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6 COMPENSACION DE ENERGIA REACTIVA

6 COMPENSACION DE ENERGIA REACTIVA

páginas

n INTRODUCCION 1 y 2§ Naturaleza de la energía reactiva§ Factor de potencia de los receptores más usuales

n VENTAJAS DE LA COMPENSACION DE LA ENERGIA REACTIVA 3 ... 6n Reducción del recibon Aumento de la potencia disponiblen Reducción de la sección de los conductoresn Disminución de las pérdidasn Reducción de las caídas de tensiónn Comparación instalación compensada/sin compensar

n DONDE COMPENSAR 7 y 8

n COMPENSACION FIJA 9 ... 13n Compensación fija de transformadoresn Compensación de motores asíncronos

n COMPENSACION AUTOMÁTICA 14 ... 17n Introducciónn Consejos de instalaciónn Regulación

n FENOMENOS TRANSITORIOS Y PERTURBACIONES 18 ... 26n Regimenes transitorios al conexionadon Resonancia

n ELECCION DE LAS PROTECCIONES 27 ... 29n Corriente de conexionadon Dimensionado térmico de los componentesn Elección de los calibres de las proteccionesn Aparamenta de protección

n COMPENSACION EN PRESENCIA DE ARMONICOS 30 ... 35n Generalidadesn Conceptos previos

n Resonancian Amplificacion

n Soluciones a la compensación en presencia de armónicos

6/1 SCHNEIDER ELECTRIC

naturaleza de la energía reactiva

Energía activaTodas las máquinas eléctricas alimentadas encorriente alterna convierten la energía eléctricasuministrada en trabajo mecánico y calor.Esta energía se mide en kWh y se denomina energíaactiva.Los receptores que absorben únicamente este tipo deenergía se denominan resistivos.

Energía reactivaCiertos receptores necesitan campos magnéticospara su funcionamiento (motores, transformadores...)y consumen otro tipo de energía denominada energíareactiva.El motivo es que este tipo de cargas (denominadasinductivas) absorben energía de la red durante lacreación de los campos magnéticos que necesitanpara su funcionamiento y la entregan durante ladestrucción de los mismos.Este trasiego de energía entre los receptores y lafuente (fig.1), provoca pérdidas en los conductores,caídas de tensión en los mismos, y un consumo deenergía suplementario que no es aprovechabledirectamente por los receptores.

Q (kVAr)

S = P + Q

(kVA)

P (kW)

M– M– A

Fig. 1: el consumo de energía reactiva se establece entrelos receptores inductivos y la fuente.

Fig. 2a: flujo de potencias en una instalación con cos ϕ = 0,78.

PM

V

I

P

PM

V

I

P

Fig. 2b: flujo de potencias en una instalación con cos ϕ = 0,98.

información técnica

naturaleza de la energía reactiva

S

Q

P

cos ϕ = P / S

ϕ

Fig. 3: el cos ϕ como representación del rendimientoeléctrico de una instalación.

El cos ϕLa conexión de cargas inductivas en una instalaciónprovoca el desfase entre la onda de intensidad y latensión.El ángulo ϕ mide este desfase e indica la relaciónentre la intensidad reactiva (inductiva) de unainstalación y la intensidad activa de la misma.Esta misma relación se establece entre las potenciaso energías activa y reactiva.El cos ϕ indicará por tanto la relación entre lapotencia activa y la potencia aparente de lainstalación (los kVA que se pueden consumir comomáximo en la misma).Por esta razón el cos ϕ indicará el "rendimientoeléctrico" de una instalación (fig. 3).

Flujo de potencias en una instalaciónIndirectamente la potencia útil que se puede disponeren una instalación aumenta conforme se mejora elcos ϕ de la instalación.La potencia instantánea de una instalación secompone de dos sumandos: la potencia oscilante auna frecuencia doble de la fundamental, y la potenciamedia (Pm = VI cos ϕ) que realmente nos determina lapotencia útil o activa de la instalación y que es unvalor constante.En la fig. 2 se puede observar como cuanto mejor esel cos ϕ de una instalación (más próximo a 1) lapotencia media de la instalación en kW es mayor.

SCHNEIDER ELECTRIC 6/2

factor de potencia de losreceptores más usuales


cálculo práctico de potencias reactivas

aparato carga cos ϕ tg ϕ

motor asíncrono ordinario 000 % 0,17 5,8025 % 0,55 1,52050 % 0,73 0,94075 % 0,8 0,75100 % 0,85 0,62

lámparas de incandescencia 1 0 lámparas de fluorescencia 0,5 1,73 lámparas de descarga 0,4 a 0,6 2,29 a 1,33 hornos de resistencia 1 0 hornos de inducción 0,85 0,62 hornos de calefacción dieléctrica 0,85 0,62 máquinas de soldar por resistencia 0,8 a 0,9 0,75 a 0,48 centros estáticos monofásicos de soldadura al arco 0,5 1,73 grupos rotativos de soldadura al arco 0,7 a 0,9 1,02 transformadores-rectificadores de soldadura al arco 0,7 a 0,9 1,02 a 0,75 hornos de arco 0,8 0,75

Fig. 4: cos ϕ de los aparatos más usuales.

factor de potencia de los receptores más usuales

tipo de circuito potencia aparente potencia activa potencia reactivaS (kVA) P (kW) Q (kVAr)

monofásico (F + N) S = V×I P = V×I×cos ϕ Q = V×I×sen ϕ monofásico (F + F) S = U×I P = U×I×cos ϕ Q = U×I×sen ϕ ejemplo: carga de 5 kW 10 kVA 5 kW 8,7 kVAr cos ϕ = 0,5

trifásico (3 F o 3 F + N) S = 3×U×I P = 3UIcos Q = 3UIsen

ejemplo: motor de Pn = 51 kW 65 kVA 56 kW 33 kVAr cos ϕ = 0,86 rendimiento = 0,91

Los cálculos del ejemplo trifásico se han efectuado de la siguiente forma:

Pn = potencia suministrada en el eje = 51 kWP = potencia activa consumida = Pn/ρ = 56 kWS = potencia aparente = P/cos ϕ = P/0,86 = 65 kVA

de donde:

Q = S2 + P2 = 652 – 562 = 33 kVAr

Se indican a continuación valores medios de factor de potencia de distintosreceptores.


información técnicaventajas de la compensaciónde la energía reactiva

Fig. 5: variación del recargo del recibo en función del cos .

El recargo de reactivaLas compañías eléctricas penalizan el consumo de energía reactiva con el objetode incentivar su corrección.La manera de aplicar dicha penalización es a través de un coeficiente de recargoque se aplica sobre el importe en pesetas del término de potencia (potenciacontratada) y sobre el término de energía (energía consumida).Este recargo se aplica para todas las tarifas superiores a la 3,0 (trifásicas de potenciacontratada superior a 15 kW).El coeficiente de recargo (Kr) se obtiene a partir del cos medio de la instalaciónsegún la siguiente fórmula:

Kr (%) = (17 / cos2 ) – 21

Se puede observar en la fig. 5:c El recargo máximo (Kr = 47%) correspondería a un cos = 0,5 o inferior.c No existe recargo (Kr = 0 %) para un cos = 0,9.c El recargo se convierte en bonificación para cos ϕ superiores a 0,9.c La máxima bonificación (–4 %) correspondería a un cos = 1.

504030

10 0

–101 0,98 0,95 0,9 0,8 0,7 0,5 0,3

cos ϕ

Kr (%)

20

Reducción de la intensidad eficazUn factor de potencia elevado optimiza los componentes de una instalacióneléctrica mejorando su rendimiento eléctrico.La instalación de condensadores reduce el consumo de energía reactiva entre lafuente y los receptores.Los condensadores proporcionan la energía reactiva descargando a la instalacióndesde el punto de conexión de los condensadores aguas arriba.Como consecuencia es posible aumentar la potencia disponible en el secundariode un transformador MT/BT, instalando en la parte de baja un equipo de correccióndel factor de potencia.La tabla de la fig. 6, muestra el aumento de la potencia activa (kW) que puedesuministrar un transformador corrigiendo hasta cos = 1.

La instalación de un equipo de corrección del factor de potencia en una instalaciónpermite reducir la sección de los conductores a nivel de proyecto, ya que para unamisma potencia activa la intensidad resultante de la instalación compensada esmenor.La tabla de la fig. 7 muestra el coeficiente multiplicador de la sección del conductoren función del cos de la instalación.

Fig. 7: coeficiente multiplicador de la sección del conductor en función del cos de la instalación.

cos factor multiplicador dela sección del cable

1 1

0,80 1,25

0,60 1,67

0,40 2,50

Fig. 6: aumento de la potencia disponible en el secundario de untransformador en función del cos ϕ de la carga.

cos aumento de potencia inicial disponible

1 0,0%

0,98 + 2,0%

0,95 + 5,2%

0,90 + 11,1%

0,85 + 17,6%

0,80 + 25,0%

0,70 + 42,8%

0,65 + 53,8%

0,50 +100,0%

reducción en el recibo deelectricidad

aumento de la potenciadisponible

reducción de la secciónde los conductores


información técnicaventajas de la compensaciónde la energía reactiva

Reducción de pérdidas por efecto JouleLa instalación de condensadores permite la reducción de pérdidas por efecto Joule(calentamiento) en los conductores y transformadores.Estas pérdidas son contabilizadas como energía consumida (kWh) en el contador.Dichas pérdidas son proporcionales a la intensidad elevada al cuadrado.Se puede determinar según la siguiente fórmula la disminución de pérdidas enfunción del cos ϕ de la instalación:

Pérdidas finales cos ϕ inicialPérdidas iniciales

= cos ϕ final

Ejemplo:La reducción de pérdidas en un transformador de 630 kVA, Pcu = 6.500 W con uncos inicial de 0,7.Si se compensa hasta cos final = 0,98, las nuevas pérdidas pasan a ser de:3.316 W.

( )2

Reducción de pérdidas por efecto Joule.

0%

–10%

–20%

–30%

–40%

–50%

–60%

–70%

–80%

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

REDUCCION DE PERDIDAS AL ALCANZAR COS ϕ = 1

RE

DU

CC

ION

DE

PE

RD

IDA

S (%

)

COS ϕ INICIAL

disminución de las pérdidas

reducción de las caídas detensión

La instalación de condensadores permite la reducción de las caídas de tensiónaguas arriba del punto de conexión del equipo de compensación.



comentarios

c Existe un consumo de kVAr.c La potencia en kVA es superior a las necesidadesde kW:v kVA

2 = kVAr2 + kW

2

c El consumo en kWh es mayor por las pérdidas.

c Para poder suministrar los 500 kW concos ϕ = 0,75, el transformador deberá suministrar unapotencia (S) de:v S = P / cos ϕ = 500 / 0,75 = 666 kVAc Por lo que trabajará con una sobrecarga = 5,7 %.

c Las pérdidas en los conductores son proporcionalesal cuadrado de la intensidad:

P = I2 × R = 962

2 × R = 2,9 kW

c Habrá un consumo en kWh por pérdidas mayoresque en la instalación compensada.

c El interruptor general de protección y losconductores deberán estar dimensionados para podersoportar el total de la intensidad para los valoresdefinidos de P y cos ϕ:

I = P / 3 × U × cos ϕ =I = 500 / (1,73 × 400 × 0,75) = 962 A

c La energía reactiva atraviesa la totalidad de lainstalación desde la fuente hasta el receptor.c Existe un recargo por reactiva en el recibo de laelectricidad de:

Kr (%) = 9,3 %

comparación instalacióncompensada/sin compensar

Datos

Red:Pcc = 500 MVA

Transformador:

Sn = 630 kVA

Ucc = 4 %

Sobrecarga = 5,7 %

Enlace trafo-cuadro:

L = 30 M

2 × 300 mm por fase

U = 0,77 %

Pérdidas = 2,96 kW

Interruptor general:

Ith = 962 A

In = 1000 A

Carga:P = 500 kW

cos ϕ = 0,75

Fig. 8: representación gráfica del flujo de potencias en unainstalación sin compensar, con cos ϕ = 0,75.

kVA

kVArkW

M

instalación sin compensar


información técnicacomparación instalacióncompensada/sin compensar

comentarios

c El consumo de kVAr se hace cero.c La potencia en kVA se ajusta a la demanda de kW.

c La potencia de trabajo del transformador concos ϕ = 1 pasa a ser de:v S = P / cos ϕ = 500 / 1 = 500 kVAc Por lo que habrá una reserva de potencia de130 kVA = 20 %.

c Las pérdidas en los conductores son proporcionalesal cuadrado de la intensidad:

P = I2 × R = 721

2 × R = 2,02 kW

c Habrá una reducción en el consumo de kWh porpérdidas de: –30 %.c Podrá haber una reducción en la sección de loscables de la mitad.

c El interruptor general de protección podrá tener uncalibre inferior que en la instalación sin compensar:

I = P / 3 × U × cos ϕ =I = 500 / (1,73 × 400 × 1) = 721 A

c La energía reactiva fluye entre el condensador y lacarga, descargando al resto de instalación aguasarriba del punto de conexión de la batería.c Existe una bonificación del 4 % sobre el recibo deelectricidad.

datos

Red:Pcc = 500 MVA

Transformador:

Sn = 630 kVA

Ucc = 4 %

Reserva de potencia = 20 %

Enlace trafo-cuadro:

L = 30 M

2 × 150 mm por fase

U = 0,70 %

Pérdidas = 2,02 kW (–30 %)

Interruptor general:

Ith = 721 A

In = 800 A

Carga:P = 500 kW

cos ϕ = 1

instalación compensada

Fig. 9: representación gráfica del flujo de potencias en unainstalación compensada, con cos ϕ = 1.

kVA

kW

kVAr

M


visión globaldónde compensar

La localización de los condensadores en una redeléctrica se determina según:c El objetivo buscado, supresión de las penalidades,descarga de las líneas y transformadores, aumento dela tensión en el final de la línea.c El modo de distribución de la energía eléctrica.c El régimen de carga.c La influencia previsible de los condensadores en lared.c El coste de la instalación.La compensación de la energía reactiva puede ser:v Batería AT en red de distribución AT (1).v Batería MT regulada o fija, para abonado MT (2).v Baterías BT, regulada o fija, para abonado BT (3).v Compensación fija para motor MT (4).v Compensación fija para motor BT (5).

Ejemplo:La elección del lugar de ubicación de los equipos decompensación queda a elección del cliente, enfunción de las características de su instalación y delos objetivos a alcanzar con la misma.Un ejemplo de aplicación de equipo (2) sería el de lacompensación en la estación elevadora del consumode un parque eólico, otro la compensación de uncentro de control de motores, caso para el que seaconseja un equipo automático.El tipo de aplicación para el equipo (1) corresponde ala compensación realizada en la línea de transporte deenergía de una Cía. Eléctrica, subestación de Cía.

¿dónde instalar los condensadores?

32

45

1

red AT de distribución

red MT de distribución

transformadorMT/BT

transformadorMT/MT

Jdb BT

abonado MT abonado MT



Los condensadores pueden ser instalados en3 niveles diferentes:

compensación globalVentajas:c Suprime las penalizaciones por un consumoexcesivo de energía reactiva.c Ajusta la potencia aparente (S en kVA) a lanecesidad real de la instalación.c Descarga el centro de transformación (potenciadisponible en kW).

Observaciones:c La corriente reactiva (Ir) está presente en lainstalación desde el nivel 1 hasta los receptores.c Las pérdidas por efecto Joule en los cables noquedan disminuidas.

a la entrada de cada tallerPosición n.° 2

compensación parcialVentajas:c Suprime las penalizaciones por un consumoexcesivo de energía reactiva.c Optimiza una parte de la instalación, la corrientereactiva no se transporta entre los niveles 1 y 2.c Descarga el centro de transformación (potenciadisponible en kW).

Observaciones:c La corriente reactiva (Ir) está presente en lainstalación desde el nivel 2 hasta los receptores.c Las pérdidas por efecto Joule en los cables sedisminuyen.

en los bornes de cada receptorde tipo inductivoPosición n.° 3

compensación individualVentajas:c Suprime las penalizaciones por un consumoexcesivo de energía reactiva.c Optimiza toda la instalación eléctrica. La corrientereactiva Ir se abastece en el mismo lugar de suconsumo.c Descarga el centro de transformación (potenciadisponible en kW).

Observaciones:c La corriente reactiva no está presente en los cablesde la instalación.c Las pérdidas por efecto Joule en los cables sesuprimen totalmente.

dónde compensar

Fig. 12: compensación global.

Fig. 13: compensación parcial.

Fig. 14: compensación individual.

en las salidas BT (CGBT)Posición n.° 1


información técnicacompensación fija

Qué dice el Reglamento de BTDe lo establecido en el REBT en la MIBT 031 -Apartado 1.8., en su edición anterior a la publicacióndel presente catálogo (diciembre 1997), se deduceque:c Se podrá realizar la compensación de la energíareactiva pero en ningún momento la energíaabsorbida por la red podrá ser capacitiva.c Se podrá realizar la compensación fija para uno ovarios receptores siempre que funcionen por mediode un único interruptor, es decir simultáneamente.c Para compensar la totalidad de la instalación sedeberá instalar un equipo automático.c En la práctica se realiza la compensación fija demotores y de transformadores.

compensación fija de transformadores

Fig. 15: flujo de potencias en una instalación cuyotransformador está sin compensar.

Fig. 16: flujo de potencias en una instalación cuyotransformador está compensado con un equipo decompensación fijo.

reglas generales

Reproducción de la cubierta delReglamento Electrotécnico paraBaja Tensión.Editor: Ministerio de Industria yEnergía.

Por qué realizar la compensación fija de untransformadorComo se ha visto anteriormente, la compensación deuna instalación puede permitir el disponer de unapotencia suplementaria en bornes del transformador.Los cálculos de necesidades de reactiva han sidorealizados hasta ahora teniendo en cuenta únicamenteel consumo total de los receptores de una instalación.Pero en el caso de que se deseen compensar tambiénlas pérdidas inductivas del transformador en BT, porejemplo si se tiene una contratación de potencia enMT, la manera de realizarlo es incorporando un equipode compensación fija en los bornes de baja deltransformador, de tal manera que la instalación quede“sobrecompensada” en la parte de BT y dichasobrecompensación sirva para compensar el trafo.Obsérvese que en la fig.15 existe un consumo depotencia reactiva por parte del transformador que noestá suministrado por la batería.La batería de condensadores no “ve” dicho consumo,ya que el TI que informa al regulador sobre el cos ϕ dela instalación está conectado en la parte de BT. Por lotanto es necesario incorporar un condensador aguasarriba del punto de conexión del TI que incorpore loskVAr suplementarios (fig. 16).


información técnicacompensación fija detransformadores

Fig. 17: esquema equivalente deun transformador.

Fig. 18: absorción de potenciainductiva por la reactancia serie,según el esquema equivalente dela fig. 17.

Reactancia paralelo: reactancia de magnetizaciónHasta ahora sólo se había tenido en cuenta la reactancia inductiva de las cargas enparalelo; sin embargo las reactancias conectadas en serie, como las de las líneasde potencia y los arrollamientos del primario de los transformadores, tambiénabsorben energía reactiva.Para determinar dichas pérdidas de energía reactiva se puede representar elesquema equivalente de un transformador ideal como el de la fig. 17, la corrientemagnetizante tiene un valor prácticamente constante(en torno al 1,8 % de la intensidad a plena carga) desde que el transformadortrabaja en vacío hasta que está a plena carga.Por esta razón, y ya que va a existir un consumo prácticamente constante de kVArindependientemente de las condiciones de carga, se suele realizar lacompensación en vacío de los transformadores.Sin embargo también hay un consumo de reactiva variable con las condiciones decarga del transformador: por lo que está representada en la fig. 17 una reactancia enserie que daría las pérdidas por el flujo de fuga.

ϕ ϕ'

E

V

IXL

I

Reactancia serie: flujo de fugaHasta ahora sólo se había tenido en cuenta la reactancia paralelo del transformador(magnetizante).Sin embargo la potencia reactiva absorbida por el transformador en funcionamientono puede despreciarse.Este fenómeno se ilustra en el diagrama vectorial de la fig. 18.La diferencia entre E.I. sen ϕ' y V.I. sen ϕ, daría los kVAr absorbidos por lainductancia serie XL.Se puede demostrar que este valor es igual a I2 · XL. A partir de esta fórmula sepueden deducir los kVAr absorbidos en función del índice de carga:Ejemplo:Transformador de Sn = 630 kVAUcc = 4 %c Pérdidas trifásicas a plena carga:kVAr = I2 · XL = 630 × 0,04 = 25,2 kVArc Pérdidas al 50 % de carga:kVAr = I2 · XL = 0,52 × 630 × 0,04 = 6,3 kVArPara calcular las pérdidas totales del transformador se deberán adicionar laspérdidas en vacío (aproximadamente el 1,8 % de la potencia del transformador).c Pérdidas en vacío:kVAr = 1,8 × 630 / 100 = 11,34 kVArc Por lo que las pérdidas totales a plena carga serán:kVAr total = kVAr vacío + kVAr plena carga = 11,34 + 25,2 = 36,64 kVAr.

ResumenUn transformador consume una potencia reactiva compuesta por:c Una parte fija que depende de la corriente magnetizante,Q0 = 3 * Un*lo (esta parte representa del 0,5 al 2,5 % de la potencia del transformador.c Una parte aprox. proporcional al cuadro de la potencia aparente.Q = Ucc*S*(s/sn)La potencia reactiva total consumida por un transformador de distribución está en torno al 10 % a plena carga.

Estos valores son indicativos.

potencia tensión tensión tensión de potencia reactiva aparente primario secundario cortocircuito a compensar MVA Ucc % sin carga

2,5 20 3 a 16 6,5 4030 3 a 16 6,5 50

3,15 20 3 a 16 7 5030 3 a 16 7 60

4 20 3 a 16 7 6030 3 a 16 7 70

5 20 3 a 16 7,5 7030 3 a 16 7,5 80

6,3 10 a 36 3 a 20 8,1 70 8 10 a 36 3 a 20 8,4 80 10 10 a 36 3 a 20 8,9 90 12,5 10 a 36 3 a 20 9 120 16 45 a 66 3 a 20 9,3 130 20 45 a 66 3 a 20 9,4 140 25 45 a 66 3 a 20 9,7 175 31,5 45 a 66 3 a 20 11 190 40 45 a 66 3 a 20 12 240

tabla compensación transformadores MT

Fig. 19: consumo de potencia reactiva para transformadores de distribución de V1 = 20 kV.

transformador en aceite secos

S (kVA) Ucc (%) vacío carga vacío carga

100 4 2,5 5,9 2,5 8,2

160 4 3,7 9,6 3,7 12,9

250 4 5,3 14,7 5,0 19,5

315 4 6,3 18,3 5,7 24

400 4 7,6 22,9 6,0 29,4

500 4 9,5 28,7 7,5 36,8

630 4 11,3 35,7 8,2 45,2

800 4 20,0 66,8 10,4 57,5

1000 6 24,0 82,6 12 71

1250 5,5 27,5 100,8 15 88,8

1600 6 32 126 19,2 113,9

2000 7 38 155,3 22 140,6

2500 7 45 191,5 30 178,2

tabla compensación transformadores BT

naturaleza de las reactanciasinductivas de un transformador


información técnicacompensación fija de motoresasíncronos

Precauciones generalesLa intensidad reactiva que absorbe un motor asíncrono es prácticamente constantey tiene un valor aproximado del 90 % de la intensidad en vacío.c Por esta razón cuando un motor trabaja en bajos regímenes de carga, el cos ϕ esmuy bajo debido a que el consumo de kW es pequeño.c Asimismo, las características constructivas del mismo, tales como potencia,número de polos, velocidad, frecuencia y tensión, influyen en el consumo de kVAr.Se puede realizar la compensación fija en bornes de un motor siempre que setomen las precauciones siguientes:c Nueva regulación de las protecciones.c Evitar la autoexcitación.c No compensar motores especiales.c No compensar motores con arrancador.Estas precauciones en la conexión se definirán a continuación.

Si el motor arranca con ayuda de algún dispositivo especial, tal como resistencias,inductancias, estrella triángulo o autotransformadores, es recomendable que loscondensadores sean conectados después del arranque del motor.Por esta razón no se deberá realizar una compensación fija y se utilizaráncondensadores accionados por contactores. (Ver el apartado de compensación fijaaccionada por contactor fig. 22.)

No se recomienda la compensación individual de motores especiales del tipo:paso a paso, dos sentidos de marcha o similares.

Fig. 20: variación del cos ϕ en función del régimen de carga.

0,8

1/4 2/4 3/4 4/4 5/4

0,7

0,6

0,5

0,4

intensidad

rend

imien

to

cos

ϕ

la compensación fijade motores asíncronos

regulación de las protecciones Después de realizar la compensación fija de un motor, la intensidad eficazconsumida por el conjunto motor-condensador es más baja que antes.En consecuencia, se deberán reajustar las protecciones del motor según lasiguiente relación:

Factor de reducción = cos ϕ inicial

cos ϕ final

compensación de motores conarrancador

compensación de motoresespeciales



Fig. 21: máxima potencia reactiva a instalar en bornes de un motortrifásico 230/400 V, sin riesgo de autoexcitación.

potencia núm. de revoluciones por min nominal potencia reactiva en kVAr

kW CV 3000 1500 1000 750

11 15 2,5 2,5 2,5 5

18 25 5 5 7,5 7,5

30 40 7,5 10 11 12,5

45 60 11 13 14 17

55 75 13 17 18 21

75 100 17 22 25 28

90 125 20 25 27 30

110 150 24 29 33 37

132 180 31 36 38 43

160 218 35 41 44 52

200 274 43 47 53 61

250 340 52 57 63 71

280 380 57 63 70 79

355 485 67 76 86 98

400 544 78 82 97 106

450 610 87 93 107 117

tabla compensación de motoresasíncronos BT

Estos valores son indicativos.

potencia núm. de revoluciones por min nominal potencia reactiva en kVAr

kW CV 3000 1500 1000 750

140 190 30 35 40 50

160 218 30 40 50 60

180 244 40 45 55 65

280 380 60 70 90 100

355 482 70 90 100 125

400 543 80 100 120 140

500 679 100 125 150 175

1000 1359 200 250 300 350

1400 1902 280 350 420 490

1600 2174 320 400 480 560

2000 2717 400 500 600 700

2240 3043 450 560 680 780

3150 4280 630 800 950 1100

4000 5435 800 1000 1200 1400

5000 6793 1000 1250 1500 1750

tabla compensación de motoresasíncronos MT

cómo evitar la autoexcitación delos motores

El fenómeno de la autoexcitaciónCuando un motor acciona una carga de gran inercia el motor sigue girandodespués de cortarle la alimentación (a no ser que se le frene deliberadamente)debido a la inercia de la carga.c Cuando se realiza la compensación directa en bornes del motor, se genera unflujo de corrientes capacitivas a través del estator que producen un campomagnético rotatorio en el rotor que actúa a lo largo del mismo eje y en la mismadirección que el campo magnético decreciente.c En consecuencia el flujo del rotor aumenta, las corrientes del estator aumentan yla tensión en los terminales del motor aumenta, pasando por lo tanto a funcionarcomo generador asíncrono.Este fenómeno se conoce como la autoexcitación.

Cómo evitar la autoexcitación:c Limitación de la potencia de compensación.El fenómeno de la autoexcitación puede evitarse limitando la potencia de loscondensadores fijos instalados en bornes del motor, de tal manera que laintensidad reactiva suministrada sea inferior a la necesaria para provocarla,haciendo que el valor de la intensidad de los condensadores sea inferior al valor dela intensidad en vacío del motor. El valor máximo de potencia reactiva a instalar secalculará de la siguiente forma:

QM ≤ 0,9 × I0 × Un × 3 / QM ≤ 2P0 (1-cos ϕ i)

donde:QM = potencia fija máxima a instalar (VAr)I0 = intensidad en vacío del motorUn = tensión nominal (V)P: Potencia nominal motor (kW)cos ϕ

i: coseno ϕ inicial.

Estos valores se dan en la tabla de la fig. 21.c Otra manera para evitar la autoexcitación es la compensación fija accionada porcontactor.

M



InstalaciónEste sistema permite evitar el riesgo de sobreexcitación de los motores,compensando por lo tanto la totalidad de la potencia reactiva necesaria.La instalación se debe realizar siempre aguas arriba del dispositivo de mando yprotección del motor.El contactor del condensador deberá ir enclavado con el dispositivo de proteccióndel motor de manera que cuando el motor sea o bien desconectado, o bienprovocada la apertura de su dispositivo de protección, el condensador debequedar fuera de servicio.

Cálculo de la potencia a instalarEn este caso y habiendo evitado el riesgo de autoexcitación, el cálculo se realiza dela misma manera que para cualquier carga:

Q = P × (tg ϕ inicial – tg ϕ objetivo)

Siendo:P = potencia activa del motor (kW)

El proceso de la conexión de un condensadorLos condensadores forman, con los circuitos a cuyas bornas están conectados,circuitos oscilantes que pueden producir en el momento de la conexión corrientestransitorias de elevada intensidad (> 180 In) y de frecuencias elevadas(de 1 a 15 kHz).Para solucionar este problema sin tener que acudir a contactoresextraordinariamente sobredimensionados se aumentaba la inductancia de la líneacon el acoplamiento en serie de inductancias de choque.

Un contactor específicamente diseñado para el mando de condensadoresLos contactores Telemecanique modelo LC1-D.K. están equipados con un bloquede contactos adelantados y con resistencias de preinserción que limitan el valor dela corriente en la conexión a 60 In.El diseño patentado del aditivo garantiza la limitación de la corriente de conexióncon lo que aumenta la durabilidad de los componentes de la instalación y enparticular la de los fusibles y condensadores.Los contactores LC1-D.K. se incorporan en todas las baterías automáticas MerlinGerin.

c Condiciones de utilización:v No es necesario utilizar inductancias de choque nien baterías de un solo escalón ni de escalonesmúltiples.v La protección contra cortocircuitos se realizará pormedio de fusibles gl de calibre comprendido entre 1,7y 2 In.v Temperatura media sobre 24 h: 45 °C según normasCEI 831 y CEI 70.c Potencias máximas de empleoLas potencias indicadas en la tabla anterior seentienden para las siguientes condiciones:v Corriente de llamada con cresta presumible de:200 In.v Cadencia máxima:LC1-DFK, DLK, DMK, DPK: 240 ciclos/horaLC1-DTK, DWK: 200 ciclos/hora.v Endurancia eléctrica a la carga nominal:LC1-DFK (400 V): 300.000 ciclos.C1-DLK, DMK, DPK, DTK, DWK (690 V): 200.000ciclos.c Circuito de mando:v Tensiones disponibles: 24/42/48/110/220/230/240/380/400/415/440/500/600 Vca.v Frecuencias: 50 Hz, 60 Hz, 50-60 Hz.c Normas:v Son conformes con las normas:CEI 70, CEI 831, NFC 54-100, VDE 0560, UL y CSA.

tabla de elección de contactores específicos para elmando de condensadores

220 V 400 V 660 V contactos auxiliares par de apriete referencia 240 V 440 V 690 V “NA” “NC” Nm básica kVAr kVAr kVAr

06,7 12,5 18 1 1 1,2 LC1-DFK11..

10 20 30 1 1 1,9 LC1-DLK11..

15 25 36 1 1 2,5 LC1-DMK11..

20 33,3 48 1 2 5 LC1-DPK12..

25 40 58 1 2 5 LC1-DTK12..

40 60 92 1 2 11 LC1-DWK12..

M

Fig. 22: conexión de un condensador a un motor através de un contactor.

compensación fija accionada porcontactor

elección del contactor adecuado

características técnicas


cuándo realizar unacompensación automática


Fig. 24: esquema de principio de un equipo de compensación automático.

reglas generalesQué dice el Reglamento de BTSe realiza a continuación una interpretación a títuloorientativo de las indicaciones que aparecen en elREBT en la MIBT 031 - Apartado 1.8, en su ediciónanterior a la publicación del presente catálogo(diciembre 1997).c Se podrá realizar la compensación de la energíareactiva pero en ningún momento la energía absorbidapor la red podrá ser capacitiva.Por lo tanto el cos ϕ de la instalación en el punto deconexión a la compañía nunca podrá tener un valorsuperior a 1.

c Para compensar la totalidad de una instalación, opartes de la misma que no funcionen simultáneamente,se deberá realizar una compensación automática.c La instalación del equipo de compensaciónautomática deberá asegurar que la variación del factorde potencia en la instalación no sea mayor de un ± 10 %del valor medio obtenido en un prolongado período defuncionamiento.

Ejemplo:Si el cos ϕ medio de una instalación compensada esde 0,96 inductivo, el cos ϕ de la misma en ningúnmomento deberá ser:ni inferior a 0,86 inductivo, ni superior a 0,94 capacitivo.

Los elementos internosUn equipo de compensación automático debe sercapaz de adecuarse a las variaciones de potencia dereactiva de la instalación para conseguir mantener elcos ϕ objetivo de la instalación.

Un equipo de compensación automático estáconstituido por 3 elementos principales:c El regulador:Cuya función es medir el cos ϕ de la instalación y darlas órdenes a los contactores para intentaraproximarse lo más posible al cos ϕ objetivo,conectando los distintos escalones de potenciareactiva. Además de esta función, los actualesreguladores Varlogic de Merlin Gerin incorporanfunciones complementarias de ayuda al mantenimientoy la instalación.c Los contactores:Son los elementos encargados de conectar losdistintos condensadores que configuran la batería.El número de escalones que es posible disponer en unequipo de compensación automático depende de lassalidas que tenga el regulador.Existen dos modelos de reguladores Varlogicatendiendo al número de salidas:v De 1 hasta 6 escalones.v De 1 hasta 12 escalones.c Los condensadores:Son los elementos que aportan la energía reactiva a lainstalación.Normalmente la conexión interna de los mismos estáhecha en triángulo.

Los elementos externosPara el funcionamiento de un equipo decompensación automático es necesaria la toma dedatos de la instalación; son los elementos externosque le permiten actuar correctamente al equipo:c La lectura de intensidad:Se debe conectar un transformador de intensidad quelea el consumo de la totalidad de la instalación.c La lectura de tensión:Normalmente se incorpora en la propia batería demanera que al efectuar la conexión de potencia de lamisma ya se obtiene este valor.Esta información de la instalación (tensión eintensidad) le permite al regulador efectuar el cálculodel cos ϕ existente en la instalación en todo momentoy le capacita para tomar la decisión de introducir osacar escalones de potencia reactiva.c También es necesaria la alimentación a 230 V parael circuito de mando de la batería. Las bateríasincorporan unas bornas denominadas (a, b) para esteefecto.

Nota: excepto para las Rectimat 2 que incluyen transformador.

esquema de principio de unabatería automática

REGULADOR

Cálculo del cos ϕ de

la instalación

CONTACTOR

LC1-D.K.

Limitación

Conexión polos principales

TI

V


compensación automática:consejos de instalación


GeneralidadesUna instalación en la que haya un único embarrado de BT es de lo más usual. Eneste tipo de instalaciones la necesidad de potencia reactiva se debe evaluar con losmétodos anteriormente definidos.La compensación se realizará para la totalidad de los receptores de la instalación yel amperaje del transformador de intensidad se determinará en función del total dela intensidad que atraviesa el disyuntor general de protección.

Precauciones en la instalaciónComo se ha dicho anteriormente es necesario realizar la instalación complementariade un transformador de intensidad que “lea” el consumo total de la instalación.Es indispensable la correcta ubicación del TI, según la fig. 25, ya que en el caso deefectuar la instalación en los sitios indicados con una cruz el funcionamiento delequipo sería incorrecto.

Una instalación diferente a las anteriores es la que dispone de varios trafosconectados en paralelo en el lado de BT.

Transformadores de distribución distintosLa compensación de esta instalación se puede realizar con la colocación de dosbaterías automáticas y sus respectivos TI.

Transformadores de distribución igualesEn este caso se puede compensar con una única batería cuyo regulador estáalimentado por un transformador sumador, el cual está alimentado a su vez por losTI de cada trafo.El número máximo de entradas de los sumadores es de 5 (fig. 27).

Precauciones de instalaciónc Transformadores de distribución distintos:Cada batería es alimentada por un TI distinto conectado a la salida de cada trafo.Tanto los ajustes como la instalación se deben considerar como si fueran dosembarrados independientes.c Transformadores de distribución iguales:Si se realiza la compensación con una única batería, la única precaución es en elmomento de realizar la puesta en marcha: la relación C/K que se debe programaren el regulador debe considerar la suma de todos los TI que alimentan al sumador.

Fig. 25: esquema de conexión a un único embarrado deBT, y ubicación del TI.

TI

M

la compensación en un sóloembarrado

la compensación en un embarradoalimentado por varios trafos

Fig. 27: esquema de conexión en el caso de varios trafosen paralelo y ubicación del TI.

TI 1

M M

TI 2

Σ

Embarrados independientes en BTOtra posible instalación es la que dispone de varios embarrados independientesque no tienen por qué estar conectados a dos transformadores idénticos. Por estemotivo la necesidad de potencia reactiva será distinta para cada embarrado y sedeberá evaluar separadamente con los métodos anteriormente definidos.La compensación se realizará para la totalidad de los receptores de la instalación, yel amperaje de los transformadores de intensidad para cada embarrado sedeterminará independientemente en función del total de la intensidad que atraviesacada disyuntor general de protección.

Precauciones de instalaciónAnálogamente al caso anterior, la ubicación de cada TI se deberá realizar de lamisma forma, para que lean ambos transformadores el consumo de cada parte dela instalación separadamente.

Fig. 26: esquema de conexión a varios embarrados de BTindependientes y ubicación del TI.

TI 1

M M

TI 2

15 2

la compensación en variosembarrados


el concepto de la regulación información técnica

Definición de una batería automáticaLos 3 datos que definen una batería automática de condensadores son lossiguientes:c La potencia en kVAr, que vendrá dada por los cálculos efectuados y dependerádel cos ϕ objetivo que se desea tener en la instalación.c La tensión nominal, que siempre deberá ser mayor o igual a la tensión de red.c La regulación de la batería, que indicará el escalonamiento físico de la misma.

Regulación físicaEl escalonamiento o regulación física de una batería automática indica lacomposición y el número de los conjuntos condensador-contactor que la forman.Normalmente se suele expresar como relación de la potencia del primer escalóncon el resto de escalones.

Ejemplo:Batería de 70 kVAr, formada por los siguientes escalones de potencias:10 + 20 + 20 + 20, tiene una regulación 1.2.2, ya que el primer escalón tiene lamitad de potencia que el resto de escalones.Otra batería de 70 kVAr formada por los siguientes escalones de potencias:7 escalones de 10 kVAr, tendría una regulación 1.1.1.Obsérvese en la fig. 28, la actuación de dos baterías de regulación 1.1.1 y 1.2.2.como las del ejemplo.La adaptación a la demanda de reactiva de las dos baterías va a ser exactamente lamisma a pesar de tener dos regulaciones físicas distintas.

Regulación eléctricaRealmente, el dato que marca la diferencia de actuación de una batería es laregulación eléctrica.En el ejemplo anterior la regulación eléctrica de ambas baterías es la misma(7 × 10), indica que ambas baterías van a actuar con una regulación mínima de10 kVAr.

Una batería bien elegidaDesde el punto de vista del precio del equipo, cuantos más escalones físicos tienela batería, más cara resulta ya que aumentan el número de conjuntos contactor-condensador y el tamaño de la envolvente del equipo.Desde el punto de vista de la adaptación al cos ϕ objetivo, cuanto menor sea laregulación eléctrica mejor se podrá adaptar a las variaciones de la demanda dereactiva de la instalación.Por lo tanto, en una batería bien elegida debe existir un equilibrio entre la regulacióneléctrica y física.Los reguladores Varlogic permiten hasta 7 regulaciones distintas con lo queoptimizan el coste del equipo proporcionando un máximo de “finura” en laregulación.

Ejemplo:Una batería de 70 kVAr formada por 3 escalones de potencias: 10 + 20 + 40,regulación 1.2.4., proporciona una regulación eléctrica igual a la del ejemploanterior con un menor precio que la de 7 × 10 ya que son sólo 3 conjuntoscontactor-condensador.

Fig. 29: en una batería bien elegida debe existir un equilibrio entre laregulación eléctrica y física.

regulación física y eléctrica

regulaciónfísica

regulacióneléctrica

Fig. 28: escalonamiento 1.1.1 y 1.2.2.

1.1.1 1.2.2

regulación

Q demandada Q demandada

t t


La forma de programar este valor es lo que se conocecomo C/K y su fórmula es la siguiente:

C/K = Q1 / 3 × U

RTI

donde:Q1 = potencia reactiva del primer escalón (VAR).U = tensión FF.RTI = relación TI ( X/5).

Ejemplo:Batería de 70 kVAr, formada por los siguientesescalones de potencias: 10 + 20 + 40.Se conecta en una instalación donde el disyuntorgeneral de protección es de 630 A.El TI que se deberá instalar será 700/5 y el cálculo delC/K será:

C/K = 10 × 1000 / ( 3 × 400) / 700/5 = 0,10

La importancia del ajuste del C/KPara comprender la importancia del ajuste C/K hayque pensar que cada batería tiene un escalonamientomínimo definido (determinado por la potencia delprimer escalón).

el concepto de la regulación información técnica

Fig. 30: interpretación del ajuste C/K en un regulador de energíareactiva.

corriente reactiva C/K

corriente activa

0,75

inductivo

capacitivo

C/K

ϕ0,75

+

–

el regulador

La programación de un reguladorLos datos que se deben programar en un regulador alrealizar la puesta en marcha son los siguientes:c El cos ϕ deseado en la instalación.c La relación C/K.Estos datos son únicos para cada instalación y no sepueden programar de fábrica.

Qué es el C/KEl regulador es el componente que decide la entradao salida de los distintos escalones de potencia enfunción de 3 parámetros:c El cos ϕ que se desea en la instalación.c El cos ϕ que existe en cada momento en lainstalación.c La intensidad del primer escalón (que es el quemarca la regulación mínima de la batería).La entrada de intensidad al regulador se efectúasiempre a través de un TI de relación X/5.Para que el regulador pueda tomar la decisión deconectar o desconectar escalón debe saber cuál va aser la intensidad reactiva que va a introducir en lainstalación, y esta intensidad debe estar referida alsecundario del TI ya que es el valor que el regulador“lee”.

Por este motivo la batería no se podrá ajustar al cos ϕdeseado a no ser que la demanda de la instalacióncoincida exactamente con dicho valor o un múltiplodel mismo.

Ejemplo:Batería de 70 kVAr formada por los siguientesescalones: 10 + 20 + 40.El cos ϕ objetivo programado en el regulador es = 1.Los datos de la instalación en un determinadomomento son:

P = 154 kWcos ϕ = 0,97

con lo que la Q reactiva necesaria para alcanzar el cosϕ deseado sería:

Q = P × (tg ϕinicial – tg ϕdeseado) =

= 154 × (0,25 – 0) = 38,5 kVAr

Como el escalonamiento eléctrico de esta batería esde 7 × 10 kVAr, la batería estaría constantementefluctuando entre 30 y 40 kVAr.Para evitar esta actuación inestable existe el ajuste C/K.

Interpretación del ajuste C/KEn la fig. 30 está representado el significado del ajusteC/K:c El eje X representa la intensidad activa de lainstalación; el eje Y, la intensidad reactiva (inductiva enel semiplano positivo y capacitiva en el negativo).c Se puede representar en este gráfico cualquiersituación del cos ϕ de la instalación comolas coordenadas de un punto (X,Y) atendiendoa las componentes de intensidad activa yreactiva.c Se ha representado la línea cuya pendiente es latg ϕ, siendo ϕ el ángulo para el cos ϕ deseado.c Como se ha visto anteriormente la batería no sepuede ajustar exactamente a la demanda de reactivaque existe en cada momento en la instalación, por esose crea una banda de funcionamiento estable delregulador en la cual a pesar de que el cos ϕ no seaexactamente el deseado no va a conectar nidesconectar más escalones.c Esa banda es el C/K; por encima de la banda C/K elregulador va a conectar escalones y por debajo losdesconecta.Un ajuste demasiado bajo del C/K implicaría unsobretrabajo inútil de los contactores; un C/Kdemasiado alto supondría una banda estableexcesivamente ancha, y por lo tanto no se alcanzaríael cos ϕ deseado.c Los reguladores proporcionan la posibilidad deajuste automático del C/K bajo cualquier condición decarga de la instalación.El ajuste manual permite introducir valores de C/Kdesde 0,01 hasta 1,99 pudiendo visualizar en pantallael valor ajustado.

6/18SCHNEIDER ELECTRIC

Fenómenos transitorios yperturbaciones

En

brev

e

2.1 Regimen transitorio de conexión

La conexión de una batería de condensadores se acompaña de un regimentransitorio de corriente y tensión. Una sobreintensidad y una sobretensiónaparecen, donde la amplitud y la frecuencia dependen de las caracteristicas de lared aguas arriba y del número de de condensadores.

La red aguas arriba se considera como una inductancia pura La tal como :

cc

n

cc

na

I

U

S

UL

3

2

==ω

donde : Un : tensión nominal, Icc : corriente de cortocircuitotáiifasica simetrica al punto de conexión delcondensador, Scc : potencia de cortocircuito en el punto de conexión del condensador

(por definición, ccncc IUS ..3= ).

El punto de unión del aparato de corte (contactor, disyuntor o interruptor) a labatería de condensadores se considera igualmente como una inductancia pura.

2.1.1. Caso de un condensador fijo

El esquema monofásico equivalente es de la figura siguiente :

Uh√3

La L

C

Figura 5 - Esquema simplificado de un condensador fijo

La : inductancia de la red aguas arriba, L : inductancia de la conexión del aparato de corte al condensador.

Se demuestra que la expresión de la corriente de cresta de conexión es :

LL

CUÎ

ane +

=3

2

L es despreciable frente La, donde :

ane L

CUÎ

3

2=

La frecuencia propia de esta corriente es :

E58

745

La utilización de condensadores,viene acompañada de diferentesregimenes transitorios y deperturbaciones : corriente de impulso importante yfuerte sobretensión a la conexiónde los condensadores. fenómeno de resonancia ysobrecarga armónica.


CLf

a

o π2

1=

Su duración es equivalente a la duración del periodo transitorio de un cortocircuito,es decir algunas docenas de ms.

Se puede comparar esta corriente con la corriente nominal del condensador :

3n

ncapa

UCI ω=

donde :

CLI

Î

ancapa

e

ω1

2 ×=

Utilizando :

cc

na S

UL

2

=ω y 2nUCQ ω=

obteniendo :

Q

S

I

Î cc

ncapa

e 2=

La sobreintensidad se acompaña de una sobretensión, pudiendo ser el valormaximo cercano a 2 veces la tensión de cresta de red.

EjemploSupongamos un condensador fijo de 250 kvar de tensión nominal Un = 400 Valimentado por una red con una potencia de cortocircuito de maxima Scc = 20MVA,:

Q

S

I

Î cc

ncapa

e 2=

6,1210.250

10.20.2 3

6

==ncapa

e

I

Î

CLf

a

o π2

1=

HzQ

Sf cc

o 44710.250

10.20.50

2 3

6

===π

ω

La corriente de cresta de conexión máxima vista en este ejemplo 12,6 veces lacorriente nominal del condensador, y su frecuencia propia es 447 Hz.

Las figuras siguientes representan la corriente de conexión y la tensión de red,cuando la conexión da lugar al máximo de tensión.


0 0.01 0.02 0.03 0.04-5000

0

-4000

-3000

-2000

-1000

1000

2000

3000

4000

5000

t (s)

A

Figura 6 - Corriente de conexión

V

0 0.01 0.02 0.03 0.04600

0

500

400

200

100

100

200

300

500

600

t (s)

300

400

Uh√3

La

CC

LL

C

L

C

L

321 n+1

Figura 8 - Esquema simplificado de una batería automática

La : inductancia de la red aguas arriba L : inductancia de la unión del aparato de corte a la batería de condensadores(0,5 µH/m).

La corriente de cresta en la conexión Îe es maxima cuando n escalones estan enservicio ( conectados) y se conecta n+1. Los escalones en servicio se descarganen el escalon que se conecta. Cuando las L son pequeñas, esta corriente deconexión es muy importante (es independiente de la inductancia de la red La).

Figura 7 - Tensión de red a la conexión

2.1.2. Caso de una batería automáticaEl esquema monofásico equivalente para (n+1) escalones de condensadores escomo el de la figura siguiente :

E58

746

E58

747

E58

748


:

Figura 9 - Esquema de principio de las resistencias de preinserción

Cada escalon de condensadores esta maniobrado por un contactor equipado concontactos auxiliares. Las resistencias estan conectadas en serie con loscontactos auxiliares.

Al cierre del contactor, los contactos auxiliares se cierran instantaneamente, loque permite la precarga a traves de las resistencias. Despues de 3msaproximadamente, los contactos principales se cierran, cortocircuitando lasresistencias.

Imagen : sobre los datos del ejemplo anterior, con resistencias de preinserciónigual a 3,2 W :o corriente en el condensador conectado, tensión en los bornes del condensador conectado y tensión de red.

Punta de corriente a la conexión del 6º escalon : Îcapa ≈ 700 A, esaproximadamentte 10 veces la corriente nominal de un escalon.

Se demuestra que la expresión de la corriente de cresta de conexión es :

L

CU

n

nÎ ne 13

2

+=

Pudiendo comparar esta corriente nominal con la de un escalon Incapa :

3n

ncapa

UCI ω=

Se obtiene :

LQU

n

n

I

În

ncapa

e

..

1..

1.

3

2

ω+=

donde : Q = potencia reactiva de un escalón.

EjemploSupongamos una batería de 6 escalones cada uno de 50 kvar, de tension nominal400 V, separados 1 metro de su aparato de corte asociado. :

16810.5,0.314.10.50

1.400.

6

5.

3

2

..

1..

1.

3

263

==+

=LQ

Un

n

I

În

ncapa

e

ω

La corriente de cresta de conexión máxima tiende en este ejemplo a 168 veces lacorriente nominal de un escalon de condensadores.

Esta corriente es muy elevada, y no puede ser soportado por los condensadoresni por los aparatos de corte, por lo que habrá que utilizar un dispositivo que limite lacorriente de conexión.

En el caso de las baterías automáticas de Schneider Electric, la limitación de lascorrientes de conexión se obtiene mediante las resistencias de preinserción delos contactores; el principio de funcionamiento se ilustra en la figura siguiente

E58

749


0 0.11 0.12 0.13 0.14-800

0

-600

-400

-200

200

400

600

800

t (s)

A

0 0.11 0.12 0.13 0.14-400

0

-300

-200

-100

100

200

300

400

t (s)

V

Figura 11 - Tensión en bornes del condensador conectado y tensión de red

G•n•rateurd'harmoniques

Batterie decondensateurs

Chargelin•aire

Ih

Ls

C

Figura 12 - Esquema simplificado de una instalación

E58

762

E58

750

E58

751

Figura 10 - Corriente en el condensador conectado

2.2 Resonancia

El fenómeno de la resonancia es el origen de las distorsiones armónicas másimportantes en las redes de distribución, y la causa de la mayor parte de lassobrecargas en los condensadores de potencia.Los fenómenos descritos, a continuación, son del tipo "resonancia paralelo".

Consideramos el esquema simplificado siguiente, que representa una instalacióncomprendiendo : un transformador de alimentación, cargas lineales, cargas no lineales generadoras de corrientes armonicas, condensadores de potencia.


Ls C R Ih

Z

Para un analisis armonico, el esquema equivalente es el siguiente :

Figura 13 - Esquema equivalente para analizar armonicos

Ls : inductancia de la alimentación (red + tranfo + linea), C : capacidad del condensador, R : resistencia de las cargas lineales, Ih : generadores de armónicos.

El modulo de la impedancia visto por las corrientes armónicas se representa en lafigura inferior :

Z (Ω)

f (Hz)

R•seau aveccondensateur

R•seau seul

Zone d'amplificationdes harmoniques

far



Chargelin•aire

I har

Figura 15 - Circulación de las corrientes armónicas

La red de alimentación asi como los condensadores de potencia estan sometidos acorrientes armonicas importantes y por lo tanto al riesgo de sobrecarga. Ejemplo

Figura 14 - Modulo de la impedancia Z en función de la frecuencia

Interpretación fisica : la frecuencia far es la frecuencia de sintonización del circuito (ls + C), a la frecuencia far, el modulo de la impedancia de la red visto por los armonicoses maximo. Entonces aparecen tensiones armonicas importantes, y por lo tantouna fuerte distorsión en tensión, dentro de la zona de amplificación de los armonicos hay en el circuito (ls + C)circulación de corrientes armonicas superiores a las corrienstes armonicasinyectadas.

El esquema siguiente muestra los elementos del circuito afectados por lascorrientes armonicas :

E58

763

E58

752

E58

753




Chargelin•aire

I har


Chargelin•aire

Consideremos en primer lugar una red con un transformador, un conjunto decargas lineales y una batería de condensadores.

Los parámetros son los siguientes : potencia nominal del transformador : Sn = 1000kVA, tensión de cortocircuito del transformador : 5 %, cargas lineales : potencia : P = 500kW, cosϕ : 0,75, batería de condensadores : Q = 250kvar.La figura 17 muestra cual sería la corriente que circularía por los condensadores

En un segundo lugar, supondremos que la mitad de las cargas lineales sonsustituidas por cargas no lineales.

Observamos una fuerte distorsión en corriente en los condensadores ( figura 18).

La frecuencia de resonancia es 447Hz, lo que provoca una fuerte amplificación delos armonicos de rango 11.

A

rang

50

0

100

150

200

250

5 7 11 13 17 19 23 25

inject•

r•sultat

Figura 16 - Espectro de corrientes armónicas

Corriente de los condensadores, sin inyección de armónicos

Figura 17 - Compensación sin inyección de armónicos

Corriente de los condensadores, con inyección de armónicos

0 0.47 0.48 0.49 0.5

-400

0

-300

-200

-100

200

300

400

500

t (s)

100

-500

Figura

18 - Compensación con inyección de armónicos

0 0.47 0.48 0.49 0.5

-400

0

-300

-200

-100

200

300

400

500

t (s)

100

-500

E58

754

E58

755

E58

756

E58

757

E58

758


2.3 Sobrecargas armónicas

2.3.1. Caso generalLas tensiones armónicas aplicadas al condensador provocan la circulación decorrientes proporcionales a la frecuencia de los armónicos. Estas corrientes sonresponsables de perdidas suplementarias. Las tensiones armónicas aumentantambien el valor de cresta de la tensión, lo que produce un envejecimientoprematuro de los condensadores.

Ejemplo tensión fundamental : U1, tensiones armónicas :- u5 = 8 %,- u7 = 5 %,- u11 = 3 %,- u13 = 1 %,(THDu = 10 %).

I U C

I U C u I

I U C u I

I U C u I

I U C u I

I I

I

Iu u u u

rms h

rms

1 1

5 5 5 1

7 7 7 1

11 11 11 1

13 13 13 1

2

15

27

211

213

2

5 5

7 7

11 11

13 13

1 5 7 11 13 119

== == == == =

=

= + + + + =

∑

. .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

( . ) ( . ) ( . ) ( . ) ,

ωωω

ωω

Como resultado tenemos una sobrecarga cercana al 20% en relación a unfuncionamiento sobre una tensión perfectamente senosuidal.

Los condensadores estandar pueden soportar una sobrecarga en corriente del 30% ( para soportar el efecto acumulado de los armónicos y de las fluctuaciones detensión).

En caso de una fuerte distorsión armónica, debemos de utilizar condensadoresClase H, pudiendo soportar 1,43 In.

2.3.2. sobrecarga de los filtros antiarmónicosEl objetivo de un filtro antiarmónicos es el de desviar las corrientes armónicashacia un circuito de baja impedancia, para evitar que estas no circulen en la red.Este principio se ilustra en la siguiente figura :


Filtre Chargelin•aire

I har

E58

759

Figura 19 - Esquema simplificado de una instalación con un filtro antiarmónicos


E58

760


Filtre Chargelin•aire

I har

En el caso donde la red de alimentación tenga ya una distorsión armonica ( debidoa cargas generadoras de armónicos conexionadas aguas arriba de la instalación).Existe un riesgo de sobrecarga del filtro, tal y como muestra la figura siguiente :

Figura 20 - Riesgo de sobrecarga en un filtro anitarmónicos

La distorsión en tensión existente debe de tenerse en cuenta para eldimensionamiento de los filtros antiarmonicos.

Los equipos de filtraje de armónicos estan sistematicamente equipados con unaprotección por sobrecarga.


Elección de las protecciones

En

brev

e3.1 Corriente de conexión

Hemos visto que el valor de la corriente de cresta a la conexión de una batería decondensadores puede ser muy elevada, sobretodo en una batería automática. Lasbaterías de condensadores automáticas de baja tensión de Schneider Electricestan equipadas con contactores con resistencias de preinserción, limitadoras dela corriente de conexión.

esta resistencia permite :

olvidarnos de la corriente máxima de cresta admisible por los condensadores,

olvidarnos de la corriente de conexión máxima admisible por los aparatos decorte ( contactor, disyuntor o interruptor),

aumentar la vida de los contactores

3.2 Dimensionamiento térmico de losmateriales (aparatos de corte y cables)

Las variaciones admisibles del valor de la tensión fundamental y de suscomponentes armónicas pueden llevar a un aumento de la corriente en loscondensadores, entorno a un 30 - 45 %.Las variaciones debidas a la tolerancia de la capacidad pueden ocasionar unaumento suplementario del 15 % (según norma NFC 15-104).En el caso de los condensadores de Schneider Electric, este aumentosuplementario está limitado al 5 %.

El efecto acumulado de los dos fenómenos hace que los materiales deban de estardimensionados para una corriente de :

1,3 x 1,15 = 1,5 veces la corriente nominal de las baterías de condensadores engeneral,

1,3 x 1,05 = 1,36 veces la corriente nominal en el caso particular de los equiposSchneider Electric de la clase estandar y de las baterías protegidas coninductancias antiarmónicos ( clase SAH).

1,45 x 1,05 = 1,5 veces la corriente nominal para los condensadores reforzadosde Schneider Electric ( clase H).

3.3 Elección y calibrado de las proteccionespara baterías de condensadores

La protección de los condensadores baja tensión se puede realizar mediantefusibles o por disyuntor.

Protección por disyuntorComo se ha dicho anteriormente, el calibre debe de ser superior a 1,36x Incapa, eltérmico puede ser regulado a 1,36x Incapa.

La protección debe de ser sensible al valor eficaz de la corriente ( incluyendo losarmonicos).

El reglaje de desconexión instantanea debe de ser regulado a 10x Incapa.

Para la elección y el calibre de lasprotecciones hay que tenerencuenta : la corriente de conexión, las componentes armónicas, las variaciones de la tensión dered, tolerancia.


Fusiblede la batterie

Fusibled'un gradin

Tipo de disyuntoresSe recomienda la utilización de disyuntores del tipo magnetotérmico.

En el caso de la utilización de disyuntores electronicos, el ajuste de desconexión "corte lento" debe de ser regulado a 10 veces la corriente Ir, con el objeto depermitir el paso de la punta de corriente en la conexión.

Cordinación de los disyuntores con los equipos de compensaciónEn el caso de proteger de una batería de condensadores mediante un disyuntorlimitador, no es necesario dimensionar el embarrado de la batería para la mismacorrriente de cortocircuito de la instalación. ( ver las curvas de limitación de losdisyuntores compact y Masterpact).

Utilización de dispositivos de protección diferencialEn la conexión de una batería , las 3 corrientes de fase no estan equilibradas,incluso si la suma de las 3 fases es cero. Estas corrientes son de valoreselevados. Por lo que hace hay que intentar centrar lo máximo posible eltransformador de medida sobre los tres cables, con el fin de evitar que unaasimetría no provoque una detección de corriente parasitaria y una desconexiónintempestiva. Proteccón por fusible

condensador fijo :

Para no sufrir el riesgo de fusión de los fusibles tras un gran número deconexiones, el calibre debe de ser superior a 1,6x I

ncapa.

batería automática :

E58

761

Figura 21 - Protección mediante fusibles de una batería automática

El calibre del fusible de cada escalón no debe de ser superior a 1,6x Incapa

(Incapa : corriente nominal de un escalón).

El calibre del fusible de la batería debe de ser superior a 1,4x Inbat

(Inbat : corriente nominal de la batería).

Podemos decir que el coeficiente de seguridad del calibre del fusible de la bateríaes 1,4 en lugar de 1,6, porque los escalones no se conectan simultaneamente.

Los fusibles deben de ser del tipo gL. Hay que tener en cuenta el sobrecalibraje,esto puede no asegurar la protección contra las sobrecargas.

Las baterías automáticas pueden incorporar como opción un disyuntor deprotección general.

tambien en el caso de condensadores con inductancias antiarmónicos

El calibre del fusible se elige en función de la corriente eficaz nominal (teniendo encuenta los armónicos).


Recordatorio : la corriente eficaz es

...... 221 +++= ieff III

donde :- I1 : valor de la corriente a 50 Hz 50 Hz (o 60 Hz),- Ii : valor de la corriente armónica de rango i.

El calibre del fusible de cada escalon debe de ser supeior a 1,4x Iecapa

(Iecapa : corriente eficaz nominal de un escalon).

El calibre del fusible de la batería debe de ser supeior a 1,2x Iebat

(Iebat : corriente eficaz nominal de la batería).

Hay que remarcar que los coeficientes de seguridad de los calibres de los fusiblesson inferiores en el caso donde haya inductancias antiarmónicos o filtros. Ya queestas inductancias limitan considerablemente la corriente de conexión.

Protección de los cablesLos cables de alimentación deben de estar dimensionados de la misma forma quelos dispositivos de mando y de protección; es decir para un valor 1,36 veces lacorriente nominal de la batería.

Deberán igualmente estar protegidos contra los cortocircuitos que puedan sucederen el cableado o en caso de avería de los condensadores.


generalidades sobre armónicos información técnica

IntroducciónEn sistemas eléctricos se denominan armónicos a lasondas de tensión o intensidad cuya frecuencia esvarias veces mayor de la frecuencia fundamental dela red (50 Hz).Generalmente se presentan varias ondas de diferentesórdenes armónicos a la vez constituyendo unespectro y dando como resultado una ondadistorsionada.En la fig. 31 se observa la descomposición de unaonda distorsionada en una onda senoidal a lafrecuencia fundamental (50 Hz) más una onda a unafrecuencia distinta.

generalidades sobre los armónicos

+

Fig. 31: descomposición de unaonda distorsionada.

Medida de los armónicos: distorsiónLa mayor o menor presencia de armónicos en unared se denomina distorsión y su magnitud secuantifica por las tasas de distorsión armónica:c Th: Tasa de distorsión individual:Representa en % la importancia de cada armónicorespecto al valor de la fundamental:

Th (%) = Ah / A1

donde:Ah = valor de tensión o intensidad del armónico deorden h.A1 = valor de tensión o intensidad a la frecuenciafundamental (50 Hz).

Fig. 32: los aparatos de valorpromedio rectifican la ondamedida y corrigen el valor con elfondo de escala multiplicándolopor un valor constante de 1,11.Por este motivo los errores almedir una onda distorsionadapueden llegar hasta el 40 %.

Valor eficazEl valor eficaz de una onda distorsionada se obtienecalculando la suma cuadrática de los diferentesvalores de la onda para todos los órdenes armónicosexistentes para dicha onda:

Valor eficaz de I:

I (A) = I12 + I2

2 + ... + In2

De este cálculo se deduce que el valor eficaz detodas las componentes armónicas es el siguiente:

Ih (A) = I22 + ... + In

2

Este cálculo permite intuir uno de los principalesefectos de los armónicos que es el aumento de laintensidad eficaz que atraviesa una instalacióndebido a las componentes armónicas que llevaasociada una onda distorsionada.

Habitualmente, la definición de la aparamenta y delos cables o canalizaciones de la instalación serealiza a partir de la intensidad nominal a lafrecuencia fundamental, por lo que todos estoscomponentes de la instalación no están diseñadospara soportar todo el exceso de intensidad armónica.

Detección del problema en la instalaciónPara detectar los posibles problemas de armónicosque puedan existir en las instalaciones es necesarioutilizar equipos de medida de verdadero valor eficaz(TRMS), ya que los equipos de valor promedio (AVG)sólo proporcionan medidas correctas en el caso deque las ondas sean perfectamente senoidales.En el caso en que la onda sea distorsionada, lasmedidas pueden estar hasta un 40 % por debajo delverdadero valor eficaz.

Los armónicos se definen habitualmente con los dosdatos más importantes que les caracterizan, queson:c Su amplitud:hace referencia al valor de la tensión o intensidaddel armónico.c Su orden:hace referencia al valor de su frecuencia referido a lafundamental (50 Hz).Así, un armónico de orden 5 tiene una frecuencia 5veces superior a la fundamental, es decir 5 × 50 Hz == 250 Hz.

c THD: Tasa de distorsión global:Representa en % la importancia del total de ladistorsión respecto al valor de la fundamental orespecto al valor total de la onda.Existen dos formas de identificar dicho valor según laCIGREE y según la CEI-555:

THDCIGREE = Σh

2 A2

h

A1

THDCEI-555 = Σh

2 A2

h

Σh

1 A2

h


causas y efectos de los armónicos información técnica

Fig. 33: las cargas lineales tales como inductancias,condensadores y resistencias no generan armónicos.

Fig. 34: las cargas no lineales son las que generanarmónicos.

Los generadores de armónicosEn general, los armónicos son producidos por cargasno lineales que, a pesar de ser alimentadas con unatensión senoidal, absorben un intensidad no senoidal.Para simplificar se considera que las cargas nolineales se comportan como fuentes de intensidadque inyectan armónicos en la red.Las cargas armónicas no lineales más comunes sonlas que se encuentran en los receptores alimentadospor electrónica de potencia tales como variadores develocidad, rectificadores, convertidores, etc.Otro tipo de cargas tales como reactanciassaturables, equipos de soldadura, hornos de arco,etc., también inyectan armónicos.El resto de cargas tienen un comportamiento lineal yno generan armónicos: inductancias, resistencias ycondensadores.

V = I = V = I =

Ejemplos de generadores de armónicosEn la fig. 35 se citan, a título orientativo, distintosreceptores con unas indicaciones sobre el espectroarmónico en intensidad inyectado.

efectos de los armónicos

sobre los conductores

sobre el conductor de neutro

sobre los transformadores

sobre los motores

sobre los condensadores

causa

c Las intensidades armónicas provocan elaumento de la IRMS.c El efecto pelicular (efecto “skin”) reducela sección efectiva de los conductores amedida que aumenta la frecuencia.

c Cuando existe una carga trifásica +neutro equilibrada que genera armónicosimpares múltiplos de 3.

c Aumento de la IRMS.c Las pérdidas por Foucault sonproporcionales al cuadrado de lafrecuencia, las pérdidas por histéresis sonproporcionales a la frecuencia.

c Análogas a las de los transformadores ygeneración de un campo adicional alprincipal.

c Disminución de la impedancia delcondensador con el aumento de lafrecuencia.

consecuencia

c Disparos intempestivos de lasprotecciones.c Sobrecalentamiento de los conductores.

c Cierre de los armónicos homopolaressobre el neutro que provocacalentamientos y sobreintensidades.

c Aumento de los calentamientos porefecto Joule en los devanados.c Aumento de las pérdidas en el hierro.

c Análogas a las de los transformadoresmás pérdidas de rendimiento.

c Envejecimiento prematuro, amplificaciónde los armónicos existentes.

Fig. 35: indicaciones sobre el espectro armónico inyectado por diferentes cargas.

tipo de carga armónicos generados comentarios

transformador orden par e impar componente en CC

motor asíncrono orden impar inter y subarmónicos

lámpara descarga 3o+ impares puede llegar al 30% de l1

soldadura arco 3o

hornos arco CA espectro variable no lineal-asimétricoinestable

rectificadores con h = K × P ± 1 SAI-variadores V

filtro inductivo Ih = l1/h

rectificadores con h = K × P ± 1 alimentaciónfiltro capacitivo Ih = l1/h equipos electrónicoscicloconvertidores variables variadores V

reguladores PWM variables SAI-convertidor CC-CA


análisis armónico de unainstalación


fuenteperturbadora

Pcc

cargasactivas

Z = U2 / P

batería

Z = U2 / (Q h) j

Fig. 40: resonancia paralelo y factor de amplificación.

XL

ω

X

X Lsi f

XC

ω

X

XCsi f

Fig. 38: modelización de una instalación tipo. Fig. 39: esquema equivalente de la instalación.

Zcc

ω

Z1

Z2

conceptos previos Impedancias característicasEn la fig. 36 se ha representado la variación de laimpedancia de una inductancia respecto a lafrecuencia.La fórmula que determina dicha función es lasiguiente:

XL = L × = L × 2 × × f

Análogamente, en la fig. 37 se ha representado lamisma curva para una impedancia capacitiva.La fórmula equivalente para este caso es:

Xc = –1 = –1

× C (2 × × f) × C

La resonancia paraleloComo se ha citado en el apartado anterior, toda lainstalación situada aguas arriba del embarrado(cables, transformador, PCC de red...) quedasimplificado como una impedancia inductiva por loque tal y como se ve en la fig. 39, aparece unaimpedancia inductiva en paralelo con la batería decondensadores.

Esta asociación (inductancia y condensador enparalelo) provoca el fenómeno de la resonanciaparalelo del sistema, por la cual, a una frecuenciadeterminada, el valor de la impedancia inductiva delsistema se hace muy elevado.La representación de la impendancia en función de lafrecuencia, para un sistema que presenta resonanciaparalelo, se ha realizado en la fig. 40, donde tambiénse representa la impedancia del sistema sin bateríade condensadores.

El factor de amplificaciónEn la fig. 40 se observa la diferencia de impedancias:c Z1: impedancia de la instalación sin batería decondensadores.c Z2: impedancia de la instalación con batería decondensadores.La diferencia entre estos dos valores de impedanciaes el factor de amplificación.La presencia de una batería de condensadores enuna instalación no genera armónicos, sin embargopuede amplificar los armónicos existentes agravandoel problema.Por otro lado, al mismo tiempo es uno de loselementos más sensibles a los armónicos ya quepresenta una baja impedancia a frecuencias elevadasy absorbe las intensidades armónicas más fácilmenteque otras cargas, reduciendo considerablemente lavida de los condensadores.

Esquema equivalente de una instalación tipoPara proceder al análisis armónico de unainstalación, se realiza una modelización de la redconsiderando las cargas no lineales como fuentes deintensidad armónicas.En la fig. 38 se ha representado una instalación tipoen la que se han agrupado todas las cargas de lainstalación en tres tipos:c Cargas generadoras de armónicos.c Cargas no generadoras (lineales).c Condensadores para compensación de la EnergíaReactiva.La fig. 39 muestra el esquema equivalente de lainstalación modelizada anteriormente visto desde elembarrado general de BT. Destacar que todo losituado aguas arriba del embarrado de BT (eltransformador y la impedancia de red) son vistoscomo una impedancia inductiva.

Fig. 36: variación de la impedancia inductiva enfunción de la frecuencia.

Fig. 37: variación de la impedancia capacitiva enfunción de la frecuencia.


Determinación del riesgo de amplificación de corrientes armónicasPara comprobar de una forma rápida si en una red puede existir un riesgoimportante de que se presente el fenómeno de la amplificación, se debe analizarlo siguiente:c Que haya armónicos que puedan ser amplificados; es decir, que la frecuenciade resonancia paralelo del sistema coincida con un rango próximo al de losarmónicos presentes en la instalación.La frecuencia de resonancia se puede calcular estimativamente con la siguientefórmula:

hrp = Pcc

Q

donde:hrp = rango de la frecuencia de resonancia paraleloPcc = potencia de cortocircuito en el punto de conexión de la bateríaQ = potencia de la batería de condensadores

c Que el factor de amplificación tenga un valor importante:

FA = Q × Pcc

P

FA = factor de amplificaciónPcc = potencia de cortocircuito en el punto de conexión de la bateríaQ = potencia de la batería de condensadores (kVAr)P = potencia activa de la instalación (kW)

instalación de condensadoresen una red con armónicos


Fig. 41: amplificación de intensidades armónicas en unainstalación modelizada.

la amplificación

Primeras precauciones: etapa de proyectoYa en la etapa de proyecto de una instalación sepuede, como se ha visto antes, evaluar la posibleproblemática y anticiparnos a la misma:c Disminución de la amplitud de los armónicos:incorporando convertidores con elevados índices depulsación (K = 12) la amplitud de los armónicosgenerados se disminuye.c La separación de cargas generadoras y nogeneradoras permite atacar el problema de unaforma más sencilla al realizar una concentración delas cargas no lineales.c Reducción del factor de amplificación:distribuyendo en embarrados independientes, esdecir, evitando la conexión en paralelo de distintostransformadores de potencia se reduce la Pcc en elpunto de conexión de la batería, con lo que baja elFA.c En general, para determinar el equipo concreto quese debe utilizar se aconseja la medición dearmónicos y la realización de un posterior estudio.

Proceso de definición de los equipos: mediciónTanto en instalaciones nuevas como en instalacionesen las que ya se haya detectado un nivel alarmantede armónicos, se deben efectuar las medicionesoportunas del espectro armónico tanto en elembarrado de baja tensión como en las cargasgeneradoras de armónicos.Además, será necesario analizar el problemaconcreto de cada instalación: la sensibilidad de losdistintos receptores, las necesidades decompensación de reactiva, exportación oimportación de armónicos...En la página 40 se ha incluido una ficha con losdatos solicitados en una instalación para realizar unestudio sobre la incidencia de la instalación de unabatería de condensadores, cuando exista unapresencia de armónicos en la instalación, y lasposibilidades de filtrado que puedan existir.

IhIh

Vh

FAIh

FAIh

Ih


soluciones a la compensación enpresencia de armónicos

Hoy, y cada día más, nos encontramos que a la horade compensar la energía reactiva en una instalaciónno solo debemos tener presente los datos “clásicos”,es decir potencia activa, coseno ϕ inicial, coseno ϕfinal, índice de carga, etc., sino que tambien hay quetener en cuenta la presencia de posibles receptoresque pueden contaminar la instalación con armónicos:variadores, rectificadores, hornos de soldadura,fluorescentes, etc.En una instalación nos podemos encontrar con cargaslineales y cargas no lineales.Las cargas lineales son aquellas en las queobtenemos como respuesta a una señal de tensiónsenoidal una corriente también senoidal; por ejemplo:resistencias, motores, transformadores, etc.Las cargas no lineales son aquellas en las que lacorriente que absorbe no tiene la misma forma que latensión que la alimenta. Por ejemplo: alimentacionesconmutadas, motores en el momento del arranque,variadores, etc.

La presencia de una batería de condensadores en unainstalación no genera armónicos, sin embargo puedeamplificar los armónicos existentes agravando elproblema.Por otro lado, al mismo tiempo es uno de loselementos más sensibles a los armónicos ya quepresenta una baja impedancia a frecuencias elevadasy absorbe las intensidades armónicas más fácilmenteque otras cargas reduciendo considerablemente lavida de los condensadores.

Son estas últimas cargas “las cargas no lineales” lasque pueden contaminar la instalación con lageneración de armónicos.Cuando la presencia de armónicos es importantepuede provocar alteraciones en la instalacióneléctrica. Estas perturbaciones se pueden clasificar endos grandes grupos: consecuencias a corto plazo(aumento de la corriente eficaz, disparosintempestivos de las protecciones, vibraciones yruidos anormales en los cuadros de Baja Tensión, etc.)y consecuencias a largo plazo (calentamientoprogresivo de conductores, transformadores,alternadores etc.Especial atención merece la compensación de energíareactiva en instalaciones con presencia de armónicos.Los condensadores son receptores que por suscaracterísticas intrínsecas influyen en la distorsiónarmónica de la instalación y, al mismo tiempo, sonparte afectada por las consecuencias de lasperturbaciones armónicas presentes en la instalación.

Nuestras solucionesLa oferta Schneider Electric para equipos decompensación en BT está pensada para ofrecer lasolución más idónea para cada tipo de instalación.

c Redes no contaminadas con armónicosPara este tipo de redes, la solución que proponeSchneider Electric son los equipos estándar: equiposcon tensión nominal de los condensadores igual a latensión de red.

Ejemplo:Red de 400 V.Condensadores con tensión asignada de 400 V.

c Redes débilmente contaminadasLa solución que propone Schneider Electric son losequipos clase H, equipos sobredimensionados entensión un 10 % respecto a la tensión nominal de red.En este caso, siempre se estará hablando de lapotencia que suministrará este condensador a latensión de red.

Con los equipos clase H no se reduce la distorsiónarmónica ni se evita la amplificación, únicamente seprotegen los condensadores de las sobretensionesarmónicas que puedan afectarles.

Ejemplo:Red de 400 V.Potencia necesaria para compensación fija de unmotor de 160 kW 1500 rpm 41 kVAr.Condensador a utilizar VARPLUS de 50 kVAr a 440 Vreferencia 52429.Potencia suministrada por el condensador a 400 V41,1 kVAr.

c Redes contaminadasCuando la compensación de la energía reactivaimplica una posible amplificación de los armónicospresentes en la instalación.Para este tipo de redes, la solución ofrecida porSchneider Electric, son los equipos SAH (bateríascon filtros de rechazo, sintonizados a 215 Hz).Los equipos SAH son conjuntos L-C sintonizados auna frecuencia de resonancia serie de 215 Hz, yprovocan el desplazamiento de la frecuencia deresonancia paralelo fuera del espectro armónicoevitando de esta manera la amplificación.



Utilizando la misma característica de la fr ecuencia de resonancia serie, los filtr ossintonizados pr esentan una frecuencia de r esonancia serie para cada uno de losar mónicos que se pretenda filtrar .

De tal forma que un equipo de estas características pr esenta tantos escalonescomo frecuencias de sintonía se pr etendan disponer.

* caso especial Filtr os sintonizados

Fig. 42: curva de impedancias en función de la frecuencia para unainstalación que incorpora un filtro sintonizado al 5.°, 7.° y 11.° armónico.

f1 far f5 f7 f11

z

f (Hz)

Gráfico de elección de los equipos decompensaciónComo complemento a la tabla anterior, la figura inferiornos ayuda de forma intuitiva a la elección de losequipos necesarios en función de la tasa de distorsiónarmónica en tensión, THD U, que se ha obtenido alrealizar la medición en cabecera de la instalación, sinla presencia de condensadores.

Donde:

Gh: Suma de las potencias de todos los generadores de armónicos.Sn: Potencia nominal del transformador de MT/BT (para Sn = 2 MVA).Scc: Potencia de cortocircuito real.

* caso especial consultar siempre con Schneider Electric.

Realmente la única manera de conocer si nuestrainstalación va a necesitar un equipo determinado,estándar, clase H o clase SAH, es realizar medicionesa la salida del disyuntor de protección de lainstalación; si no es posible realizar la medición, sepuede utilizar las tablas de elección.

Equipos estándar Equipos clase H Equipos clase SAH Filtros*

Sn > 2 MVA Gh ≤ Scc/120 Scc/120 < Gh ≤ Scc/70 Scc/70 < Gh ≤ Scc/30 Gh > Scc/30

Sn < 2 MVA Gh ≤ 0,15 Sn 0,15 Sn < Gh ≤ 0,25 Sn 0,25 Sn < Gh ≤ 0,6 Sn Gh > 0,6 Sn

Tabla de elección de las distintas solucionesLa tabla permite seleccionar de forma sencilla lasdistintas soluciones, MT/BT, en función de lascaracterísticas de la instalación.


6 compensacion de energia reactiva -...

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