Paper GEA reactiva x armónicos

Reducción de la carga eléctrica reactiva en el sector residencial
Mario Brugnoni, Norberto Lemozy
Grupo Energía y Ambiente (GEA), Depto. de Electrotecnia
Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires
Paseo Colón 850, (1063) Capital Federal, ARGENTINA
fax (54-011) 4331-0129 e-mail [email protected]
Resumen
La presencia de altos niveles de reactivo en las redes eléctricas impide que transmitan toda la
potencia activa para la cual están dimensionadas por lo que es motivo de preocupación permanente
de las empresas que comercializan la energía eléctrica. El esquema tarifario vigente en el área
metropolitana de Buenos Aires prevé la aplicación de recargos en la facturación penalizando el
consumo con factor de potencia menor a 0,85.
Así, los habituales controles que se efectúan en tarifa 3 (grandes consumos) se han extendido a los
consumos menores, en particular al sector residencial. Al no existir registros de energía reactiva, en
este último caso, la reglamentación actual permite una medición puntual. Si los valores obtenidos de
esta forma dan lugar a un FP menor que 0,85 la compañía distribuidora puede intimar al usuario y
aplicar las penalizaciones establecidas si la situación persiste.
La penalización recae así sobre usuarios que, en general, no poseen los conocimientos técnicos para
solucionar correctamente el problema. Esto se agrava aún mas con la difusión cada vez mayor de
iluminación con balastos electrónicos y equipamiento para el hogar, provisto de fuentes conmutables
(switching). La corrección del factor de potencia, en estos casos, no se logra simplemente con el
agregado de capacitores que compensen el reactivo inductivo de la carga. La solución es mas
compleja.
En este trabajo realizaremos un análisis crítico de la reglamentación en vigencia y mostraremos con
la ayuda de ejemplos numéricos cual es el procedimiento correcto a llevar a cabo frente al reclamo
de la empresa de distribución
Origen del bajo factor de potencia en la demanda residencial
En primer lugar debemos mencionar a las heladeras y congeladoras. Estos equipos están provistos de
motores de inducción monofásicos para accionamiento de los compresores. La característica
nominal de funcionamiento de estos motores da lugar a un factor de potencia menor de 0,85. En la
mayoría de los casos los fabricantes no efectúan su corrección. Los equipos de mayor costo incluyen
resistencias de descongelamiento ubicadas en el evaporador o en la zona de contacto de los burletes.
Al conectarse estos últimos se mejora el factor de potencia por aumento de la demanda activa. Los
equipos conservadores de alimentos en el hogar participan con un tercio de la demanda total. Otros
equipos con similar característica pero con menor participación en la demanda energética hogareña
son los lavarropas y secarropas. La utilización de iluminación fluorescente con balasto
electromagnético da lugar a una demanda con un factor de potencia próximo a 0,5 bastante por
debajo del 0,85 no penalizable.
El equipamiento mencionado hasta aquí forma parte de un primer grupo que presenta una
característica en común. En todos ellos es posible mejorar su factor de potencia mediante el
agregado de capacitores. Otra fuerte participación en la demanda residencial se debe al uso de
equipos de TV y asociados. Estos, junto con la iluminación fluorescente con balasto electrónico, las
computadoras personales y sus periféricos, la iluminación incandescente halógena provista de
controladores de flujo luminoso y muchos otros elementos que forman parte del confort hogareño
los podemos agrupar en un segundo grupo con características bien diferenciadas a los mencionados
en primer término. En estos casos el bajo factor de potencia se debe fundamentalmente a la
distorsión de la forma de onda de la corriente tal como se muestra en los registros de las figs 1 y 2.
En estos casos resulta contraproducente la corrección del factor de potencia mediante capacitores.
400
4
200
2
Corriente [A]
1,5
0
0
-200
Corriente [A]
Tensión [V]
1
0,5
0
0,00
-0,5
5,00
10,00
15,00
20,00
-2
-1
-400
Tiempo (ms)
-1,5
-4
Fig 2 – forma de onda de I para un televisor
Fig 1- tensión y corriente para una LFC
La reglamentación para el sector residencial
De acuerdo a lo establecido en los contratos de concesión de las empresas distribuidoras del área
metropolitana de Buenos Aires los cargos fijos y variables por energía correspondientes al sector
residencial rigen sólo para un factor de potencia inductivo igual o superior al 0,85. Se agrega que las
empresas tienen el derecho a verificar el factor de potencia de sus usuarios y a aumentar los cargos
en los casos en que se verifiquen valores inferiores a 0,85.
Para la obtención del factor de potencia se admiten mediciones instantáneas (Res. ENRE 209/95)
donde el factor de potencia se determina según la expresión:
P
P  Q2
Donde P y Q representan los promedios de los valores obtenidos para potencia activa y reactiva en n
mediciones dentro de un periodo de 15 minutos de duración (mínimo cinco mediciones) en un día y
horario que pueda considerarse representativo del régimen de funcionamiento y carga nominal de la
vivienda.
FP 
2
Otra alternativa prevista por la reglamentación es la de registrar energías en un día que pueda
considerarse representativo y por un periodo no menor de 24 horas. Para este caso la determinación
del factor de potencia se efectuará mediante la siguiente expresión:
FP 
Eactiva
Eactiva 2  Ereactiva 2
Hasta aquí tenemos sólo una síntesis de lo que prevé el contrato de concesión y el texto aclaratorio
reglamentado por el ENRE.
Al respecto debemos opinar que los cocientes mostrados en las expresiones anteriores permiten
calcular correctamente el coseno fi, valor que sólo coincide con el factor de potencia para cargas con
comportamiento lineal, que como vimos dista bastante del comportamiento del usuario residencial.
Desde el punto de vista técnico diríamos que lo lógico sería calcular el “verdadero factor de potencia
y no el coseno fi” ya que las instalaciones se ven afectadas por el bajo valor del primero. El factor de
potencia se calcula en forma indubitable para todos los casos como el cociente entre la potencia
(energía) activa y la potencia (energía) aparente.
Para agregar mas confusión al tema en cuestión podemos mencionar que las empresas distribuidoras
están efectuando mediciones en el sector residencial con equipamiento electrónico de última
generación que calcula directamente el “verdadero valor” del factor de potencia contrariando, si se
quiere, la reglamentación emitida por el ENRE.
Para aclarar las cuestiones mencionadas nos valdremos de un ejemplo numérico que nos permitirá
apreciar la diferencia entre factor de potencia y coseno fi para un usuario residencial del que
suponemos conocida la forma de onda de la carga. Se agrega al ejemplo un análisis de la forma
correcta de corregir el factor de potencia en el caso de que nuestro consumo ingrese en la zona
penalizable.
Un ejemplo numérico
Veamos el ejemplo que se muestra en el circuito de la figura 3 donde se observa una fuente de
característica senoidal que alimenta una carga alineal que da lugar a una corriente poliarmónica. Las
formas de onda se observan en la figura. 4
Nuestra intención es determinar el factor de potencia con que actúa la carga e intentar mejorarlo con
la conexión de capacitores en paralelo como se indica en el dibujo.
i = 10 sen (t -30º) + 6 sen (3t -50º) +3 sen (5t -70º)
ic
+
C
u = 311,3 sen  t
_
Fig. 3 – Circuito equivalente de una carga residencial
Carga
-17
-400
-300
-12
-200
-7
-2 0
50
100
150
200
250
300
-100
400
0
350
wt
3
100
8
200
13
300
400
fig. 4 - Forma de onda de tensión y corriente para una carga residencial
El valor eficaz correspondiente a la tensión de alimentación será:
31113
,
 220V
2
Uef 
El valor eficaz de la corriente poliarmónica se determina como la raíz cuadrada de la suma de cada
una de las armónicas:
10
 7,07A
2
I1ef 
I3ef 
6
 4,24A
2
I5ef 
3
 2,12A
2
Ief  7,072  4,242  2,122  8,51A
La potencia aparente surgirá del producto delos valores eficaces de la corriente y la tensión
S  Uef.Ief  220x8,51  1872 VA
Debido a que la onda de tensión es senoidal los valores de la potencia activa y reactiva
corresponderán sólo a aquellos que derivan de la fundamental de la onda de corriente:
n
P   Ui.Ii.cos. i  U1.I1.cos 1 = 220 x7,07 x cos 30º = 1347W
i 1
n
Q   Ui.Ii.sen. i  U1.I1.sen 1 = 220 x7,07 x sen 30º = 777,7VAR
i 1
Loa valores obtenidos nos permiten determinar el factor de potencia de la carga:
FP 
P 1347

 0,72
S 1872
El valor 0,72, que se encuentra dentro del límite penalizable, corresponde al “verdadero factor de
potencia” y es aquél que registran los instrumentos electrónicos de verdadero valor. Para ondas
poliarmónicas este difiere del que se obtendría en comportamiento senoidal y que resulta del
siguiente cálculo:
cos.  
P

2
P  Q2
1347
 0,866
2
2
1347  777 ,7
Si para corregir el factor de potencia colocamos un capacitor en paralelo como se indica en el
circuito circulará por él sólo corriente de frecuencia fundamental ya que la tensión aplicada no posee
componentes armónicas. Para poder visualizar mejor estos conceptos nos referimos a la fig. 5 donde
se muestran los distintos fasores correspondientes a las primeras armónicas de tensión y corrientes
presentes en el circuito.
Ic
I1.cos 1 = 6,12 A
U1
´1
1 = 30º
I´1
Ic
I1 sen 1 =3,535 A
I1  6,12  j 3,535
I1=7,07 A
fig. 5
De acuerdo con lo que se observa en el fasorial el mínimo valor de la fundamental que es posible
lograr con el agregado de capacitores (la denominamos genéricamente I´1) será de 6,12 A
correspondiente a un ángulo ´1=0 y a una corriente Ic = 3,535 A. Como el resto de los componentes de la corriente
no han sufrido modificación alguna, el nuevo valor eficaz de la corriente total será:
I ef  6,122  4,242  2,122  7,74 A
Al que corresponde una potencia aparente y una potencia activa de:
S  220 x 7,74  1702,8 VA
P  1347 W
El nuevo factor de potencia será entonces:
1347
 0,79
1702,8
Este es el valor mas próximo a 1 al que podemos aspirar con el agregado de capacitores. A partir del
valor de Ic determinado cualquier aumento del mismo conduciría a un incremento del valor eficaz de
la corriente total con el consiguiente desmejoramiento del factor de potencia.
FP 
Los instrumentos de medida
El instrumental empleado para efectuar la medición agrega aún mas confusión al problema.
De la interpretación de la reglamentación del ENRE se deduce que se deberían emplear equipos que
registren la potencia activa y la reactiva para las mediciones instantáneas o equipos que registren
energía activa y reactiva para efectuar la medición que permita calcular valores medios. En ambos
casos la aplicación de las expresiones recomendadas conducirá al cos que sólo coincidirá con el
factor de potencia cuando se registre un comportamiento senoidal. en las formas de onda de tensión
y corriente.
No obstante contrariando la reglamentación del ENRE las empresas distribuidoras utilizan para los
controles instrumental electrónico de verdadero valor, procedimiento a nuestro criterio correcto ya
que la disminución en la capacidad de sus redes es función de este valor y no aquél que se indica en
la citada reglamentación.
Referencias
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Característica de la demanda residencial. y su incidencia sobre la calidad de servicio de la Energía
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9º Congreso y Exposición Internacional de la Energía Eléctrica (CEDE/96)
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La eficiencia energética de los electrodomésticos en al Argentina
Reunión de trabajo de la Asociación Argentina de Energía Solar
Mar del Plata, nov/96
Brugnoni
Los Comp. Armónicos de la Demanda y sus Efectos sobre las Redes de Distribución Eléctrica
III Congreso Latinoamericano de Generación y Distribución de la EE, Vol. 2 p.734
San Pablo - Brasil
Tanides
Uso Eficiente de la Energía Eléctrica en el Sector Residencial Argentino: Estado Actual y
Posibilidades Futuras
Avances de Energías Renovables y Medio Ambiente
Vol. 1 Nº 2, 1997
Tanides
Uso Eficiente de la Energía Eléctrica en la Iluminación Residencial
Avances de Energías Renovables y Medio Ambiente
Vol. 2 Nº 2, 1998
Salta, 1998
Brugnoni
La corrección del factor de potencia en circuitos con cargas alineales
Revista Megavatios
Julio/1998 - pp 42-48
Buenos Aires, jul/98
Brugnoni
Technical Power Quality in Argentina´s Electricity Distribution Networks
Symposium on Electromagnetic Compatibility
Roma - Italia, set/98
Lemozy, Brugnoni, Almeida
La Eficiencia Energética y la Calidad de la Energía Eléctrica
VIII Encuentro Regional Latinoamericano de la CIGRÉ (VIII ERLAC)
C. del Este. Paraguay, 30 may-3 jun /99
International