Importancia DEL Factor DE Carga Y EL Factor DE Potencia EN EL SEN Y CFE PDF

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Trabajo de apuntes sobre la importancia de el factor de carga y el factor de potencia en el sistema eléctrico nacional y la comisión federal de electricidad...

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO I NSTI TUTO TECNOLÓGI CO DETUXTEPEC NOMBREDELA ASI GNATURA: AHORRO DEENERGI A TAREA T2 . I MPORTANCI ADELF ACTORDECARGA YELF ACTOR DEPOTENCI A EN ELSEN YCFE CARRERA: I NG. ELECTROMECANI CA NOMBREDELOSALUMNOS: RAMI REZTRI NI DAD EDGARJ AVI ER SEGURA S ANTOSGONZALO DOCENTE MC. GENARO DOMI NGUEZVI LLALBA

SAN J UAN BAUTI STA TUXTEPEC,OAX. FECHADEENTREGA 10 /12 /202 1

INDICE INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................1 IMPORTANCIA DEL FACTOR DE CARGA Y EL FACTOR DE POTENCIA EN EL SEN Y CFE................................2 1. Factor de carga....................................................................................................................................2 1.1 El factor de carga y su importancia para la tarifa GDMTH..............................................................3 1.2 ¿Para qué sirve conocer el Factor de Carga?..................................................................................3 1.3 Motores eléctricos.........................................................................................................................4 1.3.1 Pérdidas de energía y eficiencias............................................................................................4 2. Factor de potencia...............................................................................................................................8 2.1 Efectos de un bajo factor de potencia............................................................................................9 2.2 Ventajas de la corrección del factor de potencia..........................................................................10 2.3 Compensación del factor de potencia..........................................................................................11 CONCLUSIÓN.........................................................................................................................................14 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................................................................15

INTRODUCCIÓN El siguiente trabajo consiste en una explicación de dos conceptos muy interesantes en el ahorro de energía: El factor de carga y el factor de potencia. En este trabajo se explica en que ayuda el conocimiento de estos conceptos, en como ayudan a generar un ahorro de energía e incluso como una forma de mantenimiento preventivo de las instalaciones eléctricas, motores y transformadores de una fabrica o industria; en este trabajo se da a conocer la importancia de corregir estos factores para lograr un uso eficiente de la energía eléctrica. El objetivo de este trabajo es dar a conocer las ventajas que tienen los conocimientos de estos conceptos ya que, aunque parezcan solamente que su consecuencia es tener una multa por la empresa que genera electricidad, también provoca efectos adversos para la instalación eléctrica y equipo que se usa diariamente en una fábrica. El segundo de este objetivo es demostrar la importancia que poseen estos conceptos y las aplicaciones que pueden darse con mas profundidad en el ámbito laboral ya que esto hará a los egresados de ingeniería electromecánica mas capaces de resolver problemas y al mismo tiempo de lograr un ahorro de energía eficiente para contribuir al Sistema Eléctrico de Potencia. La importancia social del trabajo presentado es lograr conciencia a los dueños de industrias y fabricas sobre el uso de la corrección del factor de carga y el factor de potencia para lograr ser mas responsables con el medio ambiente y de esta forma dejar de producir menos energía eléctrica que proviene de combustibles fósiles y además contribuir de una gran manera al mantenimiento preventivo de sus equipos; como importancia académica se busca incentivar en los alumnos un gran sentimiento de conciencia sobre el uso de sus conocimientos para tener un mejor rendimiento eléctrico aprovechando la energía eléctrica para un uso mas eficiente asi mismo lograr una contribución al medio ambiente. La importancia personal de este trabajo es conocer la importancia de resolver problemas aplicando el ahorro de energía en conjunto de otras asignaturas como: Análisis de circuitos de CA, maquinas eléctricas y Sistemas Eléctricos de Potencia. El siguiente trabajo fue realizado utilizando la metodología de la investigación documental; el trabajo se encuentra dividido en dos temas centrales que son el factor de potencia y el factor de carga; partiendo de dichos temas se explicaran sus conceptos y la importancia que poseen al conocer de ellos.

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IMPORTANCIA DEL FACTOR DE CARGA Y EL FACTOR DE POTENCIA EN EL SEN Y CFE 1. Factor de carga El factor de carga se define como la relación de la carga promedio durante un período dado a la demanda máxima (carga máxima) que se produce en ese período. En otras palabras, el factor de carga es la relación entre la energía consumida en un período determinado de los tiempos de las horas y la carga máxima que se ha producido durante ese período en particular. Es la relación entre la demanda media y la demanda máxima, ésta describe el grado en el cual los picos de demanda se mantienen en un período de tiempo en estudio. El factor de carga es calculado bajo una base diaria, mensual o anual. FC=

D media = E(energía en KWh) … … …… … … … … .(1) D maxima T∗D máxima

El factor de carga al ser un resultado del comportamiento de la demanda también mide en cierta forma el grado de utilización de una instalación. Factor de carga significa cuán eficientemente usamos la energía. Es la medida de la utilización de la energía eléctrica durante un período dado a la energía máxima que se habría utilizado en ese período. El factor de carga juega un papel importante en el costo de generación por unidad (kWh). Cuanto mayor sea el factor de carga, menor será el costo de generación para las mismas demandas máximas. Factor de carga con respecto a la energía. Dependiendo de la cantidad de horas en días, semanas, En meses o años definimos diferentes factores de carga. Para el factor de carga diaria, el período T se toma como 24 horas; De manera similar, durante semanas, meses y años se toma el valor diferente de T. Para calcular el factor de carga, se requiere la siguiente información; 1. Kilovatios reales horas utilizadas (kWh) 2. Pico de kilovatios de demanda (kW) 3. Número de días Por ejemplo: Sea el total de kWh = 36,0000 kWh Demanda = 100kW El número de días = 30 días. Horas por día = 24 horas 2

1.1 El factor de carga y su importancia para la tarifa GDMTH El factor de carga es asignado por la Comisión Reguladora de Energía (CRE) para cada tarifa de la CFE. En el caso de la tarifa GDMTH, el valor correspondiente al factor de carga es 0.57. Este valor se usa para el cálculo de la distribución y la capacidad. Además, la finalidad del factor de carga es ayudar a los consumidores a reducir un poco el costo de la electricidad. Es decir, en el ejemplo del cálculo de la distribución, el usuario tendría que pagar por una distribución de 50,000 kW, si esta metodología de cálculo no existiera. Sin embargo, gracias a esta metodología, el usuario solo paga por una distribución de 43,449 kW. Por consiguiente, el usuario paga menos por su distribución de lo que debería pagar. 1.2 ¿Para qué sirve conocer el Factor de Carga? Nos sirve para saber si la potencia que tenemos contratada es la correcta para el consumo que tenemos. Un Factor de Carga muy bajo, por ejemplo, indica que es posible que tengamos contratada una potencia excesivamente alta para nuestro consumo, y que es posible que consigamos ahorrar en la factura si bajamos la potencia contratada. Antes de hacer algún cambio hay que analizar con mucho detenimiento los hábitos de consumo ya que quizás la potencia sobredimensionada sea necesaria si solemos enchufar a la vez la nevera, lavadora, el termo eléctrico, el televisor, el aire acondicionado y muchas luces. En este caso y aunque sea por periodos cortos sí que se necesita sobredimensionar la potencia, aunque su uso sea esporádico. Por el contrario, un Factor de Carga muy alto nos puede indicar que es posible que sobrepasemos la potencia contratada en repetidos momentos puntuales, lo que en algunos casos puede ser penalizado si carecemos de ICP (Interruptor de Control de Potencia). En este caso, sería necesario aumentar la potencia contratada, y es posible que nuestra factura eléctrica disminuya si cambiamos nuestra tarifa de acceso.

Tabla 1. Uso de la potencia contratada en diferentes rangos de factor de carga.

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1.3 Motores eléctricos Los motores eléctricos son los usuarios de mayor consumo de energía eléctrica en plantas industriales. Aproximadamente entre el 60 y 70 % del consumo de energía eléctrica de una industria corresponde a equipos electromotrices tales como ventiladores, bombas, compresores, bandas transportadoras, etc. Es evidente el gran impacto de los motores eléctricos en el consumo de energía en el sector industrial, por tanto, resalta la importancia de identificar y evaluar oportunidades de ahorro de energía en ellos. Sin embargo, es necesario determinar con precisión el estado energético actual de los mismos (factor de carga, eficiencia, factor de potencia, antigüedad, etc.) y conocer sistemas alternativos como son motores de alta eficiencia y variadores de frecuencia entre otros. 1.3.1 Pérdidas de energía y eficiencias. La función de un motor eléctrico es convertir la energía eléctrica en energía mecánica para realizar un trabajo útil. En la transformación una parte de la energía eléctrica tomada de la red se convierte en calor, constituyendo una pérdida inherente al motor, ver figura.

Ilustración 1. Perdidas en Motor Eléctrico

Eficiencia La eficiencia de un motor es la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada. Este es el concepto más importante desde el punto de vista del consumo de energía y del costo de operación de un motor eléctrico. Eficiencia=

Potencia eléctrica que entra− perdidas … … ….. ( 2) Potencia eléctrica que entra

El valor más alto de eficiencia sería la unidad, si acaso las pérdidas fueran cero, como lo indica la segunda expresión. Por ello los fabricantes de motores están haciendo innovaciones tecnológicas tendientes a disminuir las pérdidas al máximo posible y lo están logrando con un diseño mejorado empleando materiales de alta calidad y un mejor proceso de fabricación.

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Conforme la eficiencia puede considerarse tres géneros de motores eléctricos:   

Motores de Eficiencia Estándar Motores de Alta Eficiencia Motores de Eficiencia Premium

Gráfica 1. Comparativo de eficiencia en los motores eléctricos

Para mejorar la eficiencia se deben disminuir las pérdidas en el motor, esto se logra con el cambio de diseño, materiales de alta calidad y un mejor proceso de fabricación. Los motores de alta eficiencia a determinada carga entregan mayor o igual cantidad de trabajo con menor consumo de energía que un motor estándar. Los motores eléctricos tienen la máxima eficiencia, cuando las pérdidas permanentes o fijas son casi iguales a las pérdidas variables. Factor de Carga. La potencia nominal de un motor eléctrico indica la potencia mecánica de salida o en el eje que es capaz de entregar el motor, el factor de carga es un índice que indica la potencia que entrega el motor cuando se encuentra ya en operación con relación a la que puede entregar. Así un motor de potencia nominal 40 HP que trabaja entregando solo 20 HP, estará trabajando al 50%. Factor decarga=

Potenciareal entregada … … … …..(3) Potencia de placadel motor

Generalidades de la demanda de energía eléctrica En un sistema eléctrico de potencia, las actividades de generación, transporte y distribución cumplen la función de suministrar los requerimientos energéticos de la demanda, lo cual se ha constituido en un reto para los OR, ya que debido a las leyes 5

físicas que rigen su comportamiento exigen que en todo momento exista un equilibrio entre producción y demanda, de lo contrario todo el sistema colapsaría. Los usuarios de la energía eléctrica se clasifican en residenciales, comerciales, industriales y otros, teniendo en cuenta los usos que le dan a la energía eléctrica, por ejemplo los clientes residenciales y comerciales en radio, televisión, cocción de alimentos, calentamiento de agua e iluminación y los industriales para la transformación de materias primas, según la clasificación CIIIU (código Internacional de Industrias Uniforme), por ello un plan de uso eficiente de la energía, debe partir del conocimiento de la forma y la magnitud en cómo se usa por parte de los distintos clientes. De este modo el estudio del mercado eléctrico se define como el estudio de la curva de demanda de los consumidores y de la curva de carga desagregados en sus componentes de demanda. El método de auditoría asume que el consumo de energía de un sector está determinado por dos variables básicas, la cantidad de equipos eléctricos presentes y los modos de uso de estos. Existen diversos métodos para estimar la demanda eléctrica, con los que se suelen realizar los estudios a largo plazo. Sin embargo, para determinar el comportamiento horario es prácticamente obligatorio analizar mediciones en instalaciones ya existentes analizando, además, la composición de los receptores asociados. Sin embargo, independientemente de la metodología o técnica que se utilice para caracterizar el comportamiento de la demanda, se deben tener en cuenta parámetros y relaciones típicas que la describen técnicamente, algunos de estos parámetros son: Demanda Promedio. Es la demanda media requerida por el sistema en un determinado período de tiempo, su unidad de medida suele ser el kW, o los kVA, su expresión es:

Dm=

Energía requerida en un periodo de tiempo … … … ….. (4) Periodode tiempo

Demanda Máxima Es el máximo requerimiento de carga que tiene el sistema durante un período de tiempo, la particularidad de este parámetro es que su duración es pequeña en comparación con la duración del intervalo de tiempo analizado. Para establecer la demanda máxima se debe especificar el intervalo de demanda para medirla. La carga puede expresarse en p.u de la carga pico del sistema. Demanda diversificada o coincidente Es la suma de varias cargas en un momento determinado. Se considera el mismo intervalo de tiempo. 6

Demanda máxima no coincidente Es la suma de la demanda máxima de cada usuario sin importar que ocurran o no al mismo tiempo Factor de demanda Es la relación entre la demanda máxima y la capacidad en kW o kVA del sistema en análisis, en función de que los equipos son dimensionados para la demanda máxima, el factor de demanda siempre será menor que la unidad. Este factor representa el porcentaje máximo en que la demanda hace uso de la capacidad del sistema. FD=

Demanda máxima … … … … … ..(5) Capacidad del sistema

Factor de carga Es la relación entre la demanda promedio y la demanda máxima, la cual señala el grado de variación de la carga con respecto al máximo valor registrado en un determinado tiempo. FC=

Demanda promedio … … … … … … …(6) Demanda máxima

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2. Factor de potencia El Factor de Potencia (FP) se define como la relación entre la potencia activa (kW) usada en un sistema y la potencia aparente (kVA) que se obtiene de las líneas de alimentación. Estas cantidades difieren debido a la existencia de la denominada ‘potencia reactiva’, que corresponde a la parte de la potencia que va y viene entre algunos componentes del sistema, pero que, en promedio, no genera trabajo. Matemáticamente, el FP se define como el cociente entre la potencia activa y la aparente, dado que esta última es siempre mayor o igual a la activa, el FP corresponde a un número entre 0 y 1. Mientras menor sea el FP, esto implica que, para aplicar la misma potencia activa en una carga, se requieren equipos más grandes (conductores de mayor calibre, núcleos de hierro más grandes, etc.) y por ende más costo. Todos los equipos electromecánicos que están constituidos por devanados o bobinas, tales como motores y transformadores necesitan la denominada corriente reactiva para establecer campos magnéticos necesarios para su operación. La corriente reactiva produce un desfase entre la onda de tensión y la onda de corriente, si no existiera la corriente reactiva la tensión y la corriente estarían en fase y el factor de potencia seria la unidad. El desfase entre las ondas de tensión y corriente, producido por la corriente reactiva se anula con el uso de condensadores de potencia, lo que hace que el funcionamiento del sistema sea más eficaz y, por lo tanto, requiera menos corriente lo que técnicamente se denomina compensación. La figura 1 corresponde a un motor de inducción sin ninguna compensación y la ilustración 2 muestra el mismo motor de la ilustración 1 con el factor de potencia corregido, es decir, con una mejor relación entre las potencias.

Ilustración 3. Motor de inducción sin Compensación.

Ilustración 4. Motor de inducción, Factor de Potencia Corregido.

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2.1 Efectos de un bajo factor de potencia Un bajo factor de potencia implica un aumento de la corriente aparente y por lo tanto un aumento de las perdidas eléctricas en el sistema, es decir indica una eficiencia eléctrica baja, lo cual siempre es costoso, ya que el consumo de potencia activa es menor que el producto (potencia aparente). Un bajo factor de potencia aumenta el costo de suministrar la potencia activa a la compañía de energía eléctrica, porque tiene que ser transmitida más corriente, y este costo más alto se le cobra directamente al consumidor industrial por medio de cláusulas del factor de potencia incluidas en las tarifas además, esto también causa sobrecarga en los generadores, transformadores y líneas de distribución dentro de la misma planta industrial, así como también las caídas de voltaje y pérdidas de potencia se tornan mayores de las que deberían ser. Todo esto representa pérdidas y desgaste en equipo industrial. En el caso de los generadores, su capacidad nominal se expresa en kVA. Por lo tanto, si un generador tiene que proporcionar la corriente reactiva requerida por aparatos de inducción, su capacidad productiva se ve grandemente reducida, Una reducción en el factor de potencia de 100% a 80% causa una reducción en los kW de salida de hasta un 27%. Mientras que los transformadores, la capacidad nominal de transformadores también se expresa en kVA, en forma similar a la empleada con generadores. De esta manera, a un factor de potencia de 60%, los kW de potencia disponible son de un 60% de la capacidad de placa del transformador. Además, el porcentaje de regulación aumenta en más del doble entre un factor de potencia de 90% y uno de 60%. Por ejemplo: Un transformador que tiene una regulación del 2% a un factor de potencia de 90% puede aumentarla al 5% a un factor de potencia del 60%. Las pérdidas en un transformador son de dos clases diferentes; perdidas en el entrehierro (núcleo) y perdidas en el embobinado (cobre). Las pérdidas en el núcleo corresponden aproximadamente a la potencia disipada en el transformador bajo condiciones sin carga. Las Grafica 2. El factor de potencia y las perdidas en transformadores. pérdidas en el cobre varían con el cuadrado de la corriente y están directamente relacionadas con el factor de potencia. Se toma en cuenta que, para efectos prácticos, si un cliente consume 1MW y trabaja con un FP de 1, en teoría bastaría que se alimentara desde un transformador de 1MVA, pero si ese 9

mismo cliente trabajara con un FP de 0,5, el transformador debiese ser de 2MVA, aumentando no solo el costo mismo del transformador, sino que también el costo de su instalación. Es por esto por lo que las distribuidoras consideran en sus contratos una penalización a la operación con bajo FP. Se observa que, en una línea de transmisión o alimentador, a un factor de potencia de 60%, únicamente un 60% de la corriente total produce pot...