El bajo factor de potencia puede agotar la capacidad de generación, desperdiciar energía y aumentar los costos de mantenimiento con el calentamiento excesivo del equipo .
La mayoría de los gerentes de planta y el personal de mantenimiento saben que los motores de inducción pueden causar un bajo factor de potencia ( PF ) y desencadenar costosos recargos en las facturas de electricidad, incluso si no están seguros de por qué. Una explicación sencilla es que el bajo factor de potencia mina la capacidad de generación de la empresa de servicios públicos (o del sistema de energía industrial), desperdicia energía y aumenta los costos de mantenimiento por el calentamiento excesivo del equipo. Lo que sigue es una mirada más detallada a lo que es el bajo factor de potencia y, más importante, cómo corregirlo.
Uso de la energía en los circuitos de CA
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Antes de seguir adelante, puede ser útil revisar cómo se utiliza la energía en los circuitos de CA (ver Figura 1). La potencia real o de entrada ( P ), medida en kilovatios (kW), es la cantidad de potencia que hace el trabajo real. Si el circuito tiene cargas inductivas como motores, la potencia necesaria para las corrientes excitantes o magnetizantes se denomina potencia reactiva ( Q ) y se mide en unidades reactivas de kilovoltios-amperios (kvar). La combinación de potencia real y potencia reactiva que necesita el sistema es la potencia aparente ( S ). La potencia aparente, medida en kilovoltios-amperios (kVA), es proporcional al producto de la tensión y la corriente total.
No toda la corriente total contribuye a la potencia real que hace el trabajo, pero las empresas de servicios públicos y los operadores de energía industrial todavía deben dimensionar los equipos de generación, transmisión y distribución para que se ajusten a los requisitos de potencia aparente del sistema.
Factor de potencia
El factor de potencia en un circuito de corriente alterna es la relación entre la potencia real y la aparente.
A medida que la potencia reactiva extraída de la red disminuye, la potencia aparente también disminuye y se acerca a la potencia real. Un circuito de corriente alterna puramente resistivo tendría un factor de potencia perfecto de 1,0 con una potencia reactiva nula. Por el contrario, un circuito CA totalmente inductivo podría tener teóricamente un factor de potencia muy bajo o nulo, si la potencia real se aproxima o es igual a cero. Aunque muchos circuitos industriales tienen componentes tanto resistivos como inductivos, se necesitará más corriente para suministrar la cantidad necesaria de potencia real a una planta que tiene un factor de potencia bajo debido a los motores de inducción.
Para las empresas de servicios públicos y los operadores de sistemas de energía industrial, eso significa generar electricidad extra para compensar lo que se desperdicia o se pierde en forma de calor. Para los clientes industriales, puede significar recargos en la factura de electricidad y/o problemas de calidad de la energía en los sistemas de distribución de las plantas. Si el factor de potencia es lo suficientemente bajo, pueden ser necesarios cables, interruptores, disyuntores y transformadores de mayor capacidad para manejar la corriente extra.
Formas comunes de mejorar el factor de potencia
El factor de potencia suele mejorarse mediante el uso de motores síncronos o condensadores de corrección del factor de potencia (PFCC). En cualquiera de los casos, la energía reactiva se suministra localmente para reducir la demanda aparente de energía, ya sea con el fin de reducir los recargos de la compañía eléctrica o, en el caso de los operadores de sistemas de energía industrial, para crear capacidad adicional. La forma más sencilla y rentable de corregir las instalaciones existentes es añadir de los PFCC al sistema de distribución, considerando cuidadosamente las capacidades y ubicaciones de los condensadores.
Ubicación del condensador: La figura 2 muestra tres posibles ubicaciones para la instalación de los PFCC. En la ubicación 1, los condensadores permanecen energizados todo el tiempo. Si la carga inductiva correcta está presente, pueden producirse graves picos de corriente (resonancia), lo que resulta en un alto voltaje en el bus. Sin embargo, se recomienda la ubicación 1 en casos especiales en los que se produce una conmutación frecuente o un desplazamiento, como en el caso de los motores de los ascensores, los motores multivelocidad, el arranque del autotransformador de transición abierta, el arranque en estrella-triángulo (Y-Δ) y el arranque de bobinas parciales (excepto las extendidas o las de doble triángulo).
Las ubicaciones 2 y 3 tienen la ventaja de que los PFCC están desconectados cuando el motor está desconectado. Sin embargo, al usar la Ubicación 3, es crítico que los dispositivos de sobrecarga se reduzcan, porque el condensador reduce la corriente del circuito a través de ellos. Por esta razón, la Ubicación 2 se recomienda en la mayoría de las situaciones.
Dimensionamiento del condensador: Al dimensionar los condensadores, seleccione valores que minimicen el riesgo de tensión excesiva, así como las corrientes y pares transitorios. Con los condensadores instalados (véase la Figura 3), la potencia reactiva ( Q1 ) que se requiere del bus es la diferencia entre la demanda de potencia reactiva del motor ( Q3 ) y la potencia reactiva suministrada por los condensadores ( Q2 ). Para equilibrar el rendimiento con los riesgos asociados a la sobreexcitación, normalmente es deseable elevar el factor de potencia a 0,90 o 0,95.
Como ejemplo, consideremos un motor de inducción trifásico de 250 caballos de fuerza, 460 V, 277 amperios y 4 polos con una eficiencia ( eff ) del 96,2% y un factor de potencia de 0,88. Para determinar la capacidad del condensador necesaria para elevar el factor de potencia a 0,95, primero hay que calcular la potencia real o de entrada:
A continuación, dado que el factor de potencia existente es 0,88 = cos ( φ1 ) y el nuevo factor de potencia es 0,95 = cos ( φ2 ), encontramos φ1 = 28,36 grados y φ2 = 18,19 grados. La capacidad del condensador de corrección será igual a la cantidad de potencia reactiva generada localmente ( Q2 ) necesaria para elevar el factor de potencia a 0,95:
Para cualquier ángulo de fase φ1 , el valor tan ( φ1 ) es la relación entre la potencia reactiva y la potencia real (kvar/kW). Así, multiplicando P por la relación Q / P por encima de las hojas Q (la potencia reactiva). Para mayor comodidad, algunos valores comunes de [tan ( φ1 ) – tan ( φ2 )] se suministran en la tabla 1. Seleccione el valor estándar más cercano al valor calculado.
El efecto de la mejora del factor de potencia
Para determinar el efecto de la mejora del factor de potencia, calcule la corriente total ( I ) necesaria del sistema antes y después de la corrección:
Para el ejemplo anterior, la corriente disminuyó en 21 amperios, o el 7,6%. Es importante señalar que el factor de potencia varía con la carga, por lo que estos valores sólo serían válidos para la carga utilizada para los cálculos.
Al considerar la corrección del factor de potencia, es mejor consultar al fabricante del motor o a una empresa con experiencia en esta modificación. De esta manera se asegurará que la aplicación es apropiada, que los condensadores están dimensionados correctamente y que se elige el lugar de instalación óptimo.
Mike Howell es un especialista en apoyo técnico de la Asociación de Servicio de Aparatos Eléctricos Inc. (EASA). EASA es una asociación comercial internacional de más de 1.900 empresas en 62 países que venden y dan servicio a aparatos eléctricos, electrónicos y mecánicos.
