Mejora del Factor de Potencia en Motores de Inducción.

Después de leer este artículo, aprenderá sobre: ​​1. Introducción a la mejora del factor de potencia 2. Potencia en el circuito inductivo / capacitivo 3. Factor de potencia / potencia en el circuito resistivo 4. Factor de potencia / potencia en la inductancia solamente 5. Potencia / potencia Solo factor de capacitancia 6. Factor de potencia de avance y rezagado 7. Los efectos del factor de baja potencia y su corrección y otros detalles .

Contenido:

  1. Introducción a la mejora del factor de potencia.
  2. Potencia en circuito inductivo / capacitivo
  3. Factor de potencia / potencia solo en inductancia
  4. Factor de potencia / potencia solo en capacitancia
  5. Factor de potencia líder y retrasado
  6. Los efectos del factor de baja potencia y su corrección
  7. Medidores de factor de potencia
  8. Aplicación de condensadores de potencia
  9. Determinación de la capacidad del condensador
  10. Ventajas de los condensadores de potencia
  11. Plantas industriales
  12. Sistemas de transmision


1. Introducción a la Mejora del Factor de Potencia:

Cuando se examina la corriente que fluye en un sistema de corriente alterna que alimenta un motor de inducción, se notará que es mayor de lo que se podría esperar de los requisitos normales del motor. Por lo tanto, dado que cualquier carga de carbonería se compone principalmente de motores de inducción, se deduce que se está suministrando una corriente mayor de la que realmente es necesaria para realizar el trabajo que se está realizando.

Este exceso de corriente se produce solo en sistemas de corriente alterna y no tiene contrapartida en sistemas de corriente continua. Surge debido al efecto que tiene la reactancia del devanado de campo sobre el ciclo de corriente alterna.


2. Potencia en el circuito inductivo / capacitivo:

Sabemos que en un circuito de CC la potencia viene dada por el producto de voltaje y corriente. Pero en un circuito de corriente alterna esto no es cierto. Si el circuito contiene reactancia inductiva o capacitiva, entonces el producto de voltaje y corriente no da la potencia real sino la potencia aparente. Esta potencia real es una fracción de la potencia aparente, la fracción se conoce como factor de potencia (PF). Por lo tanto,


3. Factor de potencia / potencia en circuito resistivo:

Para obtener la forma de onda de potencia real para un voltaje y una corriente particulares, es necesario multiplicar los valores instantáneos de voltaje y corriente, por ejemplo, en un circuito que contiene solo resistencia, las formas de onda de corriente y voltaje son como en la Fig. 19.1.

Tomemos el punto 5 en la figura 19.1 (a), el valor de la tensión viene dado por AC y el de la corriente por AB. Al multiplicar estos dos valores, se obtiene DE o el punto 5 en la Fig. 19.1 (b). Cuando este proceso se repite para todos los demás puntos, se obtiene la curva de potencia real.

Ahora que el circuito solo contiene resistencia pura, la curva de potencia real también debe ser la curva de potencia aparente.

Para un circuito resistivo puro,

Potencia real = potencia aparente.

. . . Factor de potencia = 1 = Unidad.


4. Factor de potencia / potencia en inductancia solamente:

En un circuito que contiene solo inductancia (sin resistencia) y utilizando el mismo método que el anterior, la curva de potencia real se puede obtener como se muestra en la Fig. 19.2. Ahora, a partir de esta figura, se puede ver que por cada medio ciclo de voltaje, hay dos impulsos de potencia, uno positivo y otro negativo.

¿Por qué pasó esto? Vemos que cuando el voltaje y la corriente son positivos o negativos, la energía se alimenta a la inductancia para configurar un campo magnético.

Cuando el voltaje y la corriente se encuentran en direcciones opuestas, el campo magnético se colapsa, devolviendo la energía a la fuente. Y como tal, se observa que la potencia promedio utilizada en un ciclo completo es cero. La potencia aparente, sin embargo, es el producto del voltaje y la corriente y tiene un valor definido. Por lo tanto, para el circuito puramente inductivo.

Potencia real = 0,

Factor de potencia = 0 / Potencia aparente = 0


5. Factor de potencia / potencia en capacitancia solamente:

Cuando un circuito contiene solo capacitancia, las formas de onda de la corriente y el voltaje son como en la Fig. 19.3. Aquí, como en el caso de la inductancia, tenemos dos ventajas de potencia por cada medio ciclo de voltaje, aunque las posiciones de los pulsos positivos y negativos se han intercambiado.

En este caso, cuando el voltaje y la corriente son positivos o negativos, se suministra energía a la capacitancia para configurar un campo electrostático. Cuando el voltaje y la corriente se encuentran en direcciones opuestas, el campo electrostático se colapsa y devuelve la energía a la fuente.

De nuevo, al igual que con la inductancia, aunque no hay un valor de poder útil, hay un valor de poder aparente. Por lo tanto, para un circuito puramente capacitivo

Potencia actual = 0

Factor de potencia = 0 + Potencia real = 0


6. Factor de potencia principal y desfasado:

De los circuitos de inductancia y capacitancia como se indicó anteriormente, vemos que ambos circuitos tienen un factor de potencia cero. Ahora, para distinguir entre los dos, decimos que el circuito inductivo tiene una corriente que se retrasa en el voltaje y, por lo tanto, tiene un factor de potencia de retraso, y el circuito capacitivo tiene una corriente que conduce el voltaje y tiene una potencia de vanguardia.

Además, dado que un circuito de resistencia pura tiene una corriente que está en fase con el voltaje que da una unidad de factor de potencia, se puede ver fácilmente que las combinaciones de los tres circuitos pueden dar un factor de potencia en algún lugar entre el retraso cero y el conductor cero. En la práctica, vemos por nuestra experiencia que una fábrica de carbón o industria típica utiliza predominantemente motores de inducción con un factor de potencia que varía de 0, 5 a 0, 75 de retardo.


7. Los efectos del bajo factor de potencia y su corrección:

Un factor de baja potencia es un asunto costoso para una industria. Desafortunadamente, este es un fenómeno regular, pero no necesariamente inevitable.

De hecho, las industrias y los consumidores pagan por el bajo factor de potencia de dos maneras:

(a) Sobre el costo inicial de la instalación, y

(b) Sobre los gastos de suministro eléctrico.

Por lo tanto, para cualquier industria, es imprescindible ejecutar el equipo en un PF más cercano a la unidad. En caso de un factor de potencia bajo, el consumidor puede reducir la factura instalando condensadores adecuados para mejorar el factor de potencia. Sin embargo, el principio seguido en la corrección del factor de potencia puede mostrarse mejor con algunos ejemplos pequeños. Tomemos el caso de una carga monofásica de 250 voltios con una corriente de 10 amperios con un factor de potencia de .71 retrasado, como se muestra en la Fig. 19.4.

Aquí vemos:

Potencia aparente = 10 x 250 = 2500 vatios,

y Potencia real = 10 x 250 x .71 = 1775 vatios aprox.

Por lo tanto, es posible mostrar que los 10 amperios actuales se pueden dividir en dos componentes, uno en el factor de potencia unitario y el otro en el factor de potencia cero como se muestra en la Fig. 19.4. (segundo). El valor máximo de estas corrientes son ambos 7.1 amperios.

El factor de potencia de la unidad es el que hace el trabajo útil, mientras que el factor de potencia con retraso cero es el componente de corriente de magnetización que debe eliminarse. Por lo tanto, se debe aplicar una corriente exactamente igual pero a cero al circuito para cancelar la corriente de magnetización como se muestra en la Fig. 19.5. Esto generalmente se obtiene al conectar un capacitor en el circuito de tamaño suficiente para proporcionar una corriente de 7.1 amperios. La final se muestra en la figura 19.6. donde una corriente reducida de 7.1 está en el factor de potencia de la unidad.

Por lo tanto, Potencia real = Potencia aparente = 7.1 x 250 = 1780 vatios.

De hecho, lo que sucede es que la fuente ahora solo ve el motor y el capacitor como una carga puramente resistiva y pasa la potencia suficiente para hacer el trabajo real de girar el eje del motor, y el capacitor está enviando y recibiendo continuamente la corriente de magnetización de los devanados del motor. .

De hecho, dos tipos de equipos:

(1) Condensadores y

(2) Los motores síncronos se utilizan para mejorar el factor de potencia.

Pero hoy en día, de estos dos equipos, los condensadores se utilizan ampliamente para corregir el factor de potencia. Al final del capítulo se proporciona una tabla de corrección del factor de potencia. La razón del uso extensivo de los condensadores es que los condensadores estáticos están disponibles en varias clasificaciones adecuadas y se instalan más fácilmente a granel en el punto de suministro de carbón o para corregir motores de inducción individuales al conectar los condensadores en sus terminales. En cuanto al costo también, son más baratos.


8. Medidores de factor de potencia:

Los medidores de factor de potencia generalmente se instalan en la subestación de superficie principal y dan una indicación directa del factor de potencia del circuito al que está conectado. Un instrumento montado en una posición de este tipo solo puede dar el factor de potencia total de toda la mina de carbón, o una gran parte de él.

Si se requiere el factor de potencia de un motor individual, es habitual instalar instrumentos portátiles para registrar el voltaje y la corriente de potencia real a partir de los cuales se puede calcular el factor de potencia, o en muchos casos, se registra directamente.


9. Aplicación de condensadores de potencia:

Un ingeniero siempre debe considerar cuidadosamente la aplicación de condensadores. De hecho, según nuestra experiencia, observamos que para lograr una operación exitosa de la mejora del factor de potencia, mucho depende de la ubicación de los condensadores en el sistema, y ​​se obtienen las condiciones ideales cuando el factor de potencia más alto se mantiene en todas las condiciones de carga.

En la práctica, para obtener una disposición flexible, el KVA total requerido generalmente se divide en calificaciones más pequeñas y esto se puede lograr como se explica a continuación:

(a) Método de corrección de PF individual:

Este sistema de corrección se aplica a grandes motores de inducción, transformadores y equipos de soldadura por arco, que funcionan durante largos períodos. En cada caso, el condensador se conecta en paralelo directamente a los terminales. Y como tal, el condensador se puede encender y apagar junto con el equipo mismo.

Este método tiene la mayor ventaja de liberar todas las líneas de suministro que conducen a equipos que consumen energía reactiva. Además, este método es automático y también garantiza un alto factor de potencia en condiciones de carga. La tabla 19.1. Ayuda a determinar la capacidad del condensador para la conexión directa a los motores de inducción.

(b) Método de corrección del grupo PF:

En un sistema donde una gran parte de la carga está compuesta por motores pequeños y la operación es periódica, la corrección individual del factor de potencia no es practicable ni económica. En estos casos, la corrección se logra mediante condensadores más grandes conectados a través de las barras de bus principales y controlados por interruptores operados manualmente.

(c) Corrección automática de PF:

En sistemas donde las fluctuaciones de carga son altas, el control automático es el método ideal. El condensador total KVAr se subdivide en varias etapas de regulación de, en la medida de lo posible, igual capacidad. Para compensar la potencia reactiva sin carga de los transformadores y de los equipos conectados permanentemente, se proporciona una etapa fija, independiente de la sección automática, que permanece conectada a la instalación de forma permanente. Por medio de un relé de potencia reactiva, las etapas de regulación se activan y desactivan, según sea el caso, hasta que se logre el PF deseado preestablecido.

Sin embargo, para eliminar la conmutación excesivamente frecuente, cuando se producen cargas máximas de corta duración, se incorpora un relé de tiempo para la conmutación etapa a etapa. Nuevamente, en caso de interrupción del suministro, el relé de voltaje cero restablece los dispositivos de control a su posición neutral de modo que, al restablecerse el suministro, las etapas del capacitor se vuelvan a encender etapa por etapa, evitando así picos de corriente y voltaje no deseados.


10. Determinación de la capacidad del condensador:

Para determinar la capacidad del capacitor para mejorar la potencia de Cos φ 1 a Cos φ 2, veamos la Fig. 19.6 que muestra un diagrama vectorial.

Según el diagrama vectorial, la cantidad de compensación requerida

En la tabla 19.1. Vemos una tabla de selección de condensadores.

A continuación se muestra un ejemplo para explicar la economía de los condensadores de potencia. Un consumidor con una carga máxima de 5000 KW tenía un factor de potencia de carga de 0, 8. La demanda máxima en KVA era 6250. La tarifa máxima de KVA era, por ejemplo, Rs. 10 / - por KVA por mes.

Para mejorar el factor de potencia, por ejemplo, a 0.95, se instalaron condensadores de 2105 KVAr de acuerdo con el cálculo que se muestra a continuación :

Ahora digamos inversión de capital para el capacitor @ Rs. 60 = 2105 x 60 = Rs. 1, 26, 300. Por lo tanto, la inversión de capital para instalar el condensador se recuperaría en aproximadamente 13 meses, y después de ese período habría un ahorro mensual de Rs. 9850.

En el ejemplo anterior, supongamos que los transformadores, interruptores y cables fueron calificados para manejar solo 6250 KVA. Por lo tanto, con un factor de potencia de 0.8, solo podían manejar una carga de 5000 KW, mientras que al mejorar el factor de potencia a 0.95 mediante la instalación de condensadores, ahora pueden manejar 5940 KW, lo que a su vez significa que:

(a) Una potencia activa adicional de 940 KW ahora está disponible para el consumidor sin ninguna sanción especial por parte del compromiso de suministro.

(b) El mismo equipo estaría manejando 940 KW más de potencia activa, aumentando su utilidad y eficiencia.

Así, la instalación de condensadores de potencia ha dado como resultado los siguientes beneficios:

(1) Una reducción sustancial en la factura eléctrica.

(2) Una mejor utilización de la capacidad de los transformadores, interruptores, cables, etc., especialmente si la potencia se recibe a una alta tensión por parte del compromiso de suministro.

(3) Una tensión de suministro más estable, lo que significa un rendimiento mejor y más eficiente de las máquinas eléctricas.


11. Ventajas de los condensadores de potencia:

Las principales ventajas de instalar condensadores de potencia son:

1. Reducción sustancial en la demanda de KVA:

Esta reducción en la demanda de KVA reduce la tarifa aplicada por las empresas de suministro de electricidad sobre la base de los cargos de energía y el KVA máximo exigido. Algunas empresas también imponen una multa por un factor de potencia bajo mientras ofrecen un bono de incentivo por un factor de potencia más alto. Los condensadores de potencia hacen realidad este incentivo de bonificación.

2. Reducción considerable de transformadores y pérdidas de línea:

Esto se logra porque la reducción de la demanda de KVA hace que una corriente más pequeña fluya a través de las líneas. Como resultado, hay una utilización óptima de la capacidad existente de transformadores, interruptores y líneas.

3. Minimización de caídas de tensión en líneas:

Con la minimización de las caídas de voltaje en las líneas, se obtiene un mejor rendimiento de los equipos eléctricos.

4. La instalación de condensadores de potencia ayuda a reducir la demanda de potencia reactiva del sistema de suministro, ya que el propio condensador de potencia proporciona la potencia reactiva necesaria para motores, transformadores y otras cargas inductivas, y por lo tanto mejora el factor de potencia del sistema. El sistema de distribución de energía se deja para tratar principalmente con el suministro de energía activa.

Los condensadores de potencia también liberan la capacidad del sistema y el posible aumento de la carga activa en una planta es tan alto como aproximadamente el 30% si su factor de potencia aumenta de 0.7 a 0.95. Los condensadores de potencia mejoran el factor de potencia, brindando la misma potencia por menos dinero, y cuando una demanda de KVA o una tarifa de cláusula de factor de potencia es operativa, los ahorros son realmente impresionantes. El costo inicial de la instalación de un condensador de potencia se recupera dentro de uno o dos años de su instalación y el ahorro realizado a partir de entonces es completamente una ganancia neta en los próximos años.


12. Plantas industriales:

En la mayoría de las plantas industriales, la mayoría de los equipos eléctricos de CA, como motores de inducción, transformadores, equipos de soldadura, etc., requieren potencia reactiva para su campo magnético. Pero a diferencia de la potencia activa, esta potencia reactiva no se convierte en potencia mecánica, sino que oscila entre el generador y el equipo consumidor, y constituye una carga adicional en el sistema de suministro. Esto se traduce en las siguientes desventajas económicas y técnicas.

(1) Un gran recargo en la factura de electricidad del cliente por una carga de factor de potencia baja.

(2) Los cables, los interruptores y los transformadores llevan la corriente extra sin vatios, lo que hace que el equipo eléctrico y la inversión de capital sean subutilizados.

(3) Caída excesiva de voltaje y eficiencia reducida de equipos eléctricos.


13. Sistemas de transmisión:

En los sistemas de transmisión, desde un punto de vista económico, hay un valor óptimo de potencia reactiva que puede transmitirse desde la estación de generación. En las redes de sistemas de alimentación grandes interconectadas, el valor óptimo no es fijo y varía de una hora a otra.

Es más económico y ventajoso suministrar energía reactiva en el área de carga desde las instalaciones de condensadores de potencia que generar y transmitir energía reactiva a través de líneas de transmisión.

Sin embargo, de acuerdo con los requisitos del sistema o la instalación, el capacitor de potencia adecuadamente dispuesto puede proporcionar

(1) mejora del factor de potencia.

(2) Regulación mejorada de la tensión.

(3) reducción de pérdidas de línea.

(4) liberación de la capacidad de carga del circuito.

(5) reducción de la fluctuación de tensión y reactancia del circuito.

Información a ser dada con las consultas:

1. Salida requerida en KV Ar

2. Tensión nominal

3. Frecuencia nominal

4. Número de fases

5. Indique si se esperan aumentos anormales de voltaje. Si es así, indique el voltaje más alto esperado.

6. Límite superior de la categoría de temperatura.

7. Ubicación propuesta del capacitor, interior o exterior.

8. Altitud sobre el nivel del mar de la ubicación del condensador, si está por encima de 1000 metros.

9. Naturaleza del circuito de alimentación: por ejemplo, si el capacitor se va a conectar

(a) a una subestación local (si es así, especifique la calificación KVA de los transformadores, etc.)

(b) A un trabajo de red subterránea local.

(c) A líneas aéreas.

10. Si el condensador se conecta directamente a las líneas aéreas, compruebe si:

(a) ¿Las tormentas eléctricas prevalecen en la localidad?

(b) ¿se colocan pararrayos o desviadores de sobretensiones en las líneas?

11. Detalles del dispositivo de conmutación o del controlador automático que se utilizará con el condensador.

12. Si el capacitor se va a conectar directamente a los terminales de un motor, indique la clasificación, velocidad, tipo y fabricante del motor.

13. Cualquier requisito especial que pueda afectar el diseño o la operación del capacitor.

Servicio tecnico:

Como cada instalación presenta diferentes problemas, la instalación del condensador de potencia debe diseñarse cuidadosamente para cumplir con las condiciones particulares de la carga y la tarifa de alimentación.