Banco de capacitores – Selección, calculo, ubicación, resonancia, perdidas, formulas, mantenimiento y normatividad.!!! PREMIUM !!!

El factor de potencia bajo se produce cuando los motores inactivos funcionan a menos de la carga completa. Esto ocurre a menudo en procesos cíclicos, como los que utilizan sierras circulares, molinos, transportadores, compresores, amoladoras, punzonadoras y similares, donde los motores están dimensionados para la carga más pesada.

Ejemplos de situaciones en las que ocurre un factor de potencia bajo (del 30% al 50%) incluyen una amoladora de superficie que realiza un corte ligero, un compresor de aire descargado y una sierra circular que gira sin cortar.

Contenido:

Las siguientes industrias suelen tener factores de potencia bajos

Industria Factor de potencia sin corrección
Aserraderos 45% -60%
Plástico (especialmente extrusoras) 55% -70%
Máquinas herramienta, estampado 60% -70%
Chapado, textiles, productos químicos, cervecerías 65% -75%
Hospitales, hórreos, fundiciones 70%–80%

Se recomienda incluir condensadores de potencia en nuevos planes de construcción y expansión

Incluir capacitores de potencia en su nueva construcción y planes de expansión puede reducir el tamaño de los transformadores, barras, interruptores y similares, y hacer que su proyecto sea más económico.

La Figura 1 muestra la cantidad de kVA del sistema que se pueden liberar mejorando el factor de potencia. Al aumentar el factor de potencia del 70% al 90% se liberan 0,32 kVA por kW. Con una carga de 400 kW, se liberan 128 kVA.

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capacidad de kVA liberador por kW de potencia
Figura 1. Capacidad de kVA liberado por kW de potencia

Condiciones de voltaje mejoradas

El bajo voltaje, como resultado de un consumo excesivo de corriente, hace que los motores sean lentos y se sobrecalienten. A medida que disminuye el factor de potencia, aumenta la corriente total de la línea, lo que provoca una mayor caída de voltaje.

Al agregar condensadores a su sistema y mejorar el voltaje, obtiene un rendimiento del motor más eficiente y una vida útil más prolongada.

Pérdidas reducidas

Las pérdidas causadas por un factor de potencia deficiente se deben a la corriente reactiva que fluye en el sistema. Estos son cargos relacionados con los vatios (watts) y se pueden eliminar mediante la corrección del factor de potencia.

La pérdida de potencia (vatios) en un sistema de distribución se calcula elevando la corriente al cuadrado y multiplicándola por la resistencia del circuito (I2R). Para calcular la reducción de pérdidas:

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¿Cómo puedo seleccionar los condensadores adecuados para las necesidades específicas de mi aplicación?

Una vez que haya decidido que su instalación puede beneficiarse de la corrección del factor de potencia, deberá elegir el tipo, tamaño y número óptimos de condensadores para su planta.

Hay dos tipos básicos de instalaciones de condensadores: condensadores individuales en cargas lineales o sinusoidales y bancos de condensadores fijos o conmutados automáticamente en el alimentador o subestación.

Instalaciones de condensadores individuales frente a instalaciones de condensadores en banco (Banco de condensadores)

Ventajas de los condensadores individuales en la carga:

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Método Ventajas  Desventajas
Capacitores individuales Técnicamente mas eficiente, mas flexible Mayor costo de instalación y mantenimiento
Banco de capacitores fijo Mas económico, fácil instalación Menos flexible, requiere interruptores y / o disyuntores
Banco de capacitores automático Lo mejor para cargas variables, previene sobretensiones, bajo costo de instalación Mayor costo de equipo
Combinación Más práctico para un mayor número de motores Menos flexible

Considere particulares de la planta para escoger el tipos de banco de capacitores

Al decidir qué tipo de instalación de capacitores satisface mejor sus necesidades, tendrá que sopesar las ventajas y desventajas de cada uno y considerar varias variables de la planta, incluido el tipo de carga, el tamaño de la carga, la constancia de la carga, la capacidad de carga, los métodos de arranque del motor y la forma de facturación de servicios públicos.

Tipo de carga

Si su planta tiene muchos motores grandes, 50 hp o más, generalmente es económico instalar un capacitor por motor y cambiar el capacitor y el motor juntos. Si su planta consta de muchos motores pequeños, de 1/2 a 25 hp, puede agrupar los motores e instalar un capacitor en un punto central del sistema de distribución. A menudo, la mejor solución para plantas con motores grandes y pequeños es utilizar ambos tipos de instalaciones de condensadores.

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Tamaño de la carga

Las instalaciones con grandes cargas se benefician de una combinación de carga individual, carga grupal y bancos de unidades de condensadores fijos y conmutados automáticamente. Una instalación pequeña, por otro lado, puede requerir solo un capacitor en el tablero de control.

A veces, solo un punto problemático aislado requiere corrección del factor de potencia. Este puede ser el caso si su planta tiene máquinas de soldar, calentadores de inducción o accionamientos de CC. Si se corrige un alimentador particular que sirve a una carga de factor de potencia baja, puede aumentar el factor de potencia general de la planta lo suficiente como para que no sean necesarios condensadores adicionales.

Constancia en el funcionamiento de la carga

Si su instalación funciona las 24 horas del día y tiene una demanda de carga constante, los condensadores fijos ofrecen la mayor economía. Si la carga está determinada por turnos de ocho horas cinco días a la semana, querrá más unidades conmutadas para disminuir la capacitancia durante tiempos de carga reducida.

Capacidad de carga

Si sus alimentadores o transformadores están sobrecargados, o si desea agregar carga adicional a líneas ya cargadas, se debe aplicar una corrección en la carga. Si su instalación tiene amperaje excedente, puede instalar bancos de capacitores en los alimentadores principales. Si la carga varía mucho, el cambio automático probablemente sea la respuesta.

Facturación de servicios públicos

La severidad de la tarifa de la compañía eléctrica local para el factor de potencia afectará su recuperación de la inversión y su ROI. En muchas áreas, un sistema de corrección del factor de potencia diseñado de manera óptima se amortizará en menos de dos años.

¿Cuánto kVAR necesito?

La unidad para clasificar los capacitores de factor de potencia es un kVAR, igual a 1000 voltios-amperios de potencia reactiva. La clasificación kVAR significa cuánta potencia reactiva proporcionará el condensador.

Dimensionamiento de condensadores para cargas de motor individuales

Para dimensionar condensadores para cargas de motor individuales, use la Tabla 1. Simplemente busque las características del motor: estructura del motor, RPM y caballos de fuerza.

Los gráficos indican la clasificación de kVAR que necesita para llevar el factor de potencia al 95%. Los gráficos también indican cuánta corriente se reduce cuando se instalan condensadores:

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Dimensionamiento de condensadores para cargas de toda la planta

Si conoce el consumo total de kW de su planta, su factor de potencia actual y el factor de potencia que está buscando, puede usar la Tabla 2, para seleccionar los capacitores.

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Tabla de correccion de factor de potencia 2
Tabla 2. Tabla de corrección de factor de potencia

Ejemplo 1 (Uso de la tabla 2, para el calculo de capacitor, ahorro y retorno de inversión)

Suponga una demanda no corregida de 460 kVA, 480 V, trifásica a un factor de potencia de 0,87.

  • Facturación: $ 4,75 / kVA demando
  • Corregir al factor de potencia a 0,97

Solución:

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Ahorro:

$2185-$ 1957=$ 228 / ahorro cada mes × 12 =$2736 ahorrado al año, mucho mas que el costo del condensador.

Otras tablas para el calculo de kVAR de motores

Potencia de capacitores sugeridas, en kVAR, para motores NEMA Design C y D, y motores de rotor bobinado:

Clasificaciones de capacitores sugeridas, en kVAR, para motores NEMA Design C y D, y motores de rotor bobinado
Tabla 3. Clasificaciones de capacitores sugeridas, en kVAR, para motores NEMA Design C y D, y motores de rotor bobinado.

Nota: Se aplica a motores trifásicos de 60 Hz cuando se conmuta con condensadores como unidad única.
Nota: Utilice los kVAR recomendados por el fabricante del motor según se publican en las hojas de datos de rendimiento para tipos de motores específicos: a prueba de goteo, TEFC, servicio severo, alta eficiencia y diseño NEMA.

Clasificaciones de condensadores sugeridas para motores de media tensión
Tabla 4. Potencias de condensadores sugeridas para motores de media tensión

Los tamaños anteriores de la tabla 4 están destinados a proporcionar un factor de potencia corregido de aproximadamente el 95% a plena carga. Debido al número limitado de capacidades nominales de capacitores disponibles, no es posible aumentar el F.P de cada motor al 95%.
Para calcular el kVAR requerido para corregir el factor de potencia a un valor objetivo específico, use la siguiente fórmula:

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Ejemplo de calculo de capacitores para un edificio o planta industrial

Si su planta consume 410 kW, está funcionando actualmente al 73% de factor de potencia y desea corregir el factor de potencia al 95%, para ello debe seguir los siguientes pasos:

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¿Dónde debo instalar condensadores en el sistema de distribución de mi planta?

En la carga

Debido a que los condensadores actúan como generadores de kVAR, el lugar más eficiente para instalarlos es directamente en el motor, donde se consumen los kVAR.

Existen tres opciones para instalar condensadores en el motor. Utilice la Figura 2 y la información a continuación para determinar qué opción es la mejor para cada motor.

Ubicación A: Al lado del motor después del relé de sobrecarga

• Se recomienda en nuevas instalaciones de motores en las que las sobrecargas se pueden dimensionar de acuerdo con un consumo de corriente reducido.
• Motores existentes cuando no se requiere cambio de relé de sobrecarga.

Ubicación B: Al lado del arrancador y después de este

• Motores existentes cuando la clasificación de sobrecarga supera el código

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Ubicación C: lado de la línea del motor de arranque

• Motores que están movidos, enchufados, invertidos
• Motores de varias velocidades
• Arrancadores con transición abierta y arrancadores que desconectan / vuelven a conectar el condensador durante el ciclo de trabajo
• Motores que arrancan con frecuencia
• Cargas de motor con alta inercia, donde la desconexión del motor con el capacitor puede convertir el motor en un generador autoexcitado.

Ubicación de condensadores en la alimentacion de un motor
Figura 2. Ubicación de condensadores en la alimentación de un motor

En el alimentador o acometida

Al corregir cargas de la planta completa, se pueden instalar bancos de capacitores en la entrada de servicio, si las condiciones de carga y el tamaño del transformador los permiten. Si la cantidad de corrección es demasiado grande, se pueden instalar algunos condensadores en motores individuales o circuitos derivados.
Cuando los condensadores están conectados al bus, alimentador, centro de control de motores o tablero de distribución, se debe proporcionar una protección contra sobrecorriente y desconexión.

Instalacion correcta de capacitores al alimentador
Figura 3. Instalación correcta de capacitores al alimentador

¿Se pueden usar condensadores en entornos no lineales y no sinusoidales?

Hasta hace poco, casi todas las cargas eran lineales, y la forma de onda de la corriente coincidía estrechamente con la forma de onda de voltaje sinusoidal y cambiaba en proporción a la carga. Últimamente, las cargas no lineales, que consumen corriente a frecuencias distintas a 60 Hz, han aumentado de forma espectacular.

Ejemplos de dispositivos lineales y no lineales son los siguientes:

Dispositivos lineales

• Motores
• Iluminación incandescente
• Cargas de calefacción

Dispositivos no lineales

• Accionamientos de CD
• Accionamientos de frecuencia variable
• Controladores programables
• Hornos de inducción
• Iluminación tipo arco
• Computadoras personales
• Fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS)

El aumento de cargas no lineales ha provocado una distorsión armónica en los sistemas de distribución eléctrica. Aunque los condensadores no causan armónicos, pueden agravar las condiciones existentes.

Debido a que los voltajes y corrientes armónicos se ven afectados por todos los equipos de una instalación, a veces son difíciles de predecir y modelar.

Los bancos de capacitores y los transformadores pueden causar resonancia

Los capacitores y transformadores pueden crear condiciones de resonancia peligrosas cuando los bancos de capacitores se instalan en la entrada de servicio (Alimentación principal de la instalacion).

En estas condiciones, los armónicos producidos por dispositivos no lineales se pueden amplificar muchas veces.

La amplificación problemática de armónicos se vuelve más probable a medida que se agregan más kVAR a un sistema que contiene una cantidad significativa de carga no lineal.

Formula para estimar el armónico resonante:

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Ejemplo de calculo de resonancia por bancos de capacitores

Por ejemplo, si la planta tiene un transformador de 1500 kVA con 5 1/2 % de impedancia, y la clasificación de cortocircuito de la red eléctrica es de 48 000 kVA, entonces kVAsys sería igual a 17391 kVA.

¿Cómo debe ser el mantenimiento de los condensadores?

Los condensadores no tienen partes móviles que se desgasten y requieren muy poco mantenimiento. Compruebe los fusibles de forma regular.

Si existen altos voltajes, armónicos, sobrecargas de conmutación o vibraciones, los fusibles deben revisarse con más frecuencia.
Los condensadores comúnmente cuando funcionan son calientes al tacto. Si la carcasa está fría, verifique si hay fusibles quemados, interruptores abiertos u otras pérdidas de energía.

También verifique si hay cajas abultadas y cubiertas hinchadas, que señalan que la protección del capacitor ha operado y se debe cambiar.

Requisitos de código y normativos para condensadores

Placa de características kVAR: Tolerancia +15, –0%.
Resistencias de descarga: los condensadores con una potencia nominal de 600 V y menos deben reducir la carga a menos de 50 V dentro de 1 minuto después de la desactivación. Los condensadores clasificados por encima de 600 V deben reducir la carga en 5 minutos.
Operación continua: Hasta 135% nominal (placa de identificación) kVAR, incluidos los efectos del 110% de voltaje nominal (121% kVAR), 15% de tolerancia de capacitancia y voltajes armónicos sobre la frecuencia fundamental (60 Hz).
Prueba de rigidez dieléctrica: el doble del voltaje de AC nominal (o un voltaje de DC 4,3 veces el valor de AC para sistemas no metalizados).
Protección contra sobrecorriente: fusión entre 1,65 y 2,5 veces la corriente nominal para proteger la carcasa de una rotura. No excluye el requisito NEC de protección contra sobrecorriente en los tres conductores sin conexión a tierra.

Nota: Cuando el condensador está conectado en el lado de carga de la protección contra sobrecorriente del motor, no se requieren desconexiones con fusibles o protección con interruptor. Sin embargo, se recomienda encarecidamente los fusibles para todas las aplicaciones en interiores, siempre que haya empleados trabajando cerca.

Formulas para los cálculos de los capacitores, teniendo en cuenta la frecuencia y el voltaje

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Operación a otra tensión y frecuencia distintas a la nominal:

Nota: El uso de tensiones y frecuencias superiores a los valores nominales puede resultar peligroso. Consulte a la fábrica por cualquier condición de funcionamiento inusual.

Formula operación a tensión o voltaje menor:

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7 comentarios en «Banco de capacitores – Selección, calculo, ubicación, resonancia, perdidas, formulas, mantenimiento y normatividad.<strong><font color="E87D23">!!! PREMIUM !!!</font></strong>»

  1. Me puedes decir cual sería el aporte de corto circuito en potencia para un transformador estrella – estrella 12470V/7200 en el primario y 480/277 en el secundario con una impedancia de 5.35%

    • Fernando, Excelente pregunta!!!

      Acabo de actualizar el articulo con la siguiente formulación para encontrar el KVAsys.

      1.5MVAtr/0.055= 27.27MVA (Aporte de cortocircuito en potencia desde el transformador)
      48MVA (clasificación corto circuito de la red)

      Potencia de cortocircuito kVAsys = [1/48+1/27.27]^-1 = 17391 kVA

      Saludos

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