PRACTICA N° 4: FACTOR DE POTENCIA EN CIRCUITOS TRIFASICOS 1.
OBJETIVO
Obtener el factor de potencia y su característica, en circuitos trifásicos a tres y cuatro conductores, para interpretar la influencia de los elementos reactivos del circuito. 2.
SUSTENTACIÓN TEÓRICA SISTEMAS TRIFÁSICOS
El sistema trifásico es el sistema que posee mayor importancia práctica, debido a sus ventajas de tipo económico y técnico. Para analizar las características fasoriales entre las magnitudes de voltaje y corriente, se debe considerar el tipo de conexión entre la fuente y la carga. El sistema trifásico se representa como tres fuentes independientes a las cuales se denominan fase. Las fases pueden estar conectadas de dos formas: configuración en Y y configuración en ∆. 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. El factor de potencia se define como la relación entre la potencia activa y la potencia que se hubiera podido disponer en la instalación si la tensión y la corriente de la instalación estuvieran en fase, (potencia aparente). fp =
P S
El factor de potencia de una instalación es igual al coseno del ángulo de desfase entre el voltaje y la corriente, tanto para circuitos monofásicos como para circuitos trifásicos. Una instalación eléctrica que contiene cargas resistivas e inductivas consume potencia activa y reactiva, cada una de estas potencias es la suma de las potencias que consumen las diferentes cargas de toda la instalación eléctrica. Debido a que solamente la potencia activa se puede convertir en energía mecánica o calorífica tanto la empresa suministradora de energía como el usuario deben procurar tener para sus instalaciones el máximo de potencia activa. En la relación: P = S*cosϕ, se puede observar que de tenerse un factor de potencia bajo se necesitaría de una mayor potencia aparente para obtener la misma potencia activa, es decir en una instalación se necesitaría generadores y transformadores de mayor potencia nominal, por lo tanto de mayor tamaño, de igual modo se necesitaría de líneas conductoras de mayor sección, y aparatos de corte y protección previstos para más
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elevados valores de funcionamiento. Por estas razones una instalación eléctrica nueva tendrá un costo mayor mientras menor sea el factor de potencia, y viceversa. 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. 3.
EQUIPOS Y ELEMENTOS A UTILIZARSE Tabla 1. Cuadro de características de los instrumentos utilizados Instrumentos Fuente
Equipo de medida
Elementos pasivos
Elementos de maniobra
4.
Marca
Código
Capacidad
1 Fuente 3Ø E.E.Q.
–––
–––
208 / 120 [ V ]
1 Voltímetro AC
–––
CE – 58E
260 [ V ]
1 Amperímetro AC
YEW
No. 98602M
5.0 [ A ]
Secuencímetro
–––
–––
–––
1 Inductor núcleo de aire
–––
–––
L = 0.16 H R=4Ω
2 lámparas incandescentes
OSRAM
–––
220 V 100 W
1 Capacitor
–––
–––
10 µF
1 interruptor 3Ø con protección
–––
–––
–––
4 interruptores simples
–––
–––
–––
Juego de cables
–––
–––
–––
PROCEDIMIENTO PRÁCTICO
4.1 Arme el circuito de la figura 1. Con los elementos de protección y maniobra, fuente 3φ en secuencia positiva. Considere Z1: foco, Z2: Capacitor de 8 o 10uF y Z3: Foco en serie con inductor.
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Figura 3.
4.1.1 Mida el voltaje, corriente y factor de potencia en cada fase (Cosfimetro 1φ) en el circuito con y sin neutro. Tabla 2. Valores obtenidos para el circuito de la figura 1. con neutro. Circuito en configuración estrella Elemento
“Con Neutro”
Voltaje de fase Corriente de fase [V] [A]
Factor de potencia
Z1
120
0.3
1
Z2
120
0.44
0
Z3
120
0.29
0.98
Corriente en neutro : 0.56
[A]
Tabla 3. Valores obtenidos para el circuito de la figura 1. sin neutro.
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Circuito en configuración estrella Elemento
“Sin Neutro”
Voltaje de fase Corriente de fase [V] [A]
Factor de potencia
Z1
66
0.22
1
Z2
150
0.54
0
Z3
220
0.45
0.97
4.2. Arme el circuito de la figura 2, con los elementos de protección y maniobra, fuente 3φ en secuencia negativa. Considere Z1 = Z2 = Z3 (Foco en serie con inductor o foco en serie con capacitor de 8 o 10uF).
Figura 4.
4.2.1 Mida el voltaje, corriente y factor de potencia en cada fase (Cosfimetro 1φ), así como el factor de potencia de la fuente 3φ (Cosfimetro 3φ). Tabla 4. Valores obtenidos para el circuito de la figura 4.
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Circuito en configuración delta Elemento
5.
Voltaje de fase Corriente de fase [V] [A]
Factor de potencia
Z1
210
0.38
0.9
Z2
210
0.39
0.86
Z3
210
0.38
0.89
Fuente
-----
-----
0.985
CUESTIONARIO
5.1. Calcule los valores de corrientes, voltajes y factor de potencia, a partir de los elementos utilizados en la practica (valor de inductancia, capacitancia y resistencia de los focos), tanto para el circuito de la Fig. 1 (con y sin neutro), como para el de la Fig. 2, con las características respectivas especificadas en la parte práctica. Circuito en configuración delta: Z = 559.03∠ − 28.32°
Voltaje de línea = voltajes de fase: Vab = 210∟0° Vbc = 210∟120° Vca = 210∟-120° Corrientes de fase: V 210∠0° I AB = I1 = AB = = 037∠28.32° Z 559.03∠ − 28.32° I BC = I 2 =
VBC 210∠120° = = 0.37∠91.68° Z 559.03∠ − 28.32°
I CA = I 3 =
VCA 210∠ − 120° = = 0.37∠ − 148.32° Z 559.03∠ − 28.32°° 5
Debido a que las cargas son iguales, los factores de potencia también serán iguales. P3Ø =√3 (210)*(0.37)*cos 28.32 = 118.47 [W] Q3Ø =√3 (210)*(0.37)*sen 28.32 = 63.84 [VAR] S3Ø =134.57 [VA] α = P3Ø / S3Ø = 0.88 5.2. Determine los errores cometidos entre los valores teóricos calculados en el literal 5.1 y los datos obtenidos en el laboratorio. Interprete y justifique dichos errores. Errores calculados donde m es el valor de la corriente de línea medido en el instrumento y r es el valor calculado. Ejemplo de cálculo: a) configuración estrella: E%I = (m-r)*100/r % Errores en corriente: E%I2 = (0.3-0.32)*100/0.32 = 6.25% E%I2 = (0.44-0.4)*100/0.31 = 10% E%I3 = (0.29-0.25)*100/0.46 = 16% b) configuración en delta: E%1 = (m-r)*100/r % Errores en corriente: E%I1 = (0.38-0.37)*100/0.37 = 2.7% E%I2 = (0.39-0.37)*100/0.37 = 5.4% E%I3 = (0.38-0.37)*100/0.37 = 2.7% Errores en factor de potencia: E%I1 = (0.9-0.88)*100/0.88 = 2.27% E%I2 = (0.86-0.88)*100/0.88 =-2.27% E%I3 = (0.89-0.88)*100/0.88 = 1.136% Se puede observar que los valores calculados en algunos casos son mayores a los valores obtenidos en el laboratorio. En gran parte esto se debe al no tomar adecuadamente los valores en el instrumento analógico ya que es muy difícil diferenciar décimas con un indicador aguja lo que a lo largo de la resolución del literal nos da otro valor de corriente. Por lo general los errores producidos son por una mala apreciación en la obtención de los valores en los instrumentos de medida.
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También puede producirse debido a que los instrumentos se encuentran descalibrados por su continuo uso y por el tiempo que llevan en el laboratorio como instrumentos de medición. 5.3. Explique por qué el Cosfimetro 3φ usado en la práctica no sirve para carga asimétrica? El Cosfimetro trifásico usado en la práctica no sirve para carga asimétrica debido a que la impedancia en cada carga tiene un ángulo diferente, por tanto el factor de potencia trifásico en la carga no se puede medir ya que debe ser de valor promedio de los factores que lo componen asumiendo que son iguales si cambian ya no puede medir. 5.4. Explique de que manera se podría determinar el factor de potencia 3φ , en un circuito 3φ con fuente simétrica y carga asimétrica a tres conductores , si solo se contaría con un voltímetro , un amperímetro y un vatímetros 1φ?. Se lo puede encontrar midiendo los voltajes y las corrientes en cada línea o fase dependiendo de la conexión, luego con el vatímetro medimos la potencia del circuito en cada línea determinando así las tres potencias con los cuales se puede calcular mediante fórmulas la potencia activa y reactiva. Entonces sabemos que: Q = V f * I f * SENθ
P = V f * I f * COSθ
Calculamos entonces el factor de potencia 1φ de cada una, por último se hace un promedio y obtenemos el factor de potencia trifásico. (Con la potencia aparente solo calculamos a modo de comprobación) También podemos obtener la potencia trifásica sumando las potencias en cada línea (aparente y activa) luego con la formula: S = P 2 +Q 2
El factor de potencia sería: P cosθ = S
5.5.
Que ventajas se tendrán al mejorar el factor de potencia de un circuito 3?.
- Facilita el suministro de la tensión nominal a los aparatos receptores, tales como motores, lámparas, etc. - Mejora la regulación de tensión en transformadores, motores, etc. - Disminuye las pérdidas por calentamiento en los conductores de alimentación. - Disminuye las pérdidas por calentamiento en los transformadores. - Permite la obtención de la potencia activa nominal en los transformadores y generadores. - Libera potencia de los transformadores y generadores, lo que les permite soportar sobrecargas adicionales. - Evita la pérdida de capacidad de carga de los conductores. - Disminuye los costos por consumo de potencia reactiva, además de evitar la penalización que la empresa suministradora de energía eléctrica aplica a empresas cuyas instalaciones eléctricas tengan un bajo factor de potencia. 7
5.6. Investigue con que método se corrige el factor de potencia los sistemas industriales?. Hay dos grandes grupos de procedimientos que son los directos y los indirectos. Los procedimientos directos actúan sobre las causas mismas de un bajo factor de potencia, tratando de disminuir en lo posible el consumo innecesario de energía reactiva, actuando sobre las cargas normales de la instalación. Procedimientos indirectos consisten en compensar el consumo de energía reactiva, mediante elementos productores de energía reactiva. Los dispositivos utilizados con este propósito se denominan compensadores de energía reactiva o compensadora del factor de potencia. En muchas instalaciones eléctricas es casi imposible mejorar el factor de potencia utilizando métodos directos. El método que más se aplica en sistemas industriales para mejorar el factor de potencia es el de los compensadores estáticos de energía reactiva, que son los condensadores. Estos condensadores se pueden conectar en serie o en paralelo, sin embargo la conexión en paralelo es la más conveniente. 6.
CONCLUSIONES
- 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. - Un bajo factor de potencia limita la capacidad de los equipos con el riesgo de incurrir en sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas con una disipación de energía. - Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores - El primer paso en la corrección del factor es el prevenirlo mediante la selección y operación correcta de los equipos. - Los capacitores de potencia son la forma más práctica y económica para mejorar el factor de potencia, sobre todo en instalaciones existentes. - Cuando las variaciones de la carga son significativas, es recomendable el empleo de bancos de capacitores automáticos. - Toda instalación eléctrica que consuma energía reactiva tiene un factor de potencia. 7.
RECOMENDACIONES
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- Seria conveniente la utilización de instrumentos digitales para la obtención exacta de los valores de factor de potencia ya que con los instrumentos analógicos es difícil tomar medidas con decimales. - Asegurarse de que las conexiones se encuentran correctamente ubicadas y seguras ya que una mala conexión o utilización de los elementos en un circuito con fuente trifásica puede provocar accidentes graves. - Seria conveniente tomar en cuenta con que tipo de configuración se esta trabajando ya sea en delta o estrella ya que de este modo se puede ahorrar tiempo en la obtención de medidas que en ciertos casos son las mismas en determinadas fases como por ejemplo el voltaje en configuración estrella con neutro o el voltaje en la configuración delta. - La 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. 8.
APLICACIONES
- En el sector industrial, en donde las industrias tienen elementos que consumen grandes cantidades de energía reactiva por lo que tendrán un bajo factor de potencia, lo cual tiene consecuencias negativas. - La utilización de capacitores es la forma más práctica y económica para mejorar el factor de potencia en instalaciones eléctricas existentes. 9.
BIBLIOGRAFÍA
- Análisis de Circuitos Eléctricos; CERON OSCAR; Edición 1993; Capitulo1; Pág. 139-146. - Circuitos Eléctricos; R. C. DORF; Alfa omega; México; 1995; Segunda Edición; Capítulo 12. - Corrección del factor de potencia; RAMÍREZ VÁZQUEZ JOSÉ; Ediciones CEAC; Páginas: 126, 127.
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