Indice
1.
¿Que es el factor de potencia?
2. ¿Porque existe bajo factor de
potencia?
3. ¿Porque resulta dañino
tener un bajo factor de potencia?
4. ¿Cómo puedo mejorar el
factor de potencia?
5. Ejemplo de aplicación para
determinar la potencia reactiva capacitiva necesaria para
corregir el factor de
potencia.
7. ¿Dónde instalar los
capacitores?
8. Conclusiones
9. Bibliografía
1. ¿Qué es
Factor de Potencia?
Denominamos factor de potencia al
cociente entre la potencia activa y la potencia aparente, que es
coincidente con el coseno del ángulo entre la
tensión y la corriente cuando la forma de onda es
sinusoidal pura, etc.
O sea que el factor de potencia debe tratarse que coincida con el
coseno phi pero no es lo mismo.
Es aconsejable que en una instalación eléctrica el
factor de potencia sea alto y algunas empresas de
servicio
electroenergético exigen valores de 0,8
y más. O es simplemente el nombre dado a la
relación de la potencia activa usada en un circuito,
expresada en vatios o kilovatios (KW), a la potencia aparente que
se obtiene de las líneas de alimentación,
expresada en voltio-amperios o kilovoltio-amperios
(KVA).
Las cargas industriales en su naturaleza
eléctrica son de carácter
reactivo a causa de la presencia principalmente de equipos de
refrigeración, motores, etc.
Este carácter
reactivo obliga que junto al consumo de
potencia activa (KW) se sume el de una potencia llamada reactiva
(KVAR), las cuales en su conjunto determinan el comportamiento
operacional de dichos equipos y motores. Esta
potencia reactiva ha sido tradicionalmente suministrada por las
empresas de
electricidad,
aunque puede ser suministrada por las propias industrias.
Al ser suministradas por las empresas de electricidad
deberá ser producida y transportada por las redes, ocasionando
necesidades de inversión en capacidades mayores de los
equipos y redes de
transmisión y distribución.
Todas estas cargas industriales necesitan de corrientes reactivas
para su operación.
2.¿ Por qué
existe 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 del 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.
3. ¿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:
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.
4. ¿Cómo
puedo mejorar el 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.
Veamos un ejemplo:
Un capacitor instalado en el mismo circuito de un motor de inducción tiene como efecto un intercambio
de corriente reactiva entre ellos. La corriente de adelanto
almacenada por el capacitor entonces alimenta la corriente de
retraso requerida por el motor de inducción.
La figura 4 muestra un motor
de inducción sin corrección de factor de potencia.
El motor consume sólo 80 amp. para su carga de trabajo.
Pero la corriente de magnetización que requiere el motor
es de 60 amp, por lo tanto el circuito de alimentación debe
conducir: 100amp. 
(802 + 602) = 100 amp .
Por la línea de alimentación fluye la
corriente de trabajo junto con la corriente no útil o
corriente de magnetización. Después de instalar un
capacitor en el motor para satisfacer las necesidades de
magnetización del mismo, como se muestra en la
figura 5, el circuito de alimentación sólo tiene
que conducir y suministrar 80 amp. para que e1 motor
efectúe el mismo trabajo. Ya que el capacitor se encarga
de entregar los 60 amp. Restantes. El circuito de
alimentación conduce ahora únicamente corriente de
trabajo.
Esto permite conectar equipo eléctrico adicional en el
mismo circuito y reduce los costos por
consumo de energía como consecuencia de mantener un bajo
factor de potencia.
5. Ejemplo de
aplicación para determinar la potencia reactiva capacitiva
necesaria para corregir el factor de potencia:
(Fuente: Instalaciones
Eléctricas, Tomo I, Albert F. Spitta – Günter G.
Seip)
Si se desea alcanzar un valor
determinado del factor de potencia cos fi2 en una
instalación cuyo factor de potencia existente cos
fi1 se desconoce, se determina éste con ayuda
de un contador de energía activa, un amperímetro y
un voltímetro.
P: Potencia activa, en kW
S1: Potencia aparente, en kVA
Qc: Potencia del capacitor, en kVAr
U: Tensión, en V
I: Intensidad de corriente, en A
n: Número de vueltas del disco contador por min.
c: Constante del contador (indicada en la placa de tipos del
contador como velocidad de
rotación por kWh).
cos fi1: Factor de potencia real
cos fi2: Factor de potencia mejorado
Valores
medidos: U= 380V; I= 170A.
Valores indicados por el contador: n= 38r/min.; c= 30 U/kWh.
El factor de potencia cos fi1 existente se ha de
compensar hasta que alcance un valor de cos
fi2= 0,9.
Potencia activa: P= n.60/c = (38 r/min . 60)/(30 U/kWh) = 76
kW
Potencia aparente: S1= (U.I.1,73)/1000 = (380V . 170A
. 1,73)/1000 = 112 kVA
Factor de potencia existente: cos fi1=
P/S1= 76 kW/112 kVA = 0,68
Ya que cos fi= P/S y tan fi= Q/P; y a cada ángulo fi
corresponde un valor determinado de la tangente y del coseno, se
obtiene la potencia reactiva:
antes de la compensación Q1= P.tan
fi1;
y después de la compensación Q2= P.tan
fi2;
resultando, según las funciones
trigonométricas:
de cos fi1= 0,68 se deduce tan fi1= 1,08
y
de cos fi2= 0,9 se deduce tan fi2= 0,48
Por consiguiente, se precisa una potencia del capacitor de:
Qc= P.(tan fi1 – tan fi2) = 76
kW (1,08 – 0,48) = 45,6 kVAr
Analizando la correspondiente tabla , se llega al mismo resultado
de la siguiente forma: en ella se indican los valores de
tan fi1 –
tan fi2 . En el presente
ejemplo resulta, para un valor de cos fi1= 0,68 y uno
deseado de cos fi2= 0,9; un factor de F= 0,595
kVar/kW.
En tal caso, la potencia del capacitor necesaria es:
Qc= P.F = 76 kW . 0,595 (kVAr/kW) = 45,6 kVAr
Se elige el capacitor de magnitud inmediata superior, en
éste caso el de 50 kVAr.
Como medir potencia y factor de potencia con
amperímetro
Este método es
muy práctico por que en ocasiones no tenemos un wattmetro
a la mano o bien no lo podemos comparar por el costo tan
elevado, pues bien aquí tienes un método
práctico que solo necesitas una resistencia
(puede ser una como las que usan las parrillas), un
amperímetro o un volmetro y aplicar unas formulas matemáticas (ley de los senos
y cosenos)
Procedimiento:
a) conecta en paralelo la resistencia con
la carga que quieres medir el f.p.
b) anota los valores
RMS de la corriente que entrega la fuente, la corriente que pasa
por la resistencia y la corriente que pasa por la carga
¡Listo!
c) ahora resuelve tu problema como un análisis vectorial y aplicando las leyes de Kirchoff
suponiendo que el ángulo del voltaje es cero y calcula el
ángulo.
Como ya conoces las magnitudes IL,
IT, IR
Calcula el ángulo b
por lo tanto, q = 180 – b
F.P = COS (180 – b )
Watts = P VI Cos ( 180 – b )
Como medir potencia y f.p con un volmetro
Este método es similar al visto anteriormente pero ahora
con un vólmetro y un circuito en serie y suponiendo que la
corriente tiene un ángulo de cero.
f.p= Cos ( 180-b ) Watts=P=VI Cos (180 -b )
6. ¿
Cómo determinar 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 mas
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 .
7. ¿ 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 mas 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
- El factor de potencia se puede definir como la
relación que existe entre la potencia activa (KW) y la
potencia aparente (KVA) y es indicativo de la eficiencia con
que se está utilizando la energía
eléctrica para producir un trabajo
útil. - El origen del bajo factor de potencia son las cargas
de naturaleza inductiva, entre las que destacan los motores de
inducción, los cuales pueden agravarlo si no se operan
en las condiciones para las que fueron
diseñados. - El bajo 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. - Un bajo factor de potencia limita la capacidad de los
equipos con el riesgo de
incurrir en sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas
con un dispendio de energía. - El primer paso en la corrección del factor es
el prevenirlo mediante la selección y operación correcta de
los equipos. Por ejemplo, adecuando la carga de los motores a
su valor nominal. - Los capacitores de potencia son la forma más
práctica y económica para mejorar el factor de
potencia, sobre todo en instalaciones existentes. - El costo de los capacitores se recupera
rápidamente, tan sólo por los ahorros que se
tienen al evitar los recargos por bajo factor de potencia en el
recibo de energía eléctrica. - Entre más cerca se conecten los capacitores de
la carga que van a compensar, mayores son los beneficios que se
obtienen. - Cuando las variaciones de la carga son
significativas, es recomendable el empleo de
bancos de capacitores automáticos. - a corrección del factor de potencia puede ser
un problema complejo. Recurrir a especialistas es conveniente,
si no se cuenta con los elementos necesarios para
resolverlo.
- http://personales.ciudad.com.ar/montajesindustriales/index.html
- http://www.aener.com/
- http://www.ingelectricista.com.ar/cosfi.htm
- Instalaciones Eléctricas, Tomo I, Albert F.
Spitta – Günter G. Seip
Autor:
Alejandro Humberto Vargas R
Manizales, 21 de Abril DEL 2003