ACLARACIONES INICIALES
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En este articulo se trata de dar una visión de las perturbaciones que aparecen en las instalaciones eléctricas provocadas por receptores inductivos.
Se utiliza Documentación Técnica y Gráficos de libre difusión en internet, indicando siempre del documento del que han sido extraídos.
Se adjunta bibliografía complementaria que permite ampliar conocimientos de los conceptos aquí especificados.
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA.
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La forma mas común a nivel comercial de generar electricidad es por inducción electromagnética.
Si en el campo magnético que forman dos imanes entre el polo N y S, tenemos un conductor sin movimiento, en el conductor no se produce ningún efecto.
Si el conductor se mueve dentro del campo magnético, corta las líneas de flujo magnético y entre los extremos del mismo se crea una diferencia de potencial.
Siempre que en un circuito existe una diferencia de potencial, si entre esos extremos se instala un receptor, circula corriente eléctrica.
Los efectos que provoca la inducción electromagnética son los siguientes:
Entre los extremos de la espira se crea una diferencia de potencial, siempre que exista movimiento o variación de flujo.
Si se coloca un receptor entre los extremos, por la espira circula una corriente eléctrica.
https://www.totalenergies.es/es/pymes/blog/induccion-electromagnetica
También en electromagnetismo se da el efecto contrario.
Si en vez de mover un conductor en un campo magnético para generar corriente eléctrica, hacemos pasar la corriente eléctrica a través del conductor se produce un movimiento.
En el caso de que por la espira se haga pasar una corriente eléctrica, al estar en presencia de un campo magnético, la espira entrará en movimiento
En un imán se produce un campo magnético.
Campo magnético creado por un imán
https://www.fundacionendesa.org/es/educacion/endesa-educa/recursos/que-es-el-electromagnetismo
Si un conductor es atravesado por una corriente eléctrica se produce un campo magnético alrededor del mismo.
Campo magnético creado por un conductor
https://www.fundacionendesa.org/es/educacion/endesa-educa/recursos/que-es-el-electromagnetismo
Al pasar corriente eléctrica por una bobina, se produce en la misma un campo magnético similar al de un imán.
Si la corriente es continua se mantiene la polaridad, equivale a un imán permanente que tiene su polo N y su polo S inalterable.
Si la corriente es alterna, la polaridad cambia de acuerdo con la frecuencia.
En Europa es 50 p.p.s., el N y el S se intercambian 50 veces en un segundo.
En América es 60 p.p.s., el polo N pasa a ser polo S, y el S pasa a ser polo N, 60 veces en un segundo.
Por tanto en una bobina atravesada por corriente continua, existe un flujo magnético, aunque siempre es el mismo.
En una bobina atravesada por corriente alterna, existe un flujo magnético variable que es función de la frecuencia.
Campo magnético creado por una bobina
https://www.fundacionendesa.org/es/educacion/endesa-educa/recursos/que-es-el-electromagnetismo
Al producirse una variación de flujo en un conductor eléctrico se genera en el mismo una fuerza electromotriz que crea una diferencia de potencial en sus extremos como se ha indicado anteriormente.
En un circuito cerrado esa diferencia de potencial da origen a una corriente eléctrica.
Existen por tanto en una bobina dos corrientes:
- La corriente aplicada
- La corriente generada
La corriente generada tiene su origen en la variación de flujo que crea la propia propia bobina
El flujo variable al cortar los conductores que forman la bobina crea una fuerza electromotriz en los mismos, estableciéndose entre sus extremos una diferencia de potencial.
Al estar las bobinas cerradas, esta diferencia de potencial origina una corriente eléctrica.
Lógicamente la corriente eléctrica inducida va desfasada de la corriente eléctrica aplicada, debido que se genera posteriormente, como consecuencia del flujo creado en la bobina por la corriente aplicada.
Por los conductores que forman la bobina circulan dos corrientes, la aplicada y la inducida.
Estas dos corrientes están desfasadas un angulo de 90º, por tanto la suma tiene que ser una suma vectorial.
Por la bobina circula una corriente que es suma vectorial de la aplicada y la inducida.
cIRCUITOS INDUCTIVOS
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En un circuito inductivo aparece:
Corriente en fase con la tensión aplicada que es la que proporciona la potencia activa.
Corriente en desfase con la tensión aplicada (90º) en atraso provocada por las bobinas.
https://library.e.abb.com/public/897462d590876b5fc125791a003bd1e0/1TXA007107G0701_CT8.pdf
La intensidad (I) que circula por el circuito es suma vectorial de:
- La necesaria para producir potencia activa (IR) (en fase con la tensión)
- La originada por efecto de las bobinas (IQ) (retrasada 90º)
La relación entre la intensidad circulante y la activa, forma el angulo
En el triangulo de potencias:
P: Potencia Activa
Q: Potencia Reactiva
S: Potencia Aparente
Para producir trabajo solo necesitamos:
Como intensidad IR
Como Potencia: P
Los dos efectos que se producen en un circuito reactivo son los siguientes:
- Los generadores y transformadores aportan una potencia inferior a la nominal.
- Las perdidas energéticas por efecto Joule son mayores al ser mayor I que IR
Pongamos un ejemplo
En un hotel existe un transformador de 630 KVA y el cos de la instalación es 0,75.
En este caso en la figura:
S: 630 KVA
P: 630 * 0,75 = 472,5 KW.
Si conseguimos llevar el cos a 1, el transformador puede aportar 630 KW.
Es por ello que las Compañías Eléctricas penalizan las instalaciones que producen energía reactiva y no la corrigen, incrementando la factura eléctrica.
Corrección de circuitos inductivos
Se utilizan baterías de condensadores.
Un circuito capacitivo puro tiene el mismo efecto en relación al desfase entre la intensidad y la tensión aplicada que el circuito inductivo puro, si bien en este caso es en adelanto.
Por tanto nos encontramos con dos efectos antagónicos.
- El circuito inductivo retrasa la corriente 90º, respecto a la tensión
- El circuito capacitivo adelanta la corriente 90º, respecto a la tensión.
https://library.e.abb.com/public/897462d590876b5fc125791a003bd1e0/1TXA007107G0701_CT8.pdf
En la grafica queda perfectamente explicado.
- La potencia activa necesaria para el motor siempre va a ser P
- Las potencia reactiva creada por las bobinas es Q1
- La batería de condensadores que se instala para corregir el factor de potencia tiene una potencia capacitiva Qc
- La potencia reactiva que ha quedado en el circuito después de la corrección es Q2.
En la ilustración de ABB, el factor de potencia no se ha corregido de una forma total, sino de una forma parcial.
En este caso se ha corregido con los condensadores la componente QC.
Quedando:
P: Potencia activa
Q2: Potencia Reactiva
S2: Potencia aparente
Resulta ilustrativa la figura indicada en el blog de Francesc Fornieles en el que aparece un ejemplo para un motor con factor de potencia 0,8.
En el ejemplo el factor de potencia se ha corregido totalmente.
https://fornieles.es/energia-reactiva/fundamento-para-compensacion-energia-reactiva/
En el ejemplo se ha corregido totalmente el factor de potencia.
Comparado con el grafico de ABB
Q2 = 0
El angulo: (línea horizontal)
Cos.
S2 = P = 80 A.
S2 coincide en este caso con la potencia activa.
Un aspecto muy importante es donde se instalan las baterías de condensadores.
Observando el grafico de ABB se visualiza:
P: Potencia activa (color verde)
Q: Potencia reactiva (color rojo)
Igual observando el grafico de Fornieles:
Si la batería de condensadores se instala como es usual junto al cuadro general del hotel, por los cables circula la intensidad necesaria para la potencia total (activa + reactiva)
S1. En el ejemplo 100 A. (suma vectorial de 80+60)
Si se instala en las proximidades, hasta la conexión de la batería solo llega:
S1 = S2 = 80 A.
En el tramo de conexión al motor siempre llegaran los 100 A.
EMPLAZAMIENTO DE LA BATERÍA DE CONDENSADORES
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En una instalación hotelera, existen muchos motores y receptores repartidos a lo largo del hotel y que generan reactiva.
No siempre funcionan todos los receptores simultáneamente.
Otros funcionan normalmente a carga parcial como por ejemplo las enfriadoras.
Por lo tanto la generación de reactiva es variable en base a los receptores que funcionan en cada momento.
Es por ello, por lo que se suele situar la batería de condensadores en las proximidades del cuadro general.
La potencia lógicamente es inferior, porque se considera la simultanea.
En condiciones normales no se suele compensar el 100% de reactiva que se produce en el momento mas desfavorable, sino solo una parte, debido a que la inversión que supone una compensación total, no se rentabiliza.
Un aspecto que hay que tener en cuenta es que el R.B.T. prohíbe que en ningún momento la red pueda absorber energía capacitiva.
ITC-BT-43 INSTALACIÓN DE RECEPTORES. PRESCRIPCIONES GENERALES
2.7 Compensación del factor de potencia
Las instalaciones que suministren energía a receptores de los que resulte un factor de potencia inferior a 1, podrán ser compensadas, pero sin que en ningún momento la energía absorbida por la red pueda ser capacitiva.
Una batería de condensadores, está formada por una serie de condensadores de distintas potencias y un controlador que detecta la energía reactiva consumida en cada momento.
En base a ello conecta o desconecta condensadores, teniendo en cuenta que en la red puede existir una componente reactiva, pero nunca capacitiva.
De esa forma se puede instalar una batería mas pequeña en la que se tiene en cuenta la simultaneidad de las cargas reactivas, si bien las perdidas por efecto Joule en las redes se incrementan.
conclusiÓN
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En un circuito inductivo existen siempre dos corrientes, la aplicada y la inducida.
La realmente necesaria para producir trabajo es la aplicada, sin embargo la instalación tiene que ser dimensionada para la suma vectorial de ambas.
Los transformadores y generadores no pueden suministrar toda la potencia activa que es la que produce trabajo, debido a las corrientes inducidas que se crean en las bobinas.
Para su corrección se utilizan baterías de condensadores que generan una corriente contraria a la inducida en la bobina, liberando así los transformadores, generadores y red de corrientes que no se utilizan para realizar un trabajo efectivo.
Aunque la mejor opción técnica es situar los condensadores en las inmediaciones de los motores, normalmente se instalan junto a los cuadros generales debido a las simultaneidades en los consumos.
BIBLIOGRAFÍA
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Cuaderno de aplicaciones técnicas nº 8 ABB
https://library.e.abb.com/public/897462d590876b5fc125791a003bd1e0/1TXA007107G0701_CT8.pdf
Área Tecnología
https://www.areatecnologia.com/electricidad/inductancia.html
Fundamentos para la compensación de energía reactiva
https://fornieles.es/energia-reactiva/fundamento-para-compensacion-energia-reactiva/
¿Qué es la inducción electromagnética?
https://www.totalenergies.es/es/pymes/blog/induccion-electromagnetica
Electromagnetismo
https://www.fundacionendesa.org/es/educacion/endesa-educa/recursos/que-es-el-electromagnetismo
Compensación de energía reactiva y filtrado de armónicos
5/06/2024
José Arroyo Martín
Ingeniero Tecnico Industrial en Electricidad y Mecánica