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INTRODUCCION

En la actualidad los costos de operación de las industrias se incrementan continuamente. La energía, un recurso fundamental para el progreso y la expansión industrial, no escapa a la tendencia del incremento de su costo, pues el recurso energético mas usado, los hidrocarburos, presenta una situación de agotamiento gradual que lo hace día a día más costoso. Esta situación ha llevado a la industria eléctrica a la definición de políticas que conlleven a un uso más racional y eficiente de la energía eléctrica. Una de las medidas al alcance del industrial para conocer el grado de eficiencia con el cual está utilizando dicha energía es el llamado factor de potencia, el cual ha sido tomado muy en cuenta dentro de los programas tendientes a la mejor utilización de la electricidad y del cual se hablará en el presente trabajo.

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FACTOR DE POTENCIA 1. GENERALIDADES 1. 1. DEFINICION 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 kilovoltioamperios (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.

1.2. ALTO Y 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 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.

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1.3. DESVENTAJAS DE 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.

1.4. VENTAJAS DE UN ALTO FACTOR DE POTENCIA  

Aumento de la vida útil del equipo. Liberación de cargas extra en el sistema (corriente adicional innecesaria que circula por los transformadores y otros equipos importante del mismo).  Uso más eficaz la energía comprada y la demanda se reduce al mínimo. La economía se beneficia por las bajas tarifas aplicadas por algunas empresas de servicio eléctrico a los usuarios que operan con un alto factor de potencia. Se logra un ahorro considerable al no tener que pagar las multas o sanciones.

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2.

MAL FACTOR DE POTENCIA Es la denominación que se asigna al mal uso de la energía eléctrica generalmente de carácter reactivo generado por equipos de refrigeración, motores, etc. En su mayoría está dado por equipos que están compuesto de bobinas y debido a ello intervienen factores importantes como es la potencia activa (KW), potencia reactiva (KVAR), y potencia aparente (Voltios-Amperios) 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.

2.1. POTENCIA APARENTE (S): La potencia aparente es sencillamente definida como el producto del voltaje aplicado a un circuito y la corriente que circula por él. Esta es medida en VoltiosAmperios e incluye cualquier potencia reactiva que puede ser requerida por la carga. También está definido como la potencia que determina la prestación en corriente de un transformador y resulta de considerar la tensión aplicada al consumo por la corriente que éste demanda, está relacionada por la siguiente fórmula:

S  VxI Unidad de medida es Volt – Amper [VA] 2.2. POTENCIA ACTIVA (P): Es la que se aprovecha como potencia útil en el eje del motor, la que se transforma en calor, etc. Es la potencia realmente consumida por el cliente y por lo tanto paga por el uso de la misma. P  V  I  Cos

Unidad de Medida Watts [W].

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2.3. POTENCIA REACTIVA (Q):

Es la potencia que los campos magnéticos rotantes de los motores o balastros de iluminación intercambian con la red eléctrica sin significar un consumo de potencia útil o activa. Q  V  I  Sen

Unidad de Medida Volt – Amper reactivo [ VAr]. Podemos representarlo en el triángulo trigonométrico de la siguiente forma:

3.

MEJORA DEL 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 El consumo de KW y KVAR (KVA) en una industria se mantienen inalterables antes y después de la compensación reactiva (instalación de los condensadores, como mejora del factor de potencia), los KVAR que esa planta estaba requiriendo, debían ser producidos, transportados y entregados por la empresa de distribución de energía eléctrica, le produce consecuencias negativas (potencia reactiva) .

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Pero esta económica, bancos de distribución

potencia reactiva puede ser generada y entregada de forma por cada una de las industrias que lo requieran, a través de los capacitores y/o motores sincrónicos, evitando a la empresa de de energía eléctrica,

La figura 1 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.

Por la línea de alimentación fluye la corriente de trabajo con la 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 2, el

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circuito de alimentación sólo tiene que conducir y suministrar 80 amp. para que el 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.

3.1. Motores Sincrónicos Cuando operan con muy poca carga, o completamente en vacío, los motores sincrónicos compensan el bajo factor de potencia, por otra parte los motores de inducción tienden a bajar el factor de potencia. Sin embargo, el costo del motor sincrónico, agréguese el costo de los controles incluyendo el costo del generador de corriente directa, por último los costos de mantenimiento son considerables. Cuando operan sobrexcitados (operación normal) suplen sus requerimientos de KVAR y pueden además entregar KVAR a la red; en este caso son utilizados como compensadores de bajo factor de potencia 3.2. Condensadores eléctricos estáticos. En plantas industriales, la forma más práctica y económica para la corrección del bajo factor de potencia es la utilización de condensadores. La corriente del condensador es usada para suplir en su totalidad o en parte, las corrientes magnetizantes requeridas por las cargas, debido a que sus efectos son exactamente opuestos a los de las cargas reactivas ya definidas, eliminando así el efecto de ellas. 3.3. Localización de condensadores y motores sincrónicos. Los beneficios que los condensadores en paralelo y los motores sincrónico dan al sistema es el de proveer una base para la reducción de los KVAR. Estos beneficios se manifiestan en una reducción de sus facturas de electricidad, liberación de capacidad de KVA en el sistema, mejoramiento de voltaje y reducción de pérdidas. Los condensadores deben ser localizados en o cerca de las cargas a fin de obtener el mínimo costo y los máximos beneficios, En el caso de motores sincrónicos, no es fácil lograr esta flexibilidad; usualmente los motores sincrónicos son de gran potencia y no son económicos para la operación a 240 o 480 voltios, que es el voltaje común en las plantas industriales.

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3.4. Compensación del factor de potencia por medio de condensadores

Los sistemas de instalación de condensadores son: 

Compensación individual ( propia batería de condensadores) Los capacitores son instalados por cada carga inductiva. El arrancador para el motor sirve como un interruptor para el capacitor. Los capacitores son puestos en servicio sólo cuando el motor está trabajando. Los costos de instalación y mantenimiento son normalmente los más elevados.



Compensación por grupo (batería de condensadores por cada grupo de receptores) 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 central Es la solución más general para corregir el factor de potencia. El banco de capacitores se conecta en la acometida de la instalación. Es de fácil supervisión

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4.

APLICACIONES PRÁCTICAS DEL FACTOR DE POTENCIA 1.-Ejemplo:

•

• • • • •

Se tiene un motor monofásico 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: a) La corriente y la potencia aparente I 

P P   V * Cos V * FP

I1 

20,000W  64.93 _ A 440V * 0.7

S V *I  S 1  440V * 64.93 A  28.569 _ kVA

b) Las pérdidas en el alimentador Perd  R * I 2  Perd 1  0.166 * 64.93 2  699.840 _ W

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: QC  P * K  QC  20kW * 0.536  10.72 _ kVAR

d.1) La corriente y la potencia aparente I2 

20,000W  50.505 _ A 440V * 0.9

S 2  440V * 50.505 A  22.22 _ kVA

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d.2) Las pérdidas en el alimentador

Perd 2  0.166 * 50.505 2  423.425 _ W e) Energía anual ahorrada •

La reducción de las pérdidas:

P  Perd 1  Perd 2 

P  699.840  423.425  276.415 _ W

•

La energía ahorrada al año:

E 

E 

•

P * hrs / mes * 12 _ meses.K 1000 276.415W * 600h / mes *12meses.K  1990.188 _ kWh 1000

Considerando a $ 0.122 por Kwh., se tienen $ 242.80 de ahorro tan sólo en el alimentador

2.- Compensación del FP Potencia reactiva requerida Potencia reactiva requerida para elevar el FP1 a un FP2

 

kVAR  kW tg cos

1





FP1  tg cos 1 FP2



Corrección de potencia reactiva debida al voltaje

kVAR

totales

V  kVAR  2  V1

  

2

V1 = Voltaje de línea V2 = Voltaje de diseño banco de capacitores

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Ejemplo *Datos:

V1 = 440 Volts (voltaje de línea) V2 = 480 Volts (voltaje de diseño banco de capacitores) *Potencia reactiva requerida

 

kVAR  315 tg cos

1







0.8888  tg cos 1 0.9600  71

*Corrección de potencia reactiva debida al voltaje:

kVAR

totales



71  440     480 

2

 84

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CONCLUSIONES



El objetivo que se busca al aumentar el Factor de Potencia, es tratar de que la potencia reactiva sea mínima.



Las industrias generalmente tienen una componente inductiva global debido a su gran número de motores, y la impedancia equivalente de éstos hace que la corriente está retrasada y que exista un consumo de potencia reactiva inductiva.



El uso de capacitores es la forma más práctica y económica para mejorar el factor de potencia, sobre todo en instalaciones existentes.



Con un factor de potencia alto existe liberación de cargas extra en el sistema que es corriente adicional innecesaria que circula por los transformadores y otros equipos.



Un factor de potencia alto, trae consigo ahorros al evitar los recargos por bajo factor de potencia por parte de las compañías de suministro eléctrico.

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ÍNDICE Pág.

1. Factor de Potencia. Generalidades 1.1. Definición 1.2. Alto y bajo factor de Potencia 1.3. Desventajas de un bajo factor de potencia 1.4. Ventajas de un alto factor de potencia

1 1 1 2 2

2. Mal Factor de Potencia 2.1. Potencia Aparente 2.2. Potencia Activa 2.3. Potencia Reactiva

2 3 3 4

3. Mejora del Factor de Potencia 3.1. Motores Sincrónicos 3.2. Condensadores eléctricos estáticos 3.3. Localización de condensadores y motores sincrónicos 3.4. Compensación del factor potencia por medio de condensadores

4 6 6 6 7

4. Aplicaciones prácticas del factor de potencia

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BIBLIOGRAFÍA

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http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_1519_compensacion_central Factor de Potencia Autor: Comisión Nacional para el Ahorro de energía - México

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http://www.proyectosfindecarrera.com/mejorar-factor-potencia.htm Cómo mejorar el factor de potencia de una instalación eléctrica Autor: Proyectosfindecarrera.com. - C/ Lamuza, 3 - 01400 - Alava (España)

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