Compensación de factor de potencia (CFP) - PARTE 1

Actualmente, la mayoría de los equipos, que podemos encontrar en nuestros hogares, industrias, o entorno laboral, se pueden destacar en función de dos tipos de consumos de potencia, las cuales son:

1. Potencia activa [kW]

2. Potencia reactiva [Kvar]

La primera se relaciona con la energía absorbida de la red, la cual los equipos transforman en otros tipos de energía, tales como: lumínica, mecánica, o en forma de calor, que a su vez resultan ser partes inherentes de la aplicación o función destinada.

Ejemplo sencillos de estos casos, son una lampara incandescente, una plancha eléctrica, o un lavarropa, etc.

Fig. 1 - Artefactos eléctricos: a) Lampara Incandecente, b) Estufa, c) Motor eléctrico

Sin embargo, al considerar los avances tecnológicos, en las ultimas décadas, se puede observar que casi todos los artefactos, hoy en día, incluyen componente eléctricos reactivos como bobinas y/o capacitores.

PERO... ¿Qué relevancia tienen las bobinas o capacitores en CFP?

Bueno, en realidad, no es la cantidad o la inclusión en si, sino de la necesidad de crear y mantener campos magnéticos y/o eléctricos, para poder cumplir con su función.

Y es aquí en donde, presentamos el concepto de Potencia Reactiva.

En resumen, podemos decir que la potencia reactiva es la energía requerida para mantener los campos magnéticos y eléctricos presentes en ciertos equipos. Por ejemplo:

• Transformadores que ajustan niveles de tensión

• Motores, donde el estator crea el campo magnético necesario para el giro

Entonces, ¿Existe alguna manera de relacionar estos conceptos?

Si, y es gracias al Triangulo de potencia, la cual podemos sacar algunas observaciones interesantes. Primero, es que este grafico, consiste en representar ambas potencias descriptas en un plano ortogonal. Luego, podemos mencionar que ambos consumos son componentes de un fasor llamado potencia aparente, y debido a la naturaleza y comportamiento de estos elementos(inductores y capacitores), se puede observar que la potencia reactiva es perpendicular a la potencia activa. Por lo cual, ambas potencias juegan un rol importante en el funcionamiento de los equipos.

Fig.2 - Triángulo de potencia

Pero ahora, se menciona otro tipo de consumo, entonces; ¿Qué es la potencia aparente?

Bueno, vendría a representar el consumo total de una carga. Es una magnitud comúnmente utilizada por fabricantes para indicar el consumo eléctrico total del equipo, ya que contempla tanto la potencia activa como la reactiva.

Por otro lado, debemos tener en cuenta lo siguiente:

El tener un nivel elevado de potencia reactiva, contribuye a elevar el consumo total de un equipo y por consiguiente su corriente absorbida por la red distribuidora.

Como veremos más adelante, esto incide directamente en:

• Caídas de tensión

• Pérdidas en conductores

• Dimensionamiento de protecciones

• Selección de secciones de cables

Factor de potencia - (FP)

Por todo esto, es necesario contar con algún parámetro que nos permita relacionar o dimensionar el consumo de potencia reactiva, dicho concepto lo llamamos "factor de potencia", y es la relación entre el nivel de potencia reactiva frente al consumo de potencia aparente. Dicho parámetro, viene a ser un indicador fundamental, dado que nos permite concluir acerca del rendimiento de un equipo respecto a su consumo eléctrico.

Como podemos ver en el grafico del triangulo de potencia, el FP representa ni mas ni menos que el coseno del ángulo, por lo cual su rango se encuentra entre [0,1].

Ahora entraremos en lo más importante de este tema:

¿Qué significa exactamente compensar el factor de potencia?, y ¿por que tiene tanta relevancia en la industria eléctrica?

Bien..... pues podemos decir que compensar el nivel de factor de potencia de una instalación o carga especifica, significa, disminuir el nivel de potencia reactiva, que este equipo absorbe de la red, a fin de descomprimir o liberar a la red de dicho consumo.

Respecto a la segunda pregunta, la compensación del FP, juega un rol importante, debido a que otorga beneficios tanto para el usuario, como para la empresa prestadora de servicio. Sin embargo, es mas importante entender primero o enfocarse en las consecuencia o efectos que tiene sobre la red distribuidora. Dado, que es la responsable de suministrar energía a distintas zonas y usuarios.

Primero, para la empresa distribuidora del servicio eléctrico. resulta perjudicial que un usuario tenga un FP bajo, debido a que indica un elevado consumo de potencia reactiva. Considerando, que dicha potencia se puede suministrar mediante la incorporación de elementos reactivos (bobinas, capacitores, etc), se puede concluir que bajo esta situación tenemos un desaprovechamiento del sistema o red, dado que ese aporte en potencia aparente se puede destinar a otros o futuros usuarios de la red. Mientras que, como vimos anteriormente el aporte de esta potencia contribuye a tomar mas recaudos en el diseño o dimensionamiento de la red, lo cual, se puede ver reflejado en los siguientes factores:

1. Caídas de tensión.

2. Perdidas o disipación de potencia en los conductores o líneas del sistema eléctrico.

3. Dimensionamiento de las protecciones, seccionadores requeridos.

4. Optimización de la sección de cables eléctricos.

Lo cual incurre, en invertir capital para solventar estos sobre dimensionamientos, como consecuencias del bajo rendimiento o FP de un usuario.

Por esto y mas motivos, cada organismo estatal y colegio profesional correspondiente adoptan un sistema y valores de referencias, que de acuerdo a este caso para Argentina, y especificamente para la provincia de Salta, establecer un valor limite de FP de 0,95. El cual, bajo situación de incumplimiento, la empresa proveedora del Servicio, cuenta con la capacidad de aplicar sanciones y multas correspondientes al usuario por contribuir negativamente el uso y aprovechamiento del sistema eléctrico compartido.

Entonces, un bajo valor de factor de potencia, representa un consumo apreciable de potencia reactiva, lo necesario para caer en la situación de incumplimiento descripto anteriormente. Por lo cual, debemos aportar dicha potencia desde otra fuente, a fin de disminuir el nivel de potencia reactiva, demandado de la red distribuidora. De esta manera, lograremos disminuir el ángulo de desfasaje en el triangulo de potencia, provocando que el coseno(phi) aumente su valor, obteniendo un FP mas cercano al 0,95 exigido.

Y esto se logra mediante la incorporación de bancos de capacitores a nuestra instalación eléctrica.

Ahora que comprendemos su importancia, vamos a ver como calcular los capacitores necesarios para compensar el FP.

Calculo para la compensación de factor de potencia:

Para empezar, necesitamos conocer los siguientes datos de nuestra instalación o artefacto:

• Potencia activa: en KW o W.

• fp actual.

• frecuencia de red: 50 Hz (Argentina)

Por medio de la siguiente formula podemos obtener la potencia reactiva necesaria que debe tener nuestro banco de capacitores:

Eq. 1 - Calculo de potencia reactiva del banco de capacitores

Luego, necesitamos identificar que tipo de suministro tenemos, si se trata de un sistema trifásico o monofásico. Para el primer caso, el valor obtenido corresponderá al necesario para un único capacitor, mientras que para la segunda instalación, corresponderá al valor de potencia reactiva que deberá tener el banco de capacitor trifásico.

Después, Para conexión trifásica, el banco puede conectarse en estrella o triángulo:

• En triángulo se aplica tensión de línea a cada capacitor

• En estrella cada capacitor recibe la tensión de fase

Para este tema en particular, podemos destacar los siguientes aspectos:

Fig 4. a- Banco trifásico de capacitores conectado en triángulo, b- Banco de capacitores conectados en estrella

En la configuración en triángulo podemos observar que la tensión aplicada a cada capacitor corresponde a tensión de línea, mientras que en conexión estrella cada condensador tiene aplicado la tensión de fase a neutro, como resultado de tratarse de una conexión equilibrada.

A continuación, usamos la siguiente formula para obtener el valor del capacitor requerido:

Eq 2.- Formula de obtención para el valor de capacitancia del banco de capacitores

Vamos a ver con un ejemplo como realizar la compensación de factor de potencia:

Ejemplo de cálculo:

Tenemos una instalación eléctrica el cual tiene contratado un suministro trifásico en secuencia directa, tiene un consumo total de 47kW con un fp de 0.79 en atraso.

Calcular la potencia del banco de capacitores requerido para elevar el fp a 0,95.

Datos:

• UL=400[V]

• fp=0.79 en atraso

• P= 47kW

  
  

¿Qué significa un FP en atraso?

Para responder esta pregunta, primero aclaramos que las cargas eléctricas pueden estudiarse según su comportamiento o carácter predominante.

Como sabemos tenemos tres tipos de elementos o componentes eléctricos fundamentales: la resistencia, el inductor y el capacitor.

La resistencia es un componente que se caracteriza por tener el fasor de corriente que circula a través de ella con el mismo ángulo de fase que el fasor de tensión que cae en bornes del resistor.

Luego, tenemos las bobinas que se caracterizan por tener un desfasaje de 90° en donde el fasor de tensión adelanta a la corriente.

Por último, y en contraposición con el inductor, se encuentran los capacitores, los cuales tienen un fasor de corriente en adelanto de 90°, con el fasor de tensión aplicado en sus correspondientes bornes.

Por otro lado, podemos considerar que la mayoría de cargas pueden ser descriptas como una superposición de componentes resistivos y reactivos, y que de dicha combinación obtendremos dos componentes netas, una activa(o resistiva) y reactiva(bobinas o capacitores), las cuales se encuentran incorporadas dentro del fasor de impedancia correspondiente.

Por ende, si decimos que una carga tiene un carácter predominantemente inductivo, nos referimos a que, en referencia al comportamiento de un inductor puro, dicha carga posee un fasor de corriente en atraso respecto del fasor de tensión que la alimenta.

En cambio, si tenemos una carga con carácter capacitivo, la corriente se encuentra en adelanto respecto de la tensión.

Con todo esto, estamos listos para decir que un FP en atraso significa que la carga tiene carácter inductivo, donde la corriente está retrasada respecto de la tensión. Un FP en adelanto indicaría un comportamiento más similar al de un capacitor, donde la corriente adelanta a la tensión.

Es decir que, los términos “adelanto” o “atraso” hacen referencia a la posición fasorial de la corriente respecto del voltaje aplicado en la carga.

Retomando el ejemplo.....

Entonces al tener un fp = 0,79 sabemos que tiene un comportamiento inductivo.

Recordando, que el factor de potencia es el coseno del ángulo de desfase en el triángulo de potencia podemos, el cual corresponde al ángulo de impedancia total. Obtenemos el ángulo de desfasaje de la siguiente manera:

φ-inicial=arc cos(fp-inicial)=arc cos(0,79)

Pero...., existen dos posibilidades tener un ángulo positivo o negativo, es decir ser 37,8° o -37,8°. La elección del mismo, se hará en función del tipo de fp mencionado, que al ser inductivo debemos considerar el ángulo positivo +37,8° ya que indicaría un adelanto del fasor tensión por sobre la corriente.

Ahora realizamos el mismo procedimiento, para encontrar el ángulo correspondiente a un fp de 0,95.

φ-final=arc cos(fp-final)=arc cos(0,95)=18,19°

Ahora calculamos la potencia reactiva del banco de capacitor necesario, mediante la ecuación:

Qc=P*(tan(ángulo phi-inicial)-tan(ángulo phi-final)

Qc=47000[W]*( tan(37,8°)-tan(18,19°))=21013 [VAR]

Ahora procedemos a calcular el valor de cada capacitor del banco trifasico para esto vamos a considerar que el banco de capacitores esta conectado en triángulo, por lo cual tiene aplicada una tensión de alimentación de linea de 400V. Por esto, a continuación calculamos de la siguiente manera la capacitancia correspondiente:

Q1c = Qc/3=21000/3= 7000 [VAR]

C= 7000 / (2*pi*f*(U)^2) = 7000 / (2*pi*50*(400)^2)

C=139 [uF]

De esta manera, obtenemos los siguientes requerimientos del banco de capacitores buscado:

1. Un=400Vac

2. Conexión Triángulo

3. f=50Hz

4. Q=21 [KVAR]