FACTOR DE POTENCIA Y VALOR DEL CAPACITOR

FACTOR DE POTENCIA (FP)

El factor de potencia es la relación entre la potencia activa (en watts, W), y la potencia aparente (en volts-amperes, VA) y describe la relación entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida.

El Factor de Potencia (FP) está definido por la siguiente ecuación: FP = P/S

El factor de potencia expresa en términos generales, el desfasamiento o no de la corriente con relación al voltaje y es utilizado como indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica, el cual puede tomar valores entre 0 y 1.0 siendo la unidad (1.0) el valor máximo de FP y por tanto el mejor aprovechamiento de energía.

TRIANGULO DE POTENCIA

El triángulo de potencias muestra gráficamente la relación entre la potencia real (kW), la potencia reactiva (kVAR) y la potencia total (kVA).

La potencia reactiva (y la energía reactiva) no es una potencia (energía) realmente consumida en la instalación, ya que no produce trabajo útil debido a que su valor medio es nulo. Aparece en una instalación eléctrica en la que existen bobinas o condensadores, y es necesaria para crear campos magnéticos y eléctricos en dichos componentes. Se representa por Q y se mide en voltiamperios reactivos (VAr).

La compañía eléctrica mide la energía reactiva con el contador (kVArh) y si se superan ciertos valores, incluye un término de penalización por reactiva en la factura eléctrica.

La potencia activa representa la capacidad de una instalación eléctrica para transformar la energía eléctrica en trabajo útil: mecánica (movimiento o fuerza), lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es realmente la consumida en una instalación eléctrica. Se representa por P y se mide en vatios (W). La suma de esta potencia activa a lo largo del tiempo es la energía activa (kWh), que es lo que factura la compañía eléctrica (término de energía)

La potencia aparente es la suma vectorial de las potencias activa y reactiva, según se muestra en la siguiente figura. Se representa por S y se mide en voltiamperios (VA). Para una tensión dada la potencia aparente es proporcional a la intensidad que circula por la instalación eléctrica.

CAUSAS DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA La mayoría de los equipos eléctricos utilizan potencia activa o real que es la que hace el trabajo real y utilizan también la potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

• Un gran número de motores. w 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.

Las cargas inductivas como motores, balastros, transformadores, etc., son el origen del bajo factor de potencia ya que son cargas no lineales que contaminan la red eléctrica, en este tipo de equipos el consumo de corriente se desfasa con relación al voltaje lo que provoca un bajo factor de potencia.

CONSECUENCIAS DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA

Las instalaciones eléctricas que operan con un factor de potencia menor a 1.0, afectan a la red eléctrica tanto en alta tensión como en baja tensión, además, tiene las siguientes consecuencias en la medida que el factor de potencia disminuye:

1. Incremento de las pérdidas por efecto joule

La potencia que se pierde por calentamiento está dada por la expresión (I^*2R) donde I es la corriente total y R es la resistencia eléctrica de los equipos (bobinados de generadores y transformadores, conductores de los circuitos de distribución, etc.). Las pérdidas por efecto Joule se manifestarán en:

• Calentamiento de cables

• Calentamiento de embobinados de los transformadores de distribución

• Disparo sin causa aparente de los dispositivos de protección

Uno de los mayores problemas que causa el sobrecalentamiento es el deterioro irreversible del aislamiento de los conductores que, además de reducir la vida útil de los equipos, puede provocar cortos circuitos.

2. Sobrecarga de los generadores, transformadores y líneas de distribución.

El exceso de corriente debido a un bajo factor de potencia, ocasiona que los generadores, transformadores y líneas de distribución, trabajen con cierta sobrecarga y reduzcan su vida útil, debido a que estos equipos, se diseñan para un cierto valor de corriente y para no dañarlos, se deben operar sin que éste se rebase.

3. Aumento de la caída de tensión

La circulación de corriente a través de los conductores ocasiona una pérdida de potencia transportada por el cable, y una caída de tensión o diferencia entre las tensiones de origen y la que lo canaliza, resultando en un insuficiente suministro de potencia a las cargas (motores, lámparas, etc.); estas cargas sufren una reducción en su potencia de salida. Esta caída de voltaje afecta a:

• Los embobinados de los transformadores de distribución

• Los cables de alimentación, y a los

• Sistemas de protección y control

Un bajo factor de potencia también deriva en los siguientes problemas:

• Mayor consumo de corriente.

• Aumento de las pérdidas en conductores.

• Desgaste prematuro de los conductores.

• Sobrecarga de transformadores y líneas de distribución.

• Incremento en caídas de voltaje.

IMPORTANCIA DE UN CORRECTOR DE FACTOR DE POTENCIA Ya que el bajo factor de potencia se origina por la carga inductiva, que algunos equipos requieren para su funcionamiento, es necesario compensar este consumo reactivo mediante bancos de capacitores y/o filtros de armónicas (Carga lineal y no lineal).

Se pueden manejar tres arreglos para la aplicación de capacitores, los cuales pueden combinarse entre sí según el arreglo que más beneficie en cada caso.

Compensación individual:

Únicamente estaría en servicio cuando opere la carga a controlar.

Compensación en grupo:

Varias cargas de igual capacidad y periodo de trabajo, se pueden compensar con un capacitor en común, en un punto único como un centro de carga.

Compensación central:

Cargas distintas que operan a diferentes períodos pueden ser compensadas, con un banco único de capacitores, conectado usualmente a la entrada de la instalación, el cual mejora el nivel de voltaje pero no reduce las pérdidas.

La compensación del factor de potencia trae como consecuencia los siguientes beneficios energéticos y económicos:

a) Eliminación del cargo por factor de potencia

b) Bonificación por parte de la compañía suministradora

c) Disminución de la caída de tensión en cables

Se sabe que la caída de tensión en cables provoca la pérdida de potencia, al tener una disminución de caída de tensión inducirá a que las pérdidas de potencia sean mínimas ya que:

∆V = I(R Cos ϕ + WL Sen ϕ)

Donde:

∆V = Disminución en la caída de voltaje en volts (V)

L = Inductancia en Henry (H)

W = 2π f; La frecuencia W esta en rad/seg.

f = Frecuencia en Hertz (Hz)

Beneficios al corregir al factor de potencia

• Disminución de pérdidas en los conductores.

• Reducción de las pérdidas de las caídas de tensión.

• Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores y líneas.

• Incremento de la vida útil de las instalaciones eléctricas.

• Reducción del costo de su facturación de energía eléctrica.

Ejemplo de la corrección del factor de potencia en un circuito monofásico

Cuando se conecta a una línea de potencia de 120V (rms) a 60 Hz, una carga absorbe 4kW con factor de potencia atrasado de 0,8. Halle el valor de la capacitancia necesaria para aumentar el fp a 0,95.

Solución:

Si el fp = 0,8, entonces cosθ1 = 0,8 θ1 = 36,87°

Donde θ1 es la diferencia de fase entre la tensión y la corriente. La potencia aparente se obtiene de la potencia real y el fp como:

S1 = P/cosθ1

S1 = 4000/0.8 = 5000VA

La potencia reactiva es:

Q1 = S1 * senθ1

Q1 = 5000VA * sen 36.87 = 3000 VAR

Cuando el fp aumenta a 0,95

Cosθ2 = 0.95

θ2 = 18.19°

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