Factor potencia
- 1. UNIVERSIDAD FERMIN TORO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE COMPUTACION CABUDARE-LARA ASIGNACION 3 AUTOR: YEINEIR RODRIGUEZ
- 2. ¿Qué es 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. O sea que el factor de potencia debe tratarse que coincida con el coseno phi pero no es lo mismo. Es aconsejable que en una instalación eléctrica el factor de potencia sea alto y algunas empresas de servicio electro energético exigen valores de 0,8 y más. O es simplemente el nombre dado a la relación de la potencia activa usada en un circuito, expresada en vatios o kilovatios (KW), a la potencia aparente que se obtiene de las líneas de alimentación, expresada en voltio-amperios o kilovoltio- amperios (KVA). 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 al consumo de potencia activa (KW) se sume el de una potencia llamada reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinan 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 suministradas 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 transmisión y distribución. Todas estas cargas industriales necesitan de corrientes reactivas para su operación. ¿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 del exagerada del factor de potencia. 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.
- 3. 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. Efectos de un bajo factor de Potencia • Cuanto más bajo sea el factor de potencia, mayor potencia aparente y mayor intensidad eficaz se debe proporcionar a la carga, para entregar una misma potencia activa. • Si el factor de potencia es bajo: – Para una determinada potencia útil consumida, la potencia aparente (producto de tensión por intensidad) es mucho mayor. – Esto tiene una serie de efectos negativos, tanto para el cliente (receptor de la energía), como para la empresa suministradora. • Efectos negativos para la empresa suministradora: – Debe tener mayor capacidad de generación de potencia aparente (KVA). – Debe sobredimensionar las líneas de distribución y los transformadores correspondientes. – Al aumentar la intensidad aumentan las caídas de tensión, lo que complica la regulación de la tensión, dando problemas de estabilidad en la red. – Pérdidas de potencia, como consecuencia de una intensidad elevada, proporcionales a la intensidad al cuadrado por la resistencia de la línea (ley de Joule). – Como consecuencia de lo anterior, calentamiento excesivo en sus conductores, con consecuencias negativas en la vida útil de los aislantes y equipos en general. • Efectos negativos para el receptor: – Aunque en menor medida (porque la longitud de sus líneas será menor) que la empresa suministradora, sufrirá también caídas de tensión y pérdidas de potencia en los conductores, como consecuencia de la intensidad elevada. – Disminución de la vida útil de los aislantes y equipos. – Aumento de la factura de electricidad, en función de la tarifa contratada, por consumo de energía reactiva. En definitiva, un sinfín de consecuencias provocadas por un aumento de la intensidad respecto a la necesaria para producir la potencia útil.
- 4. Sin embargo, determinados equipos receptores, como por ejemplo lámparas fluorescentes o motores eléctricos, necesitan consumir energía reactiva para funcionar, por lo que la solución no pasa por eliminar esta energía sino por compensarla. Mejorar el Factor de Potencia Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone de ellos). A continuación se tratará de explicar de una manera sencilla y sin complicadas ecuaciones ni términos, el principio de cómo se mejora el factor de potencia: El consumo de KW y KVAR (KVA) en una industria se mantienen inalterables antes y después de la compensación reactiva (instalación de los condensadores), la diferencia estriba en que al principio los KVAR que esa planta estaba requiriendo, debían ser producidos, transportados y entregados por la empresa de distribución de energía eléctrica, lo cual como se ha mencionado anteriormente, le produce consecuencias negativas. Pero esta potencia reactiva puede ser generada y entregada de forma económica, por cada una de las industrias que lo requieran, a través de los bancos de capacitores y/o motores sincrónicos, evitando a la empresa de distribución de energía eléctrica, el generarla transportarla y distribuirla por sus redes. Veamos un ejemplo: Un capacitor instalado en el mismo circuito de un motor de inducción tiene como efecto un intercambio de corriente reactiva entre ellos. La corriente de adelanto almacenada por el capacitor entonces alimenta la corriente de retraso requerida por el motor de inducción. La figura 4 muestra un motor de inducción sin corrección de factor de potencia. El motor consume sólo 80 amp. Para su carga de trabajo. Pero la corriente de magnetización que requiere el motor es de 60 amp, por lo tanto el circuito de alimentación debe conducir: 100amp. (802 + 602) = 100 amp. Por la línea de alimentación fluye la corriente de trabajo junto con la corriente no útil o corriente de magnetización. Después de instalar un capacitor en el motor para satisfacer las necesidades de magnetización del mismo, como se muestra en la figura 5, el circuito de alimentación sólo tiene que conducir y suministrar 80 amp. Para que e1 motor efectúe el mismo trabajo. Ya que el capacitor se encarga de entregar los 60 amp. Restantes. El circuito de alimentación conduce ahora únicamente corriente de trabajo.
- 5. Esto permite conectar equipo eléctrico adicional en el mismo circuito y reduce los costos por consumo de energía como consecuencia de mantener un bajo factor de potencia. Corrección del factor de potencia Métodos directos Los métodos directos se basan en actuar directamente sobre las causas, en definitiva tratan de mejorar los propios equipos, antes que mejorar la línea de distribución. Por ejemplo, en los tubos fluorescentes, se pueden colocar condensadores en paralelo, con el fin de reducir la potencia reactiva demandada. El principio de funcionamiento se explica más adelante. Métodos indirectos Los métodos indirectos, no pretenden actuar sobre las causas sino compensarlas. La manera de compensarlas es introducir una potencia reactiva del signo contrario a la consumida por el receptor, de modo que la línea de distribución reduzca la potencia aparente y la intensidad suministrada. Básicamente, esta compensación se hace por dos métodos diferentes: compensadores síncronos y compensadores estáticos. Los compensadores síncronos son máquinas síncronas (es decir motores o generadores síncronos). Estas máquinas, para su funcionamiento requieren una intensidad de excitación, de forma que si están subexcitadas, consumen energía reactiva, y si están sobreexcitadas la devuelven al sistema. De esta forma, en industrias que utilicen generadores o motores síncronos, pueden aprovechar estos equipos para compensar el factor de potencia de su instalación mediante un circuito de control que regule la excitación de las máquinas síncronas en función de la energía reactiva consumida. Corrección del cosϕ mediante condensadores En corriente alterna monofásica – La potencia reactiva que consumen los receptores suele ser de tipo inductivo. – La idea es conectar condensadores que compensen esta potencia reactiva. – Por trigonometría, a partir del triángulo de potencias sabemos:
- 6. – triángulo de potencias inicial y final del sistema – La potencia reactiva QC, que es que la aportan los condensadores, debe ser la diferencia entra la potencia reactiva inicial y final. – El valor de la capacidad del condensador o de la batería de condensadores necesario para llevar el sistema de un factor de potencia inicial cosϕ1a otro final cosϕ2es: – La capacidad obtenida C, puede tener un valor muy alto. – Es frecuente recurrir a baterías de condensadores conectadas adecuadamente para dar el valor deseado. – La carga del circuito puede ser variable. – Una solución a la carga variable consiste en calcular una batería de condensadores que en el peor de los casos deje un cosφ aceptable (aproximadamente 0,9). – Otra solución consiste en tener un sistema de control que, en función de la potencia reactiva del sistema, conecte más o menos condensadores de
- 7. compensación, teniendo así un control escalonado del factor de potencia, para que siempre esté en unos márgenes aceptables. En corriente alterna trifásica – Hay dos posibilidades de conexión: a) Conexión de los condensadores en estrella: – Cada condensador soporta la tensión de línea, por lo que la reactiva total es: – Como la tensión de línea es: – La potencia reactiva queda: – La capacidad de los condensadores en estrella es: b) Conexión de los condensadores en triángulo: – Cada condensador soporta la tensión de fase, por lo que la reactiva total es:
- 8. – La capacidad de los condensadores en estrella es: – Comparando los condensadores en estrella y en triángulo resulta: Ejemplos de la corrección del factor potencia 'Corregir el factor potencia' significa actuar para incrementar el factor de potencia en una sección específica de la instalación, proporcionando localmente la potencia reactiva necesaria para reducir, a igual potencia útil requerida, el valor de la corriente y, por tanto, de la potencia que transita la red aguas arriba. De esta forma, las líneas, los generadores y los transformadores pueden ser dimensionados para un valor de potencia aparente inferior. No obstante, efectuar la corrección representa una solución que permite obtener ventajas técnicas y económicas; de hecho, gestionar una instalación con un bajo cosϕ implica un incremento de los costes para el distribuidor de energía eléctrica, que, consecuentemente, aplica un sistema de tarifas que sanciona el uso de la energía con bajos factores de potencia. En el caso de formas de onda sinusoidales, la potencia reactiva necesaria para pasar de un factor de potencia cosϕ a un factor de potencia cosϕ es expresada por la relación (válida tanto para sistemas trifásicos como monofásicos):
- 9. Donde: •P es la potencia activa; • Q1, ϕ1 son la potencia reactiva y el ángulo de desfase antes de la corrección; •Q2, ϕ2 son la potencia reactiva y el ángulo de desfase tras la corrección; • Qc es la potencia reactiva de corrección. Ejemplo Supongamos que queremos incrementar el factor de potencia de una instalación trifásica (Un =400 V) que consume de media 300 kW, de 0.8 a 0.93. La corriente absorbida será:
- 10. Aplicando la fórmula anteriormente descrita se obtiene la potencia reactiva que debe producirse localmente Qc: Por efecto de la corrección, la corriente absorbida pasa de 540 AMP a: Se ve una reducción del 15% aproximadamente Con todo ello, las ventajas principales de la corrección pueden resumirse de la siguiente manera: •Uso optimizado de las máquinas eléctricas; •Uso optimizado de las líneas eléctricas; •Reducción de las pérdidas; •Reducción de la caída de tensión