Comprender el factor de potencia y cómo afecta sus facturas de energía

Además de la seguridad y la confiabilidad, se deben perseguir varios otros objetivos, incluida la eficiencia, en el diseño e implementación de sistemas eléctricos. Una de las medidas de eficiencia en un sistema eléctrico es la eficiencia con la que el sistema transforma la energía que recibe en trabajo útil. Esta eficiencia está indicada por un componente de los sistemas eléctricos conocido como factor de potencia. El factor de potencia indica cuánta energía se está utilizando realmente para realizar un trabajo útil con una carga y cuánta energía está “desperdiciando”. Tan trivial como suena su nombre, es uno de los principales factores detrás de las altas facturas de electricidad y los cortes de energía.

Para poder describir adecuadamente el factor de potencia y su importancia práctica, es importante refrescar la memoria sobre los diferentes tipos de cargas eléctricas y componentes de potencia que existen.

De las clases básicas de electricidad, las cargas eléctricas suelen ser de dos tipos;

1. Cargas resistivas
2. Cargas reactivas

1. Cargas resistivas

Cargas resistivas, como su nombre lo indica, estas cargas están formadas por elementos puramente resistivos. Para este tipo de cargas (considerando condiciones ideales), toda la potencia que se le suministra se disipa para el trabajo debido a que la corriente está en fase con la tensión. Un buen ejemplo de cargas resistivas incluye bombillas incandescentes y baterías.

El componente de potencia asociado con cargas resistivas se conoce como potencia real. Este poder real también se denomina a veces como poder de trabajo, poder verdadero o poder real. Si es nuevo en la alimentación de CA y se siente confundido con todas estas formas de onda, se recomienda leer sobre los conceptos básicos de CA para comprender cómo funciona la alimentación de CA.

2. Cargas reactivas

Las cargas reactivas, por otro lado, son un poco más complejas. Si bien causan una caída de voltaje y extraen corriente de la fuente, no disipan energía útil como tal porque la energía que extraen del suministro no funciona. Esto se debe a la naturaleza de las cargas reactivas.

Las cargas reactivas pueden ser capacitivas o inductivas. En cargas inductivas, la energía consumida se utiliza para establecer el flujo magnético sin que se realice ningún trabajo directo, mientras que para las cargas capacitivas, la energía se usa para cargar el condensador y no para producir trabajo directamente. La potencia así disipada en cargas reactivas se denomina potencia reactiva. Las cargas reactivas se caracterizan por la corriente adelantada (cargas capacitivas) o atrasada (cargas inductivas) detrás del voltaje, como tal, generalmente existe una diferencia de fase entre la corriente y el voltaje.

Los dos gráficos anteriores representan una carga inductiva y capacitiva donde el factor de potencia está rezagado y adelantado respectivamente. Las variaciones en estos dos tipos de carga dan lugar a la existencia de tres componentes de potencia en los sistemas eléctricos, a saber;

1. Poder real
2. Poder reactivo
3. Poder aparente

1. Potencia real

Esta es la potencia asociada con las cargas resistivas. Es el componente de potencia disipado para el desempeño del trabajo real en los sistemas eléctricos. Desde la calefacción hasta la iluminación, etc., se expresa en Watts (W) (junto con sus multiplicadores, kilo, Mega, etc.) y representado simbólicamente por la letra P.

2. Potencia reactiva

Esta es la potencia asociada con las cargas reactivas. Como resultado del retardo entre el voltaje y la corriente en cargas reactivas, la energía extraída en reactiva (ya sea capacitiva o inductiva) no produce trabajo. Se le conoce como potencia reactiva y su unidad es Volt-Ampere Reactivo (VAR).

3. Poder aparente

Los sistemas eléctricos típicos comprenden cargas tanto resistivas como inductivas, piense en sus bombillas y calentadores para cargas resistivas, y equipos con motores, compresores, etc. como cargas inductivas. Por lo tanto, en un sistema eléctrico, la potencia total es una combinación de los componentes de potencia real y reactiva, esta potencia total también se denomina potencia aparente.

La potencia aparente viene dada por la suma de la potencia real y la potencia reactiva. Su unidad es voltio-amperios (VA) y se representa matemáticamente por la ecuación;

Potencia aparente = potencia real + potencia reactiva

En situaciones ideales, la potencia real disipada en un sistema eléctrico suele ser mayor que la potencia reactiva. La siguiente imagen muestra el diagrama vectorial dibujado con los tres componentes de potencia

Este diagrama vectorial se puede transformar en el triángulo de potencia como se muestra a continuación.

El factor de potencia se puede calcular obteniendo el ángulo theta (ϴ) que se muestra arriba. Aquí theta es el ángulo entre el poder real y el poder aparente. Luego, siguiendo la regla del coseno (adyacente sobre hipotenusa), el factor de potencia se puede estimar como la relación entre la potencia real y la potencia aparente. Las fórmulas para calcular el factor de potencia se dan a continuación

PF = Potencia real / Potencia aparente o PF = Cosϴ

Poniendo esto al lado de la ecuación para determinar la potencia aparente, es fácil ver que un aumento en la potencia reactiva (presencia de un alto número de cargas reactivas), conduce a un aumento en la potencia aparente y un mayor valor para el ángulo ϴ, que finalmente da como resultado un factor de potencia bajo cuando se obtiene su coseno (cos ϴ). Por otro lado, la reducción de las cargas reactivas (potencia reactiva) conduce a un mayor factor de potencia, lo que indica una alta eficiencia en sistemas con menos cargas reactivas y viceversa. El valor del factor de potencia siempre estará entre el valor de 0 y 1, cuanto más se acerque a uno, mayor será la eficiencia del sistema. En India, el valor ideal del factor de potencia se considera 0,8. El valor del factor de potencia no tiene unidad.

Importancia del factor de potencia

Si el valor del factor de potencia es bajo, significa que la energía de la red se está desperdiciando ya que una gran parte de ella no se está utilizando para un trabajo significativo. Esto se debe a que la carga aquí consume más potencia reactiva en comparación con la potencia real. Esto ejerce presión sobre el sistema de suministro y provoca una sobrecarga en el sistema de distribución, ya que tanto la potencia real requerida por la carga como la potencia reactiva utilizada para satisfacer las cargas reactivas se extraerán del sistema.

Esta tensión y "desperdicio" generalmente genera enormes facturas de electricidad para los consumidores (especialmente los consumidores industriales), ya que las empresas de servicios públicos calculan el consumo en términos de energía aparente, por lo que terminan pagando por energía que no se utilizó para lograr ningún trabajo "significativo".. Algunas empresas también multan a sus consumidores si consumen más potencia reactiva, ya que provoca una sobrecarga en el sistema. Esta multa se impone para reducir el factor de potencia bajo que provoca el uso de cargas en las industrias.

Incluso en situaciones en las que la energía la proporcionan los generadores de la empresa, el dinero se desperdicia en generadores más grandes, cables de mayor tamaño, etc., necesarios para proporcionar energía cuando una buena cantidad simplemente se va a desperdiciar. Para comprender mejor esto, considere el siguiente ejemplo

Una fábrica que opera con una carga de 70kW podría ser alimentada con éxito por un Generador / Transformador y cables clasificados para 70 kVA si la fábrica está operando con un factor de potencia de 1. Pero, si el factor de potencia baja a 0.6, incluso con la misma carga de 70KW, se requerirá un generador o transformador más grande con capacidad para 116.67 kVA (70 / 0.6), ya que el generador / transformador tendrá que suministrar la energía adicional para la carga reactiva. Además de este fuerte aumento en los requisitos de energía, también sería necesario aumentar el tamaño de los cables utilizados, lo que provocaría un aumento significativo en el costo del equipo y mayores pérdidas de energía como resultado de la resistencia a lo largo de los conductores. El castigo por esto va más allá de las altas facturas de electricidad en algunos países, ya que las empresas con un factor de potencia deficiente suelen recibir multas enormes para fomentar la rectificación.

Mejorando el factor de potencia

Con todo lo dicho, estarán de acuerdo conmigo en que tiene más sentido económico rectificar el factor de potencia pobre que seguir pagando enormes facturas de electricidad, especialmente para las grandes industrias. También se estima que más del 40% en las facturas de electricidad se pueden ahorrar en grandes industrias y plantas de fabricación si el factor de potencia se corrige y se mantiene bajo.

Aparte de la reducción en el costo para los consumidores, la ejecución de un sistema eficiente contribuye a la confiabilidad y eficiencia general de la red eléctrica, ya que las empresas de servicios públicos pueden reducir las pérdidas en las líneas y el costo de mantenimiento al tiempo que experimentan una reducción en la cantidad de transformadores y infraestructura de apoyo similar requerida para sus operaciones.

Calcular el factor de potencia para su carga

El primer paso para corregir el factor de potencia es determinar el factor de potencia para su carga. Esto se puede hacer mediante;

1. Calcular la potencia reactiva utilizando los detalles de reactancia de la carga

2. Determinar la potencia real disipada por la carga y combinarla con la potencia aparente para obtener el factor de potencia.

3. El uso del medidor de factor de potencia.

El medidor de factor de potencia se usa principalmente porque ayuda a obtener fácilmente el factor de potencia en configuraciones de sistemas grandes, donde determinar los detalles de reactancia de la carga y la potencia real disipada puede ser una ruta difícil.

Con el factor de potencia conocido, puede proceder a corregirlo, ajustándolo lo más cerca posible a 1.n El factor de potencia recomendado por las empresas de suministro eléctrico suele estar entre 0,8 y 1 y esto solo se puede lograr si está ejecutando un factor de potencia casi puro. La carga resistiva o la reactancia inductiva (carga) en el sistema es igual a la reactancia de capacitancia, ya que ambas se cancelarán entre sí.

Debido al hecho de que el uso de cargas inductivas es una causa más común de factor de potencia bajo, especialmente en entornos industriales (debido al uso de motores pesados, etc.), uno de los métodos más simples para corregir el factor de potencia es cancelar el reactancia inductiva mediante el uso de condensadores de corrección que introducen reactancia capacitiva en el sistema.

Los condensadores de corrección del factor de potencia actúan como un generador de corriente reactiva, contrarrestando / compensando la potencia que se “desperdicia” por las cargas inductivas. Sin embargo, se debe tener en cuenta el diseño al insertar estos condensadores en configuraciones para garantizar un funcionamiento sin problemas con equipos como unidades de velocidad variable y un equilibrio efectivo con el costo. Dependiendo de la instalación y la distribución de la carga, el diseño podría comprender condensadores de valor fijo instalados en puntos de carga inductiva o bancos de condensadores de corrección automática instalados en las barras colectoras de los paneles de distribución para una corrección centralizada que suele ser más rentable en sistemas grandes.

El uso de capacitores de corrección del factor de potencia en configuraciones tiene sus desventajas, especialmente cuando no se usan los capacitores correctos o el sistema no está diseñado correctamente. El uso de los condensadores podría producir un breve período de “sobretensión”, cuando se encienden, lo que podría afectar el funcionamiento adecuado de equipos como variadores de velocidad, provocando su desconexión intermitente o la explosión de los fusibles de algunos de los condensadores. Sin embargo, podría resolverse intentando realizar ajustes en la secuencia de control de conmutación, en el caso de variadores de velocidad, o eliminando corrientes armónicas en el caso de fusibles.

Unity Power Factor y por qué no es práctico

Cuando el valor de su factor de potencia es igual a 1, entonces se dice que el factor de potencia es un factor de potencia unitario. Puede resultar tentador obtener el factor de potencia óptimo de 1, pero es casi imposible lograrlo debido al hecho de que ningún sistema es realmente ideal. En el sentido de que ninguna carga es puramente resistiva, capacitiva o inductiva. Cada carga se compone de algunos de los elementos de la otra, sin importar cuán pequeños sean, ya que el rango típico de factor de potencia realizable suele ser de hasta 0.9 / 0.95. Ya hemos aprendido acerca de estas propiedades parásitas de los elementos RLC en nuestros artículos ESR y ESL con condensadores.

El factor de potencia es un factor determinante de qué tan bien está utilizando la energía y cuánto paga en facturas de electricidad (especialmente para las industrias). Por extensión, contribuye de manera importante al costo operativo y podría ser el factor detrás de la reducción de los márgenes de ganancia al que no ha prestado atención. Mejorar el factor de potencia de su sistema eléctrico podría ayudar a reducir las facturas de electricidad y garantizar que se maximice el rendimiento.