En el sector industrial y terciario, desde la década de los 80, se ha observado una creciente tendencia a instalar sistemas de supervisión y control con adquisición de datos de los parámetros de interés. Estos sistemas de supervisión y control involucran varios dispositivos que elevan o reducen el nivel de complejidad de la red de comunicación, en función de la extensión y variedad de subsistemas a supervisar.
La utilización de capacitores se ha generalizado como solución práctica para paliar los efectos de crisis energética y contrarrestar las penalidades por bajo FP. El monitoreo y supervisión del proceso de compensación de la potencia reactiva es la aplicación de las técnicas y recursos necesarios para que el proceso de corrección del FP pueda ser realizado y controlado remotamente, coordinando el uso de los distintos elementos en tiempo real.
En este contexto, los Sistemas en Tiempo Real (STR) son cruciales. Se define un STR como: "Cualquier sistema en el que el tiempo en el que se produce la salida es significativo. Esto generalmente es porque la entrada corresponde a algún movimiento en el mundo físico, y la salida está relacionada con dicho movimiento. El intervalo entre el tiempo de entrada y el de salida debe ser lo suficientemente pequeño para una temporalidad aceptable". Los STR interactúan con la parte externa utilizando los elementos eléctricos tales como captadores de señales, datos y actuadores.
Es muy común la comunicación entre dispositivos utilizando el protocolo de Modbus, por su simplicidad con que opera. Este protocolo de mensajería se puede asociar a varios medios tales como las líneas serie bajo los estándares RS485 y RS232, siendo este último uno de los más utilizados. Por su parte la supervisión se entiende como el conjunto de acciones desempeñadas con el propósito de asegurar el correcto funcionamiento del proceso incluso en situaciones anómalas, comprendiendo las etapas de: detección y diagnóstico de fallos y reconfiguración del sistema. La supervisión en la industria actual se realiza a través de los sistemas SCADA, (Supervisory Control And Data Adquisition).
Funcionamiento de los Bancos de Capacitores Automáticos
Una característica común de todos los bancos automáticos es que utilizan un dispositivo regulador para el proceso de supervisión y control del FP. Los controladores varimétricos realizan la función de regulación con la ayuda de los sensores conectados en los puntos de entrada de la alimentación eléctrica, tales como transformadores de corrientes (TC), termostatos y las muestras de tensión. La corrida del algoritmo del regulador intentará alcanzar el Cos objetivo dentro de un área de tolerancia en función del C/K, mediante la conexión o desconexión de los escalones correspondientes y disponibles.
El PLC realizará las funciones de mando, regulación y control del proceso de compensación, auxiliándose de la lógica de programación del regulador. La terminal de diálogo tiene pantalla alfanumérica y se usa para representar mensajes y variables. Utilizando el protocolo de comunicación Modbus se realiza el proceso de adquisición de los datos medidos por el analizador de redes PM.
Se configura el procesador para la realización de las acciones de control, a través de una tabla animada que permite la visualización de todas las variables y localizaciones de memoria del autómata. Las salidas del relé del regulador se tratan como entradas lógicas del autómata. Algunas salidas del procesador se llevarán a los bornes de alimentación de las respectivas bobinas de los contactores de mando de cada escalón de capacitores. En condiciones normales de operación (escalones en buen estado y logro del FP deseado) las salidas antes mencionadas son transparentes, se activan según las acciones de regulación del controlador.
Cuando se detecta inestabilidad en el proceso de compensación (no se logra el FP objetivo y todos los pasos están conectados) el controlador lógico espera hasta encontrar el momento de menor demanda de potencia reactiva e inhabilita la acción de regulación y pasa al estado diagnóstico del banco de forma automática. Una vez terminado el test almacena los resultados y los envía a la terminal de diálogo. Los escalones que no cumplan con el límite de aporte de potencia reactiva fijado en el programa son desactivados del proceso de regulación y son dados como fuera de servicio.
Se utilizan como variables: tensión de línea, corriente por fase, factor de potencia por fase y total, distorsión armónica total de corriente (THDi), distorsión armónica total de tensión (THDv) y la frecuencia.
Diagnóstico y Mantenimiento
Debido a la falta de métodos de diagnóstico y predictivos para evaluar la efectividad de la compensación y predecir la operación crítica de los bancos de capacitores, se producen averías que conllevan a que la corrección del factor de potencia no se realice de forma efectiva. Cuando se inicia el diagnóstico el PLC comprueba el estado de los contactores que gobiernan los pasos, en ese instante inhibe la acción del Varlogic y comienza una secuencia de desconexión de todos los pasos de forma escalonada, respetando el tiempo de conmutación entre pasos a un valor igual o mayor de diez segundos.
El aporte de cada escalón se determina calculando su efecto sobre la corriente de cada una de las fases, esto posibilita el análisis del desbalance que se produce al inyectar corriente reactiva capacitiva cuando existe un capacitor averiado dentro de la conexión en delta. La diferencia entre la potencia reactiva antes y después de compensar da como resultado la potencia reactiva entregada por el paso en el momento del diagnóstico.
Componentes de un Sistema de Autocompensación
A continuación se detallan los componentes asociados a una solución propuesta, basado en componentes de Schneider Electric y de un sistema de monitoreo prefabricado, de desempeño y características similares, ofrecido por la marca comercial Allen Bradley.
Se basa en la utilización de medidores de energía de la serie PM500-820 y del controlador programable PLC Micro TSX 3722, ambos de Schneider Electric. Estos medidores de energía poseen funciones de análisis de algunos parámetros de la red como es el grado de distorsión armónica de la tensión y la corriente, por lo que es común que al referirse a ellos, los especialistas del sector eléctrico, los mencionen como analizadores de redes.
La compañía Allen Bradley presentó en el año 2011 una solución sencilla para reducir las penalidades por bajo factor de potencia, adicionándoles funciones de desconexión de cargas y control de la demanda. La solución utiliza una arquitectura abierta de conexión para varios tipos de controladores lógicos (PLC's), interfases de comunicación (HMI's) y sistemas de adquisición de datos (SCADA), conectados en una red Ethernet local como medio de comunicación.
En relación al sistema de control de Allen Bradley, el mismo cumple con la mayoría de las funciones usuales de estos sistemas para bancos de capacitores. Consta de hardware Allen-Bradley para realizar la corrección del factor de potencia y está basado en el Controlador Micrologic 1400, un módulo PowerMonitor 1000, y una interface hombre máquina (HMI). Utiliza la información de los parámetros eléctricos y optimiza la potencia reactiva conmutando hasta 10 pasos de capacitores. Esta estrategia permite controlar el factor de potencia al mismo tiempo que reduce la probabilidad de un aumento de la tensión eléctrica.
Resultados de Pruebas y Validación
Integrando un sistema de adquisición de datos, un controlador lógico programable, una interface amigable y un protocolo de comunicación Modbus, al realizar las pruebas se obtuvo el aporte de cada escalón y se determinó, de manera indirecta, su efecto sobre la corriente de cada una de las fases. El error relativo obtenido fue de 0,03 kVAr por paso y de 1,6 kVAr para el banco, siendo permisible al ser menor que el margen de efectividad del 75% previsto para considerar que el paso esté averiado o no.
Se realizaron 4 iteraciones de diagnóstico en horarios preestablecidos y finalizada la última se calculan los valores promedios de las magnitudes medidas, se comparan y se determina el promedio que tienen los respectivos pasos con respecto a su potencia nominal en servicio.
Una vez compiladas las modificaciones hechas a la sección de diagnóstico se implementó la solución en los bancos automáticos del hotel Playa Pesquero de Holguín. Se presenta el caso el banco de la zona B1. Este banco está compuesto por 5 pasos de 25, 50, 25, 25 y 25 kVAr respectivamente, para una potencia reactiva capacitiva total de 150 kVAr, de la firma Schneider Electric. Cuenta con un regulador Varlogic N° 6.
Se programaron 4 iteraciones de diagnósticos a realizarse en tres días en diferentes horarios. Los resultados estuvieron dentro del margen esperado.
Al recalcular el valor de Qcs con las muestras más confiables se obtuvo peores resultados y los errores se incrementaron. No obstante, debido a la limitación de memoria RAM del PLC y a los efectos de validar la solución sin encarecerla más, consideramos oportuno cambiar la forma de encuestar a cada escalón para minimizar los errores y disminuir la influencia de las variaciones de las cargas en el momento del diagnóstico, razón por la cual se aumentó el número de mediciones hasta donde la capacidad de memoria física lo permitió.
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