARc) de la red.
El filtro se aprovecha para dos propósitos, reducir la distorsión armónica y corregir el factor de potencia a un valor tan cercano a la unidad como se desee, precisamente en la subestación.
Una desventaja es, que el filtro solo absorbe la distorsión precisamente en la subestación. En el resto de la red eléctrica desde los Drivers, Variadores o Inversores (en donde se origina la distorsión) hasta la subestación, los valores de distorsión, el calentamiento de los conductores y las resonancias (en caso de existir) serán los mismos que se observaron antes de la instalación del filtro. Esto también ocurre cuando se instalan reactores para rechazo de armónicas.
El alto costo es otra desventaja. En el gabinete, además de la computadora de control, se concentra una gran cantidad de capacitores (KVARc), que requieren que todos los componentes eléctricos del equipo (interruptores, contactores, fusibles y conductores) puedan soportar altos valores de corriente además de contar con un sistema de protecciones para asegurar la integridad del usuario, el filtro y la subestación.
Costos. Comparando un filtro automático instalado en la subestación Vs (contra) un arreglo de pequeños filtros conectados a las cargas para reducir (o eliminar) la misma cantidad “X” de ampers de 5ª o 7ª armónica, el costo de los filtros pequeños es menor (entre el 25 y 40%) contra el filtro de operación automática, además pueden utilizarse los elementos de protección del variador para proteger ambos equipos (filtro y variador).
Gabinetes e interruptores pequeños son más baratos que gabinetes, fusibles, contactores interruptores y computadora grandes.
Esta sección tiene la intención de aclarar alguna inquietud sobre las normas o certificaciones existentes, aplicables a los filtros para absorción o rechazo de tensiones o/y corrientes armónicas.
Un filtro esta formado por un capacitor + un inductor (reactor).
El capacitor, es el componente más utilizado en la industria eléctrica y electrónica.
Los capacitores industriales para corrección de factor de potencia (monofásicos y trifásicos), se introdujeron en el mercado como equipo de línea desde los años treinta, en tensiones desde 220 a 115,000 volts siendo el principal y más exigente consumidor, las empresas productoras de energía eléctrica y en segundo lugar las plantas industriales.
Después de algunos accidentes muy graves con bancos de capacitores, las empresas productoras de energía eléctrica (GE y WESTINHOUSE entre otras) presionaron a los fabricantes de capacitores para que cumpliera con algunas normas de calidad en su fabricación, de hay surgieron entre otras, las normas NMX-J-203, IEC, BS, ANSI / IEEE, CSA, DIN y VDE para el uso y fabricación de capacitores industriales, las cuales tienen adecuaciones de tiempo en tiempo y actualmente continúan vigentes.
El caso de los reactores tiene otra historia, el principal consumidor ha sido la industria de radio comunicación, en la cual, el consumidor establece las características y requisitos que debe llenar cada pedido. Los reactores para baja y alta tensión, son «un traje a la medida para solucionar un problema específico, son artesanías». La única norma que se tiene conocimiento se refiere al nivel de aislamiento que debe cumplir el reactor respecto de la tierra. Tratándose de reactores para alta tensión, en algunos casos la CFE exige al fabricante pruebas en el LAPEM para validar el BIL, Icc e I maxcc y algún otro valor de interés para ellos.
Cuando se compren reactores y filtros para armónicas, el cliente debe solicitar al vendedor o fabricante, las características técnicas, de operación, rendimiento esperado (performance) y los términos y condiciones de la garantía del equipo que se propone y no conformarse solo con la marca y el número de serie.