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Ing. Eléctrica

AHORRO DE ENERGÍA POR CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA PARA LA PLANTA DE MIYAKE CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN Los Bancos de Condensadores son aptos para su utilización en Sub-estaciones de Baja y Media Tensión donde se desee compensar la Energía Reactiva (o Factor de Potencia) que consumen los motores eléctricos y las demás cargas. La compensación de energía reactiva mediante Bancos de condensadores se efectúa para no pagar energía reactiva al suministrador de energía eléctrica, para disminuir caídas de tensión, para minimizar pérdidas de energía, para ampliar la capacidad de transmisión de potencia activa en los cables; entre otras aplicaciones. En casos especiales los Bancos de condensadores también pueden funcionar como filtros de armónicos para lo cual es necesario insertar una inductancia en serie con cada paso de condensadores. Los valores de condensadores e inductancias se determinan realizando un estudio de calidad de energía del sistema eléctrico. Los Bancos de Condensadores pueden ser fijos o automáticos, dependiendo del diagrama de carga de energía reactiva, de la potencia a compensar, del nivel de tensión de la red eléctrica y del tipo de carga. Se fabrican para instalación interior bajo techo o para instalación a la intemperie.

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Ing. Eléctrica 1. REALIDAD PROBLEMÁTICA Actualmente dentro de la planta MIYAKE, las instalaciones se encuentran en condiciones óptimas al igual que los equipos dentro del mismo, tener un bajo factor de potencia representa un costo muy elevado para la empresa. Este problema afecta directamente a los equipos, ya que existe un mayor consumo de corriente, se presenta aumento de las perdidas en conductores, sobrecarga de trasformadores, generadores y líneas de distribución e incremento en las caídas de voltaje; también representa un problema económico para la empresa, porque ocasiona un incremento en la facturación eléctrica por mayor consumo de corriente y penalizaciones que llegan a un alto consumo de facturación por tener un mal uso de la energía eléctrica. Debido al bajo factor de potencia que presenta el consumo de potencia de la planta de Hilandería, es necesaria la instalación de un banco de capacitores para compensarla, con el fin de mejorar el uso de la energía eléctrica y de esta manera evitar cargos y multas.

2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA MIYAKE. cuenta con 6 áreas en su planta ubicada en el Callao, de acuerdo a los registros instalados en el área de Energía, se tiene evidencia que el área de Hilandería consume en promedio 2380 KW-h, registrando además un factor de potencia de 0,86. Gerencia de operaciones encargó al jefe del área de Energía la solución al problema debido a que se paga consumo de potencia reactiva en mayor proporción respecto a las demás áreas que registran un factor de potencia mayor a 0,9.

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Ing. Eléctrica 3. JUSTIFICACIÓN Se tiene la necesidad de iniciar un proyecto cuya finalidad es reducir el consumo de energía eléctrica, así como también los costos de la empresa. El desarrollo del mismo se llevará a cabo mediante la realización de un plan de trabajo, mediciones de parámetros eléctricos, recopilación de datos de producción, cálculo y propuesta de equipos, análisis de costos y de facturación. Con los resultados obtenidos por el proyecto. Se podrán reducir las pérdidas de manera significativa, reduciendo el costo tan elevado que se tenía, se demostró que tener un bajo factor de potencia representa altos costos, y el usar un banco de capacitores implica una inversión que será recuperada en poco tiempo. Como conclusiones resaltan más cuando el factor de potencia es causa de recargos en la cuenta de energía eléctrica, los cuales llegan a ser significativos cuando el factor de potencia es reducido, cuando limita la capacidad de los equipos con el riesgo de incurrir en sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas con el dispendio de energía, otro de los puntos importantes es que el costo de los condensadores se recupera rápidamente, la corrección del factor se previene mediante la selección y operación correcta de los equipos, los bancos de condensadores son la forma más práctica y económica para mejorar el factor de potencia. En los sistemas eléctricos de baja tensión, en los cuales las cargas resultan ser predominantemente inductivas, existe la necesidad de utilizar bancos de condensadores destinados a la corrección del factor de potencia, con el fin de reducir los costos por facturación eléctrica e incrementar la vida útil de las instalaciones. El encarecimiento de los costos de los energéticos no renovables obliga al uso eficiente y racional de la energía y al cumplimiento con la normatividad de preservación del medio ambiente, lo anterior ha motivado a la empresa para establecer medidas que contribuyan al mejoramiento de la eficiencia en el uso de la energía eléctrica en sus instalaciones. Esta medida se basa en el monitoreo continuo de las variables como la tensión, frecuencia, contenido de armónicos y el factor de potencia. Si durante la operación normal del sistema eléctrico, existe bajo factor de potencia, esto produce aumento en la intensidad de corriente, originando pérdidas por calor y caídas de tensión en los diferentes circuitos eléctricos.

4. OBJETIVOS

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Ing. Eléctrica 4.1 OBJETIVO GENERAL Reducir los cargos que genera el no tener un adecuado uso de la energía eléctrica mediante la instalación de un banco de condensadores para aumentar el factor de potencia, y de esta manera asegurar un mejor funcionamiento de los equipos, aumentar su tiempo de vida útil y lo más importante, disminuir el pago de energía eléctrica.

4.2 OBJETIVO ESPECIFICO Calcular la capacidad del banco de condensadores para que puedan brindar los reactivos necesarios que son consumidos por los motores en el momento del arranque para poder mantener el factor de potencia cerca de la unidad; todo esto en base a parámetros eléctricos y de producción.

CAPITULO II 4

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MARCO TEORICO 1. ANTECEDENTES El 22 de abril de 1992, un grupo de inversionistas adquirieron Bayer Industrial S.A., subsidiaria de Bayer AG. de origen y tecnología Alemana, fundada en el año 1969, iniciando sus actividades en el Perú en el año 1972, dedicada a la producción y comercialización de fibras acrílicas procesadas en hilado en seco. El 20 de julio de 1992 cambió su denominación social a SUDAMERICANA DE FIBRAS S.A. (SdF). Nos destacamos por ser la única planta que produce y comercializa fibras acrílicas hiladas en seco en el continente americano. Nuestros productos son especialmente diseñados para responder a las demandas y necesidades de nuestros clientes. Una de nuestras especialidades es la producción de Tow (Cable) que convertido a tops, es perfecto para la fabricación de hilados de fibra larga, para tejidos de punto, calcetería, tejidos planos de vestir y para mantelería, terciopelo y tapicería. Así mismo fabricamos Tops (Bumps) que es el resultado del proceso de rotura por estiramiento del Tow y que da lugar a un corte de tipo lanero que es usado en hilados de punto. También producimos Fibra Cortada en una variada gama de longitudes y tonalidades, esta es adecuada para ser utilizada en hilados de chompas, imitación de piel, peluche y tapetería. Reconocemos a nuestros clientes como parte de nuestro éxito y crecimiento, por lo cual les brindamos una especial atención y asesoría técnica personalizada. Nos importa mantener y proteger a nuestros recursos naturales por esto equipamos continuamente nuestros procesos con tecnología de punta que está orientada a minimizar los impactos de la producción de nuestras fibras en la naturaleza. Estamos comprometidos con nuestra sociedad y el desarrollo de nuestro País, es por esto que ofrecemos talleres de capacitación, oportunidades de trabajo y crecimiento a las pequeñas y medianas empresas.

Somos la única Industria en las américas que produce fibra acrílica por el método de hilatura en seco, bajo la marca registrada Drytex®. Abastecemos a más de 200 Empresas del rubro textil, en los mercados de la Comunidad Andina (CAN), Mercosur, Europa y Asia. Nuestras oficinas de representación están en Bolivia, Chile, Colombia, Ecuador y Venezuela.

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Misión Nuestra misión es proveer eficientemente productos y servicios de excelente calidad y valor superior para la industria textil a nivel mundial. En retribución, nuestros clientes nos 5

Ing. Eléctrica permitirán mantener una posición de liderazgo en ventas y la obtención de beneficios que contribuyan a la creación de valor, permitiendo a nuestra gente, accionistas y a la comunidad vivir en armonía y prosperidad. 

Visión Nuestra visión está enfocada en ser una empresa líder en la introducción de nuevas aplicaciones y moda por medio de la utilización de la fibra Drytex®, alcanzando de esta manera un crecimiento sostenido anual en el EBITDA y liderando el mercado local y regional basándonos en: Servicio - Ofrecer un servicio de Asesoría técnica de calidad y un abastecimiento rápido a nuestros clientes logrando que nos consideren como socios estratégicos para el crecimiento de su negocio.

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Producto Proporcionar productos que dinamicen la industria textil y simplifiquen en costos y tiempo los procesos de producción internos de nuestros clientes. Generadores de demanda - promover actividades que generen un consumo de fibra Drytex® sostenible en el tiempo y que este sea atractivo para los consumidores finales.

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Compromiso Nuestro compromiso es con el bienestar y el crecimiento de nuestros colaboradores y de la sociedad. Somos una organización generadora de éxito y bonanza.

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Valores Nuestros valores nos comprometen con el respeto hacia los Derechos Humanos ya que creemos en brindar un ambiente seguro, de crecimiento y de oportunidad para nuestros trabajadores. Creemos que tanto ellos como nuestros clientes son la clave de nuestro éxito.

1.1 PRESENTACIONES DE FIBRA ACRILICA

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Ing. Eléctrica En sudamericana de Fibras S.A contamos con productos de gran calidad, diseñados especialmente para responder a las necesidades y demandas de un mercado cada vez más competitivo. 

Tow (Cable) en tonos brillantes, súper mate, semi mate y colores blanco y negro. Este producto una vez convertido a tops se usa para fabricar hilados de fibra larga para tejidos de punto, calcetería, tejidos planos de vestir y del hogar, mantelería, terciopelo y tapicería.

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Fibra Cortada (Staple Fiber) Se produce en diferentes longitudes desde 20mm hasta 145 mm y con las mismas tonalidades que el Tow. Resulta perfecta para ser utilizada en hilados de chompas, ponchos, imitación de piel, peluche, tapetería.

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Tops (Bumps) resultado del proceso de rotura y peinado del Tow que da lugar a un corte tipo lanero. Su uso final es principalmente para hilados de tejido de punto y plano. Se usa en tipos principalmente HB (High-Bulk) y N (fibra 100% relajada).

2. BASES TEORICAS

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Ing. Eléctrica 2.1 BANCO DE CONDENSADORES Son utilizados como compensadores de potencia reactiva en un sistema eléctrico. Ayudan a la estabilidad del sistema, disminución de las pérdidas e incrementan la calidad del suministro eléctrico. Criterios para instalar el banco de condensadores   

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Conectar las unidades en una conexión definida generalmente en estrella o doble estrella con neutro flotante. Hacer la conexión de modo tal que permita el uso de un esquema de protección seguro, sencillo y económico. Si fuera posible, dividir la potencia total del banco en escalones, de modo de insertarlos progresivamente en función de las necesidades de potencia reactiva del sistema en cada momento. Instalar el banco en un sitio que satisfaga condiciones de seguridad, comodidad, facilidad para su operación, control y mantenimiento, y que esté protegido contra intervenciones no autorizadas o vandalismo.

Elementos de protección y control     

Seccionadores. Fusibles. Llaves de manipulación en vacío o en aceite. Controladores automáticos. Reactancias de inserción.

Tipos de conexiones más usadas    

Estrella con neutro flotante. Estrella con neutro sólidamente aterrado. Doble estrella. Delta.

Clasificación de los bancos de condensadores     

Compensación Individual (fija) Compensación en Grupo. Compensación Centralizada Compensación mixta Bancos de compensación Automáticos

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Ing. Eléctrica 2.2 BENEFICIOS POR CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA Disminución en las pérdidas de los conductores. Reducción de las caídas de tensión. Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores, líneas y generadores. Incremento de la vida útil de las instalaciones. Reducción de los costos por facturación eléctrica.

CAPITULO III DEFINICIÓN DE TERMINOS BASICOS

3.1 FACTOR DE POTENCIA El conjunto de todos los elementos eléctricos que intervienen directamente en los procesos de generación, transformación, transmisión, y distribución de la energía eléctrica forma un todo único de operación conjunta, de aquí se deriva que casi toda la electricidad que consumimos en las industrias, fabricas, hogares todos son elementos que pueden considerarse equipos consumidores de energía eléctrica. Estos usuarios deben de considerar la importancia del factor de potencia de su consumo. ¿Qué es Factor de Potencia? Es un indicador cualitativo y cuantitativo del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. El factor de potencia es el indicador utilizado para medir la eficiencia eléctrica, siendo el valor de: 1 (100%) el óptimo. Cuando el indicador de potencia posee el valor de 1 significa que toda la energía se convierte en trabajo. También se puede decir, el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia cambia de acuerdo al consumo y tipo de carga. Si el factor de potencia es menor a 0.9 las empresas distribuidoras de energía eléctrica aplican penalizaciones (multas) las cuales se especifican dentro de los recibos de energía eléctrica. La razón de la penalización obedece a que con factores de potencia bajos la distribuidora de energía tiene que instalar una mayor cantidad de activos (transformadores, líneas, etc.) en la red de distribución de energía de cualquier instalación residencial, comercial e industrial en la cual exista algún tipo de motor eléctrico (bombas de agua, elevadores compresores, etc.) f.d.p. = P/S

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Ing. Eléctrica ¿Qué es Potencia? La medición de potencia en corriente alterna es más complicada que la de corriente continua debido al efecto de los inductores y capacitores. Por lo que en cualquier circuito de corriente alterna existen estos tres parámetros de inductancia, capacitancia y resistencia en una variedad de combinaciones. En circuitos puramente resistivos, la tensión (V) está en fase con la corriente (i), siendo algunos de estos artefactos como lámparas incandescentes, planchas, estufas eléctricas, etc. Toda la energía la transforma en energía lumínica o energía calorífica. Mientras en un circuito inductivo o capacitivo la tensión y la corriente están desfasadas 90° una respecto a la otra. En un circuito puramente inductivo la corriente está atrasada 90° respecto a la tensión. Y en un circuito puramente capacitivo la corriente va adelantada 90° respecto de la tensión. La potencia se puede definir como la capacidad para efectuar un trabajo, en otras palabras, como la razón de transformación, variación o transferencia de energía por unidad de tiempo.

3.2 TIPOS DE POTENCIAS 3.2.1 POTENCIA ACTIVA Los diferentes dispositivos eléctricos convierten energía eléctrica en otras formas de energía como mecánica, lumínica, térmica, química, entre otras. Esta energía corresponde a la energía útil o potencia activa o simplemente potencia, similar a la consumida por una resistencia. Expresada en watts. Los motores, transformadores y en general todos los dispositivos eléctricos que hacen uso del efecto de un capo electromagnético, requieren potencia activa para efectuar un trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es utilizada para la generación del campo magnético, almacenaje de campo eléctrico que en sí, no produce ningún trabajo.

3.2.2 POTENCIA REACTIVA La potencia reactiva esta 90° desfasada de la potencia activa. Esta potencia es expresada en volts-amperes reactivos (VAR). Es la que resulta de considerar la tensión aplicada al consumo de la corriente que esta demandada. Es también la resultante de la suma de los vectores de la potencia activa y la potencia reactiva.

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Ing. Eléctrica POTENCIA REACTIVA CAPACITIVA Es toda aquella potencia desarrollada en un circuito capacitivo. Considerando el caso ideal de que un circuito pasivo contenga únicamente un capacitor (R = 0; Xl = 0; Xc ≠ 0) al que se aplica una tensión senoidal de la forma U(t) = Umáx*sen w*t, la onda correspondiente a la corriente I, que permanentemente carga y descarga al capacitor resultará 90º adelantada en relación a la onda de tensión aplicada. Por dicha razón también en este caso el valor de la potencia posee como curva representativa a una onda senoidal de valor oscilante entre los valores cero y (Umáx*Imáx)/2 en sentido positivo y negativo. Las alternancias de dicha onda encierran áreas positivas correspondientes a los períodos en que las placas del capacitor reciben la carga de la red; significando los períodos negativos el momento de descarga del capacitor, que es cuando se devuelve a la red la totalidad de la energía recibida. En esta potencia también la suma algebraica de las áreas positivas y negativas es nula dado que dicha áreas son de igual y opuesto valor. La potencia activa vale cero, y por existir como único factor de oposición la reactancia capacitiva del circuito la intensidad eficaz que recorre al mismo vale:

Siendo φ = 90º (La tensión atrasa respecto de la corriente) En los circuitos capacitivos puros no existe potencia activa, pero si existe la potencia reactiva de carácter capacitivo que vale:

3.2.3 POTENCIA APARENTE Esta potencia es expresada en volts-amperes (VA). El factor de potencia (fp) es la relación entre las potencias activas (P) y aparente (S) si las corrientes y tensiones son señales sinusoidales. Si estas son señales perfectamente sinusoidales el factor de potencia será igual al cos θ, o bien el coseno del ángulo que forman los factores de la corriente y la tensión, designándose en este caso como cos θ el valor de dicho ángulo.

¿Porque existe bajo factor de potencia? La potencia reactiva, es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento elementos como: motores trasformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración, entre otros. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable, en un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia. Entre las principales consecuencias de un bajo factor de potencia podemos mencionar las siguientes: 

Aumento en la corriente: incrementa las pérdidas por efecto Joule, las cuales son una función del cuadrado de la corriente, ejemplo:

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Ing. Eléctrica  Los cables entre el medidor y el usuario  Los embobinados de los transformadores de distribución  Dispositivos de operación y protección 

Aumento en la caída de tensión resultando en un insuficiente suministro de potencia a las cargas, estas sufren una reducción en su potencia de salida. Esta caída de tensión afecta a:

 Embobinados de transformadores de distribución  Cables de alimentación  Sistema de protección y control 

Estas desventajas también afectan al productor y al distribuidor de energía eléctrica. El productor penaliza al usuario con factor de potencia bajo, haciendo que pague más por du electricidad.

 Es por esta razón que las compañías de electricidad cargan tarifas más altas cuando el factor de potencia es bajo. ¿Por qué resulta dañino y caro mantener un bajo factor de potencia? El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes: Aumento de la intensidad de corriente. Pérdidas es los conductores y fuertes caídas de tensión. Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil y reducción de la capacidad de conducción de los conductores. La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su aislamiento. Aumentos en sus facturas por consumo de su electricidad. A la empresa distribuidora de energía:   

Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional. Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en trasformadores para el trasporte y trasformación de esta energía reactiva.  Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual pueden afectar la estabilidad de la red eléctrica.

¿Qué principios de ingeniería y fórmulas se emplean para calcular el factor de potencia? Se define el factor de potencia como: 12

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Donde Φ es el ángulo entre la potencia activa P y el valor absoluto de la aparente S Si las corrientes y tensiones son perfectamente sinusoidales y por lo tanto la fórmula es:

¿Cuál sería el procedimiento adecuado? Existen diversas formas indirectas de calcular el Factor de Potencia (con medidor electrónico de kWh y kVarh, con medidor de kWh, voltímetro y amperímetro, con los datos de la factura de energía, etc.). Se debe seleccionar la más apropiada a cada situación teniendo en cuenta la disponibilidad de instrumental, la precisión en los resultados que se desea obtener y las habilidades eléctricas y matemáticas de quien realice la tarea. ¿Qué cuidados se deben tener al diseñar instalaciones eléctricas para evitar problemas con el factor de potencia? Cuando se produce un corto circuito normalmente esto genera una explosión lo cual conlleva la proyección de material incandescente y esto puede provocar un incendio en caso de estar cerca de material inflamable o producir lesiones si alguien ya sea un técnico u operario estuviese junto a la instalación. Para evitar este tipo de riesgos los tableros deben cumplir con ensayos de arco según lo estipula la norma. Esto indica que ante las fallas de arco no se deben producir desprendimientos en la estructura del tablero. Estos equipos pueden tener un grado de protección según el ambiente donde valla ser montado así como la resistencia del mismo, este grado de protección según la norma europea IEC se le conoce con grado de protección IP, cuando se trata de la norma norteamericana se le conoce como grado de protección NEMA. 13

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En el caso de formas de onda sinusoidales, la potencia reactiva necesaria para pasar de un factor de potencia cosϕ1 a un factor de potencia cosϕ2 es expresada por la relación (valida tanto para sistemas trifásicos como monofásicos): Qc = Q1 - Q2 = P ・ (tgϕ1 - tgϕ2)

Dónde: • P es la potencia activa; • Q1, ϕ1 son la potencia reactiva y el ángulo de desfase antes de la corrección; • Q2, ϕ2 son la potencia reactiva y el ángulo de desfase tras la corrección; • Qc es la potencia reactiva de corrección.

BANCO FIJO DE CONDENSADORES Los bancos de condensadores constituyen el medio más económico y confiable para la corrección del factor de potencia. 14

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El corregir al factor de potencia tiene beneficios técnicos y económicos muy altos, por ejemplo: - Eliminación de los cargos por bajo factor de potencia. - Posibilidad de bonificación si el factor de potencia es mayor a 0.90. - Si se instalan correctamente se pueden tener ahorros económicos del 3 al 6%. - Menores pérdidas en el sistema por efecto Joule (calentamiento). - Mejor regulación de tensión. - Liberación de capacidad en el sistema.

Banco fijo para corrección de Factor Potencia (FP) En la corrección del factor de potencia se alcanzan los mayores beneficios cuando la compensación de potencia reactiva se hace individualmente sobre las cargas que generan un bajo factor de potencia, sin embargo en ocasiones esto puede tener un costo excesivo. Los bancos fijos son muy útiles cuando se requiere mejorar el factor de potencia de una carga o un grupo de cargas cuya demanda de potencia reactiva es básicamente constante. Arreglo de celdas capacitivas en banco fijo El banco fijo siempre estará conectado a la línea de alimentación pero dependiendo de la aplicación pueden ser conectados o desconectados con los arrancadores de los motores. Características generales de los de bancos fijos de condensadores Celdas capacitivas El banco está constituido por celdas capacitivas monofásicas que pueden conectarse en delta o en estrella. Las celdas son de polipropileno metalizado en zinc con perfil reforzado y han sido diseñadas para temperaturas de operación de 80 °C en forma continua.

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