Factor de Potencia bajo: Reducción de Carga con VFDs de Medio-Voltaje
Un factor de potencia pobre puede llevar a ineficiencias en plantas de tratamiento de aguas residuales.
Es esperado que el uso de electricidad crezca para el tratamiento de aguas y aguas residuales (WWT) debido al incremento de la población y nuevas regulaciones. El bombeo de todo tipo es el mayor consumidor de electricidad en sistemas de suministro de agua y, en menor medida, en sistemas de tratamiento. El consumo de electricidad es un gran porcentaje de la composición de costo variable de una planta de agua. Un reporte del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) del 2013 mostró que aplicar modificadores de energía variable (VFDs) a bombas accionadas-por-motor es un facilitador crítico para disminuir el consumo energético. De todas maneras, en cualquier instalación industrial, una gran parte del consumo de energía es debido a motores de inducción de velocidad-fijada distribuidos a través de varios procesos. Siendo los motores de inducción una rezagada carga arrastran hacia abajo el factor de potencia de la planta en general.
Una energía eléctrica de calidad es una de las preocupaciones claves en el diseño de aparatos de suministro de energía de cualquier planta. El factor de potencia es una medida de la calidad energética en general. Un pobre factor de potencia lleva a requerimientos de corriente excesivos e ineficiente uso equipos aguas-arriba tales como transformadores, generadores y sistemas de distribución. Los grandes usuarios de electricidad, tales como plantas industriales, exacerban estas ineficiencias. Las empresas eléctricas penalizan al consumidor (la planta) a través de cargos adicionales como parte de su recibo eléctrico. Las empresas eléctricas generalmente realizan cargos basados en la energía consumida por kilowatt-hora ($/kWhr). De todas maneras, dependiendo del proveedor, grandes usuarios de electricidad son también facturados por un pobre factor de potencia. Al principio estos cargos podrían no ser fácilmente reconocibles en una factura eléctrica. De todas maneras, una mirada más cercana a la estructura de tarifa eléctrica contratada y el correspondiente estado de cuenta mensual mostrará cómo y hasta qué punto el consumidor es sujeto a penalidades de factor de potencial. Las dos formas más comunes evaluar una penalidad por factor de potencia son:
- Ajustando la demanda de energia facturada (kW) mediante la multiplicación de la actual demanda de energía (kW) por 0.95 o 0.90 y dividiéndolo por el factor de potencia particular de la planta. En términos simples, la planta esta sujeta a penalidades de factor de potencia si no puede mantener el umbral de factor de potencia de retardo 0.95 o 0.90. La imagen 1 representa esta estructura de tarifa.
- Cobro directo por la demanda de energia reactiva ($/kilo volt amps reactivo ) como medido por el proveedor. La imagen 2 representa esta estructura de tarifa.
Múltiples soluciones existen para reducir o eliminar penalidades de factor de potencia. Bancos de capacitadores fijados o cambiados son comúnmente aplicados para mejorar el factor de potencia. Son relativamente de bajo costo y de fácil aplicación.
De todas maneras, la proliferación de varias cargas no-lineares (generadoras de armónicos) tales como luces LED, VFDs de bajo-voltaje y otros, cuando se combinan con bancos capacitadores de variación, puede llevar a dañar con resonancia eléctrica los mismos capacitadores, sobre-exigir a los motores u otro comportamiento errático. Mientras que existen filtros activo/pasivo, deben ser cuidadosamente aplicados en un sistema.
Los VFDs de Frente Activo (AFE) basados en Inversor de Fuente de Voltaje (VSI) proveen una solución conveniente. Cuando se aplica correctamente, pueden proveer ahorros de energía a través del control de velocidad mientras provee energía reactiva dinámica (kilovolt-ampere-reactive, o kVAR) para mejorar el factor de potencia. Esta capacidad elimina o reduce la necesidad de capacitadores de corrección de factor de potencia. Dependiendo de la estructura de la tarifa de electricidad y el perfil general de la carga, una instalación podría lograr miles de dólares en ahorros al año mediante la reducción o eliminación de penalidades de factor de potencia y el actual costo de mantenimiento de capacitadores. La imagen 3 muestra las más importantes topologías de VFD de medio voltaje desde un convertidor frontal y un punto de vista de factor de potencia de línea-de-lado.
Los convertidores multipulso a base de diodo, comunes en la industria, mantienen un mínimo de retraso de factor de potencia de 0.95 a través de la mayoría de la envoltura de la bomba. De todas maneras, el factor de potencia puede caer por debajo de 0.95 a bajas cargas y velocidad. Los AFEs basados en VSI pueden regular el factor de potencia y operar en los siguientes modos de factor de potencia: líder, retraso o unidad. Esto es porque la sección rectificante de los VFD esta construida usando un dispositivo semiconductor de energía activa tal como un transistor (transistor bipolar de puerta-aislada es el transistor más comúnmente usado) y el enlace DC es un capacitador. Una explicación detallada de cómo este CFD puede controlar el factor de potencia esta explicada en Referencia 2. Este articulo tiene como objetivo el mostrar a través de un simple sistema el impacto de cada topología del VFD y como el manejado VSI basado-en-AFE puede ayudar a mejorar el factor de potencia.
Considere una instalación hipotética con una única bomba manejada por un VFD de 1800 caballos de fuerza (hp) y 4160 volts (V) junto con una carga de 2-megawatt (MW) que podría consistir de otros procesos y motores eléctricos de velocidad fijada. Asuma que la carga de 2-MW está a 0.8 factor de potencia (retraso). La empresa que da como servicio esta carga tiene la siguiente estructura tarifaria:
La empresa declara que la demanda facturada es calculada mediante la multiplicación de la actual demanda de energía (kW) por 0.95 y dividiéndolo por el factor de potencia particular de la planta.
Demanda facturada = demanda actual
(0.95/(factor de potencia actual de la planta))
Ecuación 1
Para simplificar, asuma que la instalación general funciona a una carga estable durante el 90% del tiempo (657 horas por mes). La imagen 4a muestra cómo el manejador VSI basado-en-AFE puede mejorar el factor de potencia sin la necesidad de bancos de capacitador y reducir las cargas de electricidad. Esto es porque el manejador VSI basado-en-AFE puede producir energía reactiva líder para compensar la energía reactiva retrasada demandada por la carga de 2-MW. Compare esto con un VFD basado-en-diodo multipulso convencional (imagen 4b) y uno puede ver que la instalación será penalizada por el bajo factor de potencia. El impacto comercial de estas dos topologías de VFD se muestran en la imagen 5.
Lo que se muestra arriba es solo el ahorro que uno puede observar la factura eléctrica. Si la instalación decide aplicar bancos de capacitador en caso de que se seleccione una topología VFD de frente-de-diodo, uno necesitará agregar en el gasto capital (capex) y el gasto operacional (opex) costos del banco capacitador. En este caso, la instalación necesitaría un banco capacitador de 841-kVAR para alcanzar el umbral de factor de potencia de 0.95 o una penalidad podría ser pagada en la forma de una más alta factura eléctrica. De todas maneras, en el manejador AFE basados-en-AFI (ing, inversor de fuente de voltaje), el usuario no necesita instalar ningún equipo adicional. El VFD, por virtud de su topología, ofrece control de velocidad de bomba y compensación de energía reactiva.
La selección de topología de VFD para bombas tiene un impacto material y un costo de capex y opex general de una instalación de agua o instalación de tratamientos de agua. Con la pandemia trayendo nuevos desafíos para los presupuestos de la ciudad, cada dólar ahorrado en las operaciones reduce directamente déficits sin el correspondiente incremento de impuestos. Es importante abrir nuevas líneas de ingeniería y pensamiento económico para seleccionar y aplicar grandes manejadores para bombas que, según Referencia 1, son los más importantes usuarios de electricidad. El valor del manejador AFE basad-en-VSI es monetizable solo si la instalación desagua está sujeta a una tarifa eléctrica que tiene un componente de factor de potencia es su facturación. En una simple estructura de facturación carga eléctrica ($/kWhr) común entre clientes residenciales, este beneficio tecnológico es en términos de capacidad (kVA) liberada en transformadores de distribución, redujo pérdidas de línea y más óptimo tamaño de equipamiento eléctrico. Más aún, algunos en la industria podrían estar preocupados acerca del incremento voltaje de bus que podría resultar debido al funcionamiento del ASD a un factor de potencia líder. Mientras esto es posible en bancos de capacitador cambiados debido a la discreta naturaleza de cómo la energía reactiva es compensada, este no es el caso con manejadores AFE basados-en-VSI desde que los kVARs líderes generados están regulados. De hecho, esta tecnología puede ser utilizada en concierto con existentes bancos de tapas para proveer el necesario control del “recorte” de energía reactiva para el sistema en general. Para ver como los VFDs pueden impactar facturaciones eléctricas, es mejor que los empleados de la instalación o el consultor ingeniero que se relacionen fabricante de VFD para ejecutar un básico análisis tecnológico y económico en esta tecnología antes de diseñar un sistema, o al menos, antes de que un pedido de especificación de cotización (RFQ) sea desarrollada.
Referencias
- S. Pabi, A. Amarnath, R. Goldstein, L. Reekie, “Electricity Use and Management in the municipal water supply and wastewater Industries,” Joint EPRI & WRF report, November 2013, 3002001433, sciencetheearth.com/uploads/2/4/6/5/24548156/electricity_use_and_management_in_the_municipal_water_supply_and_wastewater_industries.pdf Date accessed: Nov. 23, 2020.
- tmeic.com/sites/default/files/assets/files/library/Exceptional%20-%20MVe2ReactivePowerControl-D0007-103Feb2019-web.pdf
