Corrección del Factor de Potencia en Sistemas

Trifásicos

Conceptos Base

En los circuitos de corriente alterna, la corriente absorbida por una carga puede estar representada por dos componentes:

• La componente activa IR • La componente reactiva IQ

Por lo general, en presencia de cargas de tipo óhmico inductivo, la corriente total I se muestra desfasada y retardada respecto a la componente activa IR.Por lo tanto, en una instalación eléctrica además de la potencia activa P, se debe generar una cierta potencia reactiva Q, indispensable para la conversión de la energía eléctrica que es intercambiada con la red. La suma geométrica de estas potencias produce la componente aparente o total S.

El Factor De Potencia (F.P.)

El factor de potencia cosϕ es la relación entre la potencia ACTIVA y la potencia APARENTE, siendo ϕ el ángulo de fase entre la tensión y la corriente (Angulo dado por la impedancia). Con una tensión V dada de fase resulta:

El factor de potencia expresa el desfasamiento o no de la corriente con relación al voltaje y es utilizado como indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica

Causa de un bajo Factor de Potencia

Las cargas inductivas como motores, balastros, transformadores, etc., son el origen del bajo factor de potencia ya que son cargas no lineales que contaminan la red eléctrica, en este tipo de equipos el consumo de corriente se desfasa con relación al voltaje lo que provoca un bajo factor de potencia.

Consecuencias de un bajo Factor de Potencia

Cuando en una instalación eléctrica opera con un factor de potencia menor a 1.0, afectan a la red eléctrica. Produciendo problemas a medida que se reduce este factor• Incremento de las pérdidas por efecto

jouleSon las perdidas de potencia que se transforman en calor• Sobrecarga de los generadores,

transformadores y líneas de distribución

El exceso de corriente debido a un bajo factor de potencia, ocasiona que los generadores, transformadores y líneas de distribución, trabajen con cierta sobrecarga y reduzcan su vida útil• Aumento de la caída de tensiónLa circulación de corriente a través de los conductores ocasiona una pérdida de potencia transportada por el cable, y una caída de entre las tensiones de origen y la que lo canaliza• Incremento en la facturación eléctricaDebido a que un bajo factor de potencia implica pérdidas de energía en la red eléctrica, el productor y distribuidor de energía eléctrica se ve en la necesidad de penalizar al usuario haciendo que pague más.

Corrección del Factor de Potencia

El factor de potencia es reducir el costo de energía reactiva en la factura de electricidad. Para lograr esto, es necesario distribuir las unidades capacitivas, dependiendo de su utilización, en el lado del usuario del medidor de potencia. Existen varios métodos para corregir o mejorar el factor de potencia, entre los que destacan la utilización de:• Alternadores sincrónicos• Compensadores sincrónicos• Compensadores estáticos• Bancos o baterías de condensadores

• Alternadores sincrónicos

Son las principales máquinas eléctricas utilizadas para la generación de energía eléctrica. Se puede actuar sobre la excitación del alternador para variar el valor de la tensión generada y, con ello, regular las aportaciones de potencia reactiva en la red

• Compensadores sincrónicos

Son motores sincrónicos que funcionan en vacío, puestos en sincronismo con la red, cuya única función es absorber la potencia reactiva excedente (funcionamiento en subexcitación) o bien proporcionar la potencia que falta (funcionamiento en sobreexcitación).

Compensador sincrónico en subexcitación

Compensador sincrónico en sobreexcitación

• Compensadores Estáticos

Los TSC ("thyristor switched capacitors") y los TCR ("thyristor controlled reactors"), una versión electrónica de los sistemas de compensación de energía reactiva basados en componentes electromecánicos

Los TSC permiten un control escalonado de la potencia reactiva suministrada por grupos de condensadores, mientras que con los TCR se puede controlar con continuidad la potencia reactiva absorbida por las inductancias.Con la instalación de un TSC y un TCR es posible llevar a cabo una regulación modulada con continuidad de la potencia reactiva producida/absorbida.

• Bancos o baterías de Condensadores

Aplicando una tensión alterna entre las armaduras, el condensador está sometido a ciclos de carga y descarga durante los cuales acumula energía reactiva (carga del condensador) para luego inyectarla al circuito al que va conectado (descarga del condensador).

Debido a su capacidad de acumular y suministrar energía, el condensador se utiliza como elemento de base para la realización de los bancos de corrección del factor de potencia y también para los dispositivos de regulación esta.

Tipos de conexiones para la CFP

Según la ubicación del banco de condensadores, los métodos de corrección son:

Corrección Del Factor De Potencia Distribuida Corrección Del Factor De Potencia Por Grupos Corrección Del Factor De Potencia Centralizada Corrección Del Factor De Potencia Mixta

Corrección Del Factor De Potencia Distribuida

La corrección distribuida se realiza conectando el banco de condensadores directamente a los terminales del dispositivo que necesita la potencia reactiva. La instalación es sencilla y poco costosa.Este tipo de corrección es aconsejable para grandes aparatos con carga y factor de potencia constantes y tiempos de conexión prolongados; por lo general, es utilizado para motores y lámparas fluorescentes.

Corrección Del Factor De Potencia Por Grupos

Consiste en corregir localmente un grupo de cargas con características de funcionamiento similares mediante la instalación de una batería de condensadores.

Corrección Del Factor De Potencia Centralizada

Es un sistema de corrección que se conecta al inicio de la red de distribución, esta conectado en instalaciones con muchas cargas, en las que todos sus elementos funcionan de forma simultánea y algunos están conectados sólo unas pocas horas al día. El uso de una batería conectada permanentemente sólo es posible si la absorción de energía reactiva es lo suficientemente constante durante todo el día.

Corrección Del Factor De Potencia Mixta

Esta solución deriva de un compromiso entre las soluciones de corrección distribuida y centralizada, combinando las ventajas de ambos. De esta forma, se utiliza la corrección distribuida para los aparatos eléctricos de mayor potencia, y la centralizada para la parte restante.

Corrección Del Factor De Potencia Automática

Como en las instalaciones no hay una absorción constante de potencia reactiva, entonces se emplean sistemas de corrección automáticos que, por medio de un sistema de detección de tipo varimétrico y de un regulador del factor de potencia, permiten la inserción o la desconexión automática de las diferentes baterías de condensadores, siguiendo de esta forma las variaciones de la potencia reactiva absorbida y manteniendo constante el factor de potencia de la instalación.

Determinación de la potencia reactiva necesariaUna vez conocido el factor de potencia de la instalación (cosϕ1) y el que se quiere obtener (cosϕ2), mediante un cosfímetro o mediante la fórmula:

Se es posible determinar la potencia reactiva necesaria de la batería de condensadores para alcanzar la corrección.

Dado queQ1= P.tg(ϕ1) Q2= P.tg(ϕ2)

La potencia de la batería de condensadores Qc

es igual a:

Qc= Q1 - Q2 = P.tg(ϕ1) - P.tg(ϕ2)= P.( tg(ϕ1) - tg(ϕ2) )

Donde K es un coeficiente dado por la siguiente tabla

O también por el siguiente nomograma

Para cada condensador:

Del cual se desprende que:

Teniendo los condensadores en disposición delta

Y en disposición estrella

Ventajas Técnicas De La Corrección Del Factor De Potencia

Al aplicar la corrección en una instalación, proporcionando localmente la potencia reactiva necesaria, se reduce el valor de la corriente y por tanto potencia consumida; esto conlleva numerosas ventajas, entre ellas, un uso optimizado de las máquinas (generadores y transformadores) y de las líneas eléctricas (transmisión y distribución).

Uso mejorado de las maquinas eléctricasLos generadores y los transformadores son dimensionados a partir de la potencia aparente S. Ésta, a igual potencia activa P, es más pequeña cuanto menor es la potencia reactiva Q suministrada. Por lo tanto, compensando la instalación, las máquinas pueden ser dimensionadas en relación con una potencia aparente inferior, aun proporcionando la misma potencia activa.

En la tabla se muestra la variación de la potencia transmitida para transformadores trifásicos en función del cosϕ del consumidor.

Tabla de capacidad de corriente en cables unipolares de cobre en bandeja perforada

Uso mejorado de las líneas eléctricasLa corrección del factor de potencia permite obtener ventajas también con respecto al dimensionamiento de los cables. Al aumentar el factor de potencia se reduce la corriente al igual que la potencia consumida. Esta reducción de la corriente puede permitir la elección de conductores de sección o grosor inferior.

Reducción de las pérdidas en los conductores

Las pérdidas de potencia en un conductor eléctrico dependen de la resistencia del conductor y del cuadrado de la corriente que lo atraviesa; así como es proporcional a la potencia reactiva, al realizar la corrección del factor de potencia reducimos la potencia reactiva y por tanto las perdidas en las líneas conductoras que están hacia arriba del lugar donde esta dada la corrección.

La reducción de las pérdidas pΔ , una vez efectuada la compensación, viene dada por:

Ventajas Económicas De La Corrección Del Factor De PotenciaLos distribuidores de energía eléctrica aplican un sistema de tarifas que sanciona el consumo de energía con un factor de potencia medio mensual inferior a 0.9.Los contratos aplicados son diferentes dependiendo del país y también pueden variar en función del tipo de cliente.Podemos poner como ejemplo México que en 1991 según el caso de que el factor de potencia tenga un valor superior a 0.9, el suministrador tendrá la obligación de bonificar al usuario la cantidad que resulte de aplicar a la factura el porcentaje de bonificación según la siguiente formula:

Los valores resultantes de la aplicación de estas fórmulas se redondearán a un solo decimal, por defecto o por exceso, según sea o no menor que 5 (cinco) el segundo decimal.En ningún caso se aplicarán porcentajes de bonificación superiores a 2.5 %. Las bonificaciones se aplican a usuarios domésticos, residenciales o industriales