FACTOR DE
POTENCIA
El factor de potencia se define como el cociente de la
relación de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es:
FP = P/S
Comúnmente,
el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de
energía
Eléctrica
que s' ha convertido en trabajo.
El valor ideal del factor de
potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha
sido transformada en trabajo.
Por el contrario, un factor de
potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para
producir un trabajo útil.
TIPOS DE POTENCIA
La potencia efectiva o real
es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se
aprovecha como trabajo.
• Unidades: Watts
(W)
• Símbolo: P
La potencia reactiva es
la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento
los equipos inductivos como los
motores y transformadores.
• Unidades: VAR
• Símbolo: Q
La potencia aparente es
la suma =las potencias efectiva y reactiva; es decir:
s=raiz cuadrada de P por dos y Q por dos
El triángulo de potencias
De la figura se observa:
Por lo tanto,
FP = Cos f
El ángulo f
• En
electrotecnia, el ángulo f nos
indica si las señales de voltaje y
corriente se encuentran en fase.
• Dependiendo
del tipo de carga, el factor de potencia (FP = Cos f ) puede ser:
• adelantado
• retrasado
• Igual a
1.
Cargas resistivas
En las cargas resistivas como las lámparas
incandescentes, el voltaje y la corriente están en fase.
Por lo tanto, f = 0
En este caso, se tiene un factor de potencia unitario.
Tipos de cargas (2/3)
Cargas inductivas
En las cargas inductivas como los motores y transformadores, la corriente se encuentra retrasada respecto al voltaje.
Por lo tanto, f < 0
En este caso se tiene un factor de potencia retrasado
Tipos de cargas (3/3)
Cargas capacitabas
En las cargas capacitabas como los condensadores,
la corriente se encuentra
adelantada respecto al voltaje.
Por lo tanto, f > 0
En este caso se tiene un factor de potencia adelantado.
Diagramas fasoriale 0073 del voltaje y la
corriente
El bajo factor de potencia (1/2)
Causas:
• Para producir un trabajo, las
cargas eléctricas requieren de un cierto consumo de energía.
• Cuando este consumo es en su
mayoría energía reactiva, el valor del ángulo f se
incrementa y disminuye el factor de potencia.
El bajo
factor de potencia (2/2)
Factor de potencia VS ángulo f
Problemas por bajo factor de potencia (1/3)
Problemas técnicos:
• Mayor consumo de corriente.
• Aumento de las pérdidas en conductores.
• Sobrecarga de transformadores,
generadores y líneas de distribución.
• Incremento de las caídas de voltaje.
Problemas por bajo factor de potencia (2/3)
Pérdidas en un conductor VS factor de potencia
Problemas por bajo factor de potencia (3/3)
Problemas económicos:
• Incremento de la facturación
eléctrica por mayor consumo de corriente.
• Penalización
de hasta un 120 % del costo de lafacturación.
Beneficios por corregir el factor de potencia
(1/2)
Beneficios en los equipos:
• Disminución de las pérdidas en
conductores.
• Reducción de las caídas de
tensión.
• Aumento de la disponibilidad de
potencia de transformadores, líneas y generadores.
• Incremento de la vida útil de las instalaciones.
Beneficios por corregir el factor de potencia
(2/2)
Beneficios económicos:
• Reducción de los costos por facturación
eléctrica.
• Eliminación del cargo por bajo
factor de potencia.
• Bonificación de hasta un 2.5 % de
la facturación cuando se tenga factor de potencia
mayor a
0.9
Compensación del factor de potencia (1/5)
• Las cargas inductivas requieren
potencia reactiva para su funcionamiento.
• Esta demanda de reactivos se
puede reducir e incluso anular si se colocan capacitores en
paralelo con la carga.
• Cuando se reduce la potencia
reactiva, se mejora el factor de potencia.
Compensación del factor
de
potencia (2/5)
Compensación del factor de potencia (3/5)
En la figura anterior se tiene:
• Q L es la demanda de reactivos de un motor y S1la potencia aparente
correspondiente.
• Q C es el suministro de reactivos del capacitor de compensación
• La compensación de reactivos no
afecta el consumo de potencia activa, por lo que P es
constante.
Compensación del factor de potencia (4/5)
• Como efecto del empleo de los
capacitores, el valor del ángulo f1se
reduce a f2
• La potencia aparente S1 también disminuye, tomando
el valor de S2
• Al disminuir el valor del ángulo f se
incrementa el factor de potencia.
Compensación del factor de potencia (5/5)
Métodos de compensación
Son tres los tipos de compensación en paralelo más
empleados:
• a) Compensación individual
• b) Compensación en grupo
• c) Compensación central
Aplicaciones y ventajas
• Los capacitores son instalados
por cada carga inductiva.
• El arrancador para el motor sirve
como un interruptor para el capacitor.
• El uso de un arrancador proporciona
control semiautomático para los capacitores.
• Los capacitores son puestos en
servicio sólo cuando el motor está trabajando.
Compensación individual (2/3)
Desventajas
• El costo de varios capacitores
por separado es mayor que el de un capacitor individual de valor equivalente.
• Existe subutilización para
aquellos capacitares que no son usados con frecuencia.
Compensación individual (3/3)
Diagrama de conexión
Compensación en grupo (1/3)
Aplicaciones y ventajas
• Se utiliza cuando se tiene un
grupo de cargas inductivas de igual potencia y que operan
simultáneamente.
• La compensación se hace por medio
de un banco de capacitores en común.
• Los bancos de capacitores pueden
ser instalados en el centro de control de motores.
Compensación en grupo (2/3)
Desventajas
• La sobrecarga no se reduce en las
líneas de alimentación principales
Compensación en grupo (3/3)
Diagrama de conexión
Compensación central (1/3)
Características y ventajas
• Es la solución más general para
corregir el factorde potencia.
• El banco de capacitores se
conecta en laacometida de la instalación.
• Es de fácil supervisión.
Compensación central (2/3)
Desventajas
• Se requiere de un regulador
automático del banco para compensar según las necesidades de cada momento.
• La sobrecarga no se reduce en la
fuente principal ni en las líneas de distribución.
Compensación central (3/3)
Diagrama
de conexión
Cálculo de los kVARs del capacitor (1/2)
Cálculo de los kVARs del capacitor (2/2): Coeficiente K
Ejemplo
• Se tiene
un motor trifásico de 20 kW operando a 440 V, con un factor de potencia de 0.7,
si la energía se entrega a través de un alimentador con una resistencia total
de 0.166 Ohms calcular:
• a) La
potencia aparente y el consumo de corriente
• b) Las
pérdidas en el cable alimentador
• c) La
potencia en kVAR del capacitor que es necesario para corregir el F.P. a 0.9
• d)
Repetir los incisos a) y b) para el nuevo factor de potencia
• e) La
energía anual ahorrada en el alimentador si el motor opera 600 h/mes
Solución
(1/3)
a)
La corriente y la
potencia aparente
b) Las pérdidas en el
alimentador
c) Los kVAR del capacitor
Nos
referimos a la tabla del coeficiente “K” y se escoge el valor que está dado por
el valor actual del FP y el valor deseado:
d.1) La corriente y la
potencia aparente
Solución
(3/3)
d.2) Las pérdidas en el
alimentador
e)
Energía anual ahorrada
• La
reducción de las pérdidas:
La energía ahorrada al
año:
Considerando
a $ 0.122 por kWh, se tienen $ 242.88 de ahorro
tan sólo en el
alimentador
Ejemplo corrección factor de potencia
FP promedio = 0.8848
Calcular porcentaje de bonificación con un FP
deseado de 0.98
Potencia reactiva (kVAR)
Potencia reactiva:
Compensación del FP Potencia reactiva requerida
Potencia reactiva requerida para elevar el FP1 a un
FP2
Corrección de
potencia reactiva debida al voltaje
V1 = Voltaje de línea
V2 = Voltaje de diseño banco de capacitores
Ejemplo: Compensación del FP
Datos:
V1 = 440 Volts (voltaje de
línea)
V2 = 480 Volts (voltaje de
diseño banco de
capacitores
Potencia reactiva requerida
Corrección de potencia reactiva debida al voltaje
Ejemplo: Compensación del FP
Calculo del
porcentaje de penalización con un factor de potencia
promedio anual de 0.8848
Calculo del porcentaje de bonificación por mejorar
el FP a 0.98
Nota: Los cargos o
bonificaciones económicas se determinan al multiplicar
la suma de los cargos por
demanda y consumo de energía, multiplicados
por los porcentajes de penalización o bonificación,
según sea el caso
Consideraciones del FP (1)
• Cargos y
bonificaciones máximas FP = 0.30 Penalización máxima 120%
FP = 1.00
Bonificación máxima 2.5%
•
Compensación individual de transformadores
– De
acuerdo con las normas técnicas para instalaciones eléctricas, la potencia
reactiva (kVAR) de los capacitores, no debe exceder al 10% de la potencia
nominal del transformador
Consideraciones del FP (2)
•
Compensación individual de motores
–
Generalmente no se aplica para motores menores a 10 KW
– Rango del
capacitor
• En base a
tablas con valores normalizados, o bien,
•
multiplicar los hp del motor por 1/3
•
el 40% de la potencia en kW
Bancos automáticos de capacitores (1)
• Cuenta
con un regulador de VARS que mantiene el FP prefijado, ya sea mediante la
conexión o desconexión de capacitores conforme sea necesario
• Pueden
suministrar potencia reactiva de acuerdo a los siguientes requerimientos:
–
constantes
– variables
–
instantáneos
•
Se evitan sobrevoltajes en el sistema
Bancos automáticos de capacitores (2)
• Elementos
de los bancos automáticos:
–
Capacitores fijos en diferentes cantidades y potencias reactivas (kVAR)
– Relevador
de factor de potencia
–
Contactores
– Fusibles
limitadores de corriente
–
Interruptor ternomagnético general
• Los
bancos de capacitores pueden ser fabricados en cualquier
No.
De pasos hasta 27 (pasos estandar 5,7,11 y 15)
Bancos automáticos de capacitores (3)
• El valor
de los capacitores fijos depende del No. De pasos previamente seleccionado, así
como, de la cantidad necesaria en kVAR’s para compensar el FP a 1.0
• A mayor
No. de pasos, el ajuste es más fino, dado que cada paso del capacitor es más
pequeño, permitiendo lograr un valor más cercano a 1.0, no
obstante
ocasiona un mayor costo
• La
conmutación de los contactores y sus capacitores individuales es controlada por
un regulador (vármetro)
Esquema de un banco
automático
de capacitores
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