Cálculo de Bancos Trifásicos de capacitores con el uso del software CALCAP – Versión 1.0 -Septiembre 2017
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Donde existan motores eléctricos y transformadores de todo tipo, sus enrollados estarán formados por bobinas, en donde aparecerán junto con las corrientes reales unas corrientes oscilantes (inútiles) que producen pérdidas adicionales con las que hay que trabajar, y lo más que se puede hacer con ellas es tratar de reducirlas o compensarlas.
Las corrientes reales forman parte de la Potencia Real útil del circuito (kW) que son las necesarias.
Las corrientes inútiles reactivas producen lo que se llama la: Potencia Reactiva (kVAR).
Esas corrientes inútiles van a circular prácticamente en menor magnitud por todo el SEN, es decir por sus transformadores y sus líneas de transmisión, y en mayor magnitud por los devanados de los transformadores de todas las Empresas de Producción y de Servicios, sus acometidas, sus PGD y sus ramales hacia todos los arrancadores de todos los motores y otro equipos, produciendo irremisiblemente pérdidas importantes de potencia real (por I² x R) en todos esos conductores, muy gastadoras de energía. El efecto sumatorio de estas corrientes es fasorial, produciendo un resultado de una suma geométrica de los kW (potencia real) y por los kVAR (potencia reactiva), originará la Potencia Aparente.
Esta llamada Potencia Aparente se expresa normalmente en kilovolt-ampere, que abreviadamente se le conoce como: kVA (kilo volt-ampere).
Trigonométricamente podemos decir que P real / (P aparente) = cos Ф, donde Ф es el ángulo que existe entre el fasor kW y el fasor kVA, parámetros propios de todos los sistemas a corriente alterna. Entonces el Factor de Potencia (F.P.), se podemos definir como la relación que existe entre la potencia real (P real) y la potencia aparente (P aparente) (F.P. = P real / (P aparente) = cos Ф.
Este concepto es aplicable por igual a cualquier parte de un circuito eléctrico (una PGD o un motor).
Consecuencias y cómo mejorarlas:
Para evitar esto que pasa en todos los centros de trabajo el SEN energizados con corriente alterna (monofásica o trifásica0 fija un valor mínimo de Factor de Potencia (cos Ø) de 0,9.
Si las industrias tienen un F.P. menor a 0,9, es penalizada, por lo que deben corregirlo con los llamados capacitores estáticos, los cuales compensarán esas corrientes innecesarias. De acuerdo con la tensión de aplicación de los equipos conectados (menores de 690 volt -> baja tensión y mayores de 690 volt -> media tensión) se usarían capacitores para baja tensión y de media tensión.
Definiciones de Factor de Potencia de los Motores de Corriente Alterna.
Para un motor (por ejemplo) cuya chapa dice que si está conectado a 440 volt, tomará 10 ampere, entregando 5 kW nominales de potencia máxima en el eje, tendrá un Factor de Potencia de alrededor de 0,85, por lo que la Potencia Aparente será de
P aparente = 1,732 x VL x IL = 1,732 x 0,44 x 10 = 7,62 (kVA)
Por eso la Imotor (sin corrección) = 7,62 kVA / (1,732 x 440) = 10,0 A
Por lo que la potencia aparente que toma por los cables de la red será igual a:
P aparente = 1,732 x 0,44 x 10 x 0,85 = 6,48 kVA (Potencia aparente total)
Lo que demuestra lo que planteábamos sobre los datos de chapa:
F.P. (mot) = P1 / P aparente = 6,48 / 7,62 = 0,8503
Corrección del F. P. en el alimentador del arrancador de un motor, desde 0,85 a 0,9 , usando capacitores estáticos.
Cuando se corrige el FP de este motor con capacitores para llevar su F.P. a 0,9, deberá ponérsele según las tablas prácticas comunes, antes del arrancador un juego de capacitores trifásicos de 1,5 kVAR, lo que compensará el reactivo inductivo del motor inyectando alrededor de unos 4 ampere desfasados unos 90 grados fasorialmente con respecto a la corriente de carga (a plena carga de 5 kW), quedando una corriente de entrada aproximada en los cables de unos:
Imotor (con corrección) = 6,48 kVA/(1.732 x 0,44 volt x 0,9) = 9,46 ampere
Donde ya observamos que una parte de la corriente no va circular por la instalación eléctrica, sino que tiene que venir desde los capacitores.
Causas que más influyen en crear un Fact. de Potencia Bajo en el sistema eléctrico de los centros.
Los aparatos de C. A. cuando están ligeramente cargados, como son los motores, los alternadores y los transformadores, van a tener un factor de potencia más bajo que cuando están funcionando a plena carga. Por eso debe evitarse que trabajen con poca carga y que los motores estén bien seleccionados (esto produce baja eficiencia).
Las lámparas fluorescentes deben tener condensadores o capacitores de corrección.
Afecta la economía del país, porque cuando el factor de potencia es bajo circulan más ampere innecesarios por los creando pérdidas que se pueden evitar con la adquisición priorizada de los bancos de capacitores correctivos y estas pérdidas suceden en:
Generadores y Transformadores del SEN y sus líneas de alta tensión,
Transformadores de servicio y acometidas,
Barras de las PGD o CCM, ramales y conductores todos y en el interior de los devanados de los motores sub-cargados.
Cálculo de los Capacitores por el software CALCAP – Versión 1.0 - Septiembre 2017que se propone:
El software que se muestra, pretende dar solución a una herramienta de cálculo que simplifique, agilice y precise el cómputo eléctrico para la:
1.- Confección de Bancos de Capacitores para colocación en Pizarras o en CCM (manuales y automáticos).
2.- Confección de Bancos de Capacitores para colocación en Arrancadores de Motores.
Permitirá conocer el equipamiento necesario (disyuntores, conductores, fusibles, supresores, contactores y bancos de capacitores trifásicos para mejorar el factor de potencia de las instalaciones fabriles y de talleres del MINAG y de los otros organismos.
Además, en ambos casos el software tiene la ventaja de que entregará los costos de las instalaciones siempre en una sola moneda (USD) para los capacitores usados, así como las amortizaciones con respecto a la energía eléctrica que ahorra al país.
Se han tenido en cuenta en el programa los precios y costos de los Incrementos en inversiones de Fuerzas Renovales de Energía hasta el 2044 (30 años) (Decreto Presidencial No. 3 del 11 de diciembre de 2012).
Las inversiones necesarias solamente en el desarrollo de las FRE ascienden a 3 700 millones de dólares los que se buscarán financiar a través de créditos gubernamentales convenidos con otros países y la inversión extranjera directa.
Los créditos gubernamentales convenidos con otros países son con intereses, por ejemplo con el 8 % a pagar en 5 años, lo cual subiría las inversiones iniciales a: 3700 x 1,4693 = 5 435,3 millones de USD.
Se ha tenido en cuenta, que adicionalmente una vez amortizadas las inversiones iniciales de las instalaciones Fósil y FRE, se producen más gastos debido a, que encarecen el precio actualizado del kW.hora usado en estos análisis que mostramos (0.2729 USD/kW.h), que incluyen:
PÉRDIDAS EN GENERACIÓN.
PÉRDIDAS EN TRANSMISIÓN-DISTRIBUCIÓN.
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.
INVERSIONES PERIÓDICAS POR MODERNIZACIÓN.
PARO Y GASTOS POR ROTURAS Y REPARACIONES.
SALARIOS
COSTOS DE CAPITAL, IMPREVISTOS Y OTROS
Objetivos del Software
Convertir esta investigación en una herramienta de cómputo precisa y manuable, con el objetivo de facilitar, agilizar y precisar el cómputo eléctrico-económico para la sugerencia del banco de capacitores a usar.
Resultados y Conclusiones que se obtienen del programa:
Eficiencia en los cálculos para evitar sobre-dimensionamientos de los dispositivos todos.
Cálculo de ahorro de energía en base a los costos del kW.h, lo que amortiza en corto tiempo a los bancos de capacitores, principalmente con los instalados en PGD y CCM, lo que ayuda a decidir con exactitud la conveniencia o no para el país de usar el banco en base a la ventana de amortización en bancos en PGD.
Determinación de los bancos máximos que podemos usar en arrancadores de motores trifásicos, sus costos y sus posible amortizaciones por ahorro de energía.
Accesibilidad de técnicos e ingenieros eléctricos para utilizar el software.
Lineamientos generales para la eficiencia y el ahorro de energía relacionados con este trabajo:
Lineamientos 116 y 252, los que están muy conectados con los lineamientos: 07, 08, 123, 135, 253, 302 y el 303.
IMPACTO ECONÓMICO
Podemos advertir que la inmensa mayoría de nuestras empresas de producción y de servicios, con alguna o mucha maquinaria eléctrica, les crea grandes gastos económicos por derroches de energía innecesarios al país por el bajo Factor de Potencia (por pérdidas I² x R a lo largo de todo trayecto hasta cada equipo energizado), como podremos ver en los resultados de 2 discretos trabajos realizados por este autor en solamente 2 áreas parciales de 2 Empresas de los servicios y de la producción de mi provincia, con unos 1070 motores instalados y funcionando solamente (en estaciones de bombeo de acueductos y en plantas para el beneficio del arroz):
Estudio de Mejoramiento del FP de solamente 11 Estaciones de Bombeo en el INRH (vida útil de los capacitores = 20 años).
Obra Hidráulica y Tensión Principal (V)
Comb. Ahorrado (TM/Año)
Costo de la energía ahorrada (vida útil) (en USD)
Amortización de los capacitores (Años)
EB Caonao (480 V)- Camagüey 7,9 - 150 934- 1,01
EB Caonao (480 V) – Florida 9,41- 179 820- 0,74
EB Presa Cubano-Búlgara (6,3 kV) 8,28- 158 087- 3,74
EB Presa Pontezuela (2,4 kV) 2,13- 40 530 - 14,66
Potab. Camagüey (480 V) 3,69- 70 502 - 1,9
EB Potab. Camagüey (2,4 kV) 5,86- 111 857 - 4,91
EB Santa Lucía (480 V) 1,6- 30 373 - 1,78
EB Saramaguacán, Nuevitas (2,4 kV) 5,75- 109 474 - 3,9
Potab. Nuevitas (480 V) 7,21- 137 158 - 0,97
Potab. San Miguel (480 V) 1,6- 30 373 -1,78
EB San Miguel (480 V) 0,72- 13 700 -2,57
Totales: 54,15 (TM/Año) 3 102 808 USD
Estudio de Mejoramiento del FP de sólo 7 Centros
Beneficiadores de la Empresa de Granos “Ruta Invasora”,
Vertientes (vida útil de los capacitores = 20 años).
Obra Hidráulica y Tensión Principal (V)
Comb. Ahorrado (TM/Año)
Costo de la energía ahorrada (vida útil) (en USD)
Amortización de los capacitores (Años)
Cándido González (480 V) 8,99- 209 689 - 0,91
El Alazán (480 V) 6,18- 143 908 - 1,42
17 de Mayo (480 y 240 V) 2,66- 62 090 - 2,77
La Lima (480 V) 8,16- 209 284 - 1,2
Libertad (240 y 480 V) 31,76- 604 204 - 0,67
Panchito Mendoza (480 V) 15,85- 301 521 - 0,97
Tato Rodríguez (480 V) 7,03- 163 748 - 1,05
Totales: 80,63 1 694 444,00 USD
Total de ambas: 134,78 TM/Año 4 797 252,00 USD
Costo de todos los bancos de capacitores: 248 607.47 USD
Pienso que estos organismos y entidades a los que están dirigida esta urgente sugerencia, podrán sacar sus propias conclusiones de los enormes gastos energéticos que están presentes por esta causa, para organismos nacionales tan importantes, con miles y miles de motores eléctricos instalados y funcionando hasta 3 turnos de trabajo al día, en su mayoría sub-cargados, como están en AZCUBA; en todos los centros de producción, búsqueda de minerales y talleres de servicios del MINEM; todas las fábricas y centros de producción y de beneficio de áridos y talleres del MICONS; el extenso MINAL y sus aseguramientos para la gastronomía; los casi 4 000 motores de equipos de bombeo instalados y funcionando en todos las potabilizadoras, nuevas desalinizadoras, rebombeos, en los acueductos de poblados y comunidades y en sus sistemas de albañales en toda Cuba, pertenecientes todas al INRH; en los grandes y medianos hospitales y dependencias del MINSAP; todos los centros importantes beneficiadores del MINAG; y por supuesto otros más. También estoy seguro de que si una inversión en divisas se amortiza como promedio en menos de 3,5 años es factible de hacer priorizadamente, pues pensando como país, solamente se pueden ahorrar divisas de verdad invirtiendo divisas también.
BIBLIOGRAFÍA
1. AMADOR, (2017): “Software de Cálculo de Bancos de Capacitores”
(CALCAP). Registrado en la Empresa de Acueductos y Alcantarillados,
Camagüey. Registro CENDA: 3402-11-2017.Camagüey, Cuba.
2. AMADOR, (2017): Relevante en Fórum de Base de la Empresa Nacional de Proyectos
Agropecuarios, UEB, Camagüey (2017), con “Software para Cálculos de Bancos
de Capacitores” (CALCAP).
Datos del autor:
MsC., Ing. José Luis Amador Vilariño
(Ingeniero eléctrico, graduado en la especialidad
de Energía en el 1972 en la U. Central de Las Villas)
Teléfono: 32-297339
E-Mail: jlamador48@nauta.cu
Dirección: San José # 741, Camagüey
CI - # 48030606149
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