1 Factor de Potencia y Calidad de la Energ í a Ponente Eugenio Téllez Ramírez

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Factor de Potencia y Calidad de la

Energía

Ponente

Eugenio Téllez Ramírez

PAESE Av. San Rafael 211A Col. Santa Cecilia Tel. (55) 5229 44 00 Exts. 96522 y 96561Correo electrónico [email protected]/[email protected]

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Operar con un bajo factor de potencia, compromete la capacidad de los equipos de transformación y distribución eléctrica e incrementa el costo de la energía.

Factor de Potencia


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Factor de Potencia

El factor de potencia es la relación entre la potencia que desarrolla una trabajo útil o potencia activa (P) y la potencia total (S).

FP = Potencia Activa (P)Potencia Aparente (S)


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Factor de PotenciaLa relación entre el factor de potencia activa P, la potencia reactiva Q y la resultante que es la potencia aparente S, se puede representar por el triangulo de potencias.

y se derivan las siguientes expresiones para el factor de potencia.

FP = P = cos ØS

FP = cos (arctan (Q/P))


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Factor de Potencia

El ángulo Ø y por lo tanto cos Ø dependen de la proporción entre la potencia activa P y la potencia reactiva Q.

Q FP=cos Tipo de carga

Q=0 0° 1 Resistiva

Q=P 45° 0.7071 Resistiva - Inductiva

Q>>P ~90° ~0 Inductiva


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Factor de Potencia

Comportamiento carga Transformador

P (kW) FP S (kVA) kVA nom % carga

420 0.8 525 500 105%

420 0.95 442 500 88%

Carga Conductor

P(kW)

(V) FP(%)

(Amp) (AWG) Long(mts)

Pérdidas (kW)

115 440 1 151 2/0 100 1.84

115 440 0.9 168 2/0 100 2.28

115 440 0.8 189 2/0 100 2.88

115 440 0.7 216 2/0 100 3.76

En general, como valores menores de factor de potencia implican mayores corrientes en los circuitos, la operación en estas condiciones presenta los siguientes inconvenientes:

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Factor de Potencia

Deficiente regulación de voltajeSe incrementa la caída de tensión en el sistema de distribución

Incremento en la facturación de energíaEl suministrador de la energía penaliza económicamente al usuario que operan con un factor de potencia inferior a 0.9 para cubrir los mayores costos ocasionados por las pérdidas

excedentes en su sistema de transmisión y distribución.

Porcentaje de penalización, en función del factor de potencia


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Factor de PotenciaPara FP superiores a 0.9 se otorga una bonificación directa en la factura sobre el importe de energía y demanda.

Porcentaje de bonificación, en función del factor de potencia


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Factor de PotenciaCompensación del Factor de Potencia

La compensación del factor de potencia en un sistema se consigue al reducir el consumo de potencia reactiva proporcionado por la compañía suministradora, pudiendo aplicarse las siguientes medidas:

•Evitar el uso de motores sobredimensionados (% carga < 50%)

•Evitar que los equipos operen innecesariamente o en vacío

•Instalación de bancos de capacitores, donde aplique

•Instalación de filtros de armónicas, donde aplique


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Factor de Potencia

Bancos de capacitores

Para compensación del FP en sistemas lineales

Banco fijo de capacitores


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Factor de PotenciaBanco automático de capacitores

a) Arreglo de banco automático de capacitores b) Conexión al sistema de distribución


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Factor de Potencia


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Calidad de la Energía


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Calidad de energíaEs el concepto de alimentación y de puesta a tierra de equipo electrónico sensible en una manera que sea adecuado para su operación.

DisturbioCualquier desviación del valor nominal o de un límite seleccionado en la tolerancia de la carga, en las características de entrada de la energía de CA.

IEEE 1100 “IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive

Electronic Equipment”

15PAESE Av. San Rafael 211A Col. Santa Cecilia Tel. (55) 5229 44 00 Exts. 96522 y 96561Correo electrónico [email protected]/[email protected]

Sesibilidad del Equipo


• Disturbios sin daño visible en equipos, que degradan sus componentes siendo un punto latente de falla.

• Fallas al procesar la información que puede requerir la intervención del personal para restaurar la operación.

• Falla del equipo, requiriendo su reemplazo y ocasionando la indisponibilidad del equipo.

• Daño consecuente causado por un equipo afectado y que sus errores de procesamiento o falla provocan que otros equipos queden indispuestos.

Impacto de Disturbios en la Operación


Condición Disturbios que provocan el paro de los procesos de fabricación y daños a componentes

Efecto Afecta operaciónRequiere identificar elementos dañados, repararlos o reemplazarlosPuede implicar tiempos de entrega prolongados

Actividad Las relacionadas con preparación y arranque de producción Determinación de elementos dañadosLocalización y adquisición de partes

Costo Tiempo productivo (reparación, tiempo entrega de componentes)Material defectuosoTécnicos especializados (internos / externos)Costo de componentes

Impacto de la Calidad de Energía en las Empresas


• Transitorios• Variaciones de voltaje de corta duración• Variaciones de voltaje de larga duración• Interrupción de energía*• Distorsión Armónica• Desequilibrio de voltaje• Fluctuaciones de voltaje• Variaciones en frecuencia

IEEE 1159Fenómenos electromagnéticos


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Transitorios


Transitorio: Conceptos (transient o surge)

Disturbio que ocurre en la forma de onda de CA con una duración inferior a medio ciclo y que es evidente por la abrupta discontinuidad que presenta. Se sobrepone a la señal sinusoidal.


Transitorios: Conceptos

1.0 Impulsos Alta EnergíaRayos en líneas de distribución aéreasRayos propagados en líneas subterráneasOperación fusibles, involucran energía en inductancia del sistemaConmutación bancos de capacitores

2.0 OscilatoriosPropagación típicas en instalaciones interiores y baja tensión

3.0 Ráfagas (EFT)Apertura de circuitos por contactores

Onda combinada estándar 1.2/50 s (V)-8/20 s (I)

Onda oscilatoria estándar 0.5 ms-100 kHz

IEEE C62-41-1991


Nivel Exposición

–Baja• Áreas con baja actividad de rayos• Poca carga• Poca conmutación de capacitores

–Media• Áreas con actividad de rayos media y alta• Conmutaciones significativas

–Alta• Instalaciones excepcionales


Categoría Localización

A B CReceptáculosCargas Lejanas

AlimentadoresTableros cercanosCargas cercanas

Líneas aéreasLíneas subterráneasAcometida

IEEE C62-41-1991


Voltajes y Corrientes Esperadas Categorías de Localización A y B Exposiciones Baja, Media y AltaOnda oscilatoria estándar 0.5 s-100 kHz

Categoría deLocalización

Exposición del Sistema

VoltajekV

CorrientekA

A1 Bajo 2 0.07A2 Medio 4 0.13A3 Alto 6 0.2B1 Bajo 2 0.17B2 Medio 4 0.33B3 Alto 6 0.5

Voltajes y Corrientes Esperadas Categorías de Localización B y CExposiciones Baja, Media y AltaOnda combinada estándar 1.2/50 s-8/20 s

Categoría deLocalización

Exposición del Sistema

VoltajekV

CorrientekA

B1 Bajo 2 1B2 Medio 4 2B3 Alto 6 3C1 Bajo 6 3C2 Medio 10 15C3 Alto 20 10


B: Alimentadores, Tableros cercanos, Cargas cercanasC: Líneas aéreas, Líneas subterráneas, Acometida

A: Receptáculos, Cargas LejanasB: Alimentadores, Tableros cercanos, Cargas cercanas

Valores establecidos por consenso para guiar y uniformizar procedimientos de prueba

IEEE C62-41-1991


Transitorios: Protección

TVSS (SSTT)NOM-001-SEDE-2005Artículo 285-2

Supresor de sobretensiones transitorias (SSTT):

Dispositivo de protección que limita las tensiones transitorias

Desvía o limita sobrecorrientes

Evita el flujo continuo de la corriente resultante

Después de operar, mantiene la capacidad de repetir sus funciones.

Tensión de operación hasta 600V




Efecto de 1 y 2 etapas de protección

Transitorios soportados respecto a la capacidad del

supresor




Transitorio sin TVSS

Transitorio con TVSS


Variaciones de Voltaje


Variaciones de corta duración: Conceptos

Depresión (sag) Reducción en el valor eficaz (rms) del voltaje, con duración entre medio ciclo a algunos segundos. (IEC:dip)

Elevación (swell)Incremento en el valor eficaz (rms) del voltaje, con duración entre medio ciclo a algunos segundos.


Bajo voltaje (undervoltage) Reducción en el valor eficaz (rms) del voltaje, con duración mayor a algunos segundos.

Sobre voltaje (overvoltage)Incremento en el valor eficaz (rms) del voltaje, con duración mayor a algunos segundos.

Variaciones de corta duración: Conceptos


Disturbio CausasDepresión(Sag)

Arranque de grandes cargasCorto circuito remotoSwicheos del suministrador

Elevación(Swell)

Apagado temporal de grandes cargasReparto de cargas por el suministrador

Sobre voltaje Reducción significativa de carga interna / externa(Fin de semana)Posición inadecuada de tap del transformador

Bajo voltaje Sobre carga en transformadoresCaída de tensión excesiva en conductoresPosición inadecuada de tap del transformador

Variaciones de Voltaje: Causas


Segregación de cargas

Variaciones de Voltaje: Soluciones


Regulador de voltaje electrónico por pasos

Circuito de Potencia Efecto en Cambio de Tap Voltaje a la salida Regulador Electrónico por Pasos



Regulador ferroresonante

Funcionamiento Regulación de voltaje Variación de voltajeSin regulador / Con regulador



Ruido Eléctrico


RuidoSeñales eléctricas no deseadas de baja amplitud, baja corriente y alta frecuencia que producen efectos indeseables en los circuitos de control.

Ruido: Conceptos


CausasCargas no-lineales

Otras cargas

Puesta a tierra inadecuada

Cables sueltos

Interferencia electromagnética

Ruido: Causas


Ruido modo común: SolucionesTransformador de aislamiento


Segregación de cargas

Ruido: Soluciones


Condiciones de instalaciónNOM-001-SEDE-2005Instalaciones eléctricas, utilización

NOM-022-STPS-2008Electricidad estática en los centros de trabajo-Condiciones de seguridad

Especificaciones del fabricanteEnvolventesSeparación de conductoresCables blindados

MantenimientoTermografíasApriete de conexionesIntegridad de instalaciones ante crecimientos

Ruido: Soluciones


Ruido: Soluciones

Filtros RFI


Ruido: Soluciones

TVSSCon filtros para atenuación de ruido.

Filtering Attenuation Frequencies

500Hz 1000Hz 5000Hz 1Mhz 5Mhz 10Mhz 50Mhz 100Mz

47dB 50dB 37dB 37dB 37dB 38dB 47dB 53dB


Interrupción


Interrupción: Conceptos

InterrupciónPérdida completa de voltaje por un lapso de tiempo.

Interrupción local Interrupción remota (suministrador)


UPS (Fuente de alimentación ininterrumpida)

Equipos que proporcionan energía a la carga, aun cuando no exista suministro de red.

Cuentan con baterías, cargador de baterías e inversor.

Para equipos de cómputo el UPS debe cerrar el proceso informático de la misma forma que se efectuaría al final la jornada.

Interrupción: Conceptos


Interrupción: Soluciones UPS

Topologías


Topologías

Interrupción: Soluciones UPS


Distorsión Armónica


Distorsión Armónica: Definición Distorsión periódica de la onda, definida como la

suma de señales sinusoidales de diferentes frecuencias

Componente fundamental 5ª armónica 7ª armónica 11ª armónica


Distorsión Armónica: Causas

Cargas no-lineales Dispositivos electrónicos

Hornos de inducción de media / alta frecuencia Rectificadores, Controladores de fase Drives motores CD Drives motores CA UPS, Computadoras, Impresoras, etc PLC, Servomotres, etc

Dispositivos productores de arcos eléctricos Hornos de arco eléctrico Máquinas de soldadura

Dispositivos ferro-magnéticos Transformadores sobreexitados


Distorsión Armónica: Soluciones

Reducción mediante filtros Amplia diversidad de soluciones Aplicación:

Tipos de cargas no-lineales Objetivo de la solución Inversión


Tipos de filtros Filtro monofásico 3ª armónica Reactor de línea Filtro pasa – bajas Filtro desintonizado (rechazo) Filtro sintonizado (absorción) Filtro activo




Filtro monofásico 3ª armónica

Aplicación: Cargas monofásicas con fuentes de alimentación conmutadasDesempeño: Atenuación hasta de 80% en 3ª armónica y 50% en armónicas mayores, incluyen supresores de transitoriosConexión: En serie con la cargaVersiones: FijoCapacidades: Unidades de 3,5,10 y 15 A, voltajes 120 y 240 VVoltajes: Baja tensiónProtección: Fusibles


Reactor de línea

Aplicación: Alimentación a variadores de frecuencia

Desempeño: Reduce THDi de 80-90% a 35-45% en función de %Z

Conexión: En serie a la alimentación del VDFVersiones: FijoCapacidades: De acuerdo al VDF/ carga. Z=3% a 5%Voltajes: Baja tensiónProtección: La del VDF

Filtro pasa-bajasAplicación: Alimentación a variadores de frecuencia (VDF)Desempeño: Reduce distorsión armónica <12% y protege a VDFConexión: En serie a la alimentación del VDFVersiones: FijoCapacidades: De acuerdo al VDFVoltajes: Baja tensiónProtección: La del VDF



Distorsión Armónica: SolucionesFiltro desintonizado (rechazo)

Aplicación: Cargas no-lineales menor a 30% de la carga totalDesempeño: Compensación FPd con ligera absorción de 5ª armónicaConexión: En paralelo al sistema de potenciaVersiones: Fijo, semiautomático y automáticoCapacidades: Unidades de 10 a 100 kVAR, pudiendo formarse arreglos de múltiples unidades Voltajes: Baja y media tensiónProtección: Fusibles o interruptores

Filtro sintonizado (absorción)

Aplicación: Cargas no-lineales mayor a 30% de la carga totalDesempeño: Compensación FPd y absorción de armónica sintonizadaConexión: En paralelo al sistema de potenciaVersiones: Fijo, semiautomático y automáticoCapacidades: Unidades de 10 a 100 kVAR, pudiendo formarse arreglos de múltiples unidades Voltajes: Baja y media tensiónProtección: Fusibles o interruptores


Filtro activo

Aplicación: Cargas no-lineales mayor a 30% de la carga totalDesempeño: Compensación de armónicas 2 a 50, ajustableConexión: En paralelo al sistema de potenciaVersiones: AutomáticoCapacidades: Unidades de 50 - 600 A pudiendo formarse arreglos de múltiples unidades Voltajes: Baja tensiónProtección: Fusibles



GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Ing. Eugenio Téllez Ramí[email protected]

Calidad de la Energía Eléctrica

www.opti-dmax.com

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