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Factor de potencia




Enviado por alevar99



    Indice
    1.
    ¿Que es el factor de potencia?

    2. ¿Porque existe bajo factor de
    potencia?

    3. ¿Porque resulta dañino
    tener un bajo factor de potencia?

    4. ¿Cómo puedo mejorar el
    factor de potencia?

    5. Ejemplo de aplicación para
    determinar la potencia reactiva capacitiva necesaria para
    corregir el factor de
    potencia
    .

    7. ¿Dónde instalar los
    capacitores?

    8. Conclusiones
    9. Bibliografía

    1. ¿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
    electroenergético 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.

    2.¿ 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.

    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.

    3. ¿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 Bs./KVA, es decir cobrándole por capacidad
    suministrada en KVA. Factor donde se incluye el consumo de los
    KVAR que se entregan a la industria.

    4. ¿Cómo
    puedo 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.
    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.

    5. Ejemplo de
    aplicación para determinar la potencia reactiva capacitiva
    necesaria para corregir el factor de potencia:

    (Fuente: Instalaciones
    Eléctricas, Tomo I, Albert F. Spitta – Günter G.
    Seip)
    Si se desea alcanzar un valor
    determinado del factor de potencia cos fi2 en una
    instalación cuyo factor de potencia existente cos
    fi1 se desconoce, se determina éste con ayuda
    de un contador de energía activa, un amperímetro y
    un voltímetro.
    P: Potencia activa, en kW
    S1: Potencia aparente, en kVA
    Qc: Potencia del capacitor, en kVAr
    U: Tensión, en V
    I: Intensidad de corriente, en A
    n: Número de vueltas del disco contador por min.
    c: Constante del contador (indicada en la placa de tipos del
    contador como      velocidad de
    rotación por kWh).
    cos fi1: Factor de potencia real
    cos fi2: Factor de potencia mejorado
    Valores
    medidos: U= 380V; I= 170A.
    Valores indicados por el contador: n= 38r/min.; c= 30 U/kWh.
    El factor de potencia cos fi1 existente se ha de
    compensar hasta que alcance un valor de cos
    fi2= 0,9.
    Potencia activa: P= n.60/c = (38 r/min . 60)/(30 U/kWh) = 76
    kW
    Potencia aparente: S1= (U.I.1,73)/1000 = (380V . 170A
    . 1,73)/1000 = 112 kVA
    Factor de potencia existente: cos fi1=
    P/S1= 76 kW/112 kVA = 0,68
    Ya que cos fi= P/S y tan fi= Q/P; y a cada ángulo fi
    corresponde un valor determinado de la tangente y del coseno, se
    obtiene la potencia reactiva:
    antes de la compensación Q1= P.tan
    fi1; 
    y después de la compensación Q2= P.tan
    fi2;
    resultando, según las funciones
    trigonométricas:
    de cos fi1= 0,68 se deduce tan fi1= 1,08
    y
    de cos fi2= 0,9 se deduce tan fi2= 0,48
    Por consiguiente, se precisa una potencia del capacitor de:
    Qc= P.(tan fi1 – tan fi2) = 76
    kW (1,08 – 0,48) = 45,6 kVAr
     
    Analizando la correspondiente tabla , se llega al mismo resultado
    de la siguiente forma: en ella se indican los valores de
    tan fi1 –
    tan fi2 . En el presente
    ejemplo resulta, para un valor de cos fi1= 0,68 y uno
    deseado de cos fi2= 0,9; un factor de F= 0,595
    kVar/kW.

    En tal caso, la potencia del capacitor necesaria es:
    Qc= P.F = 76 kW . 0,595 (kVAr/kW) = 45,6 kVAr
    Se elige el capacitor de magnitud inmediata superior, en
    éste caso el de 50 kVAr.
    Como medir potencia y factor de potencia con
    amperímetro
    Este método es
    muy práctico por que en ocasiones no tenemos un wattmetro
    a la mano o bien no lo podemos comparar por el costo tan
    elevado, pues bien aquí tienes un método
    práctico que solo necesitas una resistencia
    (puede ser una como las que usan las parrillas), un
    amperímetro o un volmetro y aplicar unas formulas matemáticas (ley de los senos
    y cosenos)

    Procedimiento:
    a) conecta en paralelo la resistencia con
    la carga que quieres medir el f.p.
    b) anota los valores
    RMS de la corriente que entrega la fuente, la corriente que pasa
    por la resistencia y la corriente que pasa por la carga
    ¡Listo!
    c) ahora resuelve tu problema como un análisis vectorial y aplicando las leyes de Kirchoff
    suponiendo que el ángulo del voltaje es cero y calcula el
    ángulo.

    Como ya conoces las magnitudes IL,
    IT, IR
    Calcula el ángulo b

    por lo tanto, q = 180 – b
    F.P = COS (180 – b )
    Watts = P VI Cos ( 180 – b )
    Como medir potencia y f.p con un volmetro
    Este método es similar al visto anteriormente pero ahora
    con un vólmetro y un circuito en serie y suponiendo que la
    corriente tiene un ángulo de cero.

    f.p= Cos ( 180-b ) Watts=P=VI Cos (180 -b )

    6. ¿
    Cómo determinar la cantidad de condensadores
    necesarios?

    Midiendo la energía activa y reactiva que
    consumen las instalaciones existentes, se puede calcular la
    potencia necesaria (KVAR) que deben tener los condensadores para
    lograr la compensación deseada. Sin embargo, es
    recomendable la instalación de registradores de potencia
    durante el tiempo necesario
    para cubrir (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 se 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 mas
    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 .

    7. ¿ Dónde
    instalar los capacitores ?

    Para la instalación de los capacitores
    deberán tomarse en cuenta diversos factores que influyen
    en su ubicación como lo son: La variación y
    distribución de cargas, el factor de carga, tipo de
    motores, uniformidad en la distribución de la carga, la
    disposición y longitud de los circuitos y la
    naturaleza del
    voltaje.
    Se puede hacer una corrección del grupo de
    cargas conectando en los transformadores primarios y secundarios
    de la planta, 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 mas 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.

    Correcciones aisladas
    La corrección aislada del factor de potencia se debe hacer
    conectando los capacitores tan cerca como sea posible de la carga
    o de las terminales de los alimentadores.
    Debe recordar que la corrección se lleva a cabo
    sólo del punto considerado a la fuente de energía y
    no en dirección opuesta.
    Los capacitores instalados cerca de las cargas pueden dejar de
    operar automáticamente cuando las cargas cesan,
    incrementan el voltaje y por ende el rendimiento del
    motor

    8.
    Conclusiones

    1. 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.
    2. El origen del bajo factor de potencia son las cargas
      de naturaleza inductiva, entre las que destacan los motores de
      inducción, los cuales pueden agravarlo si no se operan
      en las condiciones para las que fueron
      diseñados.
    3. El bajo factor de potencia es causa de recargos en la
      cuenta de energía eléctrica, los cuales llegan a
      ser significativos cuando el factor de potencia es
      reducido.
    4. Un bajo factor de potencia limita la capacidad de los
      equipos con el riesgo de
      incurrir en sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas
      con un dispendio de energía.
    5. El primer paso en la corrección del factor es
      el prevenirlo mediante la selección y operación correcta de
      los equipos. Por ejemplo, adecuando la carga de los motores a
      su valor nominal.
    6. Los capacitores de potencia son la forma más
      práctica y económica para mejorar el factor de
      potencia, sobre todo en instalaciones existentes.
    7. El costo de los capacitores se recupera
      rápidamente, tan sólo por los ahorros que se
      tienen al evitar los recargos por bajo factor de potencia en el
      recibo de energía eléctrica.
    8. Entre más cerca se conecten los capacitores de
      la carga que van a compensar, mayores son los beneficios que se
      obtienen.
    9. Cuando las variaciones de la carga son
      significativas, es recomendable el empleo de
      bancos de capacitores automáticos.
    10. a 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.

    9.
    Bibliografía

    • http://personales.ciudad.com.ar/montajesindustriales/index.html
    • http://www.aener.com/
    • http://www.ingelectricista.com.ar/cosfi.htm
    • Instalaciones Eléctricas, Tomo I, Albert F.
      Spitta – Günter G. Seip

     

     

    Autor:

    Alejandro Humberto Vargas R

    Manizales, 21 de Abril DEL 2003

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