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