El factor de potencia

En la actualidad los costos de operación de las industrias se incrementan continuamente. La energía, un recurso fundamental para el progreso y la expansión industrial, no escapa a la tendencia del incremento de su costo, pues el recurso energético mas usado, los hidrocarburos, presenta una situación de agotamiento gradual que lo hace día a día más costoso.Esta situación ha llevado a la industria eléctrica a la definición de políticas que conlleven a un uso más racional y eficiente de la energía eléctrica.Una de las medidas al alcance del industrial para conocer el grado de eficiencia con el cual está utilizando dicha energía es el llamado factor de potencia, el cual ha sido tomado muy en cuenta dentro de los programas tendientes a la mejor utilización de la electricidad y del cual se hablará en la presente trabajo.

2. ¿Qué es el factor de potencia?

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 a la potencia activa (KW) exista una potencia llamada Reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinen 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 suministrada 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 transporte.

Todas estas cargas industriales necesitan de corrientes reactivas para su operación. La naturaleza de esas corrientes es descrita a continuación, mostrándose que son la causa principal del bajo factor de potencia.

Potencia aparente y potencia activa

La potencia aparente es sencillamente definida como el producto del voltaje aplicado a un circuito y la corriente que circula por él. Esta es medida en Voltios-Amperios e incluye cualquier potencia reactiva que puede ser requerida por la carga.

Potencia Aparente(V-A)

a potencia activa en vatios consumida por una carga eléctrica, es el producto de la corriente de la carga, el voltaje aplicado y el coseno del ángulo de fase, θ, esto es:

Potencia(vatios)=voltios*amperios*cosθ

El coseno del ángulo de fase toma en cuenta la potencia reactiva. Ella aparece en la ecuación debido a que cualquier inductancia o capacitancia causa una diferencia de tiempo entre el pico del voltaje aplicado a la carga y el pico de corriente exigido por la carga. La figura 4 ilustra un lapso de tiempo para un circuito puramente inductivo.

En circuitos inductivos, el pico del voltaje ocurre primero, y la corriente se dice que está “atrasada”. En circuitos capacitivos, el pico de corriente ocurre primero y la corriente se dice que está “adelantada”.

Tanto el adelanto como el atraso es medido en grados y estos grados es lo que se denomina ángulo de fase θ, y asν, en la figura 4, θ es un αngulo de atraso de 90˚. Como la mayoría de las cargas industriales son de naturaleza inductiva, normalmente se trabajará con corrientes atrasadas.

En circuitos resistivos puros (sin inductancia ni capacitancia), los picos de corrientes y voltaje ocurren simultáneamente y se dice que están “en fase” . Aquí el ángulo θ será siempre 0˚.

En circuitos que contienen resistencia e inductancia, el ángulo θ es siempre menor de 90˚.

El hecho de que grandes inductancias produzcan grandes atrasos es matemáticamente reflejado por el valor del coseno, ya que el coseno de cualquier ángulo entre 0˚ y 90˚ está entre los valores de 1 y 0 respectivamente. Cuando esa θ = 0˚ (circuito resistivo puro) cos θ=1, obteniιndose:

Potencia Activa(vatios)=voltios*amperios*1, en cuyo caso la potencia activa y la aparente son iguales. Cuando θ=90˚ (circuito inductivo puro o capacitivo puro), cos θ=0 y la potencia activa (vatios)=voltios*amperios*0=0.

Para un ejemplo práctico, sea θ=30˚. De las tablas trigonomιtricas, cos30˚=0.866, luego potencia activa (Vatios)=voltios*amperios*0.866.

Este es un caso típico donde la potencia activa es mucho mayor que 0, pero considerablemente menor que el producto voltios*amperios; la diferencia es debida a la potencia reactiva.

Se deduce lógicamente que la adición de más motores (esto es, más inductancia) a una planta industrial disminuirá el factor de potencia de la industria. Esto es debido a que:

Potencia Activ

Factor de potencia=-------------------------

Potencia Aparente

Cuando el ángulo de fase es incrementado por la adición de más inductancias, la fracción representada cos θ ser hace mαs pequeña, dando una cifra baja para el factor de potencia.

Consideremos el triángulo rectángulo de la figura 5 que representa la potencia requerida por un grupo de motores de inducción

En esta figura, la potencia reactiva es pequeña, y se ve fácilmente que el lado del triángulo que representa la potencia activa se aproxima en tamaño al lado que representa la potencia aparente así, la razón de la potencia activa a la potencia aparente (cos θ) se aproxima a uno. Note que en este caso, el ángulo θ es pequeño, como también lo es el lado que representa la potencia reactiva.

En la figura 6, el número de motores en el grupo original se incrementado. Ahora, el ángulo θ también ha aumentado y también lo han hecho los lados que representan las potencias activa y reactiva, y por lo tanto la potencia aparente se ha hecho relativamente mayor. Luego, la razón de la potencia activa a la aparente (cos θ) decrece y así mismo disminuye el factor de potencia, causando los efectos indeseables que se describen a lo largo de este trabajo.

Normalmente, la potencia activa es expresada en Kilovatios (Kw.), la potencia reactiva en Kilovatios amperios reactivos (KVAR) y la potencia aparente en Kilovatios amperios (KVA) igualmente, se abrevias el factor de potencia como FP o cos θ.

Del triángulo rectángulo, podemos deducir lo siguiente:

KW

FP=cos θ=---------------------

√(KW²+KVAR²)

Observándose la importancia que tiene el lograr disminuir lo más posible la cifra que representa los KVAR.

¿Por qué existe un bajo factor de potencia?

La potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos pero es necesaria para el funcionamiento de elementos tales como motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros, puede volverse apreciable en una industria, y si no se vigila apropiadamente hace disminuir el factor de potencia, el cual se paraliza. 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.

Una carga eléctrica industrial en su naturaleza física es reactiva, pero su componente de reactividad puede ser controlado y compensado, con amplios beneficios técnicos y económicos.

¿Por qué se penaliza el bajo factor de potencia?

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

1)Al suscriptor:

-Aumento de la intensidad de corriente.

-Pérdidas en los conductores y fuertes caída de tensión.

-Incrementos de potencia de las plantas, transformadores y reducción de capacidad de conducción de los conductores.

-La temperatura de los conductores aumenta y disminuye la vida de su aislamiento.

-Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad.

2)a la compañía de electricidad:

-Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor.

-Mayores capacidades en líneas de transporte y transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva.

-Caídas y baja regulación de voltajes, los cuales pueden 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 Bs./KVA, es decir, cobrándole por capacidad suministrada en KVA; o a través de un cargo por demanda facturado en BS./KW pero adicionándole una penalización por bajo factor de potencia (Bs./KVAR).

Las industrias pueden evitar estos cargos tarifarios si ellas mismas suministran en sus propios sitos de consumo la energía reactiva que ellas requieren, la cual puede ser producida localmente a través de condensadores eléctricos estáticos o motores sincrónicos realizando una inversión de relativa poca monta y desde todo punto de vista favorable económica y técnicamente.

Ventajas de la corrección del F.P.

Las ventajas derivadas de la corrección del bajo F.P. se obtienen al librar un sistema de efecto (cargas extra)de la corriente adicional innecesaria que circula por los transformadores y otros equipos importante del mismo. Con un F.P. alto se utiliza más eficazmente la energía comprada

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