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Una energía limpia
produce agua limpia
Nota sobre
la aplicación
Calidad
del
suministro
eléctrico
Caso
práctico
Herramientas de medición: analizador
de calidad eléctrica Fluke 434
Características: factor de potencia,
armónicos
En este artículo se habla de una
planta regional de tratamiento de
aguas residuales situada a orillas del
estrecho de Puget, Washington. Se
trata de una instalación galardonada
que sirve a seis ciudades y procesa
una media de 79,9 millones de
litros de aguas residuales al día,
con una capacidad diaria de hasta
106 millones de litros.
La mayoría de las plantas de
tratamiento de aguas utilizan los
mismos procesos básicos, pero esta
se ha sometido a actualizaciones
continuamente desde su apertura en
1984, entre las que se incluyen una
luz ultravioleta de alta intensidad
y, en breve, una nueva instalación
de secado de sólidos biológicos de
clase “A”.
En este caso concreto, Mark
Newport, el especialista en
electricidad de mantenimiento,
iba a instalar nuevas unidades
electrónicas de corrección del factor
de potencia en varios centros de
control de motores para mejorar
la calidad eléctrica, proteger
los equipos y reducir costes.
Sin embargo, como las medidas
correctivas a menudo generan
nuevos problemas de calidad
eléctrica en el sistema, empleó
un analizador trifásico de calidad
eléctrica Fluke 434 portátil para
asegurarse de que sus esfuerzos no
eran en vano.
Detalles del sistema
La planta de tratamiento emplea
cientos de motores, algunos de ellos
con una capacidad de 500 caballos
de potencia. Dispone de un sistema
de supervisión, control y adquisición
de datos (SCADA) conectado a los
centros de control de motores, así
como a las válvulas, actuadores,
sensores y analizadores eléctricos.
Además, permite ver al instante el
estado del sistema en numerosas
estaciones.
Si la planta se paralizara por
cualquier motivo, como un corte
de suministro eléctrico en la zona,
las aguas residuales continuarían
fluyendo a través de la planta y
por los tanques de sedimentación,
pero desembocarían en el estrecho
de Puget sin haber recibido el
tratamiento completo.
Para evitar que esto ocurra, el
sistema eléctrico de la planta cuenta
con varios niveles de redundancia.
Este sistema se mantiene mediante
suministros eléctricos dobles que
proceden de dos subestaciones. Por
lo general, la carga se comparte
entre ambos suministros, pero cada
uno de ellos puede ocuparse de
toda la instalación a través de un
sistema interruptor. Un generador
de 1,25 MW en un interruptor
automático de transferencia
puede hacerse cargo del sistema
en 8 segundos en el caso de
que fallaran ambos suministros
eléctricos. Los elementos del sistema
de control redundante operan
gracias a pequeños sistemas de
alimentación ininterrumpida (SAI)
monofásicos cuando el generador
se inicia y se sincroniza.
De la biblioteca digital de Fluke, en www.fluke.com/library
Corrección de potencia
Los sistemas de corrección
de potencia se instalaron
principalmente para corregir el
factor de potencia. Los mismos
conductores se habían empleado
previamente para alimentar tanto
los variadores de velocidad (ASD)
como los motores de arranque
de la línea. Los variadores de
velocidad son cargas no lineales
y consumen corrientes armónicas,
especialmente en el quinto
armónico. Los condensadores de
factor de potencia muestran una
menor impedancia a las frecuencias
más altas que a la frecuencia
fundamental de 60 Hz. Por tanto,
un sistema con corrientes armónicas
puede provocar sobrecorrientes en
los condensadores de corrección.
El personal de mantenimiento de la
planta se percató de esto y, en su
lugar, decidió emplear un dispositivo
basado en semiconductores.
000124
Variador
de velocidad
del motor
Motor
Motor
Fluke 434
Centro de control
de motores
Unidad de corrección
del factor de potencia
Figura 1. Conexiones del sistema.
El dispositivo que conectaron
a cada centro de control de motores
supervisaba continuamente el factor
de potencia de un circuito. Genera
potencia reactiva (VAR) guía para
contrarrestar la potencia inductiva,
con lo que se retarda así la potencia
reactiva de los motores. Puede
responder al instante a los cambios
de carga. Además, busca cualquier
corriente armónica y genera una
señal invertida para anularla. De
esta forma, para cualquier dispositivo
ascendente, el centro de control de
motores aparece como una carga
resistiva.
¿Qué es el factor de potencia y por qué es
importante?
El factor de potencia es una medición que compara la
potencia real (vatios) que se consume con la potencia
aparente (voltios-amperios) de la carga. Una carga
puramente resistiva tiene un factor de potencia de 1,0.
¿Qué hace?
La potencia disponible para realizar un trabajo se
denomina potencia real (kW). Las cargas inductivas,
como los motores, los transformadores y la
iluminación de alta intensidad introducen potencia
reactiva (kVAR) en un sistema de alimentación. La
capacidad del sistema viene definida por la potencia
aparente (kVA), que debe ser suficiente para dar
cabida a la potencia real (kW) y a la potencia reactiva
(kVAR). Dado que la potencia reactiva requiere
parte de la capacidad del sistema pero no realiza
trabajo, las compañías eléctricas cobran más por ella,
mientras que las plantas intentan que el consumo
neto de kVAR sea bajo. Una elevada potencia reactiva
se traduce en un bajo factor de potencia.
Datos sobre el factor de potencia:
¿Qué coste tiene un factor de potencia bajo?
Cálculo de ejemplo
Suponga que la compañía eléctrica añade un 1% de la tarifa de
demanda por cada centésima (0,01) por debajo de un factor de
potencia de 0,97. Suponga que su factor de potencia medio mensual
es de 0,86 y que su tarifa de demanda es de 7.000 euros (0,97 – 0,86)
* 100% = 11%
(11% x 7.000 euros) x 12 meses = 9.240 euros
al año que se pueden evitar
¿Qué se debe comprobar?
•Compruebe si la tarifa plana de su compañía eléctrica impone algún
recargo por demanda de potencia reactiva o factor de potencia.
•Averigüe cómo mide su compañía eléctrica el factor de potencia o
la potencia reactiva. Por ejemplo, si tienen en cuenta los intervalos
máximos o los promedios.
•Identifique las cargas que provocan un retardo en la potencia
reactiva y desarrolle una estrategia de corrección del factor de
potencia.
•Las compañías eléctricas pueden cobrar tarifas más
¿Cuánto es aceptable?
•Las restricciones de la capacidad del sistema provocan
caídas de tensión y sobrecalentamiento.
Para evitar pagar una tarifa mayor, el factor de potencia debe ser
superior a 0,97. Es posible aplicar condensadores o reguladores en
cargas individuales, en una confluencia de varias cargas o en la
acometida del servicio para mejorar el factor de potencia.
mediante la aplicación de condensadores y
reguladores activos.
Nota: esto puede variar. Algunas compañías eléctricas cobran un recargo por cada punto
porcentual entre 0,85 y 0,97. Otras cobran un recargo basado en la cantidad de potencia
reactiva que use. Otras no cobran ningún recargo.
altas o recargos por un factor de potencia bajo o por
una potencia reactiva alta.
•Los VAR de potencia inductiva se pueden corregir
2 Fluke Corporation
Caso práctico sobre calidad del suministro eléctrico: Una energía limpia produce agua limpia
Antes y después
El sistema de corrección del factor
de potencia cumplió las expectativas.
Seis pantallas del analizador de
calidad eléctrica lo explican todo.
El cambio en la corriente es un
testimonio real del impacto de la
corrección del factor de potencia.
Al corregir el factor de potencia,
la corriente rms que consumía el
centro de control de motores se
redujo en un 27%. Puede observar
qué ocurre en las mediciones de
potencia. El regulador de corriente
utiliza una cantidad relativamente
pequeña de potencia para operar.
No obstante, contrarresta la potencia
reactiva y reduce la potencia
aparente (kVA) drásticamente.
Observe las relaciones de potencia
en los diagramas de vectores que
aparecen más abajo.
Antes de la instalación, el equipo
de distribución ascendente tenía
que transportar mucha corriente
reactiva y corriente armónica que
deambulaban sin llevar a cabo
un trabajo real. Ahora, el sistema
transporta únicamente corriente
productiva a los centros de control
de motores.
El corrector de factor de potencia
también limpió el contenido de
armónicos. La mayor parte de la
carga no lineal
procedía de variadores grandes.
El 5º armónico contribuyó en gran
medida a la distorsión general.
Tanto la cantidad de la corriente
del 5º armónico como la distorsión
armónica total de la corriente se
redujeron en más del 50%.
Antes
Después
Figura 2 y 3: Uso de la energía
El Fluke 434 muestra el uso de energía del centro de control de motores con y sin el regulador
de corriente. Observe las reducciones en la potencia reactiva (kVAR), la potencia aparente (kVA)
y la corriente rms (Arms). El factor de potencia es idóneo con el corrector activado.
Sin corrector de potencia
100,9 kVA
Con corrector de potencia
73,4 kVA
73,61 kVAR
100,9 kVA
10,84 kVAR
72,6 kVA
Figura 4: Potencia reactiva (kVAR) frente a potencia aparente (kVA).
Antes
Después
Figura 5 y 6: Corrección de armónicos
El Fluke 434 muestra la distorsión armónica con y sin el regulador. El quinto armónico es el que
más contribuye a la distorsión de la corriente. Con el regulador de corriente activado (derecha),
observe la notable reducción en el quinto armónico. No se muestra la distorsión armónica total
(THD) de la corriente.
Antes
Después
Figura 7 y 8: Efectos de los armónicos en la tensión y la corriente
Estas pantallas muestran la tensión y la corriente de la fase A con y sin el corrector de
potencia. Observe el efecto de la corrección de fase y la corrección de armónicos en la
forma de onda de la corriente.
3 Fluke Corporation
Caso práctico sobre calidad del suministro eléctrico: Una energía limpia produce agua limpia
¿Por qué se deben
corregir los armónicos?
¿En qué consiste?
La distorsión armónica total es la suma de las
contribuciones de todos los armónicos. La distorsión
armónica es una consecuencia normal de un sistema
de alimentación que suministra cargas electrónicas,
como ordenadores, equipos profesionales, balastos de
iluminación electrónicos y sistemas de control.
¿Qué hace?
La distorsión armónica puede provocar lo siguiente:
•Una corriente alta en el flujo en conductores neutros.
•Que los motores y transformadores se calienten
cuando operan, lo que reduce su ciclo de vida.
•Una mayor susceptibilidad a las caídas de tensión,
lo que puede provocar falsos reinicios.
•Una eficiencia reducida del transformador o la
necesidad de contar con una unidad mayor para
dar cabida a los armónicos.
•Ruido audible.
Mark Newport, el especialista en electricidad de mantenimiento, utiliza
un analizador de calidad eléctrica Fluke 434 para medir, hacer un
seguimiento y documentar la corrección del factor de potencia y de
armónicos que proporciona el nuevo sistema de corrección de potencia
de la planta.
¿Qué coste tiene un incidente?
Los costes principales son los derivados de la reducción
en el ciclo de vida de motores y transformadores. Si el
equipo que presenta el problema forma parte de los
sistemas de producción, es posible que los ingresos
también se vean afectados.
Cálculo de ejemplo
Suponga que el coste de reemplazar un transformador
de 100 kVA es de 7.000 euros al año, incluida la
mano de obra. Suponga que el equipo sufre 8 horas
de inactividad al año con una pérdida de ingresos de
6.000 euros cada hora.
Coste total: 7.000 euros + (8 x 6.000 euros) =
55.000 euros al año
¿Qué se debe comprobar?
Los motores, transformadores y conductores neutros que
suministren cargas electrónicas.
Fluke.Manteniendo su mundo
en marcha.®
¿Cuánto es aceptable?
La distorsión armónica total de tensión se debe
investigar si supera el 5% en cualquier fase. Es normal
que haya distorsión armónica total de corriente en
alguna parte de un sistema que suministre cargas
electrónicas. Supervise los niveles de corriente y la
temperatura en los transformadores para asegurarse de
que no se sobrecarguen. La corriente neutra no debe
superar la capacidad del conductor neutro.
4 Fluke Corporation
Caso práctico sobre calidad del suministro eléctrico: Una energía limpia produce agua limpia
Fluke Corporation
PO Box 9090, Everett, WA EE. UU. 98206
Fluke Europe B.V.
PO Box 1186, 5602 BD
Eindhoven, Países Bajos
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En EE. UU., (800) 443-5853 o
Fax (425) 446-5116
En Europa/Oriente Medio/África, (31 40) 2 675 200 o
Fax (31 40) 2 675 222
En Canadá, (800) -36-FLUKE o
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