¿Qué es la compensación de potencia reactiva y cómo se calcula el monto de la compensación?

En el trabajo diario, a menudo se encuentra con esta pregunta: la capacidad de los transformadores se mide en kilovoltios{0}}amperios (kVA), la potencia de salida de los motores en kilovatios (kW) y la potencia de compensación del condensador en vars o kilovares (var). ¿Por qué hay tres términos diferentes para unidades que representan energía eléctrica?

Esto nos lleva al tema que discutiremos hoy: la relación inherente entre potencia reactiva (unidad: var o kvar), potencia activa (unidad: W o kW), potencia aparente (unidad: VA o kVA) y el factor de potencia.

 

I. En la red eléctrica, la energía eléctrica suministrada por la fuente a la carga se puede clasificar en dos tipos: potencia activa y potencia reactiva.

(1) Potencia reactiva (Q):
Muchos dispositivos eléctricos funcionan según principios de inducción electromagnética, como los transformadores de distribución y los motores. Los motores requieren el establecimiento y mantenimiento de un campo magnético giratorio para impulsar el rotor, que a su vez impulsa el movimiento mecánico. El campo magnético del rotor en un motor se genera extrayendo potencia reactiva de la fuente de energía.
Los transformadores también requieren energía reactiva para generar un campo magnético en el devanado primario e inducir voltaje en el devanado secundario. Por lo tanto, sin potencia reactiva, los motores no girarían, los transformadores no podrían transformar el voltaje y los contactores de CA no se activarían. Los generadores pueden producir energía reactiva y los condensadores pueden suministrar energía reactiva.-Esta es la base de la compensación de potencia reactiva.

(2) Potencia Activa (P):
La potencia activa se refiere a la porción de energía eléctrica que puede convertirse directamente en otras formas de energía y consumirse. Por ejemplo, un motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Sin considerar la eficiencia, un motor de 11 kW puede convertir 11 kWh de energía eléctrica en una cantidad equivalente de energía mecánica por hora. Una lámpara incandescente de 100 W convierte 0,1 kWh de energía eléctrica en energía luminosa por hora. De manera similar, un calentador de 1 kW convierte 1 kWh de energía eléctrica en energía térmica por hora. La potencia activa es la energía eléctrica que se puede transformar directamente en otras formas de energía.

(3) Potencia aparente (S):
En cierto sentido, la potencia aparente es la combinación de potencia activa (P) y potencia reactiva (Q). Para las fuentes de energía, la potencia aparente comprende tanto la potencia activa como la reactiva. Por ejemplo, la potencia suministrada por un transformador incluye componentes activos y reactivos, por lo que la capacidad de los transformadores se expresa en potencia aparente, medida en kilovoltios-amperios (kVA).

 

II. La relación entre potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente

Para explicar la relación entre estos tres, primero debemos entender qué es el factor de potencia.

En un circuito de CA, el coseno de la diferencia de fase (Φ) entre el voltaje y la corriente se denomina factor de potencia y se denota como cosΦ. Numéricamente, el factor de potencia es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente, es decir, cosΦ=P/S.

 

 

(1) ¿Qué es exactamente la potencia reactiva?

Con base en las relaciones ilustradas por el triángulo de potencia, el triángulo de voltaje y el triángulo de impedancia, la potencia reactiva se puede entender simplemente en términos prácticos de la siguiente manera:
En un circuito eléctrico, los componentes puramente resistivos consumenpotencia activa (P), mientras que los componentes inductivos (como bobinas de reactores, devanados de transformadores y estatores o rotores de motores) consumenpotencia reactiva (Q). Por otro lado, los componentes capacitivos suministran potencia reactiva (Q) - por ejemplo, condensadores y generadores síncronos. (Nota: cuando un generador síncrono está funcionando, sus devanados se comportan de forma capacitiva, lo que significa que suministra tanto potencia activa como reactiva).

Así, un resumen simple es:
Los componentes inductivos o capacitivos son los consumidores y proveedores de energía reactiva.

(2) ¿Cuáles son los impactos negativos de la potencia reactiva?

Reduce la potencia activa de salida de los generadores.
Esto se debe a que la capacidad total (es decir, la potencia aparente S) de un generador es fija. Si se suministra demasiada potencia reactiva Q, la potencia activa P disminuirá en consecuencia; de lo contrario, el generador podría sobrecargarse.

Reduce la capacidad de suministro de energía de los equipos de transmisión y distribución.
El razonamiento es el mismo que para los generadores.

Aumenta las pérdidas de tensión de línea.
A medida que aumenta el componente de corriente reactiva en el circuito, la corriente total también aumenta. La caída de voltaje (δU=IZ) es proporcional a la corriente. Las caídas de voltaje mayores requieren un aumento del área de la sección transversal-de los conductores, lo que genera mayores costos de inversión.

 

(3) Los beneficios de la potencia reactiva

Muchos dispositivos eléctricos funcionan según principios de inducción electromagnética, como los transformadores de distribución y los motores.

Los motores requieren el establecimiento y mantenimiento de un campo magnético giratorio para impulsar el rotor, que a su vez impulsa el movimiento mecánico. El campo magnético del rotor en un motor se genera extrayendo potencia reactiva de la fuente de energía.

De manera similar, los transformadores necesitan energía reactiva para crear un campo magnético en el devanado primario, induciendo así voltaje en el devanado secundario.

Por tanto, sin potencia reactiva:

Los motores no giraban,

Los transformadores no pudieron transformar el voltaje,

Los contactores de CA no se activaban.

De esto se desprende claramente que la potencia reactiva desempeña un papel de apoyo en la conversión y transformación de la energía eléctrica. Sin potencia reactiva no se pueden establecer campos magnéticos y la energía eléctrica no se puede convertir en energía mecánica.

 

III. ¿Cómo realizar la compensación de potencia reactiva y calcular el monto de la compensación?

Arriba, hemos analizado juntos las funciones y desventajas de la potencia reactiva. Los principales inconvenientes son: primero, aumenta la capacidad de los transformadores y el área de la sección transversal-de los conductores, lo que indirectamente eleva los costos del proyecto; en segundo lugar, después del funcionamiento, el factor de potencia no debe caer por debajo de 0,9; de lo contrario, la empresa de suministro de energía impondrá multas.

Por lo tanto, durante el diseño de ingeniería, debemos considerar plenamente esta cuestión. En los sistemas de suministro de energía sin generadores, se suelen utilizar condensadores en paralelo para mejorar el factor de potencia de las subestaciones. El principio es suministrar energía reactiva localmente, eliminando la necesidad de extraer energía reactiva de la red. Este enfoque no sólo reduce la capacidad requerida de los transformadores sino que también mejora el factor de potencia en el lado de medición.

 

(1) Selección de métodos de compensación de condensadores

1. Cuando se utilizan condensadores de potencia en derivación como dispositivos de compensación de potencia reactiva artificial, para minimizar las pérdidas de línea y las caídas de voltaje, la compensación debe equilibrarse localmente. Esto significa que la potencia reactiva en las secciones de bajo-voltaje debe compensarse con condensadores de bajo-voltaje, mientras que la potencia reactiva en las secciones de alto-voltaje debe compensarse con condensadores de alto-voltaje.

Si no hay una carga de alto-voltaje, los dispositivos de condensadores en derivación no deben instalarse en el lado de alto-voltaje.

Al realizar una compensación individual local para equipos accionados por motor-, la corriente nominal del condensador de compensación no debe exceder 0,9 veces la corriente de excitación del motor.

Durante los cálculos de carga eléctrica, se debe incluir la potencia reactiva compensada.

2. Los modos de conmutación para bancos de condensadores de compensación se dividen en manual y automático.

La conmutación manual es adecuada para bancos de condensadores que compensan la potencia reactiva básica de bajo-voltaje, así como para bancos de condensadores de alto-voltaje con una demanda de potencia reactiva estable y conmutación poco frecuente.

Para evitar sobre-compensación o voltaje excesivo durante cargas ligeras, que podrían dañar ciertos equipos eléctricos, se recomienda la conmutación automática.

Si los efectos de los dispositivos de compensación automática de alto-voltaje y de bajo-voltaje son similares, se deben preferir los dispositivos de compensación automática de bajo-voltaje.

3.Métodos de regulación para la compensación automática de potencia reactiva:

Para compensaciones orientadas principalmente al ahorro de energía, se pueden utilizar parámetros como la potencia reactiva para la regulación.

Para cargas de impacto, cargas que cambian dinámicamente rápido-y cargas trifásicas desequilibradas-, se pueden emplear tiristores (interruptores electrónicos) para el control, lo que garantiza un funcionamiento suave sin corrientes de irrupción, proporciona un buen rendimiento dinámico y permite un control segregado de fases-para efectos de equilibrio trifásico-.

4. Al agrupar condensadores, se debe garantizar la compatibilidad con los parámetros técnicos del equipo de soporte. Se debe cumplir el rango permitido de desviación de voltaje y se deben hacer esfuerzos para reducir el número de grupos y al mismo tiempo aumentar adecuadamente la capacidad de cada grupo.

La conmutación de condensadores agrupados no debería inducir resonancia.

5. Los bancos de capacitores de alto-voltaje deben conectarse preferiblemente en serie con reactores del tamaño adecuado, mientras que los bancos de capacitores de bajo-voltaje deben aumentar la capacidad de conmutación utilizando tiristores o contactores de conmutación dedicados para reducir las corrientes de irrupción durante la conmutación.

En líneas significativamente afectadas por armónicos de equipos eléctricos, los reactores deben conectarse en serie con las baterías de capacitores.

 

(2) Cálculo de la capacidad de compensación del condensador

 

El objetivo es determinar la potencia reactiva requerida Qc (kvar) para