Factor de potencia

Factor de Potencia

Factor de Potencia. El factor de potencia indica qué tanto por ciento de la potencia total es efectivamente utilizada para realizar trabajo. Constituye un índice de la utilización cualitativa y cuantitativa de la energía, que se expresa por el coseno del ángulo entre la potencia activa y la potencia total.

La energía eléctrica y el factor de potencia

En la actualidad, la electricidad, como forma de energía, determina el desarrollo económico de un país y garantiza el nivel de vida de su población. En Cuba, gran parte de la misma se produce en centrales termoeléctricas a partir del petróleo; combustible, cuyas reservas nacionales, en cantidad y calidad, son insuficientes y obliga a la nación a importarlas a precios cada vez más elevados, determinados por las peculiaridades del mercado internacional y acrecentados por los efectos del bloqueo económico a que está sometida. Todo esto obliga a ser cada vez más eficientes en el empleo del petróleo nacional o de importación.

Potencia activa

Es la Energía Eléctrica que se transforma en trabajo mecánico o calor, la cual es consumida generalmente por lámparas incandescentes, hornos de resistencia, planchas eléctricas y otros equipos que funcionan con resistencias puras. Este tipo de energía puede medirse mediante los metrocontadores y, por lo tanto, se paga según las tarifas establecidas.

Potencia reactiva

Es la Energía Eléctrica que se consume y no produce un trabajo útil, puede ser medida por un metro contador reactivo y se expresa en Var-h (esta unidad de medida se utiliza tanto para la energía inductiva como para la capacitiva).

Un equipo consumidor de energía eléctrica demanda los tres tipos de energía (energía activa, energía reactiva inductiva y energía reactiva capacitiva) o una combinación de dos de ellas, y por lo tanto, la potencia total demandada tiene una componente activa (que realiza trabajo útil) y otra componente reactiva (creación del campo magnético). Representándose matemáticamente por la siguiente ecuación:

S = P2 + Q2

Donde:
S: es la potencia total.
P: es la potencia activa.
Q: es la potencia reactiva.

La relación que existe entre la potencia activa y la potencia total se denomina factor de potencia: cos φ= P/S.

Consecuencias de un bajo factor de potencia

1. Disminución de las capacidades entregadas por la generación, las que se encuentran limitadas por corrientes máximas, aún cuando la potencia que se entregue no sea máxima.
2. Aumento de las pérdidas térmicas en los conductores que son inversamente proporcionales al cuadrado del factor.
3. Aumento de la sección transversal de los conductores necesarios para transmitir la misma potencia, en tanto esa sección es inversamente proporcional al cuadrado del factor de potencia.
4. Disminución de la tensión terminal en las cargas.

Aspectos a tener en cuenta para la compensación de potencia reactiva

1. La selección de la magnitud de la compensación, que condiciona la potencia de compensación necesaria del dispositivo.
2. La selección del tipo de compensación, que condiciona el tipo de dispositivo (fijo o variable) con sus parámetros técnicos.
3. La ubicación óptima de la compensación, que condiciona la localización de los dispositivos de compensación.

Causas de un bajo factor de potencia

La potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos, es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento elementos tales como: motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros similares. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución exagerada del factor de potencia. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

• Un gran número de motores.
• Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.
• Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria.
• Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.

Cargas puramente resistivas, tales como alumbrado incandescente, resistencias de calentamiento, etc. no causan este tipo de problema ya que no necesitan de la corriente reactiva.

Desventajas de un bajo factor de Potencia

El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes:

Al suscriptor

• Aumento de la intensidad de corriente
• Pérdidas en 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 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 transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva.
• Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica.

Una forma de que las empresas de electricidad a nivel nacional e internacional hagan reflexionar a las industrias sobre la conveniencia de generar o controlar su consumo de energía reactiva ha sido a través de un cargo por demanda, facturado en Bs./KVA, es decir cobrándole por capacidad suministrada en KVA. Factor donde se incluye el consumo de los KVAR que se entregan a la industria.

Mejora del Factor de Potencia

Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone de ellos).

A continuación se tratará de explicar de una manera sencilla y sin complicadas ecuaciones ni términos, el principio de cómo se mejora el factor de potencia:

El consumo de KW y KVAR (KVA) en una industria se mantienen inalterables antes y después de la compensación reactiva (instalación de los condensadores), la diferencia estriba en que al principio los KVAR que esa planta estaba requiriendo, debían ser producidos, transportados y entregados por la empresa de distribución de energía eléctrica, lo cual como se ha mencionado anteriormente, le produce consecuencias negativas.

Pero esta potencia reactiva puede ser generada y entregada de forma económica, por cada una de las industrias que lo requieran, a través de los bancos de capacitores y/o motores sincrónicos, evitando a la empresa de distribución de energía eléctrica, el generarla transportarla y distribuirla por sus redes.

Determinación de la cantidad de condensadores necesarios

Midiendo la energía activa y reactiva que consumen las instalaciones existentes, se puede calcular la potencia necesaria (KVAR) que deben tener los condensadores para lograr la compensación deseada. Sin embargo, es recomendable la instalación de registradores de potencia durante el tiempo necesario para cubrir (medir) por lo menos un ciclo completo de operación de la industria, incluyendo sus períodos de descanso.

Por lo general se recomienda realizar registros trifásicos donde se monitoree para cada fase y para el total de la planta: Potencia Activa (KW) y Reactiva (KVAR), Voltaje y Energía (KWH).

Los valores de corriente, potencia aparente (KVA) y factor de potencia (FP) se calculan a partir de las lecturas anteriores, sin embargo, si el registrador dispone de la suficiente capacidad podrán se leídos también.

Los intervalos de medición recomendados oscilan entre cada 5 y cada 15 min. Como máximo. Por supuesto, a menores intervalos de medición, tendremos mayor exactitud en cuanto a la curva real de la industria, sin embargo esto dependerá de la capacidad del registrador que se utilice y del tipo de empresa a registrar. Aquellas empresas donde sus ciclos de carga varían lentamente, podría extenderse aún más el intervalo de medición.

De esta forma se podrá obtener una curva de carga completa la cual mostrará la máxima capacidad posible de instalar sin el riesgo de caer en sobrecompensación reactiva.

También es importante, registrar con las mediciones, el grado de distorsión armónica existente; con el objeto de evitar la posibilidad de resonancia entre estos y los bancos de capacitores a instalar.

¿Dónde instalar los Capacitores?

Para la instalación de los capacitores deberán tomarse en cuenta diversos factores que influyen en su ubicación como lo son:

• La variación y distribución de cargas
• El factor de carga
• Tipo de motores
• Uniformidad en la distribución de la carga
• La disposición y longitud de los circuitos y la naturaleza del voltaje.

Se puede hacer una corrección del grupo de cargas conectando en los transformadores primarios y secundarios de la planta, por ejemplo, en un dispositivo principal de distribución o en una barra conductora de control de motores.

La corrección de grupo es necesaria cuando las cargas cambian radicalmente entre alimentadores y cuando los voltajes del motor son bajos, como por ejemplo, 230 V.

Cuando los flujos de potencia cambian frecuentemente entre diversos sitios de la planta y cargas individuales, se hace necesario efectuar la corrección primero en una parte de la planta, verificar las condiciones obtenidas y después compensar en la otra. Sin embargo, es más ventajoso usar un capacitor de grupo ubicado lo más equidistante que se pueda de las cargas. Esto permite la desconexión de una parte de los capacitores de acuerdo a condiciones específicas de cargas variables.

Cuando la longitud de los alimentadores es considerable, se recomienda la instalación de capacitores individuales a los motores, por supuesto se necesitarán varios condensadores de diferentes capacidades, resultando esto en un costo mayor. Sin embargo deberá evaluarse el beneficio económico obtenido con la compensación individual. Considerando que el costo de los capacitores para bajos voltajes es más del doble que los de altos voltajes. Por esto, cuando el voltaje de los circuitos de motores es de 230 V, es más económico usar una instalación de grupo si es que ésta se puede efectuar en el primario a 2.400 ó 4.160 V.

Debemos también considerar que, cuando los capacitores se instalan antes del banco principal de transformadores, éstos no se benefician y no se alivia su carga en KVA. Esta es una buena razón para usar capacitores de 230 V a pesar de su alto costo.

Correcciones aisladas

La corrección aislada del factor de potencia se debe hacer conectando los capacitores tan cerca como sea posible de la carga o de las terminales de los alimentadores.

Debe recordar que la corrección se lleva a cabo sólo del punto considerado a la fuente de energía y no en dirección opuesta.

Los capacitores instalados cerca de las cargas pueden dejar de operar automáticamente cuando las cargas cesan, incrementan el voltaje y por ende el rendimiento del motor.

Enlaces externos

• Monografía. Factor de Potencia
• electricidadbásica.net
• Vazpar Web
• Electrónica Unicrom. Factor de Potencia

Fuentes

• Maliuk S.P.”Factor de Potencia en la producción”. Editorial Oriente. Santiago de Cuba. 1980.
• Degtyareva.

V. V “Normación de los recursos combustible-energéticos y regulación del consumo eléctrico”. Colección de Instrucciones. Editorial Niedra. Original en ruso. Moscú. 1986.

• Unión

Nacional Eléctrica. “Manual de consumidores” UC-CG 0004. REV 02. Ministerio de la Industria Básica. Edición Interna. La Habana. 2002.

• Pérez Barreto, R y Pérez Maliuk “Factor de potencia,

pérdidas y tarifas eléctricas” Sesión científica de Base de Ciencia y Técnica; Departamento de Ingeniería Eléctrica, ISMMM. Moa; 2003.