Varplus: Bancos de condensadores [1/3]

¿Qué es el factor de potencia?

Factor de potencia es un parámetro de desempeño energético que es muy importante conocer, ya que se encuentra en todas las industrias, en todos los edificios comerciales que consumen energía.

Cuando la corriente alterna (AC) se transporta a través del sistema de generación, transmisión y distribución existen 2 tipos de energía que se consumen:

1. Potencia activa - Energía útil.
2. Potencia reactiva - Energía inútil, pero es importante para generar campo magnético en dispositivos inductivos y capacitivos.

El concepto de potencia reactiva se manifiesta en la segunda revolución industrial con un invento de Nicola Tesla llamado motor inductivo que necesita campo magnético para su funcionalidad.

El factor de potencia es una relación entre la potencia activa y la potencia aparente consumida. La proporción ideal del factor de potencia siempre está cerca de unidad, cuando se consume un exceso de potencia reactiva, el factor de potencia tiende a alejarse del ideal.

Explicación con ejemplos de cerveza

El ejemplo común para explicar el factor de potencia es el vaso con cerveza que tiene la siguiente representación:

• Vidrio: Capacidad de la red eléctrica o del equipo
• Líquido: Potencia activa [kW]
• Espuma: Potencia reactiva [kVAR]
• Líquido + Espuma: Potencia aparente [kVA]

En el caso 1 el consumo de potencia activa y potencia reactiva es casi el mismo. La capacidad de la red eléctrica o del equipo casi superada. Esta es la eficiencia energética que no se busca.

En el caso 2 solo se consume potencia activa y la potencia reactiva se consume mínimamente, la capacidad de la red eléctrica o del equipo es liberada. Ésta es la eficiencia energética que se busca.

Explicación con ejemplos de triángulos

Otro ejemplo común para explicar el factor de potencia es en forma de triángulos, donde también se puede explicar el concepto de desfase (ángulo φ).

La corriente tiende a retrasarse detrás de la tensión debido al efecto inductivo, creando un ángulo de desfase entre la corriente y la tensión denominada como ángulo φ.

 

En el caso 1, el ángulo φ es mayor, lo que significa que se consume mucha potencia reactiva que genera desfase. Esta es la eficiencia energética que no se busca.

En el caso 2, el ángulo φ es casi invisible, lo que significa que no se consume potencia reactiva. la onda de corriente y tensión está sincronizada. Ésta es la eficiencia energética que se busca.

Explicación de Cos φ

Cos φ es factor de potencia y indica la eficiencia de la red eléctrica. Puede definirse como una relación entre la potencia aparente y la potencia activa consumida, cuanto más potencia activa es en potencia aparente, más eficiente es la red eléctrica.

La fórmula para Cos φ es la siguiente:

Cuanto más cos φ esté más cerca de unidad, más eficiente será la red eléctrica. Si el cos φ tiende a alejarse de unidad, menos eficiente es la red eléctrica.

¿Cuáles son los efectos del factor de potencia (cos φ) bajo?

En el siguiente ejemplo se explica los efectos del factor de potencia (cos φ) bajo : Hay 3 plantas de bebidas que fabrican la misma cantidad de gaseosas y consumen la misma cantidad de potencia activa (P1, P2 y P3), pero consumen diferente cantidad de potencia reactiva (Q1, Q2 y Q3).

• La planta nº 1 está en un estado ideal, el consumo de potencia reactiva es el más bajo. El ángulo φ1 es el más pequeño. La eficiencia energética (cosφ1) es la mejor.
• En la planta nº 2 el consumo de potencia reactiva es mayor y debería preocuparnos. El ángulo φ2 es mayor que el ángulo φ1. La eficiencia energética de la planta nº 2 (cosφ2) es peor que la de la planta nº 1 (cosφ1)
• La planta nº 3 se encuentra en estado crítico ya que el consumo de potencia reactiva es el más alto. El ángulo φ3 es el más grande. La eficiencia energética (cosφ3) es la peor.

Se puede observar que la importancia de analizar el factor de potencia es fundamental en la industria.

¿Cuáles son las ventajas de la corrección del factor de potencia?

1. Cuando se reduce la potencia reactiva (kVAR), se reduce la potencia aparente (kVA) y se genera la energía eficiente para utilizarla.*
2. Cuando se reduce la potencia aparente (kVA), la capacidad del transformador, la corriente de línea (A) y las facturas se reducirán
3. Cuando se reduce la corriente de línea, también se reducirán las capacidades de los interruptores, los cables, las barras colectoras y las pérdidas debidas al efecto Joule.

*El sistema de generación, transmisión y distribución denominado como sistema eléctrico interconectado se vuelve más eficiente, porque la potencia reactiva que no consume nuestra instalación es liberada para otros usuarios conectados a la red eléctrica.

¿Cuándo se aplica el factor de potencia?

 El factor de potencia se aplica en diferentes escenarios como en la búsqueda de:

• Ahorrar la energía
• Eficiencia energética
• Desempeño energético - orientado a la certificación ISO 50001
• Gestión de energía
• Auditorías energéticas
• Tarifas eléctricas - para determinar un tipo de tarifa ya sea para usuario libre o para usuario regulado
• Calidad de energía - para determinar el efecto de perturbaciones como armónicos
• Proyectos - para determinar el factor de potencia futuro de proyectos de ampliación o de nuevas plantas.

¿Cuáles son las cargas inductivas más comunes?

Las cargas inductivas más comunes que se pueden encontrar en la industria o en el edificios comerciales son las siguientes: 

• Ventiladores
• Compresores
• Bombas
• Bobinadores
• Extractores
• Elevadores
• Trefiladores
• Molinas

¿Qué es la compensación reactiva?

Más cargas inductivas tiene la instalación, más corriente se transporta a la instalación desde la red eléctrica, lo que significa que se consume más potencia activa pero también más potencia reactiva.¿Cuáles son los efectos de consumir más corriente?

• Pérdidas adicionales: Pérdidas en bobinado y campo magnético debido al efecto Joule.
• Envejecimiento prematuro del equipo: la vida útil del transformador, cables y barras se reduce para soportar más corriente que su capacidad.
• Mayores costos de electricidad: 
• Los proveedores de luz limitan el consumo de potencia reactiva, si se consume un exceso de potencia reactiva, será penalizado.
• A medida que se consume más corriente, los transformadores, cables y barras se sobredimensionan
• Fluctuaciones de tensión: Cuando la potencia reactiva aumenta, los niveles de tensión también aumentan, lo que provoca inestabilidad de la tensión.
• Mayor emisión de CO2 - Por todos los efectos mencionados anteriormente

Pero hay un dilema...

¿Cómo consumir solo potencia activa para consumir menos corriente y no consumir potencia reactiva porque esta potencia no es útil, pero cómo cuando se necesita para generar el campo magnético de nuestras cargas inductivas? 

¿Cómo hacer que el factor de potencia (cos φ) sea lo más cercano posible a 1?

Aquí es donde nace el concepto de compensación de potencia reactiva donde se busca la compensación de la energía inútil.

 

Como se puede observar todo tipo de industrias necesitan un sistema de compensación de potencia reactiva porque su factor de potencia están muy lejos de la unidad.

¿Cuál es el factor de potencia permitido en Perú (cos phi)?

Según la imagen se puede observar que Perú es el país más demandado en busqueda compensación de potencia reactiva.

Cómo mejorar el factor de potencia - ejemplo teórico

En el siguiente ejemplo se puede apreciar el concepto de compensación de potencia reactiva desde el sistema de generación hasta el usuario final con la demanda de la carga de 100 kVA.

De no existir un sistema de compensación de potencia reactiva integrado en la red eléctrica de usuario final, el usuario consumiría 80kW de potencia activa y 60 kVAr de potencia reactiva del sistema de generación.

Si existe un sistema de compensación de potencia reactiva integrado en la red eléctrica del usuario final, la potencia reactiva se entrega al banco de condensadores y liberará 20 kVA para otros usuarios conectados a la red de transmisión.

Con el aumento del consumo de electricidad, la disponibilidad de energía puede verse amenazada. Por esa razón existe un límite de consumo máximo de potencia reactiva del usuario final para ayudar a la red eléctrica a tener una mayor disponibilidad de potencia activa para otros usuarios.

El sistema de compensación de potencia reactiva con aplicación de banco de condensadores es la solución para este problema.

Cómo mejorar el factor de potencia - ejemplo con triángulo

Esta diagrama de triángulo ya es muy familiar, ya que se utilizó para explicar el ángulo φ. En este ejemplo se puede apreciar la formula para calcular la capacidad de sistema de compensación de potencia reactiva.

La capacidad de compensación de potencia reactiva a través de un banco de condensadores [Qc] depende de la potencia activa de la red del usuario [P], de su factor de potencia existente [Q1] y del factor de potencia objetivo [Q2].

Ya se sabe que el factor de potencia mínimo exigido al usuario final regulado en Perú es 0,96 pero se recomienda tener un factor de potencia objetivo de 0,98. Pero, ¿cómo determinar la potencia activa [P] y el factor de potencia existente [Q1] en la instalación del usuario final? De esto hablaremos en la próxima parte del artículo Varplus