¿Qué es el factor de potencia?
Se define factor de potencia de un circuito de corriente alterna, como la relación entre la potencia activa (P), y la potencia aparente (S). Su valor depende de las características del propio circuito, y es un parámetro importante en instalaciones con una importante demanda de potencia eléctrica. De acuerdo con su definición, el factor de potencia es adimensional y solamente puede tomar valores entre 0 y 1. El factor de potencia viene determinado por el tipo de cargas conectadas al suministro eléctrico. Éstas pueden ser de naturaleza: -Resistiva -Inductiva -Capacitiva Si se conecta una carga puramente resistiva a una fuente de suministro eléctrico, la corriente y el voltaje cambiarán de polaridad en fase, el factor de potencia será 1 y la energía eléctrica fluirá en una sola dirección a través de la red en cada ciclo. Las cargas inductivas, tales como transformadores, motores de inducción y en general, cualquier tipo de inductancia (tal como las que acompañan a las lámparas fluorescentes) generan potencia reactiva con la intensidad retrasada respecto a la tensión. Las cargas capacitivas, tales como bancos de condensadores o cables enterrados, generan potencia reactiva con la intensidad adelantada respecto a la tensión. Ambos tipos de cargas absorberán energía durante parte del ciclo de corriente alterna y solamente devolverán energía a la fuente durante el resto del ciclo. Teoría Básica del Factor de Potencia (FP)
El flujo de Energía CA tiene tres componentes: como bombear agua o controlar una banda transportadora. Se expresa en Watt (W) o KiloWatt (kW). • Potencia Activa (P) es la energía requerida para realizar un trabajo, tal
• Potencia Reactiva (Q) es una medida de la energía almacenada reflejada a la
fuente. Sirve para generar el campo electromagnético que requieren algunos equipos para funcionar. Se expresa en VAR o kVAR.
• Potencia Aparente (S) es la suma vectorial de la Pot encia activa y la Potencia
reactiva. Se expresa en Volt Ampere (VA) o kVA
Triángulo de Potencias
La relación entre los distintos componentes de energía se ilustra en el triángulo de potencias de la Fig 1, donde, se aprecia como el componente de potencia activa está en fase con el voltaje aplicado, mientras que el componente de potencia reactiva se produce 90º fuera de fase con el voltaje. La ecuación que define está relación es: kW 2+ kVAR2= kVA2
Fig 1.Triangulo de potencias
El Factor de Potencia (FP) es, de hecho también una medida de la eficiencia. Cuando el FP alcanza un valor unitario (FP=1), se puede decir que el sistema eléctrico en la planta se encuentra operando en máxima eficiencia. En México, un FP por debajo de 0.9 resulta en un incremento innecesario en la facturación de CFE. Existen dos definiciones comunes para el Factor de Potencia: • FP = Coseno del desplazamiento de fase entre Corriente y Voltaje. • FP = Coseno del ángulo entre la Potencia Activa y la P otencia Aparente.
¿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 exagerada del factor de potencia. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de: 1. Un gran número de motores. 2. Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado. 3. Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria. 4. 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. ¿Cómo corregir su factor de potencia?
El Factor de Potencia se puede mejorar ya sea aumentando el componente de Potencia Activa o reduciendo el componente de Potencia Reactiva. Por supuesto, que incrementar el componente de Potencia Activa solamente para corregir el Factor de Potencia no es rentable económicamente. Por lo tanto, la única solución práctica para la corrección del Factor de Potencia del sistema es disminuir el componente de Potencia Reactiva que ve CFE. 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). Por ejemplo, el efecto inductivo de las cargas de motores puede ser corregido localmente mediante la conexión de condensadores. En determinadas ocasiones pueden instalarse motores síncronos con los que se puede inyectar potencia capacitiva o reactiva con tan solo variar la corriente de excitación del motor. Las pérdidas de energía en las líneas de transporte de energía eléctrica aumentan con el incremento de la intensidad. Cuando una carga tiene un factor de potencia menor que 1, se requiere más corriente para conseguir la misma cantidad de
energía útil. Por tanto, las compañías suministradoras de electricidad, para conseguir una mayor eficiencia de su red, requieren que los usuarios, especialmente aquellos que utilizan grandes potencias, mantengan los factores de potencia de sus respectivas cargas dentro de límites especificados, estando sujetos, de lo contrario, a pagos adicionales por energía reactiva. La corrección del factor de potencia debe ser realizada de una forma cuidadosa con objeto de mantenerlo lo más alto posible, pero sin llegar nunca a la unidad, ya que en este caso se produce el fenómeno de la resonancia que puede dar lugar a la aparición de tensiones o intensidades peligrosas para la red. Es por ello que en los casos de grandes variaciones en la composición de la carga es preferible que la corrección se realice por medios automáticos. 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 mejor ¿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 MXP/KVA, es decir cobrándole por capacidad suministrada en KVA. Factor donde se incluye el consumo de los KVAR que se entregan a la industria. ¿Cómo puede la corrección del Factor de Potencia ser parte de tu plan de ahorro y eficiencia energética?
El usuario procurará mantener un factor de potencia (FP) tan aproximado a 100% (cien por ciento) como le sea posible, pero en el caso de que su factor de potencia
durante cualquier periodo de facturación tenga un promedio menor de 90% (noventa por ciento) atrasado, determinado por los métodos establecidos en las Normas Oficiales Mexicanas correspondientes, el suministrador tendrá derecho a cobrar al usuario la cantidad que resulte de aplicar al monto de la facturación el porcentaje de recargo que se determine según la fórmula que se señala. En el caso de que el factor de potencia tenga un valor igual o superior de 90% (noventa por ciento), el suministrador tendrá la obligación de bonificar al usuario la cantidad que resulte de aplicar a la factura el porcentaje de bonificación según la fórmula que también se señala.
Es muy importante indicar que el hecho de que exista una bonificación, no quiere decir que exista al mismo tiempo un ahorro de energía, ya que los kWh consumidos no cambian. Lo que cambia, es la fuente que nos genera la energía reactiva requerida y que antes de la corrección se tomaba de CFE, y ahora se toma del banco de capacitores instalado. Beneficios a largo plazo
1.- Eliminación del cargo por bajo factor de potencia 2.- Bonificación de hasta el 2.5% de su facturación al tener un factor de potencia superior a .90 3.- Menores perdidas del sistema 4.- Potencia liberada de su transformador 5.- Mejor comportamiento de voltaje .
http://www.cfe.gob.mx/ http://www.lfc.gob.mx/
http://solair.com.mx/?page_id=24 http://portal.grupoipesa.com.mx/9-productos/2-correccion-del-factor-depotencia.html http://www.inversolarsolutions.com/uploads/9/8/9/7/9897423/__factor_potencia.pdf http://www.cfe.gob.mx/Industria/AhorroEnergia/Lists/Ahorro%20de%20energa/Atta chments/3/Factordepotencia1.pdf http://www.secovi.com/files/ingenieria/factor%20de%20potencia/estudio%20de%2 0factor%20de%20potencia.pdf http://www.macro.com.mx/factor-potencia.htm ¿Cómo se realiza un estudio del factor de potencia?
Para poder calcular la potencia necesaria que deben tener los condensadores para lograr la compensación deseada se debe medir la energía activa y reactiva que consumen las instalaciones existentes. Es recomendable la instalación de registradores de potencia durante el tiempo necesario para 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 ser 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: 1. La variación y distribución de cargas. 2. El factor de carga. 3. Tipo de motores. 4. Uniformidad en la distribución de la carga. 5. La disposición y longitud de los circuitos. 6. La naturaleza del voltaje.
Se puede hacer una corrección del grupo de cargas conectando en los transformadores primarios y secundarios de la planta los bancos de capacitores, 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.