tesis gabriel perez
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PROPUESTA DE MEJORA DEL SERVICIO ELÉCTRICO EN LAMINACIÓN
EN FRÍO, SUBESTACIÓN R3, SIDOR C.A., MEDIANTE LA
IMPLEMENTACIÓN DE UN FILTRO DE COMPENSACIÓN PARA
CORREGIR ARMÓNICOS Y FACTOR DE POTENCIA.
Ciudad Guayana, Febrero del 2013
Autor:
Br. Gabriel I. Pérez L.
C.I. 16.394.832
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
TRABAJO DE GRADO
U
N
E
X
P
O
PROPUESTA DE MEJORA DEL SERVICIO ELÉCTRICO EN LAMINACIÓN
EN FRÍO, SUBESTACIÓN R3, SIDOR C.A., MEDIANTE LA
IMPLEMENTACION DE UN FILTRO DE COMPENSACIÓN PARA
CORREGIR ARMÓNICOS Y FACTOR DE POTENCIA.
PROPUESTA DE MEJORA DEL SERVICIO ELÉCTRICO EN LAMINACIÓN
EN FRÍO, SUBESTACIÓN R3, SIDOR C.A., MEDIANTE LA
IMPLEMENTACIÓN DE UN FILTRO DE COMPENSACIÓN PARA
CORREGIR ARMÓNICOS Y FACTOR DE POTENCIA.
Ciudad Guayana, Febrero del 2013
Trabajo Presentado ante el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz como requisito para la aprobación del TRABAJO DE GRADO y optar por el título de Ingeniero Electricista
Tutor académico: Dr. Franklin Mendoza
Tutor Industrial: Ing. Betty Mendoza
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
TRABAJO DE GRADO
U
N
E
X
P
O
Br. Pérez López, Gabriel Ignacio. “Propuesta de mejora del servicio eléctrico en Laminación en Frío, Subestación R3, SIDOR C.A., mediante la implementación de un filtro de compensación para corregir armónicos y factor de potencia.” 231 Páginas. Trabajo de Grado Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Vice-rectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Entrenamiento Industrial.
Tutor Académico: Dr. Franklin Mendoza. Tutor Industrial: Ing. Betty Mendoza Lista de Referencias: pág. 207 – 208 Anexos, pág. 209 – 231
Capítulos_ I. – El Problema II. – La Empresa III. – Marco Teórico IV. – Marco Metodológico. V. – Procesamiento de la Información. VI. – Propuesta.
i
AGRADECIMIENTOS
A mis padres, mis hermanos por su apoyo incondicional, animo, palabras
de aliento y estar siempre conmigo durante el transcurso de mis estudios
universitarios. Para todo el resto de mi familia por extenderme siempre
buenos deseos que me llevaron a terminar con éxito la carrera que escogí
cursar.
A mis compañeros de clases y amigos de adentro y fuera de las paredes
de la universidad por estar siempre presentes y animarme a superar los
obstáculos que se me pudieron haber presentado mientras cursaba los
estudios.
A mis tutores y demás personas involucradas en mi orientación por el
camino correcto para el buen desarrollo y llevar a feliz término este trabajo
final de grado.
A todos desde mi corazón muchas, muchas gracias…
ii
ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTOS ...................................................................................... i
ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................... iv
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................... viii
RESUMEN ...................................................................................................... x
CAPÍTULO I
1.1. Planteamiento del Problema ............................................................ 14
1.2. Objetivo General .............................................................................. 19
1.3. Objetivos Específicos ...................................................................... 19
1.4. Justificación ..................................................................................... 20
1.5. Alcance de la Investigación ............................................................. 21
CAPÍTULO II
2.1. Descripción de la Empresa SIDOR C.A [7] ...................................... 22
2.2. Ubicación de la Empresa ................................................................. 23
2.3. Misión de SIDOR C.A. ..................................................................... 24
2.4. Visión de SIDOR C.A. ...................................................................... 24
2.5. Estructura Organizativa de SIDOR C.A. .......................................... 25
2.6. Descripción de la Gerencia de Ingeniería y Medio Ambiente. ......... 25
CAPÍTULO III
3.1. Antecedentes ................................................................................... 28
3.2. Bases Teóricas ................................................................................ 29
3.2.1. Filtro de Compensación. ........................................................... 30
3.2.2. La Potencia eléctrica (P) [4] ...................................................... 30
3.2.3. Conceptos básicos de Potencia [4] ........................................... 32
3.2.4. Armónicos [5] ............................................................................ 41
3.2.5. Filtro de Compensación [3] ....................................................... 50
3.2.6. Instrumentos de medida [6]. ...................................................... 67
3.3. Definición de Términos Básicos ...................................................... 70
CAPÍTULO IV
4.1. Tipo de Investigación ....................................................................... 76
4.2. Diseño de la Investigación ............................................................... 77
iii
4.3. Unidades de análisis ........................................................................ 78
4.3.1. Población .................................................................................. 78
4.3.2. Muestra ..................................................................................... 79
4.4. Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos ......................... 80
4.4.1. Revisión Documental ................................................................ 80
4.4.2. Observación Directa .................................................................. 81
4.4.3. Entrevistas No Estructuradas de Tipo Informal ......................... 81
4.4.4. Herramientas Computacionales ................................................ 82
4.5. Instrumentos Para la Recolección de Datos .................................... 83
4.6. Procedimiento de Recolección de Datos ......................................... 84
4.7. Procesamiento de la Información .................................................... 87
CAPÍTULO V
5.1 Procedimiento para realizar la medición .......................................... 88
5.2 Posibles problemas observados .................................................... 175
5.3 Descripción de los armónicos generados en las barras de alimentación de 13.8 kV…………………………………………………………176
5.4 Área con alto nivel de armónicos en Laminación en Frio .............. 178
5.5 Efectos que causan los armónicos al factor de potencia ............... 179
5.6 Análisis de la carga en la barra 1 y 2 de 13.8 kV. .......................... 180
CAPÍTULO VI
6.1 Elaboración de propuesta final ...................................................... 193
6.2 Descripción del proyecto ............................................................... 193
6.3 Fundamentos Teóricos de la propuesta. ....................................... 196
6.4 Consideraciones Técnicas ............................................................. 199
CONCLUSIONES ....................................................................................... 202
RECOMENDACIONES ............................................................................... 205
REFERENCIAS .......................................................................................... 207
ANEXO ....................................................................................................... 209
Anexo A – Fotografías del área del Proyecto ............................................. 210
Anexo B – Fotografías del estado actual del filtro de compensación .......... 217
Anexo C – Sección de la Norma IEEE 519 – 1992 referente al Control de Armónicos en un Sistema de Potencia ....................................................... 223
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Ubicación Geográfica de SIDOR C.A… ...................................... 24
Figura 2.2: Organigrama Estructural de SIDOR C.A… ............................... . 25
Figura 2.3: Organigrama Estructural la Gerencia de Ingeniería y Medio Ambiente de SIDOR C.A ............................................................................. 27
Figura 3.1: Triangulo de Potencias .............................................................. 32
Figura 3.2: Tipos de instalaciones de capacitores para la corrección del Factor de Potencia. ....................................................................................... 37
Figura 3.3: Composición de un armónico ..................................................... 42
Figura 3.4: Diagrama unifilar compensador estático General Electric ......... 51
Figura 3.5: Circuito de potencia y diagrama de bloques del sistema de regulación del SVS “General Electric”. .......................................................... 66
Figura 3.6: Diagrama de bloques del sistema de regulación del SVS “General Electric” ........................................................................................................ 67
Figura 5.1: Descripción del gráfico de Armónicos generados en la red, suministrados por el equipo MEMOBOX 300 Smart .................................... 92
Figura 5.2: Armónicos de voltaje generados en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335 .......................................... 94
Figura 5.3: Armónicos de corriente generados en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335 ..................................... 95
Figura 5.4: THD de Voltaje en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335 ................................................................ 96
Figura 5.5: THD de corriente en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335 ............................................................... 97
Figura 5.6: Factor de Potencia generado en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335 ........................................... 98
Figura 5.7: Reactivos generados en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335 ........................................................... 99
Figura 5.8: Armónicos de voltaje generados en la barra 2 de alimentación 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435 ......................................... 102
Figura 5.9: Armónicos de corriente generados en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435 .................................... 103
Figura 5.10: THD de Voltaje en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435 .............................................................. 104
v
Figura 5.11: THD de Corriente en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435 .............................................................. 105
Figura 5.12: Factor de Potencia generado en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435 ......................................... 106
Figura 5.13: Reactivos generados en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435 .......................................................... 107
Figura 5.14: Armónicos de voltaje generados en Temple II ........................ 110
Figura 5.15: Armónicos de corriente generados en Temple II .................... 111
Figura 5.16: THD de Voltaje en Temple II ................................................... 112
Figura 5.17: Factor de Potencia generado en Temple II ............................. 113
Figura 5.18: Reactivos generados en Temple II ......................................... 114
Figura 5.19: Armónicos de voltaje generados en Temple III ....................... 117
Figura 5.20: Armónicos de Corriente generados en Temple III .................. 118
Figura 5.21: THD de Voltaje en Temple III .................................................. 119
Figura 5.22: Factor de Potencia generado en Temple III ............................ 120
Figura 5.23: Reactivos generados en la Temple III..................................... 121
Figura 5.24: Armónicos de voltaje generados en el área de Estañado 1 .... 124
Figura 5.25: Armónicos de Corriente generados área de Estañado 1 ........ 125
Figura 5.26: THD de Voltaje en el área de Estañado 1 ............................... 126
Figura 5.27: Factor de Potencia generado en el área de Estañado 1 ......... 127
Figura 5.28: Reactivos generados en el área de Estañado 1 ..................... 128
Figura 5.29: Armónicos de voltaje generados en el área de Estañado 2 131
Figura 5.30: Armónicos de Corriente generados área de Estañado 2 ........ 132
Figura 5.31: THD de Voltaje en el área de Estañado 2 .............................. 133
Figura 5.32: Factor de Potencia generado en el área de Estañado 2 ......... 134
Figura 5.33: Reactivos generados en el área de Estañado 2 ..................... 135
Figura 5.34: Armónicos de voltaje generados en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II ................................... 138
Figura 5.35: Armónicos de corriente generados en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II ................................... 139
Figura 5.36: THD de Voltaje generado en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II ................................... 140
Figura 5.37: Factor de Potencia generado en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II ................................... 141
vi
Figura 5.38: Reactivos generados en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II ................................... 142
Figura 5.39: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II .......................................................................... 145
Figura 5.40: Armónicos de corriente, generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II ......................................................................... 146
Figura 5.41: THD de Voltaje generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II ............................................................................................ 147
Figura 5.42: Factor de potencia generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II ......................................................................... 148
Figura 5.43: Reactivos generados en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II ............................................................................................... 149
Figura 5.44: THD de Voltaje generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 2 de TANDEM II ......................................................................................... 152
Figura 5.45: Factor de potencia generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 2 de Tandem II .......................................................................... 153
Figura 5.46: Reactivos generados en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 2 de Tandem II ............................................................................................... 154
Figura 5.47: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II .......................................................................... 155
Figura 5.48: Armónicos de corriente, generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II .......................................................................... 156
Figura 5.49: THD de Voltaje generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II ............................................................................................ 157
Figura 5.50: Factor de potencia generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II .......................................................................... 158
Figura 5.51: Reactivos generados en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II ............................................................................................... 159
Figura 5.52: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .................................................................................. 162
Figura 5.53: Armónico de corriente, generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .................................................................................. 163
Figura 5.54: THD de Voltaje generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II ............................................................................................... 164
Figura 5.55: Factor de potencia generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .......................................................................................... 165
Figura 5.56: Reactivos generados en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .................................................................................................... 166
vii
Figura 5.57: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .................................................................................. 169
Figura 5.58: Armónicos de corriente, generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .................................................................................. 170
Figura 5.59: THD de Voltaje generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II ............................................................................................... 171
Figura 5.60: Factor de potencia generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .......................................................................................... 172
Figura 5.61: Reactivos generados en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II .................................................................................................... 173
Figura 5.62: Triangulo de potencias evaluando situación actual ............... 185
Figura 6.1: Estado actual del filtro de compensación .................................. 194
Figura 6.2: Vegetación y deterioro de los equipos del filtro de compensación .................................................................................................................... 195
Figura 6.3: Diagrama unifilar del filtro de compensación estático General Electric ........................................................................................................ 197
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1: Potencia nominal de cada filtro……… ........... …………………… 53
Tabla 3.2: Características de los reactores por fase y tipo de armónico ..... . 55
Tabla 3.3: Tarjetas electrónicas para las funciones lógicas y de control …. 57
Tabla 3.4: Equipos para la referencia de los alimentadores de entrada… .. . 58
Tabla 3.5: Equipos de medición para el control de variación estática… ….. 58
Tabla 3.6: Equipos instalados en el tablero del cubículo de interruptores . .. 59
Tabla 3.7: Equipos de control para el alimentador de entrada…….....…….. 60
Tabla 3.8: Equipo para controlar de variación estática……… ........... ……... 60
Tabla 5.1: Leyenda del grafico 5.1 …………………… ........................……...93
Tabla 5.2: Armónicos y Factor de Potencia Generados en la barra 1 de alimentación de 13,8 kV de la Sub – Estación R3 interruptor 335. ............. 100
Tabla 5.3: Armónicos y Factor de Potencia Generados en la barra 2 de alimentación de 13,8 kV de la Sub – Estación R3 interruptor D435........... 108
Tabla 5.4: Armónicos y Factor de Potencia Generados en Temple II ......... 115
Tabla 5.5: Armónicos y Factor de Potencia Generados en Temple III ........ 122
Tabla 5.6: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el área de Estañado 1 ................................................................................................. 129
Tabla 5.7: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el área de Estañado 2…… ...................................................................................... … 136
Tabla 5.8: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II… ............. 143
Tabla 5.9: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II…………………………………………… 150
Tabla 5.10: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II ……………………………………………160
Tabla 5.11: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II ……………………………………………167
Tabla 5.12: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II ……………………………………………174
Tabla 5.13: Estudio de la carga en la barra 1 y 2 de 13,8 kV de Laminación en Frio utilizando los cálculos ………………………………………………….183
Tabla 5.14: Corrección del factor de potencia de 0,6 a 0,95 utilizando banco de condensadores de paso de 5 MVAR ………………………………………187
ix
Tabla 5.15: Evaluación del sistema eléctrico de la barra 1 y 2 en 13,8 kV tomando en cuenta los valores de diseño del filtro de compensación General Electric…………………………………………………………………………… 190
x
Pérez L., Gabriel I. (2013). PROPUESTA DE MEJORA DEL SERVICIO ELÉCTRICO EN LAMINACIÓN EN FRÍO, SUBESTACIÓN R3, SIDOR C.A., MEDIANTE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN FILTRO DE COMPENSACIÓN PARA CORREGIR ARMÓNICOS Y FACTOR DE POTENCIA. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Trabajo de Grado.
Autor: Br. Gabriel Pérez Tutor Académico: Ing. Franklin Mendoza
Tutor Industrial: Ing. Betty Mendoza
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo principal realizar el estudio de los niveles de armónicos y de factor de potencia en la barra de alimentación de 13.8 kV de la subestación R3, con la finalidad de colocar nuevamente en servicio el filtro de compensación asociado a esa barra y que se encuentra en desuso. El desarrollo de esta investigación es de gran importancia ya que permitirá mejorar la calidad del servicio eléctrico en cuanto a reducción de los niveles de armónicos y mejora del factor de potencia, garantizando el buen funcionamiento de los equipos instalados en la factoría, volúmenes de producción del material requerido por el mercado nacional e internacional y disminución de la penalización por bajo factor de potencia. El procedimiento a seguir para cumplir el objetivo principal fue: estudiar los niveles de armónicos y factor de potencia producidos en la barra de 13.8 kV de la subestación R3 y las barras asociadas a ésta, que alimentan a Laminación en Frío siguiendo siempre la normativa del Código Eléctrico Nacional, las recomendaciones de fabricantes y las normas eléctricas internacionales.
Palabras claves: filtro de compensación, armónico, factor de potencia,
MEMOBOX 300 smart, subestación.
11
INTRODUCCIÓN
Hoy en día SIDOR es la empresa básica más importante para el
desarrollo de la nación. En ella se fabrican productos semi-elaborados de
acero que sirven para abastecer el mercado nacional e internacional
Para la elaboración de los productos de acero necesita de varios procesos
en los que la calidad de la energía eléctrica debe ser vital, tanto para obtener
un mejor rendimiento en la operación de los equipos en la planta como para
el sistema interconectado nacional.
La caída del factor de potencia y la inyección de armónicos en la red
causan graves daños a los equipos y el desaprovechamiento de su
rendimiento en general, generando pérdidas no deseadas en el proceso
productivo y sanciones por parte de la empresa de suministro eléctrico por la
inyección de armónicos a la red y por poseer un bajo factor de potencia.
En el área de laminación en frío de SIDOR, hace más de 20 años funcionó
un filtro compensador que corregía los niveles de armónicos y el factor de
potencia generados por las maquinarias y equipos utilizados en los procesos
productivos de SIDOR, pero por causas desconocidas salió de operación
quedando el sistema con armónicos inyectados en la red y con el factor de
potencia fluctuante por no poseer compensación llegando a valores tan bajos
que la empresa está siendo penalizada constantemente por la compañía de
suministro eléctrico.
Por tal razón, en el presente estudio se plantea la necesidad de realizar
mediciones en el área que alimenta a Laminación en Frio de los índices de
distorsión armónica, las contribuciones individuales de cada armónico
12
generado y el factor de potencia partiendo desde la Subestación R3 donde
se encuentra el punto de acoplamiento en común de conexión del filtro
compensador actual.
A través de estudio se logra la medición, visualización e interpretación del
contenido armónico que se inyecta al sistema eléctrico de SIDOR por medio
de la producción de Laminación en Frio; de manera complementaria se
realizó un diagnóstico del estado funcional del filtro de compensación
existente y se propone la recuperación de este equipo o la implementación
de uno nuevo, basándose en los índices y valores generados del estudio
realizado.
El proyecto está estructurado en seis capítulos, desarrollados de la
siguiente manera:
Capítulo I, contempla todo lo relacionado al planteamiento y
descripción de la problemática en cuestión, objetivos del proyecto,
justificación e importancia.
Capítulo II, describe a la empresa como tal, la estructura organizativa
actual y el área de donde se generó el planteamiento del proyecto de
tesis.
Capítulo III, representa el marco referencial donde se incluyen las
bases y fundamentos teóricos que apoyan el estudio del contenido de
armónicos y factor de potencia.
Capítulo IV, enmarca la metodología empleada en el estudio, así
como la descripción por fases del desarrollo del proyecto.
13
Capítulo V, constituye el diagnóstico elaborado a partir de cada una de
las mediciones y cálculos realizados, así como también del estado
funcional de todo el equipo de compensación bajo estudio, resaltando
el análisis general en cada caso.
Capítulo VI, establece la propuesta final partiendo de los resultados
obtenidos en el capítulo IV para la mejora del servicio eléctrico de
Laminación en Frio
Las conclusiones y recomendaciones aparecen reflejadas al final de este
proyecto, realizando las consideraciones y planteamiento de criterios que
fueron necesarios.
14
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1. Planteamiento del Problema
La Siderúrgica del Orinoco “Alfredo Maneiro”, C.A (SIDOR), es el
complejo siderúrgico integrado de Venezuela y hoy es uno de los principales
productores de acero del país. Esta planta es uno de los complejos más
grandes de este tipo en el mundo.
Las actividades de la empresa abarcan desde la fabricación de acero
hasta la producción y comercialización de productos semielaborados
(planchones, lingotes y palanquillas), planos (laminados en caliente, frío,
hojalata y hoja cromada) y largos (barras y alambrón). Utiliza para la
fabricación de acero tecnologías de reducción directa (HYL y MIDREX) y
hornos eléctricos de arco.
En laminación en frio, se cuenta con varios procesos para la elaboración
de los productos planos. Entre ellos se encuentran: Estañado, decapado,
cromado, temple. Los cuales se llevan a cabo según los requerimientos de
los clientes con que cuenta la empresa siderúrgica.
15
SIDOR obtiene el suministro eléctrico desde el patio de distribución
Guayana B, de allí se distribuye la electricidad por medio de subestaciones
para cada área de la planta que van desde muelle, acerías, laminación en
frio, laminación en caliente y área administrativa. Cada subestación tiene un
nombre específico, y cuentan con distintos niveles de tensión y
transformación dependiendo de las cargas a las que alimentan. Actualmente
existen en funcionamiento siete (7) subestaciones que llevan por nombres:
R2, R3, R4, R5, R6, R7 y R8. La subestación que vamos a analizar es la R3
La Subestación R3, cuenta con una tensión de alimentación 115 kV que
proviene de la subestación Guayana B, y reduce a un nivel de tensión a su
salida de 13,8 kV. Alimenta el área de laminación en frio, laminación en
caliente, planta de oxigeno 3, planta de cal, muelle y servicios auxiliares. En
las barras de alimentación de la subestación R3 se conectó la termoeléctrica
con una capacidad de generación de 175 MW para alimentar a la
subestación R3 y el excedente al Sistema Interconectado Nacional.
El sistema eléctrico en Venezuela se ha evaluado el consumo de energía
eléctrica con una tasa de crecimiento de 4,5% a 5% interanual y en vías de
mejorar la calidad del servicio, en el 2008 se planifico instalar varios parques
de generación que suministrarían entre 900 a 1000 MW al sistema
interconectado nacional, incluyendo rehabilitar Planta Centro para
incrementar los niveles de generación eléctrica y satisfacer la demanda
creciente de la nación. Desde el 2008 hasta la presente fecha no se ha
culminado por completo los planes de incrementar el parque de generación
para atender el consumo eléctrico y hoy en día, por no haberse invertido más
en los proyectos de generación eléctrica. Hoy en día se están llevando a
cabo medidas para poder cumplir con la demanda nacional. Por tal motivo se
presentó el día 10 de Junio del 2011 en Gaceta Oficial desde el Despacho
del Ministerio del Poder Popular para La Energía Eléctrica [1], una
16
resolución en la que los usuarios industriales, comerciales y oficiales deberán
corregir y mejorar su factor de potencia para disminuir el consumo o aportar
reactivos al sistema eléctrico nacional para poder continuar proporcionándole
buen servicio eléctrico. En caso contrario deberán aplicársele sanciones tales
como multas por bajo Factor de Potencia utilizando la siguiente ecuación:
(
)
Datos del Departamento de Infraestructura y Servicios de SIDOR C.A.,
muestran que el nivel de armónicos y el factor de potencia generado en toda
el área de laminación en frio ha venido afectando la calidad de la energía de
la empresa, llegando a ser penalizada por no llevar a cabo las medidas
correctivas para disminuir los valores de consumo de armónicos y mejorar el
factor de potencia a fin de llevarlos a los valores establecidos en el contrato.
Las subestaciones R7 y R8 se encuentran conectadas a la barra 1 y 2 de
la subestación Guayana B sección 1, a un nivel de tensión de 115 kV. En la
subestación Guayana B existe un filtro de compensación que corrige los
armónicos de 2do orden y 3er orden además del factor de potencia de las
barras 1 y 2, sección 1 que se encuentra fuera de servicio. En el 2012,
Valera [2] realizó estudios para proponer la puesta en servicio del filtro de
compensación y mejorar la calidad del servicio eléctrico a las zonas que
están conectadas a la red de las subestaciones R7 y R8, en la que concluyó
que:
Como consecuencia de las mediciones registradas, se pudo evaluar la
influencia que tiene en la red eléctrica la ausencia del equipo de
compensación de reactivos, pues se evidenció que los valores de factor
17
de potencia en todos los casos oscilaron entre 0.70 y 0.85, lo que
permite asociar su bajo nivel con las constantes anormalidades que son
producidas en las acerías dada la alta inyección de armónicos. Cabe
destacar que en la norma IEEE – 519 se establece que el factor de
potencia dentro de una red eléctrica con altas cargas en condiciones
normales de operación debe ser mayor a 0.95 y 0.90 según el contrato
de SIDOR, lo que indica que en las acerías de la empresa se están
violando los límites establecidos para dichos escenarios, lo que amerita
que se incorpore un equipo de compensación y mejoramiento del factor
de potencia a la brevedad posible. (pág. 113)
Se conoce que en el año 1998, Vallenilla [3] realizó un estudio para la
puesta en funcionamiento del filtro de compensación ubicado en la barra de
13.8 kV de la subestación R3, que es el objeto de estudio en este trabajo de
investigación. Para ese año se propuso la puesta en servicio mediante el
reemplazo de los equipos deteriorados y de la adquisición de nuevos equipos
para la activación del filtro de compensación. Debido a estudios de
factibilidad, la empresa que estaba en manos del consorcio argentino
TERNIUM SIDOR, no encontró viable la inversión que había de realizarse
para el ahorro energético a mediano plazo, debido a que el filtro de
compensación en 115 kV sección 1, que corregía los armónicos de 2do y 3er
orden, ubicado en Guayana B, para ese momento estaba activo logrando
compensar el factor de potencia.
Actualmente la subestación R3 cuenta con el mismo filtro de
compensación para la corrección de armónicos y compensación de factor de
potencia el cual aún no se encuentran operativos desde hace ya varios años.
Se desconoce la causa de la salida de servicio del equipo, por lo que será
objeto de estudio para determinar si cumple o no con los requerimientos
18
necesarios para su nueva puesta en marcha, tomando en cuenta los
parámetros actuales obtenidos de la red.
Por lo anteriormente expuesto, se realiza el estudio mediante mediciones
de niveles de armónicos y tensión en campo y a nivel de simulación para
determinar si el filtro de compensación instalado en la barra alimentación de
13,8 kV de Laminación en Frio, cumple con los requerimientos necesarios
para disminuir el nivel de armónicos y el factor de potencia.
19
1.2. Objetivo General
Estudiar los niveles de distorsión armónica y factor de potencia partiendo
de la barra de alimentación de 13,8 kV en laminación en frio, subestación R3,
SIDOR C.A para proponer la incorporación del filtro de compensación
ubicado en el área y mejorar la calidad del servicio eléctrico.
1.3. Objetivos Específicos
1. Determinar la composición, el estado actual y disposición del filtro de
compensación asociado a la barra de alimentación de 13,8 kV de la
subestación R3, mediante documentación fotográfica y lectura de
planos eléctricos.
2. Estudiar el funcionamiento del Software CODAM Basic/Plus para las
mediciones de armónicos y factor de potencia en la subestación.
3. Realizar mediciones de los niveles de armónicos y de factor de
potencia existentes en el sistema eléctrico de laminación en frio,
partiendo desde la barra de 13.8 kV de la subestación R3
4. Estudiar mediante ecuaciones de análisis de sistemas de potencia los
niveles de armónicos y de factor de potencia utilizando las mediciones
de campo obtenidas con el equipo de medición.
5. Evaluar el impacto que genera la implementación del filtro de
compensación en los valores generales de la red eléctrica de la
empresa.
20
6. Elaborar una propuesta de mejora del filtro de compensación existente
considerando los resultados de la medición de campo y los cálculos,
para la reducción de los niveles de armónicos y mejora del factor de
potencia.
1.4. Justificación
Actualmente, la creciente demanda del servicio eléctrico en el país ha
traído consecuencias para los consumidores comerciales e industriales,
teniendo estos que disminuir su consumo e implementar medidas para
mejorar su factor de potencia y estabilizar el consumo eléctrico.
Para ello se utilizan filtros de compensación para la corrección de
armónicos, que atenúan el daño que puede ocasionar los mismos sobre los
equipos conectados al sistema, por parte del consumidor como de la
empresa que suministra el servicio eléctrico, y también para mejorar el factor
de potencia los cuales se ajustan de acuerdo a las cargas conectadas al
sistema que pudieran ser reactivas o inductivas.
La idea de ello es mejorar el servicio eléctrico evitando perdidas
innecesarias de los equipos que están conectados al sistema y/o fugas de
energía eléctrica, ajustándose también a las normas establecidas por el
Despacho del Ministerio del Poder Popular para La Energía Eléctrica [1] y las
normas existentes que regulan los parámetros transmisión y consumo de
energía eléctrica, para garantizar un óptimo servicio de electricidad en país.
21
1.5. Alcance de la Investigación
La presente investigación está comprendida en dos fases importantes: la
primera corresponde a la medición y análisis de los índices de distorsión
armónica producidos en el proceso de Laminación en Frio y la segunda parte
será el estudio de recuperación o reemplazo del filtro de compensación
existente en la barra de 13.8 kV de Laminación en Frio, basándose en las
distorsiones generadas, para justificar las prioridades de compensación
dentro del Sistema Eléctrico de la empresa.
El trabajo está bajo la supervisión de la Siderúrgica del Orinoco “Alfredo
Maneiro” y se llevará a cabo en el Departamento de Ingeniería y Medio
Ambiente, conjuntamente con el Departamento de Servicios Industriales –
Energía Eléctrica, en Puerto Ordaz – Edo. Bolívar. Contempla un periodo de
24 semanas desde Mayo del 2012 hasta Octubre del 2012 para aportar un
diseño de ingeniería utilizando equipos y software disponibles para
implementarse en SIDOR C.A.
22
CAPÍTULO II
LA EMPRESA
2.1. Descripción de la Empresa SIDOR C.A [7]
La Siderúrgica del Orinoco “Alfredo Maneiro” (SIDOR) C.A. es una
empresa del Estado venezolano, siendo su objetivo la fabricación y
comercialización de productos siderúrgicos de alta calidad en forma eficiente,
competitiva y rentable, usando para ello alta tecnología en lo que se refiere a
Reducción Directa y Hornos de Arco Eléctrico. Cumple con la función de
disminuir la necesidad de importar productos de acero y aprovechar el
mineral de hierro ubicado en la región de Guayana.
Es una empresa integral, donde su proceso productivo comienza desde
la fabricación de pellas y culminan con la comercialización y venta de
productos finales; tipo Largos (Barras y Alambrón) o tipo Planos (Láminas en
Caliente, Láminas en Frío y Recubiertos).
SIDOR C.A. produce acero a partir de un mineral de alto contenido de
hierro, 80% de hierro de reducción directa y 20% máximo de chatarra,
utilizando la vía de reducción directa, hornos eléctricos de arco y colada
continua, lo que contribuye a la elaboración de un acero de bajo contenido de
impureza.
23
2.2. Ubicación de la Empresa
SIDOR C.A., está situada en el Estado Bolívar, dentro del perímetro
urbano de Ciudad Guayana en la Zona Industrial de Matanzas, sobre el
margen Sur del río Orinoco específicamente a 17 Km. de su confluencia con
el río Caroní y a 300 Km. de la desembocadura del Orinoco en el Océano
Atlántico.
Su ubicación responde principalmente a razones económicas y
geográficas, que le permite conectarse con el resto del país por vía terrestre,
y por vía fluvial-marítima con el resto del mundo. Además se abastece de la
energía eléctrica generada en la zona por las represas Guri y Macagua,
ubicadas sobre el río Caroní, así como del gas natural proveniente de los
campos petroleros en la región oriental. Anexando a todas estas ventajas la
cercanía con los cerros Bolívar y Pao en los que se encuentra el mineral de
hierro.
Sus instalaciones se extienden sobre una superficie de 2200 hectáreas,
de las cuales 90 son techadas. Además, tiene una amplia red de carreteras
pavimentadas dentro del área industrial de 74 kilómetros, 155 kilómetros de
vías férreas, por donde se transporta la materia prima a la planta, y acceso al
mar por vía fluvial a través del río Orinoco, para lo cual, cuenta con un
terminal portuario de 1.195 m. con una capacidad para atacar
simultáneamente seis barcos de 20.000 toneladas cada uno.
A continuación se ilustra la ubicación de la empresa SIDOR C.A. en la
figura 2.1.
24
Figura 2.1: Ubicación Geográfica de SIDOR C.A
Fuente: [7]
2.3. Misión de SIDOR C.A.
Crear valor con nuestros clientes, mejorando la competitividad y
productividad conjunta, a través de una base industrial y tecnológica de alta
eficiencia y una red comercial global.
2.4. Visión de SIDOR C.A.
Ser la empresa siderúrgica líder de América, comprometida con el
desarrollo de sus clientes, a la vanguardia en parámetros industriales y
destacada por la excelencia de sus recursos humanos.
25
2.5. Estructura Organizativa de SIDOR C.A.
Figura 2.2: Organigrama Estructural de SIDOR C.A.
Fuente: [7]
2.6. Descripción de la Gerencia de Ingeniería y Medio Ambiente.
La Gerencia de Ingeniería y Medio Ambiente se encarga de elaborar planes
de desarrollo y servicio para la empresa, garantizando la producción y el
buen funcionamiento de la planta, rigiéndose bajo los códigos y normas
nacionales e internacionales existentes para la estandarización de los
proyectos a ejecutar.
La Gerencia de Ingeniería y Medio Ambiente, tiene como objetivo
promover, formular y desarrollar proyectos de infraestructura e ingeniería
26
requeridos para el desarrollo de la planta. La Gerencia de Ingeniería y
Ambiente tiene las siguientes funciones:
Coordinar la elaboración de Planes y Programas de Gestión para la
formulación, asesoramiento y el desarrollo de Proyectos de para
SIDOR C.A.
Promover, dirigir y controlar la ejecución de Proyectos de Arquitectura
e Ingeniería de acuerdo con los Planes y Programas establecidos por
la empresa.
Coordinar con entes y organismo públicos y privados, la promoción,
formulación y ejecución de Proyectos de Arquitectura, Ingeniería y
Medio Ambiente.
Coordinar la prestación del servicio de asesoría técnica en la
formulación y ejecución de Proyectos de Arquitectura, Ingeniería y
Medio Ambiente dentro de SIDOR C.A.
Prestar la asesoría técnica en el estudio de factibilidad de proyectos
de ingeniería y arquitectura a SIDOR C.A.
El siguiente organigrama describe brevemente como está conformada la
gerencia de Ingeniería y Medio Ambiente de SIDOR C.A.
27
Figura 2.3: Organigrama Estructural la Gerencia de Ingeniería y Medio
Ambiente de SIDOR C.A.
Fuente: [7]
Gerencia de Ingeniería y Medio Ambiente
Departamento de Aires
Departamento de Infraestructura y Servicios
Edificaciones
Industriales
Servicios
Departamento de Reducidos
Departamento de Infraestructura y Servicios
Departamento de Automatización
Departamento de Laminación
Departamento de Ambiente
28
CAPÍTULO III
MARCO TEÓRICO
3.1. Antecedentes
En la empresa se han realizado estudios en los sistemas de distribución
existentes para determinar las fallas que generan daños irreversibles a los de
equipos en la planta. El filtro de compensación estático marca General
Electric se instaló en la planta con el propósito de corregir los niveles de
armónicos y factor de potencia que se generaban con los equipos y
maquinarias conectadas a la subestación R3. Desde hace algunos años, el
filtro de compensación dejo de funcionar por causas que no están
documentadas, pero se conoce que en el año 1998, Vallenilla [3] realizó un
estudio para su puesta en funcionamiento en el que propuso:
El estudio y la comparación de las demandas de potencia activa,
potencia reactiva, corriente y factor de potencia de las plantas de
Laminación en Frio II y Laminación en Caliente, comprobó la necesidad
de poner en servicio el Filtro de compensación a fin de tener un mayor
y un mejor aprovechamiento del sistema de potencia asociado.(pág. 98)
Para el año 1998, tomando en cuenta que se realizó un estudio con los
parámetros adquiridos en la subestación R3, el autor de la cita sugiere el
29
acondicionamiento del filtro de compensación para su puesta en
funcionamiento, que de por sí ya se encontraba en desuso por no poseer los
equipos necesarios. Para ese año el filtro de compensación nunca fue puesto
en funcionamiento y tampoco para fechas posteriores.
El estudio realizado en 1998 fue con el objeto de poner en funcionamiento
el filtro de compensación. No fue posible su puesta en servicio por la falta de
presupuesto y por falta de un plan de acción que demostrara la importancia
que este tiene para la empresa. Teniendo este filtro de compensación en
servicio se puede evitar las fallas en los transformadores asociados a las
barras de la subestación R3, perdidas por corrientes de Facoult, y perdidas
de factor de potencia producidas por los reactivos que generan los equipos
rotativos y los hornos asociados a la subestación R3.
Para el presente año 2012 el Departamento de Infraestructura y Servicios
propone realizar un trabajo de investigación basándose en la obtención de
parámetros, utilizando un equipo de medición llamado MEMOBOX 300 y con
la ayuda del software CODAM PLUS. El estudio es llevado a cabo en la barra
de 13.8 kV de la subestación R3 y sus barras asociadas para determinar las
capacidades y reactivos necesarios para compensar los niveles de
armónicos y factor de potencia.
3.2. Bases Teóricas
La siguiente información sirve como bases teóricas para la elaboración
del trabajo de investigación, parte de la información fue extraída de internet,
también del trabajo de investigación “Diagnostico y análisis de la factibilidad
de puesta en servicio del compensador estático General Electric ubicado en
la planta de laminación en frio II de SIDOR C.A.” (Vallenilla E. y Díaz E.,
30
1998.) [3] y del trabajo de ascenso “Sistemas de Potencia” (autor: Ing.
Cáceres R., 2002.). [4]
Para la elaboración de un filtro de compensación es necesario conocer los
parámetros que serán de importancia para la investigación, entre los cuales
destacan, factor de potencia, tensión, corriente, potencia activa y potencia
reactiva. También es necesario documentarse técnicamente sobre las
posibles fallas que se presentan en los sistemas de potencia que pueden
afectar a los equipos rotativos, hornos eléctricos y equipos resistivos.
3.2.1. Filtro de Compensación.
El filtro de compensación es un equipo que está conformado por un grupo
de reactores, condensadores y un banco de rectificadores que funcionan en
conjunto para regular el factor de potencia y los niveles de armónicos
inyectados a la red, con la intensión de mejorar la calidad de la energía
eléctrica en el sistema de potencia.
3.2.2. La Potencia eléctrica (P) [4]
Podemos definir la potencia como el trabajo realizado para mover una
partícula de un lugar a otro. En nuestro caso, estudiamos la potencia
eléctrica como una forma de energía que se transforma en otras formas de
energía, calor, potencia mecánica, radiación.
Todos los equipos eléctricos que suministran energía ya sea en forma de
luz, calor, sonido, rotación, movimiento, etc., consumen una cantidad de
energía eléctrica equivalente a la entregada directamente por la fuente de
electricidad a la que están conectados. Esta energía consumida se denomina
Activa la cual se registra en los medidores y es facturada al consumidor por
31
parte de la empresa que realiza el suministro eléctrico. Algunos equipos,
según su principio de funcionamiento, toman de la fuente una cantidad de
energía mayor a la que registra el medidor una parte de estar energía es la
ya mencionada energía activa y la otra parte restante no es en realidad
consumida sino intercambiada entre el equipo y la red de electricidad. Esta
energía intercambiada se le denomina reactiva y parte de esta energía no es
registrada por los medidores del grupo tarifario de las empresas que
suministran la electricidad. La energía total (formada por la activa y la
reactiva) que es tomada de la red eléctrica se denomina Aparente y es la que
debe ser transportada al punto de consumo.
La energía que toman los equipos eléctricos de la red es de una corriente
alterna, que en el mayor de los casos es transformada en corriente continua
para alimentar a los circuitos de control que manejan bajos niveles de
tensión. Esta conversión provoca un desfasamiento de la corriente y que
pierda su forma sinodal originando un factor de potencia bajo.
Además, el efecto resultante de una enorme cantidad de usuarios en esta
condición, provoca que disminuya en gran medida la calidad del servicio de
electricidad (altibajos de tensiones, cortes de electricidad, etc.) por estos
motivos las compañías de distribución toman medidas que tienden
compensar económicamente esta situación (penalizando o facturando la
utilización de la energía reactiva) o bien regularizarla (induciendo a los
usuarios a que corrijan sus instalaciones y generen un mínimo de energía
reactiva).
32
3.2.3. Conceptos básicos de Potencia [4]
Potencia Reactiva (Q)
Los equipos eléctricos además de necesitar de potencia Activa para poder
realizar un trabajo, los motores, transformadores y demás equipos similares
requieren un suministro de potencia reactiva para generar el campo
magnético necesario para su funcionamiento
La potencia reactiva no produce por si misma ningún trabajo. Se simboliza
con la letra Q y su unidad es el Volts-Ampers Reactivos (VAR).
Potencia Aparente (S)
La potencia total o aparente es la suma geométrica de las potencias activa
y reactiva, o bien, el producto de la corriente por el voltaje. Su símbolo es S y
su unidad es el Volts-Ampers (VA).
Triangulo de Potencia
La figura 1 puede ser utilizada para ilustrar las diferentes formas de
potencia eléctrica.
Figura 3.1: Triangulo de Potencias
Fuente: Autor
33
De la figura anterior se observa:
√
Siendo:
Por lo que se puede conocer la potencia aparente aplicando el teorema de
Pitágoras aplicado en el triangulo de potencias.
Factor de Potencia (fp)
Según Vallenilla (1998) [3] “una de las medidas al alcance del usuario
industrial para conocer el grado de eficiencia con el que se está trabajando
la energía eléctrica es el llamado factor de potencia.”
El factor de potencia es la relación entre la Potencia Activa (“P” en Watts,
W), y la potencia aparente (“S” en Volt – Ampere, VA) y describe la relación
entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida.
El factor de potencia está definido por la siguiente ecuación:
Siendo el factor de potencia.
El factor de potencia expresa en términos generales, el desfasamiento o
no de la corriente con respecto al voltaje y es utilizado como indicador del
correcto aprovechamiento de la energía eléctrica, el cual puede tomar
34
valores entre 0 y 1, siendo la unidad (1) el valor máximo del Fp y por tanto el
mejor aprovechamiento de la energía.
Causas del bajo Factor de Potencia
Las cargas inductivas como motores, balastos, transformadores, etc., son
el origen del bajo factor de potencia ya que son cargas lineales que
contaminan la red eléctrica, en estos tipos de equipos el consumo de
corriente se desfasa con relación al voltaje lo que provoca un bajo factor de
potencia.
Consecuencias de bajo Factor de Potencia
Las instalaciones eléctricas que operan con un Factor de Potencia menor
a 1 afectan a la red tanto en alta tensión como en baja tensión, además,
tiene las siguientes consecuencias en la medida de que el Factor de
Potencia disminuye:
1. Incremento de las pérdidas por efecto Joule.
La potencia que se pierde está dada por la expresión , donde
es la corriente total y es la resistencia de los equipos (bobinados de
generadores, transformadores, conductores de circuitos de distribución, etc.).
Las pérdidas por efecto Joule se manifiestan en:
Calentamiento de los cables.
Calentamiento de los embobinados de los transformadores de
distribución.
Disparo sin causa aparente de los dispositivos de protección.
35
Uno de los mayores problemas que causa el sobrecalentamiento es el
deterioro irreversible del aislamiento de los conductores que, además de
reducir la vida útil de los equipos, puede provocar cortocircuitos.
2. Sobrecargas de los generadores, transformadores y líneas de
distribución.
El exceso de corriente debido a un bajo factor de potencia, ocasiona que
los generadores, transformadores y líneas de distribución trabajen con cierta
sobrecarga y reduzcan su vida útil, debido a que estos equipos se diseñan
para un cierto valor de corriente y para no dañarlos se deben operar sin que
este se rebase de su límite de operación.
3. Aumento de la caída de tensión.
La circulación de corriente a través de los conductores ocasiona una
pérdida de potencia transportada por el cable, y una caída de tensión o
diferencia entre las tensiones de origen y la que lo canaliza, resultando en un
insuficiente suministro de potencia a las cargas (motores, hornos de
inducción, luminarias, etc.); estas cargas sufren una reducción en su
potencia de salida. Y esta caída de voltaje afecta a:
Los embobinados de los transformadores de distribución.
Los cables de alimentación.
Sistemas de Protección y Control.
4. Incremento de la facturación eléctrica.
36
Debido a que un bajo Factor de Potencia implica perdidas de energía en la
red eléctrica, el productor y distribuidor de energía eléctrica se ve en la
necesidad de penalizar al usuario haciendo que pague más por el servicio.
Corrección de Factor de Potencia
La finalidad de corregir el factor de potencia es reducir o aun eliminar el
costo de energía reactiva en la factura de electricidad. Para lograr esto es
necesario distribuir las unidades capacitivas, dependiendo de su utilización
en el lado del usuario del medidor de potencia, entre los que destacan la
instalación de capacitores eléctricos o bien motores síncronos que finalmente
actúan como capacitores.
Existen varias formas de realizar la corrección del factor de potencia,
entre ellas tenemos:
Compensación Individual de motores.
Compensación por grupo de cargas.
Compensación centralizada.
Compensación Combinada.
Los capacitores eléctricos o bancos de capacitores, pueden ser instalados
en varios puntos de la red de distribución de una planta, y pueden
distinguirse cuatro tipos de instalación de los capacitores para compensar
potencia reactiva.
Cada una de las instalaciones descritas en la figura 3.2 corresponden a
una aplicación específica, no obstante, es importante mencionar que antes
de instalar capacitores eléctricos, se deben tomar en cuenta los siguientes
factores: tipos de cargas eléctricas, variación y distribución de las mismas,
37
factor de carga, disposición y longitud de los circuitos, tensión de las líneas
de distribución, entre otros.
Figura 3.2: Tipos de instalaciones de capacitores para la corrección del
Factor de Potencia.
Fuente: Cáceres, R. [4]
Compensación individual
La compensación individual se refiere a que cada consumidor de carga
inductiva se le asigna un capacitor que suministre potencia reactiva para su
compensación. La compensación individual es empleada principalmente en
equipos que tienen una operación continua y cuyo consumo de carga
inductivo es representativo. A continuación se describen dos métodos de
compensación individual:
1. Compensación Individual en motores eléctricos.
El método de compensación individual es el tipo de compensación más
efectivo ya que el capacitor se instala en cada una de las cargas inductivas a
corregir de manera que la potencia reactiva circule únicamente por los
conductores cortos entre el motor y el capacitor.
38
La compensación individual representa las siguientes ventajas:
Los capacitores son instalados cerca de la carga inductiva, la potencia
reactiva es confinada al segmento más pequeño posible de la red.
El arrancador para el motor también puede servir como un interruptor
para el capacitor eliminando así el costo de un dispositivo de control
para el capacitor solo.
El uso de un arrancador proporciona control semiautomático para los
capacitores, por lo que no son necesarios controles complementarios.
Los capacitores son puestos en servicio solo cuando el motor está
trabajando.
Todas las líneas quedan descargadas de la potencia reactiva.
No obstante este método tiene sus desventajas que son las siguientes:
El costo de varios capacitores por separado es mayor que el de un
solo capacitor de igual valor nominal equivalente (VA).
Existe subutilización para aquellos capacitores que no son usados con
frecuencia.
Es importante mencionar que para no incurrir en una sobre compensación
en la carga inductiva que provoque alteraciones del voltaje que puedan dañar
la instalación eléctrica, la potencia del banco de capacitores deberá limitarse
al 90% de la potencia reactiva del motor en vacio.
2. Compensación individual en transformadores de distribución.
Otro método para corregir el factor de potencia es compensar la potencia
reactiva en los transformadores de distribución. La potencia total del banco
39
de capacitores se calcula para compensar la potencia reactiva absorbida por
el transformador en vacio que es del orden del 5% al 10% de la potencia
nominal.
De acuerdo a las normas técnicas para instalaciones eléctricas, con el fin
de evitar los fenómenos de resonancia y sobretensión en vacio, la potencia
total del banco de capacitores no debe exceder el 10% de la potencia
nominal (en VA) del transformador.
Compensación en grupo
Es aconsejable compensar la potencia inductiva de un grupo de cargas,
cuando estas se conectan simultáneamente y demandan potencia reactiva
constante, o bien cuando se tienen diversos grupos de cargas situados en
puntos distintos.
La compensación en grupo presenta las siguientes ventajas;
Se conforman grupos de cargas de diferentes potencias pero con
un tiempo de operación similar, para que la compensación se
realice por medio de un banco de capacitores común con su propio
interruptor.
Los bancos de capacitores pueden ser instalados en el centro de
control de motores.
El banco de capacitores se utilizan únicamente cuando las cargas
están en uso.
Se reducen costos de inversión para la adquisición de los bancos
de capacitores.
Es posible descargar de potencia reactiva las diferentes líneas de
distribución de potencia eléctrica.
40
En las líneas de alimentación principal se presenta la desventaja de que la
sobrecarga de potencia reactiva no se reduce, es decir, que seguirá
circulando energía reactiva entre el centro de control de motores y los
motores.
Compensación central con banco automático
Este tipo de compensación ofrece una solución generalizada para corregir
factor de potencia ya que la potencia total del banco de capacitores se instala
en la acometida, cerca de los tableros de distribución de energía, los cuales,
suministran la potencia reactiva demandada por diversos equipos con
diferentes potencias y tiempos de operación.
La potencia total del banco de capacitores se divide en varios bloques que
están conectados a un regulador automático de energía reactiva, que
conecta y desconecta los bloques que sean necesarios para obtener el factor
de potencia previamente programado en dicho regulador.
La compensación centralizada presenta las siguientes ventajas:
Mejor utilización de la capacidad de los bancos de capacitores.
Se tiene una mejora en la regulación del voltaje en el sistema
eléctrico.
Suministro de potencia reactiva según los requerimientos del
momento.
Es de fácil supervisión.
La desventaja de corregir el factor de potencia mediante la compensación
centralizada, es que las diversas líneas de distribución no son descargadas
de la potencia reactiva, además, se requiere de un regulador automático en
41
el banco de capacitores para compensar la potencia reactiva, según las
necesidades de cada momento.
Otro tema que trataremos a fondo para este trabajo de investigación es la
disminución de armónicos, por lo que se hace necesario conocer como se
producen, las consecuencias que pueden traer a los equipos conectados a la
red eléctrica y encontrar la manera de atenuar los daños que estos producen.
Comenzaremos describiendo lo que son los armónicos.
3.2.4. Armónicos [5]
Los armónicos son distorsiones de las ondas sinusoidales de tensión y/o
corriente de los sistemas eléctricos, debido al uso de cargas con impedancia
no lineal, a materiales ferromagnéticos, y en general al uso de equipos que
necesiten realizar conmutaciones en su operación normal. La aparición de
corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema eléctrico crea problemas
tales como, el aumento de pérdidas de potencia activa, sobretensiones en
los condensadores, errores de medición, mal funcionamiento de
protecciones, daño en los aislamientos, deterioro de dieléctricos, disminución
de la vida útil de los equipos, entre otros.
En un sistema de potencia eléctrica, los aparatos y equipos que se
conectan a él, tanto por la propia empresa como por los clientes, están
diseñados para operar a 50 ó 60 ciclos, con una tensión y corriente
sinusoidal. Por diferentes razones, se puede presentar un flujo eléctrico a
otras frecuencias de 50 ó 60 ciclos sobre algunas partes del sistema de
potencia o dentro de la instalación de un usuario. La forma de onda existente
está compuesta por un número de ondas sinusoidales de diferentes
frecuencias, incluyendo una referida a la frecuencia fundamental. En la figura
3 se observa la descomposición de una onda distorsionada en una onda
42
sinusoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) más una onda de frecuencia
distinta. El término componente armónico o simplemente armónico, se refiere
a cualquiera de las componentes sinusoidales mencionadas previamente, la
cual es múltiplo de la fundamental. La amplitud de los armónicos es
generalmente expresada en por ciento de la fundamental.
Figura 3.3: Composición de un armónico.
Fuente: [5]
Los armónicos se definen con los datos más importantes que los
caracterizan, los cuales son:
Su amplitud: hace referencia al valor de la tensión o intensidad del
armónico.
Su orden: hace referencia al valor de su frecuencia referido a la
fundamental (60 Hz). Así un armónico de orden 3 tiene la frecuencia 3
veces superior a la fundamental, es decir:
.
El orden del armónico, también referido como el rango del armónico, es la
razón entre la frecuencia de un armónico fn y la frecuencia fundamental (60
Hz).
43
Siendo n el orden del armónico, frecuencia del armónico n, y la
frecuencia fundamental.
Por principio la fundamental tiene rango 1
Cualquier fenómeno periódico puede ser representado mediante una serie de
Fourier,
∑
√
Dónde:
, Es la componente de la corriente directa, la cual es generalmente cero en
sistemas eléctricos de distribución.
, Es el valor rms de la componente (nth) armónica.
, Representa el ángulo de fase de la componente (nth) armónica cuando
.
Los armónicos por encima del orden 23 son despreciables.
La cantidad de armónicos es generalmente expresada en términos de su
valor rms dado que el efecto calorífico depende de este valor de la onda
distorsionada. Para una onda sinusoidal el valor eficaz es el máximo valor
dividido por raíz de 2. Para una onda distorsionada, bajo condiciones
de estado estable, la energía disipada por el efecto Joule es la suma de las
energías disipadas por cada una de las componentes armónicas:
44
Donde,
Suponiendo que la resistencia se tome como una constante.
Este cálculo permite intuir uno de los principales efectos de los armónicos
que es el aumento de la intensidad eficaz que atraviesa una instalación
debido a las componentes armónicas que lleva asociada una onda
distorsionada. El porciento de armónico y la distorsión
total armónica cuantifican los armónicos que pueden existir en una red de
suministro eléctrico.
La tasa de armónicos o por ciento de armónicos, expresa la magnitud de
cada armónico con respecto a la fundamental.
La distorsión total armónica (THD), cuantifica el efecto térmico de todos
los armónicos. La CIGRE propone la siguiente expresión para el cálculo de
esta magnitud:
√∑
Donde,
, magnitud del armónico .
, magnitud de la frecuencia fundamental.
Origen De Los Armónicos
En general, los armónicos son producidos por cargas no lineales, lo cual
significa que su impedancia no es constante (está en función de la tensión).
Estas cargas no lineales a pesar de ser alimentadas con una tensión
45
sinusoidal adsorben una intensidad no sinusoidal, pudiendo estar la corriente
desfasada un ángulo respecto a la tensión.
Existen dos categorías generadoras de armónicos. La primera es
simplemente las cargas no lineales en las que la corriente que fluye por ellas
no es proporcional a la tensión. Como resultado de esto, cuando se aplica
una onda sinusoidal de una sola frecuencia, la corriente resultante no es de
una sola frecuencia. Transformadores, reguladores y otros equipos
conectados al sistema pueden presentar un comportamiento de carga no
lineal y ciertos tipos de bancos de transformadores multi-fase conectados
en estrella-estrella con cargas desbalanceadas o con problemas en su
puesta a tierra. Diodos, elementos semiconductores y transformadores que
se saturan son ejemplos de equipos generadores de armónicos, estos
elementos se encuentran en muchos aparatos eléctricos modernos.
Invariablemente esta categoría de elementos generadores de armónicos, lo
harán siempre que estén energizados con una tensión alterna. Estas son las
fuentes originales de armónicos que se generan sobre el sistema de
potencia. El segundo tipo de elementos que pueden generar armónicos son
aquellos que tienen una impedancia dependiente de la frecuencia.
Contenido Normal De Armónicos
Los armónicos crean problemas sólo cuando interfieren con la operación
propia del equipo, incrementando los niveles de corriente a un valor de
saturación o sobrecalentamiento del equipo o cuando causan otros
problemas similares. También incrementan las pérdidas eléctricas y los
esfuerzos térmicos y eléctricos sobre los equipos. Los armónicos lo que
generalmente originan son daños al equipo por sobrecalentamiento de
devanados y en los circuitos eléctricos, esta es una acción que destruye los
equipos por una pérdida de vida acelerada, los daños se pueden presentar
pero no son reconocidos que fueron originados por armónicos. El nivel de
46
armónicos presente puede estar justamente abajo del nivel que pueden
causar problemas, incrementar este valor límite puede presentarse en
cualquier momento y pasar a un valor donde no se pueden tolerar.
Equipos Que Producen Armónicos
Convertidores Electrónicos de Potencia.
Equipos de Computación, Control de Luminarias, UPS, Variadores
Estáticos de Velocidad, PLC´s, Control de Motores, Televisores,
Microondas, Fax, Fotocopiadoras, Impresoras, etc.
Equipos con Arqueo de Electricidad:
Hornos de Fundición, Balastros Electrónicos, Equipos de Soldadura
Eléctrica.
Sistemas de Tracción Eléctrica.
Equipos Ferromagnéticos:
Transformadores Operando Cerca del Nivel de Saturación, Balastos
Magnético.
Problemas producidos por los armónicos
Las corrientes armónicas ocasionan problemas tanto en el sistema de
suministro de energía como dentro de la instalación. Los efectos y soluciones
a estos problemas son muy distintos en cada caso y deben abordarse por
separado; es posible que medidas adecuadas para controlar los efectos de
los armónicos dentro de la instalación no reduzcan necesariamente la
distorsión producida en el suministro y viceversa.
47
Entre los problemas producidos por los armónicos se encuentran:
Problemas causados por corrientes armónicas:
Sobrecarga de los conductores neutros.
Sobrecalentamiento de los transformadores.
Disparo intempestivos de los interruptores automáticos.
Sobrecarga de los conductores de corrección del factor de potencia.
Efecto superficial.
Problemas causados por las tensiones armónicas:
Distorsión de la tensión.
Motores de Inducción.
Ruido de paso por cero.
Medidas para reducir los armónicos
Los métodos para reducir los armónicos, de una manera genérica, se
pueden clasificar en tres apartados: filtros pasivos; transformadores de
aislamiento y de reducción de armónicos; soluciones activas. Cada una de
estas soluciones tienen ventajas e inconvenientes, por lo que no hay una
sola solución que por sí sola pueda considerarse la mejor. Es muy fácil
gastar una gran cantidad de dinero en una solución inadecuada e ineficaz,
por lo que lo más prudente es llevar a cabo un estudio completo del
problema.
Filtros pasivos.
Se emplean filtros pasivos para establecer un camino de baja impedancia
para las corrientes armónicas de forma que circulen por el filtro y no por la
fuente de alimentación. El filtro puede estar diseñado para un armónico
48
determinado o para una banda ancha de armónicos, dependiendo de las
exigencias del sistema.
A veces es preciso desarrollar un filtro más complejo para aumentar la
impedancia en serie a las frecuencias armónicas y así disminuir la parte de
corriente que fluye hacia la fuente de alimentación.
A veces se propone el empleo de filtros eliminadores de banda en serie,
bien sobre la fase o en el neutro. Se coloca un filtro en serie para impedir el
paso de las corrientes armónicas en lugar de establecer un camino
controlado para ellas con lo que se produce una gran caída de tensión
armónica a través de ellos. Esta tensión armónica aparece al lado de la
fuente de alimentación en el lado de la carga. Como la tensión de
alimentación está muy distorsionada, ya no está dentro de los limites para los
cuales está diseñado y garantizado el equipo. Algunos equipos son
relativamente insensibles a esta distorsión, pero algunos son muy sensibles.
Los filtros en serie pueden ser muy útiles en ciertas circunstancias, pero
deben utilizarse con cuidado por lo que no deben recomendarse como
solución de aplicación general.
Transformadores de separación.
Como se ha mencionado anteriormente, por los embobinados en triangulo
de los transformadores circulan corrientes armónicas triple – N. Aunque esto
es un problema para los fabricantes y diseñadores de transformadores, que
deben tener en cuenta la carga adicional, es beneficiosos para los
proyectistas de las redes de suministro porque separan los armónicos triple –
N de la fuente de alimentación.
49
Puede conseguirse el mismo efecto utilizando transformadores con
bobinado zig – zag. De hecho, estos transformadores zig – zag son
autotransformadores con configuración en estrella con una relación particular
de fase entre sus bobinados que están conectados en paralelo con la fuente
de alimentación.
Filtros activos.
Las soluciones mencionadas hasta ahora son adecuadas solamente para
determinados armónicos, el transformador de separación solo es útil para
confinar los armónicos triple – N y los filtros pasivos solo son adecuados
para las frecuencias armónicas para las que han sido diseñados. En algunas
instalaciones el contenido de armónico es impredecible. En muchas
instalaciones informáticas, por ejemplo, la combinación de equipos y su
situación está cambiando constantemente, de forma que los armónicos
también están en constante cambio. Una solución adecuada en estos casos
es el filtro activo o compensador activo de armónicos.
El filtro activo es un dispositivo conectado en paralelo un transformador de
corriente mide el contenido de armónicos de la corriente de carga y controla
un generador de corriente que produce una réplica exacta de los mismos de
signo opuesto, que es enviada a la fuente de alimentación en el ciclo
siguiente. Como la corriente armónica es compensada por el filtro activo, solo
la corriente fundamental procede de la fuente de alimentación. En la practica
la magnitud de las corrientes armónicas se reducen en un 90% y debido a
que la impedancia de la fuente a las frecuencias armónicas es reducida, la
distorsión de la tensión también se reduce.
50
3.2.5. Filtro de Compensación [3]
Es necesario describir el filtro de compensación existente en la planta para
tener el conocimiento de los equipos que se necesitarán para su
acondicionamiento o su reemplazo. Se sabe que este filtro de compensación
se encuentra desincorporado por falta de mantenimiento y también por
piezas faltantes. Se desconoce desde cuándo se encuentra en desuso ya
que anteriormente se ha tratado de colocarlo en funcionamiento buscando la
manera de acondicionarlo pero los intentos han sido en vano.
El filtro de compensación General Electric es del tipo reactor controlado
por tiristores. El diagrama unifilar de este compensador estático se muestra
en la figura 3.4
51
Figura 3.4: Diagrama unifilar compensador estático General Electric
Fuente: Autor.
52
Especificaciones de los equipos.
La especificación de equipos, muestran algunas características
específicas y generales de los aparatos y dispositivos que conforman el
compensador estático. Los folletos y publicaciones de estos equipos están
contenidos en el manual, suministrando información respecto al diseño,
características constructivas, estándar de calidad y detalles en general.
Banco de capacitores
El banco de capacitores está conectado a la barra de 13.8 kV, por medio
de los interruptores 52.3 y 52.4 los cuales permiten su operación. Este banco
de capacitores están dividido en 3 grupos, cada grupo está conectado en
estrella, unido a la red a través de tres reactores lineales (uno en cada fase)
para formar circuitos resonantes serie cuya función es el filtrado de
armónicos.
Los bancos de condensadores instalados sintonizan a los filtros armónicos
para la 3ra., 4ta., y 5ta, armónica. La capacidad nominal del filtro es de 45
MVAR, 110 kV BIL. Cada banco trifásico se encuentra montado sobre
fundaciones de concreto. Cada condensador (con aislamiento dielektrol II)
posee su respectivo fusible, un nivel de aislamiento base de 110 kV entre el
estante y la fundación. El valor del coeficiente de inducción de los reactores y
el valor de la capacitancia de los correspondientes grupos son tales que:
El primer grupo o filtro H3, está en resonancia para 180 Hz
(armónica de orden 3); los valores de capacitancia e inductancia
respectivos por fase son:
53
C: 124 μF.
L: 6.31 mH
El segundo grupo o filtro H4, está en resonancia para 240 Hz
(armónica de orden 4); los valores de capacitancia e inductancia
respectivos por fase son:
C: 131 μF.
L: 3.37 mH
El tercer grupo o filtro H5, está en resonancia para 300 Hz
(armónica de orden 5); los valores de capacitancia e inductancia
respectivos por fase son:
C: 346 μF.
L: 0.813 mH
La potencia nominal de cada filtro es la siguiente:
Tabla 3.1: Potencia nominal de cada filtro
Filtro MVAR
H3 10
H4 10
H5 25.9
Fuente: Vallenilla, E. [3]
54
Controlador de tiristores
El controlador de tiristores tiene una capacidad de 45 MVAR, trifásico,
13.8 kV, 60 Hz, en un módulo cerrado con sistema de refrigeración forzada e
incluye los siguientes componentes principales:
Una estructura de soporte para el panel de tiristores.
Paneles de tiristores, incluyendo los tiristores, sistema de
ventilación, red de divisor de voltaje, supresión de sobrecarga,
puerta de la circuitería e indicadores luminosos para el control de
cada nivel de voltaje de la serie de tiristores.
Módulo de luces guías, incluyendo los circuitos de entrada,
señalización del convertidor óptico, conductores de fibra óptica para
la transmisión de entradas inteligentes y lámparas de verificación
para la condición indicadora de redundante.
Banco de reactores
Los reactores son del tipo AA – MCLS en cada fase, con núcleo de aire.
Cada banco trifásico se encuentra montado sobre fundaciones de concreto.
Cada uno de ellos es de 8.1 MVA continuo, 13.8 kV, 60 ciclos, 110 kV BIL
(nivel básico de aislamiento), con aislamiento clase B, conductores de
aluminio, con un alza de temperatura promedio sobre el medio ambiente de
80° C por resistencia y dos reactores en serie por fase en delta.
Para los filtros de armónicos existe un reactor por fase con las siguientes
características:
55
Tabla 3.2: Características de los reactores por fase y tipo de armónico
Filtro Características
H3 416 kVA, 418 A y 2.3805 Ω
H4 222 kVA, 418 A y 1.2692 Ω
H5 360 kVA, 1084 A y 0.3064 Ω
Fuente: Vallenilla, E. [3]
Equipos para el control y protección del neutro.
Los equipos para el uso con los bancos de condensador, proveen alarma
si el voltaje del neutro excede un valor prefijado, por lo que se montan
separadamente los dispositivos de potencial neutro para censar la señal del
voltaje del neutro, y controlar la circuitería en el anexo externo, así como
para controlar el rendimiento de los dispositivos de potencia y proveer los
enclavamientos de los circuitos de lógica y alarma del compensador estático.
Control y equipos de monitoreo de las funciones lógicas y de control.
El equipo se encuentra en un gabinete metálico. Sirve para almacenar las
funciones lógicas de control que incluyen el requerimiento para comparar y
convertir la señal de entrada del sensor del sistema de potencia en una señal
de salida inteligente requerida para que el controlador de tiristores regulo los
MVARs a la entrada de la barra 13.8 kV.
Los componentes más importantes son:
Circuitos de lógica y control.
56
Referencia de la fuente de alimentación.
Switch de control de los interruptores.
Los circuitos de control para las funciones lógicas y de control se
encuentran dispuestos en dos grupos o páginas de mandos las cuales se
descomponen de la siguiente manera:
Funciones digitales: son unidades receptoras de señales
provenientes del tablero de mando del sistema. Responden a las
exigencias por funcionamiento defectuoso y proporcionan protección
al circuito, además de emitir señales de alarma,
Funciones analógicas: controlan los impulsos a tiristores provenientes
del SVS, vigilando la operación de la misma.
Las funciones lógicas y de control son realizadas por tarjetas electrónicas
discretas, las cuales son mencionadas a continuación en la tabla 3.3:
57
Tabla 3.3: Tarjetas electrónicas para las funciones lógicas y de control.
Tarjeta (siglas) Nombre Cantidad
MLED Manejador maestro de LED 6
LD Controlador de línea 6
VTM Monitor de luz guía 1
SUP Circuito supresor 3
BRS Blanqueo y retardo de parada 3
BPA Preamplificador 3
PCM Protección y medidor de corriente 3
LRI Lógica y relé de interface 8
RCR Regulador de corriente resistiva 1
PSM Monitor de la fuente de energía 2
FAR Regulador de ángulo de disparo 3
FPG Generador de pulsos de disparo 3
CCM Circuito de medición 3
SSI Sincronizador (inductor de estado sólido) 3
MBF Controlador de potencia activa 3
ETC limitador 3
Fuente: Vallenilla, E. [3]
Para la referencia de los alimentadores de entrada de la fuente de
alimentación (4 alimentadores) son utilizados los equipos mostrados en la
tabla 3.4.
58
Tabla 3.4: Equipos para la referencia de los alimentadores de entrada.
Equipo Cantidad
Medidor con registro de MW 1
Medidor con registro de MVAR 1
Medidor de factor de potencia 1
Voltímetro 1
Fuente: Vallenilla, E. [3]
Para el control de variación estática (45 MVAR), unidad de reactores, filtro
de 3ra armónica, 4ta armónica, y de 5ta armónica los equipos son los
siguientes:
Tabla 3.5: Equipos de medición para el control de variación estática.
Equipo Cantidad
Amperímetro con Switch selector 1
Medidor con registro de MVAR 1
Fuente: Vallenilla, E. [3]
Para las instalaciones en el tablero del cubículo de interruptores se tienen:
59
Tabla 3.6: Equipos instalados en el tablero del cubículo de interruptores
Equipo Cantidad
Amperímetro con switch selector 1
Medidor con registro de MVAR 1
Relé de sobre voltaje 1
Relé de reemplazo por falla 1
Medidor de variación horaria con
30 min máximos de demanda 1
Fuente: Vallenilla, E. [3]
Nota: Todos leerán la cantidad del aporte a 45 MVAR del controlador de
variación estática.
Control y equipo de monitoreo
El equipo dentro de un gabinete metálico, sirve para almacenar las
funciones lógicas y de control requeridas para comprar y convertir señal de
entrada del sensor del sistema de potencia en una señal de salida inteligente
requerida para que el controlador de tiristores regulo los MVARs a la entrada
de la barra de 13.8 kV.
Los componentes más importantes son:
Circuitos de lógica y control.
Referencia de la fuente de alimentación.
Switchs de control de los interruptores.
Para el control del alimentador de entrada de la fuente de alimentación:
60
Tabla 3.7: Equipos de control para el alimentador de entrada.
Equipo Cantidad
Medidor de MW 1
Medidor de MVAR 1
Medidor de Factor potencia 3
Registrador de MW 1
Fuente: Vallenilla, E. [3]
Para el controlador de variación estática:
Tabla 3.8: Equipo para controlar de variación estática.
Equipo Cantidad
Amperímetro uno atrás de cada fase del SVC
(conectando los reactores en delta) 3
Voltímetros 3
Medidor de MVAR 1
Fuente: Vallenilla, E. [3]
En el interior del gabinete metálico, montado en la pared del gabinete de
interface magnética, se encuentra el tablero que verifica el estado de las
señales de voltaje y corriente. Las señales de entrada de corriente y voltaje
vendrán del sistema de potencia del transformador y la salida ira al cubículo
de control.
61
Nota: Un circuito trifásico de baja potencia reactor – tiristor es incluido en
este tablero para que durante la instalación o mantenimiento pueda
realizarse una simulación del sistema de control paso a paso.
Transformadores de instrumentos.
Transformadores de corriente:
9 – JCB – 5, interior, 110 KV BIL, 2000/5.
6 – JCB – 5, interior, 110 KV BIL, 1200/5.
3 – JCB – 5, interior, 110 KV BIL, 750/5.
6.– JAR – 0, interior, transformadores auxiliares de corriente, 5/5
amperios.
Transformadores de potencial
3 – 14499 V/120V, 2 fusibles en el primario.
Enfriamiento del Equipo.
El grupo de equipos de ventilación para abastecer el aire requerido por el
controlador de tiristores, consta de:
Dos ventiladores centrífugos.
Dos motores de ventilación de 50 HP, 480 V, trifásicos, 60 Hz, con
ventaja en la combinación del arrancador del motor y pulsador de
marcha y parada.
Cuatro sensores diferenciales de presión para el control y protección.
62
Filtro para el aire entrante.
Nota: Dos ventiladores suministran la ventilación requería. Un motor para el
arranque normal, y otro de reserva, con arranque automático del motor de
reserva sobre la señal de pérdida de presión de aire.
Centro de control de motores.
Dentro de un gabinete metálico se encuentra el centro de control de
motores que contiene los arrancadores para los motores de ventilación. Este
gabinete incluye los dispositivos auxiliares de prueba y control requeridos
para el funcionamiento automático del equipo de enfriamiento.
Intercambiador de calor.
Las barras de aluminio tendrán una corriente continua característica de
2000 Amperios.
Interruptores del circuito de potencia.
Los interruptores del circuito de potencia sumergidos en aceite son del tipo
ES – 13.8 – 750 y de 2000 amperios.
63
Sistema generador de potencia reactiva inductiva variable.
Este sistema está conectado a la barra de 13.8 kV en paralelo con los
filtros de armónicos, a través del interruptor 52.2, el cual permite la operación
del mismo sin necesidad de desconectar el banco de capacitores. Este
sistema está compuesto por: Dos reactores por fase, en serie de 8.1 MVAR
cada uno, conectados en delta, el cual constituye una carga atrasada para la
red.
La potencia reactiva puede ser variada mediante el sistema regulador de
corriente a base de tiristores. El sistema regulador está conformado por dos
tiristores por fase conectados en antiparalelo (Back to Back Thyristor) que
permite variación de la corriente que circula por ellos, mediante una señal de
control dada a la compuerta de los tiristores (GATE). Esta señal es generada
por el sistema de regulación del compensador estático.
Sistema de regulación de potencia reactiva.
El esquema básico de regulación del SVS “General Electric” se muestra
en la figura 3.4
Los transformadores de potencial y corriente mostrados en la figura 3.4
suplen las señales alternas de referencia, que sirven para establecer el
control reactivo del sistema. Estas señales, a través de los dispositivos de
regulación y mando, actúan automáticamente sobre el electrodo de
regulación (GATE) de los tiristores, permitiendo una mayor o menor
circulación de corriente inductiva a través de los reactores.
64
El sistema de regulación tiene fundamentalmente como propósito disipar
en el instante preciso a los tiristores e iniciar oportunamente el bloqueo de
los mismos.
El objetivo primordial de la regulación es que el SVS incorpore en el
sistema una admitancia variable que cumpla con las siguientes exigencias:
La tensión en el punto de acoplamiento, es decir, en donde SVS
inyecta o sustrae potencia reactiva, puede variar solo dentro de ciertos
límites.
La desviación que sufre la tensión en el punto de acoplamiento, en el
caso de perturbaciones (por ejemplo, bote de carga) tiene que ser
limitada.
Las oscilaciones de la tensión, frecuencia, potencia activa y reactiva
tiene que ser debidamente amortiguadas.
El flujo de potencia reactiva a través del sistema tiene que ser
influenciado de acuerdo con un cierto criterio operacional
seleccionado para el SVS.
Las asimetrías en los requerimientos de potencia activa tienen que ser
reducidos o convenientemente compensados por el SVS.
Las figuras 3.5 y 3.6 muestran en diagrama de bloques el sistema de
regulación y sus respectivos dispositivos, estos dispositivos están
construidos a base de tarjetas electrónicas donde el grupo principal cumple
las siguientes funciones:
65
Circuito de medición (CCM): asume la medición y registro de las
magnitudes de importancia para el control del sistema tales como,
tensión, corriente, flujo de potencia activa, etc.
Sincronizador (SSI): Genera la referencia adecuada para ( es
el angulo de disparo de los tiristores), de esta manera queda
establecida una referencia fija respecto al tiempo.
Controlador de potencia activa (MBF): computa en forma simultánea y
automática el ángulo de disparo necesario para el accionamiento de
los tiristores.
Limitador (ETC): Asume el control o limite sobre impulso al ángulo ,
para reordenar el sistema bajo cierta condición de operación.
Regulador de ángulo de disparo (FAR): regula los impulsos de disparo
de los tiristores. Trabaja en forma estrecha con el sincronizador.
Generador de pulsos de disparo (FPG): Genera los pulsos requeridos
para activar los tiristores.
Preamplificador (BPA): amplifica las señales de referencia y controla
Switch.
66
Figura 3.5: Circuito de potencia y diagrama de bloques del sistema de
regulación del SVS “General Electric”.
Fuente: Vallenilla, E. [3]
67
Figura 3.6: Diagrama de bloques del sistema de regulación del SVS
“General Electric”
Fuente: Vallenilla, E. [3]
3.2.6. Instrumentos de medida [6].
Para conocer el estado de la red eléctrica y el sistema de potencia
asociado a ella, es necesario realizar mediciones en las barras de
alimentación y en puntos críticos donde se puedan localizar fallas para poder
corregirlas. El equipo que utilizaremos para conocer los parámetros de la red
eléctrica es el MEMOBOX 300 Smart.
El 300 smart es un dispositivo que monitorea y guarda perfiles de tensión.
También captura los disturbios de corriente y tensión en bajo y medio voltaje
en sistemas de potencia.
Puede configurarse para medir:
68
En una fase, voltaje.
En una fase, voltaje, corriente y potencia
En tres fases voltaje.
En tres fases voltaje, en tres fases corriente y potencia.
En tres fases voltaje, en tres fases corriente, corriente en neutro y
potencia.
El MEMOBOX 300 smart posee varias características que lo hacen
competitivo en comparación con otros equipos de medición similares, entre
estas características tenemos:
Ligero, robusto y un diseño compacto.
Entradas para medidas de voltaje: fase – neutro o fase – fase.
Amplio rango para el voltaje de entrada.
Fácil operación, no posee elementos de control.
Medidas de corriente con transformadores de corriente o con pinzas
amperimetricas.
Medidas de corriente para neutro o tierra.
Nivel de monitoreo mediante LEDs de voltaje o corriente.
Protección: IP65 para aplicaciones en exteriores.
El MEMOBOX 300 smart es entregado junto con el software CODAM
BASIC para ser utilizado en la PC con Windows 98 / ME / NT / XP / Windows
2000. Los trabajos de medición pueden ser programados desde el PC y
luego transferidos al MEMOBOX 300 smart. Los valores medidos, guardados
en el MEMOBOX pueden ser transferidos al PC para evaluar los resultados
que se muestran mediante una descripción grafica del comportamiento de la
red, según los parámetros que obtengan.
69
La evaluación de las medidas utilizando el software CODAM PLUS
muestra la siguiente información:
Montos, Fecha / tiempo y duración de variaciones de voltaje.
Valores de 10ms (8.3ms a 60Hz) mínimo y máximo por cada intervalo
de medida.
Amplitud y duración de las ondas de voltaje.
Correlación entre los picos de corriente y las ondas de voltaje.
Relación entre los picos de corriente y los altos valores de flicker.
95% - valores Flicker de acuerdo a EN50160.
Número y duración de interrupciones.
Conformación de armónicos con el límite de valores definidos.
Valores de corriente fase y pico.
Valores de corriente en el conductor neutro.
THD I de los conductores de fase y neutro.
Medidas de potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente vs
tiempo.
Monitoreo del factor de potencia. Información sobre la efectividad de
los sistemas de compensación.
Presentaciones graficas de medidas de datos y estadísticas.
70
3.3. Definición de Términos Básicos
Armónico: Una componente sinusoidal de una onda periódica o cantidad
que posee una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental.
NOTA: Por ejemplo, en una componente, cuando la frecuencia es el doble de
la fundamental es llamada segundo armónico.
Armónico Característico: Aquellos armónicos producidos por equipos
convertidores semiconvertidores en el curso de la operación normal. En un
convertidor de seis pulsos, los armónicos característicos son los armónicos
impares diferentes a los múltiplos de tres, por ejemplo, los , , ,
, etc.
Algún entero
Numero de pulso del convertidor
Armónico no característico: Armónicos que no son producidos por equipos
convertidores semiconductores en el curso de la operación normal. Estos
pueden ser el resultado de frecuencias oscilatorias; una demodulación de
armónicos característicos y la fundamental; o un desbalance en los sistemas
de potencia AC, el ángulo de retardo asimétrico, o el funcionamiento del ciclo
convertidor.
Carga no lineal: Una carga que dibuja una onda de corriente no sinusoidal
cuando es proporcionada por una fuente de voltaje sinusoidal.
Confiabilidad: Se puede definir como la probabilidad en que un producto
realizará su función prevista sin incidentes por un período de tiempo
especificado y bajo condiciones indicadas.
71
Conmutación: Transferencia de corriente unidireccional entre los elementos
del circuito convertidor del tiristor (o diodo) que conducen la sucesión.
Convertidor: Un dispositivo que cambia la energía eléctrica de una forma a
otra. Un convertidor semiconductor es un convertidor que usa
semiconductores como elementos activos en el proceso de conversión.
Contactor: Un contactor es de constitución parecida a la del relé pero tiene
la capacidad de soportar grandes cargas en sus contactos principales,
aunque la tensión de alimentación de su bobina sea pequeña.
Desviación de una onda seno: Un sencillo número de mediciones de la
distorsión de una sinusoidal debido a componentes armónicos. Esto es igual
a la relación del valor absoluto de la diferencia máxima entre la onda
distorsionada y el valor pico de la fundamental.
Distorsión Armónica Total (THD): Este término ha entrado en el uso común
para definir el “factor de distorsión de” tensión o corriente. Ver: factor de
distorsión.
Distorsión Demanda Total (TDD): La suma de la raíz cuadrada total de las
distorsiones de corriente armónica en porcentaje de la máxima corriente de
carga demandada (15 o 30 demanda min).
Efectividad del filtro (Paralelo): es definido por los siguientes dos términos:
la relación de la impedancia que determina la corriente por unidad que
fluirá dentro del filtro paralelo. Puede acercarse a la unidad
la relación de la impedancia que determina la corriente por unidad que
fluirá dentro de la fuente de potencia. Puede ser muy pequeño a la
frecuencia afinada.
72
Factor Armónico: La relación del valor de la raíz cuadrada de la suma de
los cuadrados (rss) de todos los armónicos al valor efectivo (rms) de la
fundamental.
√
√
Factor de calidad: Dos veces п la relación de la máxima energía guardada a
la energía disipada por ciclo a una determinada frecuencia. Una definición
equivalente aproximada es que la Q es la relación de la frecuencia de
resonancia al ancho de banda entre aquellas frecuencias sobre los lados
opuestos de la frecuencia de resonancia, donde la respuesta de la estructura
resonante difiere en 3dB de la resonancia. Si el circuito resonante
comprende una inductancia, L, y una capacitancia, C, en serie con una
resistencia efectiva, R, entonces el valor de Q es:
√
Factor de Distorsión (Factor Armónico): La relación de la raíz cuadrada de
los armónicos contenidos al valor efectivo de la cantidad fundamental,
expresado en porcentaje de la fundamental.
√∑
Factor de Potencia, Desplazamiento: La componente de desplazamiento
del factor de potencia; la relación de la potencia activa de la onda
73
fundamental, en vatios, a la potencia aparente de la onda fundamental, en
voltiamperios (incluyendo la corriente de excitación del transformador
convertidor del tiristor).
Factor de potencia, Total: La relación de la potencia total de entrada, en
vatios, a la entrada en voltamperios total del convertidor.
Notas:
(1) Estas definiciones incluyen el efecto de los armónicos de corriente y
tensión (distorsión del factor de potencia), el efecto del desplazamiento de
fase entre corriente y tensión, y la excitación de corriente del transformador.
Los voltiamperios son el producto del voltaje rms por la corriente rms.
(2) El factor de potencia es determinado en los terminales de la línea AC del
convertidor.
Filtro: Un término genérico usado para definir aquellos tipos de equipos cuyo
propósito es reducir el flujo de corriente ó voltaje armónico en ó aplicado a
las partes específicas de un sistemas de potencia eléctrica, o en ambos.
Filtro ajustado: Un filtro que generalmente consiste de combinaciones de
condensadores, inductores, y resistores que se han seleccionado de tal
manera que presenten una impedancia mínima (máxima) relativa a una o
más frecuencias específicas. Para un filtro paralelo (serie), la impedancia es
un mínimo (máximo). Los filtros ajustados generalmente tiene una
relativamente alta Q (X/R).
Filtro amortiguado: Un filtro que generalmente consiste de combinaciones
de condensadores, inductores, y resistores que han sido seleccionados de tal
manera que se presente una impedancia baja en un ancho rango de
frecuencias. El filtro usualmente tiene una relatividad baja Q (X/R).
74
Filtro Paralelo: Un tipo de filtro que reduce los armónicos proporcionando un
camino de baja impedancia para desviar los armónicos lejos de la fuente del
sistema a ser protegido.
Filtro pasa alto: Un filtro que tiene una banda de transmisión sencilla
extendida desde alguna frecuencia de corte, diferente de cero, hasta la
frecuencia infinita.
Filtro Serie: Un tipo de filtro que reduce los armónicos colocando una
impedancia alta en serie entre la fuente armónica y el sistema a ser
protegido.
Numero de pulso: El número total de conmutaciones no simultáneas
sucesivas ocurridas dentro del circuito convertidor durante cada ciclo cuando
se opera sin el control de fase. También es igual al orden del armónico
principal en la tensión directa, que es, el número de pulsos presentes en la
salida de tensión DC en un ciclo de la tensión de suministro.
Proceso Industrial: Cuando hablamos de procesos industriales, nos
referimos a la serie de pasos o estaciones que recorre un producto; es decir,
donde se inicia desde la adquisición de la materia prima hasta lograr el
producto final, también es el conjunto de operaciones necesarias para
modificar las características de las materias primas.
Reactancia de Filtrado: La reactancia filtro está conectada en serie con el
rectificador y a través de la misma circula toda la corriente de carga. La
finalidad de la reactancia consiste en proporcionar una impedancia elevada
al flujo de las corrientes armónicas, reducir su magnitud y, de este modo,
suavizar la corriente continua.
75
Relé electromagnético: Es un dispositivo que consta de dos circuitos
diferentes: un circuito electromagnético (electroimán) y un circuito de
contactos, al cual aplicaremos el circuito que queremos controlar. Su
funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la
corriente atraviesa la bobina, produce un campo magnético que magnetiza
un núcleo de hierro dulce (ferrita). Este atrae al inducido que fuerza a los
contactos a tocarse. Cuando la corriente se desconecta vuelven a separarse.
76
CAPÍTULO IV
MARCO METODOLÓGICO
4.1. Tipo de Investigación
La presente investigación tiene un carácter evaluativo, proyectivo, y
aplicada motivado a que es necesario en la primera fase, evaluar el
funcionamiento y las condiciones actuales del sistema de eléctrico de
Laminación en Frio partiendo de la barra de alimentación de 13.8 kV en la
subestación R3, SIDOR C.A. para determinar los niveles de armónicos que
se producen y realizar un estudio del factor de potencia y de esta manera en
una segunda fase elaborar la propuesta de ingeniería que ofrezca mejoras
en función a la corrección de armónicos y factor de potencia.
Al respecto de la investigación evaluativa Lerma (2003) [8] señala:
La investigación evaluativa es el proceso que consiste en dar un juicio sobre una intervención empleando métodos científicos. Mediante ella se evalúan los recursos, servicios y los objetivos de la intervención dirigidos a la solución de una situación problemática y de las interrelaciones entre los elementos, con el propósito de ayudar a la toma de decisiones. (Pág. 66).
77
Por otra parte en cuanto a la investigación proyectiva, Jacqueline Hurtado
(2008) [9] señala:
Este tipo de investigación, consiste en la elaboración de una propuesta, un plan, un programa o un modelo, como solución a un problema o necesidad de tipo práctico, ya sea de un grupo social, o de una institución, o de una región geográfica, en un área particular del conocimiento, a partir de un diagnóstico preciso de las necesidades del momento, los procesos explicativos o generadores involucrados y de las tendencias futuras, es decir, con base en los resultados de un proceso investigativo.
Además, esta investigación puede ser considerada Aplicada motivado a
que se busca una mejora en el proceso productivo de Laminación en Frio en
función de la disminución de las fallas en los equipos y consumo de potencia
reactiva en el sistema eléctrico. Al respecto Rojas (1997) [10] mantiene que:
La investigación aplicada se desarrolla a partir de la tecnología existente en el sector industrial buscando una nueva invención y optimización tecnológica bien sea de insumos, proceso o producto que requieren las industrias para su mejor efectividad y eficacia (Pág. 46).
4.2. Diseño de la Investigación
Esta investigación requiere del estudio de los niveles de armónicos y del
factor de potencia en la red eléctrica asociada a laminación en frio,
específicamente la subestación R3, SIDOR C.A. La evaluación de los niveles
de armónicos y factor de potencia permitirá conocer los requerimientos
necesarios para crear un filtro de compensación y mejorar la calidad del
servicio eléctrico de Laminación en Frio; en ese sentido, el trabajo tiene un
diseño de campo experimental ya que luego de obtener la información del
78
sistema eléctrico actual se realizarán simulaciones para la elaboración de un
filtro de compensación que atenué los niveles de armónicos y disminuya el
consumo de reactivos en la subestación R3 de SIDOR C.A. Al respecto
Sabino (1992) [11] expresa lo siguiente:
El diseño de campo se basa en datos primarios, obtenidos directamente de la realidad, su innegable valor reside en que permite cerciorarse al investigador de las verdades, condiciones en que se han conseguido los datos, posibilitando su servicio o modificando en el caso de que surjan dudas respecto a su calidad. (Pág. 94).
Además el trabajo implica una investigación de tipo documental debido a
que es necesaria la revisión de fuentes bibliográficas, trabajos relacionados,
normas, catálogos y manuales de equipos eléctricos para la elaboración de
la propuesta. A lo anterior expuesto señala Arias (2006) [12]:
La investigación documental o diseño documental es un proceso basado en la búsqueda, recuperación, análisis, crítica e interpretación de datos secundarios, es decir, los obtenidos y registrados por otros investigadores en fuentes documentales impresas, audiovisuales o electrónicas. Como en toda investigación, el propósito de este diseño es el aporte de nuevos conocimiento. (Pág. 27).
4.3. Unidades de análisis
4.3.1. Población
Según Arias (2006) [12], “Se entiende por población un conjunto finito o
infinito de elementos con características comunes, para los cuales serán
extensivas las conclusiones de la investigación. Ésta queda limitada por el
problema y por los objetivos del estudio" (Pág. 81).
79
En el presente trabajo de investigación se puede decir que la población
queda enmarcada en función del estudio del sistema eléctrico de Laminación
en frio partiendo desde la barra de alimentación de 13.8 kV de la subestación
R3, SIDOR C.A., a la cual se encuentran asociadas otras barras de
alimentación que suministran energía eléctrica a motores de inducción,
hornos de arco eléctrico, sistemas de alumbrado con balasto magnético, etc.
4.3.2. Muestra
Al respecto Arias (2006) [12], la define: “Una muestra es aquella que por
su tamaño y características similares a las del conjunto, permiten hacer
inferencias o generalizar los resultados al resto de la población con un
margen de error conocido” (Pág. 83).
Para efectos de estudio de los niveles de armónicos y de factor de
potencia se puede tomar como muestra una de las barras de alimentación
asociada al sistema eléctrico de laminación en frio. En tal caso se
considerara como muestra la barra de alimentación de 13.8 kV ubicada en la
subestación R3 que es la más cercana a la ubicación del anterior filtro de
compensación que poseía Laminación en frio. Los parámetros de tensión,
corriente, potencia reactiva, potencia activa, potencia aparente y factor de
potencia se pueden obtener con mejor apreciación en la barra que alimenta a
toda laminación en frio y así evidentemente determinar cuáles son los
equipos que conformaran el nuevo filtro de compensación.
80
4.4. Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos
Arias (2006) [12] establece: “se entenderá por técnica, el procedimiento o
forma particular de obtener datos o información”. (Pág. 67). En ese sentido,
el instrumento y técnica dependen de la metodología y objetivos propuestos
para el desarrollo de la investigación. A continuación se presentan las
técnicas e instrumentos de recolección de datos que implica este trabajo de
investigación.
4.4.1. Revisión Documental
Es necesario consultar bibliografías referentes a los efectos que producen
el factor de potencia y la generación de armónicos en la red eléctrica, así
como también la utilización de filtros de compensación para mejorar la
calidad del servicio eléctrico. Para ellos es necesario comprender la
terminología básica y los parámetros a evaluar a la que se encuentra basado
este estudio para así comprender su propósito; además es de utilidad
adquirir información de: hojas técnicas, manuales y catálogos para la
elección de los dispositivos a implementar en la propuesta técnica.
Según Arias (2006) [12] la define:
La revisión documental es un procedimiento necesario para toda investigación, cualesquiera sean los métodos y técnicas utilizados: en algunos estudios resulta ser el principal procedimiento utilizado, en todos los casos es la modalidad empleada para preparar el „background‟ de la investigación. (Pág.13).
81
4.4.2. Observación Directa
Es necesario la observación directa de los parámetros eléctricos (tensión,
corriente, potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y factor de
potencia) mediante un equipo de medición conectado a la red eléctrica y
también el filtro de compensación que existe en laminación en frio para
reunir la información necesaria correspondiente a los dispositivos y equipos
que conforman el sistema, el estado actual y su funcionamiento; de esta
manera, se puede realizar una evaluación de la información obtenida para
contribuir con el desarrollo de la propuesta técnica de mejora.
Al respecto Klaus Heinemann (2003) [13]:
La observación científica es la captación previamente planeada y el registro controlado de datos con una determinada finalidad para la investigación, mediante la percepción visual o acústica de acontecimiento. El termino observación no se refiere, pues, a las formas de percepción sino a las técnicas de captación sistemática controlada y estructurada de los aspectos de un acontecimiento que son relevantes para el tema de estudio y para las suposiciones teóricas en que este se basa. Sistemático controlado quiere decir que el observador dirige su atención de forma consciente hacia ciertos aspectos del acontecimiento y registra aquellos que son relevantes para el tema de estudio o para la determinación de las variables correspondientes, estructurado significa que lo percibido se ordena, distribuye y documenta según las indicaciones correspondientes. (Pág. 135).
4.4.3. Entrevistas No Estructuradas de Tipo Informal
En cuanto a las entrevistas, es indudablemente una técnica muy usada en
este trabajo de investigación. La comunicación con el personal técnico de
82
“Alta Tensión” encargado de realizar el mantenimiento, “Despacho de Carga”
que realiza el monitoreo de la red eléctrica de SIDOR C.A. y la “Gerencia de
Ingeniería y Medio Ambiente” encargado de realizar mediciones eléctricas en
diversas aéreas de SIDOR C.A. para generar propuestas para el
mejoramiento del servicio eléctrico; contribuye a la comprensión del
funcionamiento y el enfoque del objetivo a lograr con el trabajo.
Arias (2006) [12] la define:
La entrevista no estructurada o informal no dispone de una guía de preguntas elaboradas previamente. Sin embargo se orienta por unos objetivos preestablecidos, lo que permite definir el tema de la entrevista. Es por eso que el entrevistador debe poseer una gran habilidad para formular las interrogantes sin perder la coherencia. (Pág. 74).
4.4.4. Herramientas Computacionales
Hoy en día gracias a los avances tecnológicos, contamos con
herramientas computacionales que facilitan en gran manera el manejo de la
información. En el desarrollo de este trabajo de investigación es necesario el
manejo de:
Autocad: Es un programa de diseño para la elaboración de dibujos,
modelado, diagramas, diseños arquitectónicos. Es el idóneo para la
elaboración de los diagramas topográficos y diagramas eléctricos de
conexiones, entre otros requeridos por el trabajo de investigación.
CODAM: es un programa diseñado para trabajar en conjunto con el
equipo MEMOBOX 300 smart. Permite configurar el equipo de medición y
83
también adquirir los parámetros medidos durante un tiempo programado,
para manipularlos en el PC.
Microsoft Excel: Es un programa destinado al manejo de hojas de
cálculos, tablas y gráficos. Puede ser utilizado para la organización de
información en tablas.
Microsoft Word: Es un procesador de texto utilizado para la creación,
organización y edición de documentos con información relevante de la
investigación.
CIME: Programa de simulación de redes eléctricas donde se pueden
visualizar fallas y evaluar el comportamiento de los equipos eléctricos en
condiciones extremas.
ETAP: Programa de simulación de redes eléctricas para hacer análisis de
sistemas de energía eléctrica.
4.5. Instrumentos Para la Recolección de Datos
Cámara Fotográfica para memorizar el estado actual del Filtro de
compensación ubicado en laminación en frio asociado a la subestación R3
de SIDOR C.A.
Cuaderno de anotaciones para plasmar la información obtenida por la
observación directa.
Computador laptop para obtener información digitalizada de los equipos
instalados en la planta, así como también, los planos de la red eléctrica de
laminación en frio.
84
4.6. Procedimiento de Recolección de Datos
Para el desarrollo de esta investigación es necesario el planteamiento de
una serie de actividades que permitan recopilar la mayor cantidad de
información, datos, valores en tiempo real u otros criterios de análisis. A tal
efecto, a continuación se describen las estrategias de recolección de datos
contempladas para este estudio:
1) Estudio de la composición y disposición de filtro de compensación
asociado a la barra de alimentación de 13.8 kV de la subestación R3.
Para esta etapa del proyecto se realiza la búsqueda de información
referente al filtro de compensación conectado al sistema eléctrico en estudio.
La descripción, obtención de planos eléctricos, antecedentes, composición
fueron obtenidas utilizando documentación técnica, bibliográfica y también
por medio de entrevistas al personal que labora en el área.
2) Búsqueda de información sobre los niveles de armónicos y de factor
de potencia producidos en de la red eléctrica mientras ocurren los
procesos de producción llevados a cabo en laminación en frio
En esta fase, es necesario documentarse con los procesos llevados a
cabo en el área de Laminación en Frio, que generan altos niveles de
armónicos y bajos niveles de factor de potencia. Para ello se realizó
entrevistas con personal técnico que labora en el área y una búsqueda de
información técnica y normas internacionales que rigen la producción
industrial de armónicos de frecuencia.
3) Conocimiento del software CODAM BASIC/PLUS, para el estudio de
los niveles de armónicos y del factor de potencia
85
Para la utilización del equipo MEMOBOX 300 Smart, es necesario tener
conocimiento del software de CODAM BASIC/PLUS, que es el software de
programación y análisis de las mediciones del equipo. Es necesario para ello
documentarse sobre el funcionamiento tanto del equipo como del software.
Por lo tanto se consultó los manuales de operación e instrucciones de
servicio, apoyados con el personal que conoce su funcionamiento para
obtener una correcta interpretación de las mediciones.
4) Realizar mediciones de los niveles de armónicos y de factor de
potencia existentes en el sistema eléctrico de laminación en frio,
partiendo desde la barra de 13.8 kV de la subestación R3
Para esta etapa del proyecto, se conectó el equipo MEMOBOX 300 Smart
para realizar las mediciones de corriente, voltaje, potencia, niveles de
armónicos y de factor de potencia partiendo desde la barra de alimentación
de 13.8 kV de la subestación R3. También se realizaron mediciones en otras
barras de alimentación de la red de la subestación R3 que sean necesarias
para determinar las cargas generadoras de niveles de armónicos y bajo
factor de potencia. El equipo MEMOBOX 300 Smart necesita estar
conectado varios días para registrar los datos de medición mientras se llevan
a cabo los procesos de producción en laminación en frio.
5) Realizar cálculos utilizando las ecuaciones pertinentes para el
análisis de la red eléctrica, los niveles de armónicos y de factor de
potencia producidos en el sistema eléctrico de laminación en frio.
En esta fase, se realizaron los cálculos del sistema eléctrico de potencia
mediante las ecuaciones de electricidad y el triángulo de potencias utilizando
los valores de niveles de inyección de armónicos y factor de potencia
86
obtenidos del equipo MEMOBOX 300 Smart, determinando el
comportamiento de la red eléctrica y proponer los niveles de reactivos
necesarios y corregir el bajo factor de potencia y los niveles de armónicos
inyectados en la red. Para ello se plantean varios casos en la que la
subestación estará a plena carga, un valor promedio que represente una
parada de servicio y un valor sin carga. Esto se realizara con ayuda del
personal técnico que labora en el área de tesis y con documentación técnica
de los equipos que operan en la producción.
6) Análisis e interpretación de los niveles de armónicos y de factor de
potencia, obtenidos mediante las mediciones de campo y los cálculos
realizados del sistema eléctrico en estudio.
Utilizando el software del equipo de medición CODAM BASIC/PLUS se
obtuvo el registro de los parámetros eléctricos medidos de la red eléctrica de
la subestación R3 y junto con los valores obtenidos mediante los cálculos de
redes eléctricas se pudo hacer una comparación y prever que acciones se
deben tomar para solventar la situación.
7) Evaluación del estado funcional del filtro de compensación
asociado a la barra de alimentación de 13.8 kV de la subestación R3
ubicado en Laminación en Frio.
Se conoce por las entrevistas que se han realizado al personal de Alta
Tensión y Despacho de Carga que el filtro de compensación en estudio, se
encuentra fuera de servicio desde hace mas de 25 años, por ende, en esta
etapa del proyecto será necesario movilizarse periódicamente al lugar donde
se encuentra ubicado el filtro de compensación para llevar a cabo un
inventario de los equipos que lo componen, tanto de control como de
potencia, realizando una documentación técnica detallada de lo existente
87
realizando adicionalmente una memoria fotográfica. Todo esto se realizó
para el estudio de factibilidad para la empresa sobre si es necesario adquirir
equipos nuevos para sustituir los faltantes o los existentes. Esta evaluación
fue de utilidad para realizar la propuesta de la puesta en servicio del filtro de
compensación, planteada como objetivo principal de esta investigación.
8) Elaborar una propuesta para la mejora del servicio eléctrico de
Laminación en Frio, subestación R3 SIDOR C.A. implementado un filtro
de compensación de armónicos y factor de potencia.
Para esta etapa que representa el final del proyecto, se debió llegar a una
conclusión por los análisis y resultados obtenidos de las mediciones, en la
cual se propone mediante un estudio de factibilidad la recuperación y/o
sustitución del filtro actual. Para ello fue necesario determinar cuál o cuáles
son los armónicos que afectan a la red de la subestación R3 para seleccionar
el filtro que sea necesario.
También se generó una propuesta final sustentada con el diagnóstico del
estado funcional del filtro de compensación, describiendo los equipos que
necesitan ser reemplazados y los que aún pueden ser utilizados.
4.7. Procesamiento de la Información
Luego de recolectar toda la información necesaria, se puede desarrollar la
metodología planteada en un principio en función a los objetivos propuestos
en este trabajo de investigación; en ese sentido, con la evaluación de la
condición actual de la red eléctrica del sistema de laminación y del filtro de
compensación existente, se pueden proponer las soluciones aplicando la
ingeniería y los recursos disponibles.
88
CAPÍTULO V
PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
En este capítulo se realizó el análisis de la información que se obtuvo a
través de las mediciones y las observaciones realizadas en el campo. En
vista de ello se tomó en cuenta las entrevistas realizadas al personal que
labora en el área para un mayor entendimiento de los procesos y de los
posibles factores que pueden afectar el rendimiento de la red eléctrica de
laminación en frio.
5.1 Procedimiento para realizar la medición
El procedimiento llevado a cabo para realizar cada medición en el área es
de suma importancia, para ello, es necesario realizar una serie de protocolos
para asegurar la integridad del personal que va a manipular y realizar las
conexiones de los equipos de medición. Estos protocolos fueron llevados a
cabo en cada una de las mediciones realizadas bajo la supervisión del
personal de tutoría industrial (perteneciente a la Gerencia de Ingeniería
Eléctrica), personal de Alta Tensión y también el personal de Despacho de
Carga. El procedimiento era el siguiente:
89
Configuración del equipo de medición MEMOBOX 300 Smart,
según los parámetros que se desean medir y según los parámetros
de los equipos a los que va a conectar. Esto es llevado a cabo en la
Gerencia de Ingeniería con un equipo de computación que posee el
software para configurar el MEMOBOX 300 Smart.
Ubicar los planos referenciales de los tableros de medición para
determinar los puntos de conexión del equipo MEMOBOX 300 Smart.
Coordinar con el personal de alta tensión y despacho de carga
para dirigirse a la subestación y realizar la conexión del equipo
MEMOBOX 300 Smart siguiendo los pasos y procedimientos
establecidos por las normas para este tipo de maniobras.
Conectar el equipo MEMOBOX 300 Smart conociendo los
puntos de medición y siguiendo las normas para evitar riesgos y
trabajar de manera segura utilizando los EPP (Equipos de Protección
Personal).
Dejar el equipo conectado los días programados para la
medición.
Coordinar con el personal de la Gerencia de Ingeniería,
Despacho de Carga y Alta Tensión para realizar la maniobra de retirar
el equipo de medición del área.
Se retira el equipo MEMOBOX 300 Smart bajo las normas de
seguridad y con la supervisión del personal inherente del área.
90
Llevar el equipo a la Gerencia de Ingeniería donde se cuenta
con un equipo de computación para descargar la data y observar las
mediciones realizadas durante el periodo que estuvo conectado el
equipo a la red.
Para realizar las mediciones es necesario coordinar con las gerencia que
intervienen en el área de tesis, que en nuestro caso son dos, una es la
Gerencia de Servicios Industriales en la que se encuentra el personal de
Despacho de Carga que tienen que estar al corriente sobre cualquier
maniobra que se realice en la planta con respecto al servicio eléctrico y
también se encuentra el departamento de Alta Tensión que se encarga de
manipular y realizar las maniobras de los equipos instalados en las
subestaciones, tanquillas y área de subestaciones que se encuentren en la
planta. La otra gerencia es la de ingeniería, departamento de Infraestructura
que es donde se está desarrollando el área de tesis en la que se llevan a
cabo los proyectos de electricidad y obras que tengan que ver con el diseño
de proyectos para la mejora de la empresa. En cuanto a ambas gerencias se
pongan de acuerdo se procede a dirigirse al sitio y realizar la conexión para
iniciar las mediciones.
Las mediciones se llevaron a cabo de acuerdo a las paradas programadas
en la planta y de la disponibilidad de los equipos de medición, ya que la
gerencia de ingeniera actualmente cuenta con 5 equipos MEMOBOX 300 y
están continuamente en uso.
La información de cada una de las mediciones se mostrara en tablas con
la intención de hacer fácil la comprensión de los procedimientos llevados a
cabo en la tesis de estudio. Para cada medición existe una descripción
detallada de los procesos llevados a cabo en el área, también el análisis de
91
los armónicos y el factor de potencia generado mientras se estuvo realizando
la medición.
La medición de los valores de armónicos y de factor de potencia en la
barra de alimentación de 13.8 kV en la subestación R3 será objeto de estudio
y de suma importancia, ya que en esta barra se suministra energía eléctrica a
gran parte de los procesos que son llevados a cabo en Laminación en Frio
de la empresa SIDOR C.A., además este es nuestro punto de acoplamiento
común (PCC) en donde está conectado el compensador estático que se
prevé colocar en servicio para mejorar el factor de potencia y corregir los
armónicos que se generan en la planta.
En el grafico 5.1, se presenta como interpretar los valores suministrados
por el equipo MEMOBOX 300 Smart, en el cual se mostrarán los valores de
armónicos generados y valores parciales de parámetros de medición del
sistema en evaluación. Cabe destacar que algunos de los parámetros
mostrados no fueron tomados en cuenta ya que no se configuró el equipo
para observar dichos valores, por lo tanto, el equipo asumirá valores de
fábrica.
Para conocer que representa cada uno de los valores que nos muestra la
gráfico 5.1, los representare en números y luego lo describiré en una tabla
que la colocare a continuación.
92
Figura 5.1: Descripción del grafico de Armónicos generados en la red, suministrados por el equipo MEMOBOX
300 Smart.
Fuente: Autor
1
2
3 4 5 6 7 8
9 10 11 12
93
Tabla 5.1: Leyenda del grafico 5.1
Item Descripción
1 Magnitud de los armónicos representado en porcentaje con respecto al armónico fundamental
2 Armónicos desde el N°1 al N° 50
3 THD voltaje nominal al 10 %
4 Valor Principal de voltaje, Valor nominal =13.8 kV
5 Valor voltaje mínimo, Valor nominal = 13.8 kV
6 Valor voltaje máximo, Valor nominal = 13.8 kV
7 Flicker Plt (Flicker de largo Termino), Valor nominal = 1000 Plt
8 Frecuencia. Valor Nominal = 60 Hz
9 Valor Principal de corriente de fase, Valor nominal = 3000 A
10 Valor máximo de corriente de fase, Valor nominal = 3000 A
11 Valor pico de corriente por fase. Valor nominal = 4242,6 A
12 Valor Factor Cresta de corriente de fase. Valor nominal = 4,24
Fuente: Autor
A continuación se presentaran las gráficas obtenidas por el equipo de medición a través del software
CODAM PLUS, además se presenta una tabla que describe los armónicos más incidentes y el factor de
potencia.
94
Figura 5.2: Armónicos de voltaje generados en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3
interruptor D335
Fuente: Autor
95
Figura 5.3: Armónicos de corriente generados en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3
interruptor D335
Fuente: Autor
96
Figura 5.4: THD de Voltaje en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335
Fuente: Autor
97
Figura 5.5: THD de corriente en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D335
Fuente: Autor
98
Figura 5.6: Factor de Potencia generado en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3
interruptor D335
Fuente: Autor
99
Figura 5.7: Reactivos generados en la barra 1 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor
D335
Fuente: Autor
100
Tabla 5.2: Armónicos y Factor de Potencia Generados en la barra 1 de
alimentación de 13,8 kV de la Sub – Estación R3 interruptor 335.
AREA SUBESTACION R3 D335 FP = 0,38
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 11 13 23 25
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,50 0.94 0,78 0,60 0,67
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 11 13 23 25
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
1,63 2,56 2,39 3,47 4,1
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
Por lo tanto los armónicos de voltaje 23 y 25 no cumplen con la norma.
Para determinar si los armónicos de corriente no sobrepasan los niveles
establecidos por la norma IEEE-519 [14] se debe tener los valores de
corriente de cortocircuito de la barra ( ) y la máxima corriente de carga
demandada (componente de frecuencia fundamental) en el PCC. Con
estos valores se determina la relación
101
Con el que determinaremos según el resultado de la relación, los valores
de armónicos de corriente permitidos para la barra de PCC.
Según la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14] que establece los límites
de corriente para sistemas de distribución en general (desde 120 V hasta 69
kV) se tomaran los valores correspondientes al valor de 17 para determinar si
los niveles de armónicos de corriente generados en la barra de la
SUBESTACION R3 D335 cumplen con la norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que los niveles de armónicos de corriente son aceptables.
El nivel de THD de voltaje se mantiene en un promedio de 5%
aumentando a valores superiores donde puede considerarse alto de acuerdo
a los valores que nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es
necesario realizar la corrección de los armónicos.
El nivel de THD de corriente se mantiene superior al 5% por lo que se
considera alto con lo que se establece en la tabla 10.3 de la norma IEEE-519
[14]. Es necesaria la corrección de los armónicos.
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en la subestación R3 con un factor de potencia bajo 0,9 y llegando en
instantes de tiempo a 0,38. Por lo que se requiere corregir pronto.
102
Figura 5.8: Armónicos de voltaje generados en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3
interruptor D435
Fuente: Autor
103
Figura 5.9: Armónicos de corriente generados en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3
interruptor D435
Fuente: Autor
104
Figura 5.10: THD de Voltaje en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435
Fuente: Autor
105
Figura 5.11: THD de Corriente en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor D435
Fuente: Autor
106
Figura 5.12: Factor de Potencia generado en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3
interruptor D435
Fuente: Autor
107
Figura 5.13: Reactivos generados en la barra 2 de alimentación de 13.8kV de la Sub-Estación R3 interruptor
D435
Fuente: Autor
108
Tabla 5.3: Armónicos y Factor de Potencia Generados en la barra 2 de
alimentación de 13,8 kV de la Sub – Estación R3 interruptor D435.
AREA SUBESTACION R3 D435 FP max = 0,50
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 11 13 23
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,23 0,37 0,84 0,7 0,5
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 11 13 25
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,66 1,32 2,51 2,29 3,61
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
Por lo tanto el armónico de voltaje 25 no cumple con la norma.
Para determinar si los armónicos de corriente no sobrepasan los niveles
establecidos por la norma IEEE-519 [14] se debe tener los valores de
corriente de cortocircuito de la barra ( ) y la máxima corriente de carga
demandada (componente de frecuencia fundamental) en el PCC. Con
estos valores se determina la relación
Con el que determinaremos según el resultado de la relación, los valores
de armónicos de corriente permitidos para la barra de PCC.
109
Según la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14] que establece los límites
de corriente para sistemas de distribución en general (desde 120 V hasta 69
kV) se tomaran los valores correspondientes al valor de 17 para determinar si
los niveles de armónicos de corriente generados en la barra de la
SUBESTACION R3 D435 cumplen con la norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que los niveles de armónicos de corriente son aceptables.
El nivel de THD de voltaje se mantiene en un promedio de 5%
aumentando a valores superiores donde puede considerarse alto de acuerdo
a los valores que nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es
necesario realizar la corrección de los armónicos.
El nivel de THD de corriente se mantiene superior al 5% por lo que se
considera alto con lo que se establece en la tabla 10.3 de la norma IEEE-
519[14] . Es necesaria la corrección de los armónicos.
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en la subestación R3 desde el interruptor D435 con un factor de
potencia bajo 0,9 y llegando en instantes de tiempo a 0,50. Por lo que se
requiere corregir pronto.
110
Figura 5.14: Armónicos de voltaje generados en Temple II
Fuente: Autor
111
Figura 5.15: Armónicos de corriente generados en Temple II
Fuente: Autor
112
Figura 5.16: THD de Voltaje en Temple II
Fuente: Autor
113
Figura 5.17: Factor de Potencia generado en Temple II
Fuente: Autor
114
Figura 5.18: Reactivos generados en Temple II
Fuente: Autor
115
Tabla 5.4: Armónicos y Factor de Potencia Generados en Temple II.
AREA TEMPLE II PF max = 0
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 7 11 13 23
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
1,07 0,43 0,99 0,56 0,3
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 11 13 25
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,72 1,31 2,35 2,21 3,47
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
Por lo tanto los armónicos de voltaje 25 no cumplen con la norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que los niveles de armónicos de corriente son aceptables.
El nivel de THD de voltaje se mantiene bajo los primeros días de la
medición y aumenta a finales superando el 5% aumentando a valores
superiores donde puede considerarse alto de acuerdo a los valores que nos
suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es necesario realizar la
corrección de los armónicos.
116
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en Temple II con un factor de potencia bajo 0,9 y llegando en
instantes de tiempo a 0 sin bajar durante casi toda la medición de 0,5. Por lo
que se requiere su corrección.
117
Figura 5.19: Armónicos de voltaje generados en Temple III
Fuente: Autor
118
Figura 5.20: Armónicos de Corriente generados en Temple III
Fuente: Autor
119
Figura 5.21: THD de Voltaje en Temple III
Fuente: Autor
120
Figura 5.22: Factor de Potencia generado en Temple III
Fuente: Autor
121
Figura 5.23: Reactivos generados en la Temple III
Fuente: Autor
122
Tabla 5.5: Armónicos y Factor de Potencia Generados en Temple III.
AREA TEMPLE III PF max = 0,57
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 7 11 13 23
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
2,61 0,99 1,27 0,86 0,45
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 11 13 23 25
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
1,2 1,99 1,84 2,67 3,2
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
Por lo tanto el armónico de voltaje 25 no cumple con la norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que el armónico 5 está fuera de los niveles de armónicos de
corriente que son aceptables. Es necesario tener en cuenta y corregirlo.
El nivel de THD de voltaje se mantiene bajo los primeros días de la
medición y aumenta a finales superando el 5% aumentando a valores
superiores donde puede considerarse alto de acuerdo a los valores que nos
suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es necesario realizar la
corrección de los armónicos.
123
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en Temple III con un factor de potencia bajo 0,9 y llegando en
instantes de tiempo a 0,57. Por lo que se requiere corregir pronto.
124
Figura 5.24: Armónicos de voltaje generados en el área de Estañado 1
Fuente: Autor
125
Figura 5.25: Armónicos de Corriente generados en el área de Estañado 1
Fuente: Autor
126
Figura 5.26: THD de Voltaje en el área de Estañado 1
Fuente: Autor
127
Figura 5.27: Factor de Potencia generado en el área de Estañado 1
Fuente: Autor
128
Figura 5.28: Reactivos generados en el área de Estañado 1
Fuente: Autor
129
Tabla 5.6: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el área de
Estañado 1.
AREA ESTAÑADO 1 FP = 0,901
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 7 11 13
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,29 0,63 0,36 0,29 0,13
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 11 13 23
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,66 1,12 0,4 0,45 0,75
Fuente: Autor
En estañado I y II se llevan los procesos para adherirle estaño o cromo a
las láminas para darle un acabado brillante o mate según lo requiera el
cliente. Entre los procesos que se llevan a cabo existen equipos de alto
consumo de energía eléctrica entre los cuales tenemos motores de no más
de 200 Hp y tableros de conmutación de SCR para llevar a cabo los
procesos. Se requiere aproximadamente de 5000 A DC para los procesos y
darle un acabado deseado según el cliente y esta es una línea de producción
que trabaja continuamente a menos que se realice una parada programada
de mantenimiento o por falta de material de producción.
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
130
Los armónicos presentados se encuentran en niveles aceptables según la
norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que los niveles de armónicos de corriente son aceptables.
El nivel de THD de voltaje se mantiene bajo el 5% de acuerdo a los
valores que nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Los
valores son aceptables.
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en Estañado 1 con un factor de potencia excelente. Aunque a futuro
será necesario realizar otra evaluación porque en el periodo evaluado
estañado 1 no estuvo en funcionamiento y las lecturas que realizaron los
equipos de medición no censaron los valores cuando la planta está en pleno
funcionamiento para la producción.
En cuanto a las cargas reactivas se puede observar en la gráfica 5.28 que
los niveles de reactivos varían. Esto es debido a que en el proceso de
estañado de los laminados se llevan a cabo procesos de inducción
magnética para crear el acabado brillante para el material de acero y que
también los procesos de conmutación de los SCR producen potencia
reactiva.
131
Figura 5.29: Armónicos de voltaje generados en el área de Estañado 2
Fuente: Autor
132
Figura 5.30: Armónicos de Corriente generados en el área de Estañado 2
Fuente: Autor
133
Figura 5.31: THD de Voltaje en el área de Estañado 2
Fuente: Autor
134
Figura 5.32: Factor de Potencia generado en el área de Estañado 2
Fuente: Autor
135
Figura 5.33: Reactivos generados en el área de Estañado 2
Fuente: Autor
136
Tabla 5.7: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el área de
Estañado 2.
AREA ESTAÑADO 2 FP = 0,86
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 7 11 X X
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,5 0,18 0,11 X X
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 11 13 23
VALOR MAXIMO %
DEL ARMONICO
0,6 1,03 0,37 0,41 0,55
Fuente: Autor
En estañado I y II se llevan los procesos para adherirle estaño o cromo a
las láminas para darle un acabado brillante o mate según lo requiera el
cliente. Entre los procesos que se llevan a cabo existen equipos de alto
consumo de energía eléctrica entre los cuales tenemos motores de no más
de 200 Hp y tableros de conmutación de SCR para llevar a cabo los
procesos. Se requiere aproximadamente de 5000 A DC para los procesos y
darle un acabado deseado según el cliente y esta es una línea de producción
que trabaja continuamente a menos que se realice una parada programada
de mantenimiento o por falta de material de producción.
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
137
Los armónicos presentados se encuentran en niveles aceptables según la
norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que los niveles de armónicos de corriente son aceptables.
El nivel de THD de voltaje se mantiene bajo el 5% de acuerdo a los
valores que nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Los
valores son aceptables.
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en Estañado 2 con un factor de potencia bajo 0,9 y llegando en
instantes de tiempo a 0,86. Los niveles de factor de potencia se encuentran
en mejores condiciones que otros sistemas evaluados pero a pesar de eso
también es necesario corregir el factor de potencia para llevarlo a 0,9.
En cuanto a las cargas reactivas se puede observar en la gráfica 5.33 que
los niveles de reactivos varían. Esto es debido a que en el proceso de
estañado de los laminados se llevan a cabo procesos de inducción
magnética para crear el acabado brillante para el material de acero y que
también los procesos que requieren de conmutaciones de los SCR generan
potencia reactiva.
138
Figura 5.34: Armónicos de voltaje generados en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II
Fuente: Autor
139
Figura 5.35: Armónicos de corriente generados en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del
área de Tándem II
Fuente: Autor
140
Figura 5.36: THD de Voltaje generado en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de
Tándem II
Fuente: Autor
141
Figura 5.37: Factor de Potencia generado en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área
de Tándem II
Fuente: Autor
142
Figura 5.38: Reactivos generados en el lado de alta 13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de
Tándem II
Fuente: Autor
143
Tabla 5.8: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el lado de alta
13.8 kV del transformador del bastidor 1 del área de Tándem II
AREA TANDEM II DEVANADO DE 13,8kV FP max = 0,46
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 11 13 23
VALOR MAXIMO % DEL
ARMONICO 1,06 0,65 2,35 1,68 0,94
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 11 13 23 25
VALOR MAXIMO % DEL
ARMONICO 0,87 2,56 2,34 3,28 3,44
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los limites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los limites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
Por lo tanto los armónicos de voltaje 23 y25 no cumplen con la norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que el armónico 11 está fuera de los niveles de armónicos de
corriente que son aceptables. Es necesario tener en cuenta y corregirlo.
El nivel de THD de voltaje se mantiene sobre el 5% de acuerdo a los
valores que nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es
necesario corregir los niveles de armónicos.
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
144
cuenta el transformador de tándem 2 devanado de 13.8 kV con un factor de
potencia inferior a 0,9 y llegando en instantes de tiempo a 0,46. Es necesario
corregir el factor de potencia para llevarlo a 0,9.
Los reactivos producidos en el proceso son de 1001,13 Kvar siendo este
el valor máximo, el valor promedio oscila en 600 kVAR.
145
Figura 5.39: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II
Fuente: Autor
146
Figura 5.40: Armónicos de corriente, generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II
Fuente: Autor
147
Figura 5.41: THD de Voltaje generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II
Fuente: Autor
148
Figura 5.42: Factor de potencia generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II
Fuente: Autor
149
Figura 5.43: Reactivos generados en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II
Fuente: Autor
150
Tabla 5.9: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 1 de Tandem II
AREA TANDEM II BASTIDOR 1 MOTOR 1 DEVANADO 1 FP max = 0
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 7 11 13 23
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
5,83 3,05 2,21 1,66 0,93
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 11 17 21 27
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
9,52 9,3 8,15 7,79 7,85
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los limites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los limites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
Por lo tanto los armónicos de voltaje 5, 11, 17 21 y 27 no cumplen con la
norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que el armónico 5, 7, 11 está fuera de los niveles de armónicos
de corriente que son aceptables. Es necesario tener en cuenta y corregirlo.
El nivel de THD de voltaje se mantiene sobre el 5% de acuerdo a los
valores que nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es
necesario corregir los niveles de armónicos.
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
151
cuenta en el bastidor 1 motor 1 devanado 1 de tándem 2 con un factor de
potencia inferior a 0,9 y llegando en instantes de tiempo a 0. Es necesario
corregir el factor de potencia para llevarlo a 0,9.
152
Figura 5.44: THD de Voltaje generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 2 de TANDEM II
Fuente: Autor
153
Figura 5.45: Factor de potencia generado en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 2 de Tandem II
Fuente: Autor
154
Figura 5.46: Reactivos generados en el Bastidor 1 del Motor 1 Devanado 2 de Tandem II
Fuente: Autor
155
Figura 5.47: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II
Fuente: Autor
156
Figura 5.48: Armónicos de corriente, generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II
Fuente: Autor
157
Figura 5.49: THD de Voltaje generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II
Fuente: Autor
158
Figura 5.50: Factor de potencia generado en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II
Fuente: Autor
159
Figura 5.51: Reactivos generados en el Bastidor 1 del Motor 2 Devanado 2 de Tandem II
Fuente: Autor
160
Tabla 5.10: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 1 del
Motor 2 Devanado 2 de Tandem II
AREA TANDEM II BASTIDOR 1 MOTOR 2 DEVANADO 2 FP max = 0
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 11 13 17
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
0,49 2,5 0,7 0,41 0,43
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 5 7 11 15
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
7,99 13,75 8,74 12,76 8,39
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
Por lo tanto los armónicos de voltaje 3, 5, 7 11 y 15 no cumplen con la
norma.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que el armónico 5 está fuera de los niveles de armónicos de
corriente que son aceptables. Es necesario tener en cuenta y corregirlo.
El nivel de THD de voltaje se mantiene sobre el 5% de acuerdo a los
valores que nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es
necesario corregir los niveles de armónicos.
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en el bastidor 1 motor 2 devanado 2 de tándem 2 con un factor de
161
potencia inferior a 0,9 y llegando en instantes de tiempo a 0. Es necesario
corregir el factor de potencia para llevarlo a 0,9.
162
Figura 5.52: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
163
Figura 5.53: Armónico de corriente, generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
164
Figura 5.54: THD de Voltaje generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
165
Figura 5.55: Factor de potencia generado en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
166
Figura 5.56: Reactivos generados en el Bastidor 4 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
167
Tabla 5.11: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 4
Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
AREA TANDEM II BASTIDOR 4 DEVANADO DE 13.8 kV FP max = 0,040
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 11 13 23 25
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
1,45 6,32 4,94 2,45 2,25
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 11 13 23 25
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
1,32 2,35 2,22 2,96 2,83
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
El armónico de voltaje 23 no excede los valores permitidos por la norma pero
está en los valores limites, se tomara en consideración para realizar la
corrección del armónico.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que el armónico 11, 13, 23 y 25 están fuera de los niveles de
armónicos de corriente que son aceptables. Es necesario tener en cuenta y
corregirlo.
El nivel de THD de voltaje se mantiene sobre el 5% los primeros días de
medición, luego baja a valores inferiores del 5% de acuerdo a los valores que
nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es necesario corregir
los niveles de armónicos.
168
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en el bastidor 4 devanado de 13.8 kV de tándem 2 con un factor de
potencia bajo 0,9 y llegando en instantes de tiempo a 0,04. Es necesario
corregir el factor de potencia para llevarlo a 0,9.
169
Figura 5.57: Armónicos de voltaje, generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
170
Figura 5.58: Armónicos de corriente, generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
171
Figura 5.59: THD de Voltaje generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
172
Figura 5.60: Factor de potencia generado en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
173
Figura 5.61: Reactivos generados en el Bastidor 5 Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
Fuente: Autor
174
Tabla 5.12: Armónicos y Factor de Potencia Generados en el Bastidor 5
Bobinado de 13,8 Kv de Tandem II
AREA TANDEM II BASTIDOR 5 DEVANADO DE 13.8 kV FP max = 0,758
TIPO DE ARMONICO
CORRIENTE
N°DE ARMONICO GENERADO
3 7 9 11 13
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
5,82 2,08 2,4 4,39 3,43
VOLTAJE
N°DE ARMONICO GENERADO
5 11 13 23 25
VALOR MAXIMO % DEL ARMONICO
1,35 2,4 2,16 2,79 3,59
Fuente: Autor
Para los armónicos de voltaje, según la tabla 11.1 de la norma IEEE-519
[14], que describe los límites de distorsión de voltaje máximos, establece que
los límites de distorsión de voltaje individual (%) y distorsión de voltaje total
THD (%) deben ser 3% y 5% para un voltaje en la barra PCC menor a 69 kV.
El armónico de voltaje 25 excede los valores permitidos por la norma es
necesario realizar la corrección del armónico.
Los valores establecidos por la tabla 10.3 de la norma IEEE-519 [14]
establecen que el armónico 3, 7, 9, 11 y 13 están fuera de los niveles de
armónicos de corriente que son aceptables. Es necesario tener en cuenta y
corregirlo.
El nivel de THD de voltaje se mantiene sobre el 5% los primeros días de
medición, luego baja a valores inferiores del 5% de acuerdo a los valores que
nos suministra la tabla 11.1 de la norma IEEE-519 [14]. Es necesario corregir
los niveles de armónicos.
175
El factor de potencia que debe tener la empresa según lo establecido por
el contrato con la compañía de servicio eléctrico es de 0,9, actualmente se
cuenta en el bastidor 5 devanado de 13.8 kV de tándem 2 con un factor de
potencia bajo 0,9 y llegando en instantes de tiempo a 0,758. Es necesario
corregir el factor de potencia para llevarlo a 0,9.
5.2 Posibles problemas observados
Los bastidores por usar electrónica de potencia, generan armónicos
existentes en el sistema (convertidores de 6 pulsos).
Por los arreglos Delta – Delta, Estrella – Delta, y Delta – Estrella de
los transformadores de los bastidores se cancelan en gran parte las
armónicas 5ta y 7ma.
Los bastidores por presentar una operación cíclica ocasionan
variaciones de voltaje rms en 13.8 kV y voltajes menores.
El rizado de voltaje se presenta debido a la resonancia de corriente
que existe en 13.8 kV a la 23va y 25va armónica la cual es
excitada por las corrientes armónicas producidas por los bastidores.
Este rizado en el voltaje se manifiesta más fuerte en baja tensión.
176
5.3 Descripción de los armónicos generados en las barras de
alimentación de 13.8 kV de la subestación R3 que alimenta a
Laminación en Frío.
BARRA 1
La Barra 1 de 13.8 kV en sub. R3 presenta una distorsión total de voltaje
de 6 % en promedio, el cual está sobre el valor recomendado del 5% de
THDv establecido por la norma IEEE – 519 [14]. Esta distorsión se da
principalmente por las armónicas 11va y 13va, que a pesar de que no
sobrepasan el valor establecido por la norma IEEE – 519 [14] están cercanos
al valor extremo y las armónicas 23va y 25va armónicas de orden superior
las cuales superan el valor del 3% de distorsión armónica individual
recomendando por la norma IEEE – 519 [14].
La distorsión armónica total de corriente presentada en la barra 1 de 13.8
kV de Laminación en Frío tiene un promedio de 6.5% la cual es superior al
establecido por la norma IEEE – 519 donde no debería excederse del 5%
según la tabla 10.3 de la norma. Los armónicos que se detectaron en la
medición que son de mayor incidencia fueron los de 11va, 13va 23va y 25va.
Ninguno supero el límite establecido para los armónicos individuales pero su
contribución afecta al sistema por el incremento de la Distorsión armónica
total de corriente (THDi).
Factor de potencia en la barra 1 de 13.8 kV que alimenta Laminación en
frío.
En cuanto al factor de potencia se tiene un valor máximo de 0,38 que se
presenta solo en instantes de tiempo en los que se asume, se debe a
procesos de arranque, parada y retroceso que deben realizar los equipos de
177
control para maniobrar los motores que intervienen en la producción de
laminados.
BARRA 2
La barra N° 2 en 13.8 kV, al igual que la barra 1, presenta una distorsión
total de voltaje del orden del 6 % en promedio el cual está por arriba de valor
recomendado del 5% de THDv establecido por la norma IEEE 519 [14]. Esta
distorsión se da principalmente por las armónicas 11va y 13va, que a pesar
de que no sobrepasan el valor establecido por la norma IEEE – 519 [14]
están cercanos al valor extremo y la armónica 25va de orden superior las
cuales superan el valor del 3% de distorsión armónica individual
recomendando por la norma IEEE – 519 [14].
La distorsión armónica total de corriente presentada en la barra 2 de 13.8
kV de Laminación en Frío tiene un promedio de 6.8% la cual es superior al
establecido por la norma IEEE – 519 [14] donde no debería excederse del
5% según la tabla 10.3 de la norma. Los armónicos que se detectaron en la
medición que son de mayor incidencia fueron los de 11va, 13va 23va.
Ninguno de ellos supero el límite establecido para los armónicos individuales
pero su contribución afecta al sistema por el incremento de la Distorsión
armónica total de corriente (THDi).
Para baja tensión bajo estas condiciones de suministro, el voltaje no es
adecuado para la operación de equipos sensibles tales como ups,
convertidores de CD y equipos de control en general.
178
Factor de potencia en la barra 2 de 13.8 kV que alimenta Laminación en
Frío.
El factor de potencia de la barra 2 tiene un valor máximo de 0,57 que se
presenta solo en instantes de tiempo en los que se asume al igual que en la
barra 1, que se debe a procesos de arranque, parada y retroceso que deben
realizar los equipos de control para maniobrar los motores que intervienen en
la producción de laminados.
5.4 Área con alto nivel de armónicos en Laminación en Frio
Cuando se habla del área con alto nivel de armónicos, se refiere al área
principal que es generadora de armónicos y que afecta a la barra de 13.8 kV
de Laminación en Frío que es objeto de estudio. Entre las aéreas con mayor
incidencia en la red se encuentra TANDEM II.
Una de las observaciones que se pueden hacer en TANDEM II fue que las
mediciones realizadas en el lado de alta del transformador del bastidor 1
(13.8 kV), los armónicos de voltaje no superaron el valor del 4%; el valor
permitido por la norma IEEE – 519 [14] es del 3% para los armónicos
individuales, pero si los compráramos con los obtenidos en la medición en el
lado de baja del transformador (740 V) los armónicos individuales pueden
llegar a un promedio del 8 %, a causa de las acciones de avance, parada y
retroceso que son llevadas a cabo en la línea de producción de TANDEM II.
Esto puede afectar en gran medida a los equipos que son sensibles a las
mínimas variaciones de voltaje que están conectados a la misma red tales
como protecciones, UPS y convertidores de corriente directa.
179
En general luego de analizar los gráficos y las tablas dispuestas con los
niveles de armónicos de voltaje y corriente los armónicos generados en
TANDEM II fueron los de mayor escala de medida en comparación con los
otros armónicos generados en el área de Laminación en Frio, siendo esta
una de las causas por las que se genera un bajo factor de potencia en la
barra de 13.8 kV en Laminación en Frio.
5.5 Efectos que causan los armónicos al factor de potencia
El factor de potencia como lo conocemos normalmente es una
representación del ángulo entre la tensión y la corriente de una carga y en
consecuencia define cuanta de la potencia que está entregando una fuente a
una carga es potencia activa (potencia útil convertible en trabajo) y cuanta es
corriente reactiva (potencia que se utiliza para excitar los efectos
electromagnéticos requeridos en circuitos inductivos y capacitivos), esto solo
es cierto si las ondas de tensión y corriente son de una única y misma
frecuencia, cuando una señal de tensión contiene componentes armónicas,
la potencia total entregada por la fuente es la suma de la potencia activa mas
la potencia reactiva más la potencia armónica (potencia de cada competente
armónica diferente a la fundamental que compone la onda) por ello hoy el
factor de potencia clásico se conoce como factor de desplazamiento y se
calcula como la relación entre la potencia activa de la componente
fundamental y la potencia aparente a frecuencia fundamental.
Adicionalmente se calcula ahora el nuevo factor de potencia como la
relación entre la potencia activa total y la potencia aparente total
(conteniendo ambas no solo las componentes de frecuencia fundamental
sino todos los armónicos contenidos en las señales de tensión y corriente).
180
El concepto de factor de potencia nos permite determinar cuanta potencia
de la que generamos en un sistema eléctrico realmente se convierte en
trabajo (o en un producto útil como calor, movimiento, etc).
Esta potencia total generada será igual a la raíz cuadrada de la suma de
los cuadrados de la potencia activa mas la potencia reactiva más la potencia
de distorsión (o potencia armónica).
Esto implica que cuando existen armónicos en una red, esta se hace más
ineficiente pues se requiere generar y transportar más potencia para lograr el
mismo trabajo que si no tuviéramos armónicos. (Los armónicos degradan el
factor de potencia de una red pero no el factor de desplazamiento).
Los problemas de armónicos en una red eléctrica van desde la ineficiencia
de la red hasta el daño de equipos por problemas térmicos.
5.6 Análisis de la carga en la barra 1 y 2 de 13.8 kV.
Al momento de hacer el trabajo de investigación los niveles de producción
no se encontraba en los niveles óptimos, considerándose que Laminación en
Frio pudo haber estado trabajando muy lejos de su capacidad de carga
Nominal.
Para este análisis se evalúa solo el punto de acoplamiento común (PCC)
que es donde está conectado originalmente el filtro de compensacion, en la
Barra 1 y 2 de la red de Laminación en Frio perteneciente a la subestación
R3
181
La barra 1 cuenta con el mismo nivel de tensión que la barra 2 que es de
13,8 kV y ambas están conectadas utilizando un interruptor de 2000 A
creando un enlace cerrado para alimentar el área de laminación en frio
A falta de datos del diseño de las barras 1 y 2, los valores nominales de
carga se tomaron a partir de la corriente máxima de los interruptores D335 y
D435 que alimentan la barra 1 y 2 respectivamente de 13,8 kV de laminación
en Frio. La tensión nominal de la barra será 13.8 kV, y la potencia aparente
(S), activa (P) y reactiva (Q) la determinaremos con las siguientes
ecuaciones:
Los datos que se tienen para realizar los cálculos son los siguientes:
A partir de estos valores se procede a construir lo que será nuestro valor
teórico, se le dice así porque se consideran valores ideales al momento de
evaluar el sistema.
182
La corriente de maniobra al que operan los interruptores D335 y D435 es
de 2000 A, pero se sabe que nunca se puede evaluar un sistema eléctrico al
100%, por lo tanto tomaremos como nuestra medida referencial un 80% del
valor nominal de la capacidad del interruptor.
La suma de las dos corrientes que hay en los interruptores es la corriente
total que circula por la barra de 13,8 kV. Se consideraran en la tabla 5.13 los
valores de corriente, potencia aparente y factor de potencia en cada una de
las barras. En cuanto al factor de potencia se realizara una suma de los dos
FP de cada barra y se calculara un promedio el cual será nuestro valor
referencial de la barra 1 y 2 de 13,8 kV.
Un valor medido, colocado en la tabla 5.13, que fue tomado en el área por
el MEMOBOX 300 smart, será para compararlo con el valor de referencia y
se determinará con que capacidad de carga en porcentaje está trabajando
laminación en frio.
Así mismo se evaluara el sistema tomando en cuenta distintas condiciones
de carga en las que se utilizara el mismo factor de potencia, lo que arrojan
distintos valores en cuanto a la potencia aparente, reactiva y activa.
A continuación se muestra la tabla con sus respectivos valores calculados
utilizando las ecuaciones mostradas anteriormente.
183
Tabla 5.13: Estudio de la carga en la barra 1 y 2 de 13,8 kV de Laminación en Frio utilizando los cálculos
Fuente: Autor
Condición Carga
(%) Voltaje
(kV)
Corriente Total (A) S Total (kVA) P Barra
1 y 2 (kW)
Q Barra 1 y 2
(kVAR)
FP
Ø Barra 1 Barra 2
Barra 1 y 2
Barra 1 Barra 2 Barra 1
y 2
FP Barra
1
FP Barra
2
Promedio FP Barra
1 y 2
Valor Teórico 100,00 13,80 1600,00 1600,00 3200,00 38198,40 38198,40 76396,80 72576,96 23848,72 0,95 0,95 0,95 18,19
Valor Medido 21,87 13,80 350,00 350,00 700,00 8355,90 8355,90 16711,80 10027,08 13369,42 0,55 0,65 0,60 53,13
Valor Estimado 10,00 13,80 160,00 160,00 320,00 3819,84 3819,84 7639,68 4583,81 6111,74 0,55 0,65 0,60 53,13
Valor Estimado 30,00 13,80 480,00 480,00 960,00 11459,52 11459,52 22919,04 13751,42 18335,21 0,55 0,65 0,60 53,13
Valor Estimado 40,00 13,80 640,00 640,00 1280,00 15279,36 15279,36 30558,72 18335,23 24446,94 0,55 0,65 0,60 53,13
Valor Estimado 50,00 13,80 800,00 800,00 1600,00 19099,20 19099,20 38198,40 22919,04 30558,68 0,55 0,65 0,60 53,13
Valor Estimado 60,00 13,80 960,00 960,00 1920,00 22919,04 22919,04 45838,08 27502,85 36670,41 0,55 0,65 0,60 53,13
Valor Estimado 70,00 13,80 1120,00 1120,00 2240,00 26738,88 26738,88 53477,76 29412,77 42782,15 0,55 0,65 0,60 53,13
Valor Estimado 80,00 13,80 1280,00 1280,00 2560,00 30558,72 30558,72 61117,44 33614,59 48893,89 0,55 0,65 0,60 53,13
184
Los valores de corriente, potencia aparente, potencia activa y potencia
reactiva fueron evaluados desde una carga en el sistema al 10% y llevados
hasta el valor máximo de operación que es el 80% de la carga nominal de la
barra de 13,8 kV. Ahora estos valores que nos arroja esta tabla son útiles
para el análisis del factor de potencia, pues, con estos datos podemos
determinar cuáles son los niveles de reactivos necesarios para realizar la
compensación del sistema y llevar el factor de potencia a un nivel superior a
0,9 que es el solicitado por la empresa de suministro de energía eléctrica
CORPOELEC.
El obtenido en la medición con el equipo MEMOBOX 300 Smart,
se dejó como referencia para el cálculo de las potencias activas y reactivas
para luego determinar la cantidad de reactivos necesarios para elevar el FP a
un nivel deseado, bajo distintas condiciones de carga.
En la tabla 5.14 se realiza el cálculo de reactivos necesarios para llevar el
FP actual a un nivel de 0,95 con la intensión de mejorar la calidad de la
energía eléctrica y evitar las penalización por la empresa CORPOELEC.
Las ecuaciones utilizadas para determinar los valores de esta tabla son las
mismas que se utilizaron en la tabla anterior donde se obtuvo la potencia
activa, reactiva y aparente, solo que en este caso se calculó también la
potencia reactiva a utilizar por cada aumento de la carga nominal en un 10%
solo para garantizar un valor de FP superior al 0,9
Un cálculo previo a la tabla nos demostrara como se obtuvieron los
valores de ésta. Con los datos suministrados por tabla 5.13 determinaremos
los reactivos necesarios para llevar el FP de 0,6 a un nivel de 0,95, para una
carga nominal del 21,87% (nuestro valor medido) en la barra 1 y 2 de 13,8
kV.
185
Partimos de los siguientes datos:
Con estos valores construimos nuestro triangulo de potencia para determinar
las incógnitas.
Figura 5.62: Triangulo de potencias evaluando situación actual
Fuente: Autor
186
Y procedemos a calcular como sigue:
Donde,
Con este valor podemos determinar ahora,
Ahora para conocer los reactivos necesarios para llevar el FP a 0,95
realizamos la siguiente operación,
Ahora conociendo como se determinaron los valores mediante las
ecuaciones y el triángulo de potencia, a continuación se presentan los
resultados en la siguiente tabla:
187
Tabla 5.14: Corrección del factor de potencia de 0,6 a 0,95 utilizando banco de condensadores de paso de 5
MVAR
Fuente: Autor
Valores sin Corrección del FP = 0,6 Valores Con Corrección del FP
= 0,95
Condición Carga P Barra 1 y 2 (kW)
Q Total Barra 1 y 2
(kVAR)
S Total Barra 1 y 2 (kVA)
P Barra 1 y 2 (kW)
Q Total Barra 1 y 2 (kVAR)
S Total Barra 1 y 2 (kVA)
Reactivos Necesarios
Q para llevar el FP
a 0,95 (kVAR)
Potencia Q del Banco
de Capacitores
a utilizar (kVAR)
Potencia Q del Banco de
capacitores estandarizados
a utilizar (MVAR)
Valor Medido 21,87 10027,08 13369,42 16711,80 10027,08 3295,74 10554,82 10073,68 5552,27 5
Valor Estimado 10,00 4583,81 6111,74 7639,68 4583,81 1590,33 5093,12 4521,41 4521,41 5
Valor Estimado 30,00 13751,42 18335,21 22919,04 13751,42 4770,98 15279,36 13564,23 3490,55 5
Valor Estimado 40,00 18335,23 24446,94 30558,72 18335,23 6361,30 20372,48 18085,64 4521,41 5
Valor Estimado 50,00 22919,04 30558,68 38198,40 22919,04 7951,63 25465,60 22607,05 4521,41 5
Valor Estimado 60,00 27502,85 36670,41 45838,08 27502,85 9541,96 30558,72 27128,46 4521,41 5
Valor Estimado 70,00 29412,77 42782,15 53477,76 29412,77 10204,59 32680,85 32577,56 5449,10 5
Valor Estimado 80,00 33614,59 48893,89 61117,44 33614,59 11662,39 37349,55 37231,49 4653,94 5
188
Para determinar de cuanto se necesita para los pasos del banco de
condensadores y conocer el aumento escalonado que se requiere para
corregir el FP de acuerdo a la carga nominal presentada en Laminación en
Frio, se realiza la siguiente operación:
Si para una carga del 10% de la carga nominal se necesitan para llevar el
FP a 0,95 tenemos:
El valor aproximado y normalizado es de 5 MVAR y por ende, se asume
un banco de capacitores de 5 MVAR.
Para una carga del 20% de la carga nominal se realiza el cálculo de la
manera siguiente
para
Determinamos el escalón utilizando los kVAR obtenidos del cálculo de los
reactivos con una carga al 10% restándoselos a los obtenidos a una carga al
21,87% de la nominal y tenemos lo siguiente:
El valor aproximado y normalizado es de 5 MVAR y por ende, se asume
un banco de capacitores de 5 MVAR.
189
De manera similar se procede con los otros valores de cargas para los que
se evaluó el sistema eléctrico de Laminación en Frio. Los resultados
obtenidos dan un aproximado de 5 MVA necesarios para corregir el FP y
llevarlo a un valor aproximado a 0,95 debido al aumento de la carga por cada
10%.
También se realizó otro estudio tomando en cuenta los valores a los que
estaba diseñado el filtro de compensación estático ubicado en el PCC de
13,8 kV, el cual poseía 3 bancos de condensadores, uno de 25 MVA y dos
de 10 MVA utilizados para la corrección del FP en el área.
En la tabla 5.15 se realizaron los cálculos para determinar si el filtro actual
cumple con los requerimientos que se están presentando actualmente en la
planta.
190
Tabla 5.15: Evaluación del sistema eléctrico de la barra 1 y 2 en 13,8 kV tomando en cuenta los valores de
diseño del filtro de compensación General Electric.
Condición Carga (%) P Barra 1 y
2 (kW)
Q Total Barra 1 y 2
(kVAR)
S Total Barra 1 y 2
(kVA)
FP para un Banco de 10
(MVA)
FP para un Banco de 20
(MVA)
FP para un banco de 35
(MVA)
FP para un Banco de 45
(MVA)
Valor Medido 21,87 10027,08 13369,42 16711,80 0,979463956 0,91792228 - -
Valor Estimado 10 4583,81 6111,74 7639,68 0,860792287 - - -
Valor Estimado 30 13751,42 18335,21 22919,04 0,931523757 0,99735837 0,68651499 -
Valor Estimado 40 18335,23 24446,94 30558,72 0,88119118 0,98935513 0,93847875 0,7400282
Valor Estimado 50 22919,04 30558,68 38198,40 0,842812139 0,96103786 0,99321766 0,92578073
Valor Estimado 60 27502,85 36670,41 45838,08 0,813303486 0,93152376 0,99933578 0,98335076
Valor Estimado 70 29412,77 42782,15 53477,76 0,79007879 0,90471766 0,98935513 0,99913965
Valor Estimado 80 33614,59 48893,89 61117,44 0,771376121 0,88119118 0,97381756 0,99796836
Fuente: Autor
191
Estos cálculos demuestran que el filtro de compensación estático General
Electric ubicado en el PCC de la barra 1 y 2 de 13,8 kV puede ser aun
utilizado, este corrige de manera eficiente el factor de potencia llevándolo a
valores ideales en los que se evita el pago de penalizaciones por poseer un
bajo FP.
Aun siendo un filtro de 45 MVAR puede llegar a corregir el factor de
potencia del 80% de carga nominal de laminación en frio, cuestión que en
estos momentos no se presenta ya que la planta está constantemente
realizando paradas de mantenimiento y algunas líneas de producción hoy en
día están inoperativas.
Para la corrección de los armónicos, con los datos obtenidos en las
mediciones, nos muestran que los armónicos de mayor incidencia fueron los
de orden 11, 13, 23 y 25, siendo los dos últimos los de mayor ocurrencia en
las mediciones. Los armónicos de orden mayor a 23 son despreciables ya
que no generan grandes daños al sistema eléctrico. En cambio los armónicos
de orden menor al 23 pueden producir fallas eléctricas en el comportamiento
tanto de la red como de los equipos instalados a ella. Por ejemplo en un
transformador pueden causar sobrecalentamiento que conlleva gradualmente
a la perdida de las propiedades dieléctricas de este.
Para la elaboración de un filtro de compensación para corregir los
armónicos generados en la red, es necesario evaluar el sistema a un 80% de
su capacidad nominal, en dado caso a un 50% de su capacidad para
determinar cuáles son los armónicos de mayor incidencia que causan daños
graves a la red. Cuando se realizaron las mediciones en las distintas áreas
de Laminación en Frio, se observó que hasta el momento Laminación en Frio
solo estaba trabajando a un 20% de su capacidad de carga nominal. Con
este valor de carga no es posible determinar con exactitud si los armónicos
192
23 y 25, que son los de mayor incidencia, son los que se presentaran cuando
el sistema esté trabajando por lo menos, con una carga mayor al 50% de la
capacidad nominal. Por lo que hasta los momentos el cálculo para
determinar el filtro de compensación para corregir los armónicos no se
realizara en este informe ya que las condiciones no están dadas, solo se
tomaran en cuenta los reactivos necesarios para llevar el factor de potencia
actual a un valor aproximado a 0,95 y así liberar de potencia los
transformadores instalados en Laminación en Frio y reducir las pérdidas
generadas en los alimentadores 1 y 2 de la barra de 13.8 kV.
193
CAPÍTULO VI
PROPUESTA
6.1 Elaboración de propuesta final
Luego de haber realizado los estudios correspondientes a los niveles de
armónicos y de factor de potencia generados en la barra 1 y 2 de 13,8 kV
que alimenta a Laminación en Frio, que incluyen el análisis de las gráficas
obtenidas por los equipos de medición, cálculos y tablas, se procede a
realizar una propuesta para la puesta en funcionamiento de un filtro de
compensador para la corrección de los armónicos y factor de potencia
presentados. Todo esto con el fin de mejorar la calidad del servicio eléctrico
en la empresa y evitando así, penalizaciones por parte de la compañía
CORPOELEC.
6.2 Descripción del proyecto
Hasta la fecha se determinó que el filtro estuvo en operación solo 1 año en el
que comprende 1986 – 1987, del que se desconoce la razón de su puesta
fuera de servicio. A partir de esa fecha el equipo fue deteriorándose no solo
por el desuso sino también por el retiro total de sus componentes de control y
194
parte del equipo de potencia del que está compuesto, además, este aún
posee equipos que utilizan PCB el cual es un fluido altamente nocivo y
contaminante que se encuentra prohibido su uso según las normas
ambientales existentes, así que para su puesta en funcionamiento
nuevamente es necesario realizar una propuesta económica que determine
si es factible el acondicionamiento de este filtro o la implementación de uno
nuevo.
La infraestructura del filtro de compensación General Electric como tal existe,
solo que le falta, si lo llevamos a una escala porcentual, como un 80% de los
equipos necesarios para su funcionamiento. Además de ello es necesario
realizar labores de desmalezamiento ya que por el tiempo que ha estado
fuera de servicio parte de la vegetación del área ha cubierto algunos equipos
de potencia. En la siguiente figura se puede apreciar la vegetación que cubre
parte de los equipos de potencia.
Figura 6.1: Estado actual del filtro de compensación
Fuente: Autor
195
Figura 6.2: Vegetación y deterioro de los equipos del filtro de compensación
Fuente: Autor
En el anexo C se muestran las fotografías tomadas de la infraestructura
del filtro compensador y de los equipos de control existentes.
Otra observación que se puede acotar es que cuando se realizaron las
mediciones en la barra de 13,8 kV que es el PCC donde está conectado el
filtro, solo se obtuvo un 21 % de la carga nominal, creando la incertidumbre
de que las mediciones de armónicos generados no representan un mayor
problema para la empresa. Los armónicos que corrige el filtro de
compensación son los 3ro, 4to y 5to, y con las mediciones a un 21 % de la
carga nominal se obtuvieron los armónicos 11vo, 13vo, 23vo y 25vo, los
cuales no representan, como se dijo anteriormente, gran problema para la
empresa. Posiblemente para cuando se diseñó el filtro de compensación se
realizó un estudio tomando en cuenta que la planta estaría trabajando a un
80 % de su carga nominal y para ese estudio se presentaron los armónicos
3ro, 4to y 5to a los que se deseaban corregir.
196
Los armónicos que más se deberían reflejar en el sistema serían los 5to y
7mo que son producidos por cargas tales como: rectificadores monofásicos
con diodos y filtrado, alimentación recortada, rectificador trifásico con diodo y
filtrado, regulador monofásico, rectificador trifásico por tiristores, motores de
inducción y alumbrado. Todos estos equipos los podemos encontrar en el
área de laminación en frio y en casi todos los procesos llevados a cabo para
la producción de material laminado. Asi que evaluando los niveles de carga
del sistema a un 21 % no podemos descartar que cuando se tenga un
consumo del 80% de la carga nominal no se vayan a producir los armónicos
5to y 7mo.
6.3 Fundamentos Teóricos de la propuesta.
Para definir cuál es el valor adecuado para la incorporación del filtro de
armónicos es necesario la evaluación del sistema eléctrico a lo mínimo un
50% de la carga nominal de laminación en frio, que por los momentos no
será posible porque laminación en frio no está en los niveles óptimos de
producción por falta de inversión en equipos y maquinarias para su total
operatividad.
A pesar de que los armónicos generados con un 21 % de la carga nominal
superan los límites permitidos según las normas IEEE – 519 [14], hasta los
momentos no generan mayores preocupaciones para la empresa ya que solo
afecta a equipos de pequeña electrónica y los equipos que predominan en el
área son de potencia tales como motores de inducción, equipos de
rectificación y alumbrado. Por razones como esta, es necesario realizar un
estudio cuando laminación en frio esté operando a más de un 50% de la
197
carga nominal que soporta el sistema eléctrico para determinar los niveles de
armónicos generados para este tipo de carga.
Para la corrección del factor de potencia el filtro de compensación estático
General Electric, está compuesto por 3 bancos de condensadores dos de 10
MVA y uno de 25 MVA, los cuales fueron diseñados para corregir el factor de
potencia generado partiendo de una carga nominal en la barra 1 y 2 del 80%.
En la siguiente figura se muestra el diagrama de diseño del filtro de
compensación General Electric que fue propuesto para el año 1986
corrigiendo los armónicos 3ro, 4to y 5to. Junto con sus bancos de reactores
de 10 MVA y 25 MVA.
Figura 6.3: Diagrama unifilar del filtro de compensación estático General
Electric
Fuente: Autor
198
Como objetivo principal de este estudio es encontrar una solución para
determinar si el filtro de compensación actual funciona con los valores a los
que ha sido diseñado. Este filtro bajo las características que posee de
diseño, puede ser utilizado para la corrección del factor de potencia
presentado actualmente en la barra 1 y 2 de 13,8 kV llevando los niveles del
factor de potencia superiores al 0,9 que es el que solicita la compañía de
suministro eléctrico CORPOELEC. Pero según la documentación fotográfica
y los equipos que integran hoy en día el filtro no puede ponerse en
funcionamiento por necesitar gran parte de los equipos de potencia y de
control, donde es necesario sustituir equipos que son de materiales tóxicos,
como lo es el PCB y compensar los equipos que fueron retirados sea por
objeto de hurto o para recuperar otro equipo vital para la producción de la
acería. Los valores determinados en la medición y por los cálculos nos
sirvieron para tener la idea de cual es el factor de potencia que se está
generando, lo que requiere de un análisis económico para determinar la
factibilidad de puesta en servicio.
Según los datos obtenidos los niveles de armónicos para los que fue
diseñado el filtro no cumplen con los presentados actualmente lo cual
conlleva a pensar que por esta razón el filtro pudo haber sido puesto fuera de
funcionamiento.
La corrección del factor de potencia de este filtro compensador fue
diseñado manejar distintos valores de carga nominal, partiendo de valores de
carga del 10% hasta el 80% de la carga nominal, utilizando dos bancos de
condensadores de 10 MVAR y uno de 25 MVAR, los cuales fueron
comprobados mediante los cálculos resultando que estos valores de los
bancos de condensadores son adecuados para la corrección del factor de
199
potencia que se ha venido presentando y la utilización de estos puede
mejorar el factor de potencia increíblemente a valores superiores de 0,9 el
cual lo exige la compañía eléctrica para evitar penalizaciones por bajo Factor
de Potencia.
La incorporación de un filtro de compensación garantizara a futuro la
utilización de los reactivos que son necesarios para el proceso operativo de
laminación en frio, logrando la mejora del factor de potencia para llevarlo a
valores óptimos y permisibles regidos según los criterios eléctricos de las
normas y el de la compañía de suministro eléctrico, lo que generara un
aprovechamiento de la energía suministrada y disminuirá los costos de
producción de laminados, los cargos de penalización por inyección de
reactivos a la red y también que los equipos instalados a la red funcionen de
manera eficiente.
6.4 Consideraciones Técnicas
Utilizando los valores obtenidos mediante la medición de los niveles de
armónicos y factor de potencia generados y también por los cálculos y
análisis de gráficos se busca la mejora del servicio eléctrico en laminación
en frio utilizando el filtro de compensación existente.
La propuesta del filtro de compensación que se desea poner en
funcionamiento, se rige bajo los valores obtenidos por las mediciones
realizadas durante el periodo de tesis, por los cálculos realizados y las
normas IEEE utilizadas para determinar si el equipo que se encuentra
actualmente en la planta puede ponerse en marcha nuevamente con la
finalidad de mejorar la calidad del servicio eléctrico de laminación en frio.
200
Las observaciones tomadas del análisis de gráficos y del análisis de los
cálculos repercuten en la creación de un diseño adecuado para la corrección
de armónicos y del factor de potencia. Entre estas se encuentran las
siguientes:
El impacto que está ocasionando la distorsión de voltaje,
principalmente por las armónicas de orden 23va y 25va es un voltaje
con un rizado muy pronunciado que puede afectar fácilmente a
dispositivos sensibles tales como fuentes de CD, UPS, equipos de
control otros dispositivos que requieren un voltaje limpio. (Onda
senoidal).
El rizado pronunciado de voltaje se presenta cuando los bastidores
entran en plena operación (cambio de espesor de la bobina). Las
mediciones eléctricas en los bastidores mostraron una condición de
operación típica de estos dispositivos.
Cuando se presenta un THDv elevado y una reducción de corriente es
posible que sea a causa de la salida de operación de cargas lineales
como motores de inducción.
Es importante mencionar que debido a los grupos DELTA – DELTA, Y
ESTRELLA – DELTA, de los transformadores de los bastidores
ayudan a la cancelación de la 5ta y 7ma armónica. En el anexo C se
puede observar las características de los transformadores instalados
en laminación en frio y del tipo de conexión que estos poseen.
El hecho de compensar la potencia reactiva requerida por los
bastidores ayuda gradualmente en la estabilización del voltaje.
201
El Factor de potencia general en las barras 1 y 2 de 13,8 kV oscila
entre 0,55 y 0,65 llegando a determinarse un promedio de 0,6 entre
las dos barras, lo que influye en el nivel de eficiencia de la energía
eléctrica y también en la penalización a la que es sometida la empresa
por tener un bajo factor de potencia.
Dentro de las consecuencias por poseer un bajo facto de potencia se
encuentran: perdidas por efecto Joule, calentamiento de los
conductores, incremento de las tarifas eléctricas por costos de
penalización en el servicio, disparo o actuación errónea de los equipos
de control y protección entre otros.
Los equipos existentes del filtro de compensación se encuentran
obsoletos y es necesario su reemplazo para garantizar la operatividad
de este.
En necesario realizar un estudio de factibilidad económica para
determinar si es rentable o no la implementación y sustitución de los
equipos existentes del filtro de compensación, que hasta los
momentos no se encuentra operativo desde hace más de 25 años y
es necesarios para corregir el factor de potencia presentado
actualmente.
202
CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos en el estudio se puede llegar a las siguientes
conclusiones:
Se requiere realizar un estudio con una carga nominal de la red de
laminación en frio mayor al 60 % para determinar los niveles de
armónicos generados y verificar si el filtro existente corrige tales
armónicos para los que fue diseñado. Ya que para las condiciones
de operación en la que se encuentra laminación en frio se
determinó que está trabajando a un 21% de la carga nominal de la
barra 1 y 2 de 13,8 kV.
Las variaciones dinámicas del voltaje rms se pueden eliminar o
controlar con la operación de reactivos adicional.
El factor de potencia presente en la red puede ser corregido
inyectando a la red Potencia Reactiva (Q) de paso de 5 MVAR
hasta sumar un total de 40 MVAR o bien pudiera usarse el mismo
diseño que posee el filtro de compensación existente que posee 45
MVA.
El exceso de reactivos absorbidos por la planta de Laminación en
frio deben ser suministrados por la red, lo que se traduce en un
incremento en la potencia de pérdidas y en permanentes
variaciones de voltaje, lo cual genera sobrecargas en los
transformadores de potencia instalados en la subestación R3
deteriorando su aislamiento y disminuyendo su vida útil.
203
Es necesario la sustitución del 70% de los equipos que componen
el filtro de compensación ya que algunos su uso se encuentra
prohibido según las normas ambientales por poseer sustancias
contaminantes tales como lo es el apirolio. Además existen equipos
que se encuentran descontinuados y que ya no se encuentran en el
mercado local e internacional.
De los armónicos medidos en el periodo de tesis, son los más
incidentes los del área de tándem II y temple III pertenecientes a
laminación en frio, donde los procesos de producción son continuos
y requieren de altos niveles de corriente y tensión. En esta área
solo se realizan paradas para el mantenimiento correctivo y
preventivo.
El diseño de la planta contempla el uso de un filtro de
compensación por lo que la operación de dichos equipos pueden
resolver los problemas de raíz que aquí se están generando.
Con los resultados obtenidos, se propone hacer un estudio
adicional para determinar cuáles son los armónicos que afectan al
sistema eléctrico de Laminación en Frio, cuando esté trabajando a
un 50% o más de su capacidad nominal. De esta manera se puede
medir los niveles de armónicos generados y llegar a la conclusión
de que equipos serán necesarios para resolver los problemas de
armónicos sin requerir de inversiones adicionales.
Los armónicos encontrados por las mediciones y que sobrepasan
los límites de armónicos individuales y los límites de THD son los de
orden 11vo, 13vo, 23vo y 25vo. Que no afectan en gran medida a
los equipos de potencia instalados en la planta sino a los
204
dispositivos sensibles tales como fuentes de CD, UPS, equipos de
control y otros dispositivos que requieren un voltaje limpio. (Onda
senoidal).
De las mediciones del factor de potencia en la barra 1 y 2 de 13,8
kV se obtuvo un valor promedio entre las dos barras de 0,6, los
cuales representa un valor bajo en comparación con el solicitado
por la empresa de suministro eléctrico CORPOELEC que es de 0,9.
Esto conlleva a la penalización de la empresa por poseer un bajo
factor de potencia.
Al poseer un bajo factor de potencia
Es factible adquirir un nuevo equipo para la corrección de
armónicos y la compensación del factor de potencia ya que el
equipo General Electric existente e instalado en la planta esta
descontinuado, este posee equipos de PCB y parte de la estructura
que se encuentra a la intemperie posee un follaje denso de
vegetación que dificulta el acceso a este, evitando así, determinar el
estado de los equipos que se encuentran en el sitio. Por la memoria
fotográfica del filtro de compensación que se presenta en los
anexos se observa la ausencia de parte de los equipos de control,
interruptores, banco de reactores, cableado y parte del equipo de
control que hoy en día se encuentran obsoletos.
205
RECOMENDACIONES
Las recomendaciones surgidas de la realización de esta investigación y
elaboradas a criterio del autor son las siguientes:
Realizar un estudio con mayor profundidad de los índices de
inyección de armónicos en la red de potencia , basando las pruebas
en las condiciones máximas de carga conectada en laminación en
frio, cuando el proceso productivo así lo permita, de esta manera se
podrían obtener resultados más precisos con un porcentaje de error
mucho menor.
Elaborar un plan de mantenimiento, en el cual se contemplen
estudios de este tipo con mayor regularidad dentro de las
instalaciones de la empresa, de esta manera se lograría evaluar la
calidad del sistema eléctrico que alimenta a la planta, al mismo
tiempo que podrían realizar diagnósticos para descartar posibles
fallas ocasionadas por la generación de armónicos, disminuyendo
los posibles costos por el incremento de las tarifas eléctricas.
Realizar un análisis económico orientado a determinar la inversión
inicial para la puesta en funcionamiento del filtro de compensación y
los ahorros con la consecuente disminución del consumo de
reactivos de la planta de laminación en frio, con el fin de definir la
relación costo – beneficio así como el tiempo estimado de retorno
de la inversión.
En el caso de que la empresa no tenga la disponibilidad económica
para la recuperación de todo el equipo, se recomienda que al
menos se realice la restitución del banco de condensadores para la
206
compensación de reactivos y lograr mejorar en gran medida el
factor de potencia que se está presentado y que es causante de
pérdidas de energía eléctrica, daños en equipos y también de
penalizaciones por parte de la empresa de suministro eléctrico
CORPOELEC.
Considerar el estudio elaborado en este informe tomando en cuenta
los valores adquiridos mediante las mediciones y los cálculos
realizados utilizando el basamento teórico generado por las
ecuaciones de potencia eléctrica y el análisis de las normas que se
deben de evaluar al momento de analizar la generación de
armónicos y la compensación de factor de potencia.
Es necesario realizar un estudio a fondo, cuando la carga este al
50% o superior de la carga nominal, ya que para este valor se
pueden obtener mejores resultados referente a la medición de
armónicos y factor de potencia, logrando determinar con mayor
exactitud cuáles son los armónicos que realmente afectan al
sistema partiendo de la barra 1 y 2 de 13,8 kV de la subestación R3
de laminación en frio.
La instalación de un filtro de compensación en el área de
laminación en frio contribuye a la liberación de potencia en los
transformadores de TANDEM y Laminación en Frio, reduce los
niveles de corriente, perdidas y caída de tensión en los
alimentadores, evitando el deterioro de los equipos instalados en la
red y el pago de penalizaciones por bajo factor de potencia.
207
REFERENCIAS
[1] Gaceta Oficial 39.414 desde el Despacho del Ministerio del Poder
Popular para La Energía Eléctrica (2011).
[2] Valera Michelle (2012) Propuesta técnica para la recuperación y/o
sustitución de los filtros de armónicos asociados a las acerías de
Planchones y Palanquillas de la Siderúrgica del Orinoco “Alfredo
Maneiro”. Práctica Profesional no publicada. UNEXPO “Antonio José
de Sucre”, Puerto Ordaz, Ciudad Guayana.
[3] Vallenilla Evelyn y Díaz Edgar (1998). Diagnóstico y análisis de la
factibilidad de puesta en servicio del compensador estático General
Electric ubicado en la planta de laminación en frio II de SIDOR C.A.
Práctica profesional no publicada. UNEXPO “Antonio José de Sucre”,
Puerto Ordaz, Ciudad Guayana.
[4] Cáceres Ricardo (2002). Sistemas de Potencia. Trabajo de Ascenso.
No publicado. UNEXPO “Antonio José de Sucre” Puerto Ordaz,
Ciudad Guayana.
[5] Generalidades sobre los armónicos y su influencia en los sistemas de
distribución de energía eléctrica. Consultado el 30/03/2012,
disponible en:
http://www.monografias.com/trabajos21/armonicos/armonicos.shtml#
origen
[6] LEM NORMA GmbH (2009). MEMOBOX 300 Smart Instrucción de
operaciones. Austria: LEM
208
[7] Intranet de la Siderúrgica del Orinoco Alfredo Maneiro. SIDOR C.A.
[8] Lerma, Héctor (2003). Metodología de la investigación: Propuesta,
Anteproyecto y proyecto. Barcelona – España, Ediciones ECOE.
[9] Hurtado, Jacqueline (2008). Metodología de la investigación
Holística. Barcelona – España. Magda Cejas
[10] Rojas, Soriano (1997). Metodología de la investigación. México –
Trillas. Thompson Editores.
[11] Sabino, Carlos (1992). Metodología y técnicas de investigación en
ciencias sociales. Buenos Aires. Siglo XXI
[12] Arias, Fidias (2006) Introducción a la metodología científica. Caracas.
Publicaciones UCAB.
[13] Heinemann, Klaus (2003) Introducción a la metodología de la
investigación empírica. Barcelona – España. Editorial Paidotribo.
[14] IEEE. (1992) STD-519, Recomendaciones prácticas y requerimientos
de la IEEE para el control de armónicos en sistemas eléctricos de
potencia.
209
ANEXO
210
Anexo A – Fotografías del área del Proyecto
211
Figura A.1: Equipos de medición del Filtro de
compensación
Fuente: Autor
Figura A.2: Equipos de control para el
funcionamiento del filtro de compensación Fuente: Autor
212
Figura A.3: Conexión del equipo de medición MEMOBOX 300 Smart
Fuente: Autor
Figura A.4: Conexión del equipo de medición MEMOBOX 300 Smart
Fuente: Autor
213
Figura A.5: Motores utilizados en los bastidores de Tamden 2
Fuente: Autor
Figura A.6: Alimentación de los motores de bastidores. 740 V
Fuente: Autor
214
Figura A.7: Banco de Tiristores utilizados en
Tandem II
Fuente: Autor
Figura A.8: Equipos de control del filtro
compensador General Electric
Fuente: Autor
215
Figura A.9: Tableros de control y medición del filtro
de compensación General Electric
Fuente: Autor
Figura A.9: Estado actual del filtro de
compensación General Electric
Fuente: Autor
216
Figura A.10: Equipo de medición MEMOBOX 300
Smart
Fuente: Autor
Figura A.11: Conexión del equipo MEMOBOX 300
Smart
Fuente: Autor
217
Anexo B – Fotografías del estado actual del filtro de compensación Fuente (Autor)
218
Reactores
219
Banco de reactores
220
Banco de reactores
221
Banco de condensadores
222
Estado de los alimentadores
223
Anexo C – Sección de la Norma IEEE 519 – 1992 referente al Control de Armónicos en un Sistema de Potencia