Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
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¿Qué es el factor de potencia?
En ingeniería eléctrica, el factor de potencia (PF) de un sistema de energía eléctrica de CA se define como la relación entre la potencia de trabajo (medida en kilovatios, kW) absorbida por la carga y la potencia aparente (medida en kilovoltios amperios, kVA) que fluye a través del circuito. El factor de potencia es un número adimensional en el intervalo cerrado de -1 a 1.
El factor de potencia «ideal» es uno (también denominado «unidad»). Esto es cuando no hay potencia reactiva a través del circuito y, por lo tanto, la potencia aparente (kVA) es igual a la potencia real (kW). Una carga con un factor de potencia de 1 es la carga más eficiente del suministro.
Dicho esto, esto no es realista, y el factor de potencia será en la práctica menor que 1. Se utilizan varias técnicas de corrección del factor de potencia para ayudar a aumentar el factor de potencia a este estado ideal.
Para ayudar a explicar esto mejor, demos un paso atrás y hablemos sobre qué es el poder.
El poder es la capacidad de trabajar. En el dominio eléctrico, la energía eléctrica es la cantidad de energía eléctrica que se puede transferir a alguna otra forma (calor, luz, etc.) por unidad de tiempo.
Matemáticamente, el factor de potencia es el producto de la caída de voltaje a través del elemento y la corriente que fluye a través de él.
Considerando primero los circuitos de CC , que tienen solo fuentes de voltaje de CC , los inductores y condensadores se comportan como cortocircuitos y circuitos abiertos respectivamente en estado estable.
Por tanto, todo el circuito se comporta como un circuito resistivo y toda la potencia eléctrica se disipa en forma de calor. Aquí el voltaje y la corriente están en la misma fase y la potencia eléctrica total viene dada por:
Ahora, llegando al circuito de CA, aquí tanto el inductor como el capacitor ofrecen una cierta cantidad de impedancia dada por:
El inductor almacena energía eléctrica en forma de energía magnética y el condensador almacena energía eléctrica en forma de energía electrostática. Ninguno de los dos lo disipa. Además, hay un cambio de fase entre el voltaje y la corriente.
Por lo tanto, cuando consideramos el circuito completo que consta de una resistencia , un inductor y un condensador, existe alguna diferencia de fase entre el voltaje de la fuente y la corriente.
El coseno de esta diferencia de fase se llama factor de potencia eléctrica . Este factor (-1 <cosφ <1) representa la fracción de la potencia total que se utiliza para realizar el trabajo útil.
La otra fracción de energía eléctrica se almacena en forma de energía magnética o energía electrostática en el inductor y el condensador, respectivamente.
La potencia total en este caso es:
Esto se llama potencia aparente y su unidad es VA (Volt-Amp) y se denota por ‘S’. Una fracción de esta potencia eléctrica total que hace nuestro trabajo útil se llama potencia activa. Lo denotamos como ‘P’.
P = Potencia activa = Potencia eléctrica total cosφ y su unidad es el vatio.
La otra fracción de potencia se llama potencia reactiva. La potencia reactiva no realiza ningún trabajo útil, pero es necesaria para realizar el trabajo activo. Lo denotamos con ‘Q’ y matemáticamente viene dado por:
Q = Potencia reactiva = Potencia eléctrica total sinφ y su unidad es VAR (Volt-Amp Reactive). Esta potencia reactiva oscila entre la fuente y la carga. Para ayudar a comprender esto mejor, todos estos poderes están representados en forma de triángulo.
Matemáticamente, S 2 = P 2 + Q 2, y el factor de potencia eléctrica es potencia activa / potencia aparente.
Mejora del factor de potencia
El término factor de potencia solo aparece en los circuitos de CA. Matemáticamente es el coseno de la diferencia de fase entre el voltaje y la corriente de la fuente. Se refiere a la fracción de la potencia total (potencia aparente) que se utiliza para realizar el trabajo útil llamado potencia activa.
Necesidad de mejorar el factor de potencia
- La potencia real está dada por P = VIcosφ. La corriente eléctrica es inversamente proporcional al cosφ para transferir una determinada cantidad de energía a un cierto voltaje . Por lo tanto, mayor será el pf menor será la corriente que fluye. Un flujo de corriente pequeño requiere un área de sección transversal menor de conductores y, por lo tanto, ahorra conductores y dinero.
- De la relación anterior, vemos que tener un factor de potencia deficiente aumenta la corriente que fluye en un conductor y, por lo tanto, aumenta la pérdida de cobre. Se produce una gran caída de voltaje en el alternador, el transformador eléctrico y las líneas de transmisión y distribución, lo que produce una regulación de voltaje muy deficiente.
- La clasificación de KVA de las máquinas también se reduce al tener un factor de potencia más alto, según la fórmula:
Por lo tanto, también se reducen el tamaño y el costo de la máquina.
Es por eso que el factor de potencia eléctrica debe mantenerse cerca de la unidad: es significativamente más barato.
Métodos de mejora del factor de potencia
Hay tres formas principales de mejorar el factor de potencia:
- Bancos de condensadores
- Condensadores sincrónicos
- Avanzadores de fase
Bancos de condensadores
Mejorar el factor de potencia significa reducir la diferencia de fase entre voltaje y corriente. Dado que la mayoría de las cargas son de naturaleza inductiva, requieren cierta cantidad de potencia reactiva para que funcionen.
Un condensador o banco de condensadores instalado en paralelo a la carga proporciona esta potencia reactiva. Actúan como una fuente de energía reactiva local y, por lo tanto, fluye menos energía reactiva a través de la línea.
Los bancos de condensadores reducen la diferencia de fase entre el voltaje y la corriente.
Condensadores sincrónicos
Los condensadores síncronos son motores síncronos trifásicos sin carga unida a su eje.
El motor síncrono tiene las características de operar bajo cualquier factor de potencia adelantado, retrasado o unitario dependiendo de la excitación. Para cargas inductivas, un condensador síncrono está conectado hacia el lado de la carga y está sobreexcitado.
Los condensadores síncronos hacen que se comporte como un condensador. Extrae la corriente retrasada del suministro o suministra la potencia reactiva.
Avanzadores de fase
Este es un excitador de CA que se utiliza principalmente para mejorar el FP de un motor de inducción .
Están montados en el eje del motor y están conectados al circuito del rotor del motor. Mejora el factor de potencia proporcionando las excitantes vueltas de amperios para producir el flujo requerido a la frecuencia de deslizamiento dada.
Además, si aumentan los amperios-vueltas, se puede hacer que funcione con el factor de potencia principal.
Cálculo del factor de potencia
En el cálculo del factor de potencia , medimos el voltaje de la fuente y la corriente consumida usando un voltímetro y un amperímetro, respectivamente. Se usa un vatímetro para obtener la potencia activa.
Ahora, sabemos que P = VIcosφ vatio
Por tanto, podemos obtener el factor de potencia eléctrica.
Ahora podemos calcular la potencia reactiva Q = VIsinφ VAR
Esta potencia reactiva ahora se puede suministrar desde el condensador instalado en paralelo con la carga en local. La potencia reactiva de un condensador se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
IMPORTANTE: En la mejora del factor de potencia , el requisito de potencia reactiva de la carga no cambia. Simplemente es suministrado por otros dispositivos, lo que reduce la carga de la fuente para proporcionar la potencia reactiva requerida.
