Fundamentos teóricos: Factor de Potencia

Conocer el Factor de Potencia o cos (phi) y saber cómo poder obtener o medir el Factor de Potencia de una carga o instalación.

¿QUE ES EL FACTOR DE POTENCIA (FP)?

Se puede decir que es un indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. Es decir, es una medida de la eficiencia o rendimiento de un equipamiento eléctrico (ej.: motor, electrodoméstico, etc.).
El Factor de Potencia puede tomar valores entre 0 y 1, lo que significa que:

Por ejemplo: si el Factor de Potencia (FP) es 0,85 (valor recomendado en Provincia de Buenos Aires) indica que del total de la energía obtenida desde la Distribuidora, sólo el 85 % de esa energía es aprovechada por los equipos eléctricos (Energía Activa), mientras que el 15 % restante es energía que se desaprovecha (Energía Reactiva).

Resumiendo el ejemplo, si tenemos una instalación eléctrica donde el FP = 1, diremos que aprovechamos al 100% la energía recibida desde la Distribuidora. Caso contrario, cuanto más bajo sea el FP, mayor energía desaprovecharemos.

Miremos el caso con un ejemplo no tan eléctrico:

El total del vaso es la POTENCIA APARENTE, conformada por la POTENCIA ACTIVA
y la POTENCIA REACTIVA. Ahora bien, sabiendo esto,

¿Por qué no tenemos aparatos, máquinas, electrodomésticos, iluminación, etc., que tenga el FP mayor que 0,85 o igual a 1?

En artefactos tales como lámparas incandescentes (de filamento, ya fuera de circulación), planchas, calefón, horno eléctrico y estufas eléctricas, toda la energía que requieren para su funcionamiento se transforma en energía lumínica o energía calórica, en estos casos el Factor de Potencia toma valor 1 (100 % energía activa).

En otros artefactos, por ejemplo lavarropas, heladeras, equipos de aire acondicionado, ventiladores y todos aquellos que poseen un motor o bobinas para su funcionamiento, como también los tubos fluorescentes, entre otros, una parte de la energía se transforma en energía mecánica, frío o calor, luz o movimiento (energía activa), y la parte restante requiere otro tipo de energía, llamada energía reactiva, que es necesaria para su propio funcionamiento, en campos electromagnéticos. En estos casos, el Factor de Potencia toma valores menores a 1.

¿Cuáles son las consecuencias de un bajo factor de potencia?

Un bajo factor de potencia produce una mayor circulación de corriente eléctrica en sus instalaciones y en la red de distribución, trayendo consigo daños por efectos de sobrecargas. Esto también provoca variaciones de tensión, afectando el rendimiento y funcionamiento de sus artefactos eléctricos.

Provoca daños por efecto de sobrecargas.

Aumentan las pérdidas por recalentamiento.

Aumenta la potencia aparente entregada por el transformador para igual potencia activa utilizada. (Es decir disminuye su capacidad de alimentación de cargas).

¿Cuál es el valor aceptable de factor de potencia según la norma vigente?

En la provincia de Buenos Aires, el valor aceptable para FP es igual a o mayor a
0,85, de acuerdo al régimen tarifario vigente del Marco Eléctrico Regulatorio de la
Provincia en Artículo 3 Factor de potencia

Observación: Cuando el valor de Energía Reactiva supera el 63% de la Energía Activa, se comienza a tener excedente de esta energía.

¿Cómo se corrige el bajo factor de potencia?

El bajo factor de potencia o el consumo de energía reactiva, se corrige instalando correctamente en sus artefactos eléctricos elementos llamados capacitores, los cuales contrarrestan el efecto de energía reactiva y elevan el factor de potencia a valores aceptables.

¿Cómo y qué se factura?

Observando la factura de energía eléctrica se puede ver el detalle del con sumo de energía Activa y Reactiva (en suministros con medidor digital). En la facturación para un inmueble residencial, el consumo tenido en cuenta para facturar, es la Energía Activa (medida en kWh/mes). Por su parte la Energía Reactiva se mide para controlar el FP promedio del usuario.

Cuando un suministro se encuentra con bajo FP (menor a 0,85), desde la Distribuidora se notifica su valor al usuario y un plazo de 60 días para su corrección. Caso contrario se cobra penalidad (Excedente de energía Reactiva). El recargo varía según el valor de FP y se aplica al total de energía eléctrica (cargo fijo + cargo variable en $):
Ejemplo de Usuario con baja Energía Reactiva consumida (Usuario con tarifa T1R1:

Ejemplo de Usuario con exceso de consumo de Energía Reactiva (Usuario con tarifa
T1G1):

exceso de consumo de Energía Reactiva en la “Factura de Luz”

Total de Energía facturado = $283,61 + $957,38 = $1240,99

Exceso de Energía Reactiva = 10% de Energía Total = 10% x $1240.99 = $124,10

ACLARACIÓN: En ciertas bibliografías se menciona Factor de Potencia y Coseno de Phi, como la misma indicación; pero se debe aclarar que en ciertas ocasiones no resulta lo mismo. Esto se debe a instalaciones con presencia de componentes armónicas (debido a cargas no lineales como variadores de frecuencia, fuentes conmutadas, etc.). Aun así, los cálculos demuestran que en muchos casos, y más disponiendo de cargas que cumplen con las normas de compatibilidad electromagnética, el valor teórico del factor de potencia y coseno de phi es muy similar, pudiendo considerarlos idénticos en muchos casos.

¿Cuáles son las ventajas de corregir el Factor de Potencia?

REDUCCION DE RECARGOS EN FACTURAS: Para incentivar la compensación se aplican recargos o penalizaciones por exceso de energía reactiva.

REDUCCION DE CAIDAS DE TENSION: Se reduce la energía reactiva transportada por las líneas y por lo tanto la corriente que circula por dicha instalación.

REDUCCION DE SECCION DE CABLES: Al reducir la potencia reactiva que se toma de la red (distribuidora), se reduce la corriente que circula.

REDUCCION DE PERDIDAS: Provocadas por efecto Joule (calentamiento) en cables y transformadores.

Conocer cómo compensar o corregir el Factor de Potencia.

CORRECCIÓN O COMPENSACION DEL FACTOR DE POTENCIA

Lo que debemos lograr en una instalación es que funcione de forma segura y eficiente, para ello, una de las cuestiones es mantener el FP lo más compensado posible para evitar deficiencias en las instalaciones y el cobro por excedente de Energía Reactiva en la factura de energía eléctrica (Como se observaba en el recorte de factura de la ficha 3).

Los excesivos consumos de energía reactiva pueden ser compensados con CAPACITORES.

Éstos son elementos eléctricos que, instalados correctamente y con el valor adecuado, compensan la energía reactiva necesaria requerida por la instalación interior, elevando el Factor de Potencia por sobre los valores exigidos.

El método para obtener las características del capacitor que queremos instalar y luego corregir el FP, resulta de algunas deducciones matemáticas, más precisamente trigonométricas. Por lo que a continuación se mostrará de donde surge dicha deducción pero al finalizar se mostrará mediante una tabla, una forma sencilla de llegar a tal valor.

En definitiva lo que hace la instalación del capacitor es inyectar Potencia Reactiva (Qc) y de esta manera reducir del triángulo azul al triangulo rojo, así de esta forma se achica el ángulo (de ϕ1 a ϕ2), que da lugar al cos (phi) o FP.

Se puede observar una formula en recuadro rojo, Qc, la cual nos da la potencia reactiva que necesitamos agregar para corregir el FP. Es decir, la potencia reactiva de capacitores a instalar.

El valor de capacitor que se obtiene con la formula Qc, se indica en VAR (Volt Amper Reactivo).

Potencias activa y reactiva de red a carga

Recordemos!!!, como las resistencias tienen su unidad de medida que es el Ohm, los capacitores tienen su propia unidad para medir su capacidad

De carga o capacitancia, y es el FARADIO. Se indica con la letra F.

Y la equivalencia proviene de: 1 faraday es igual a una carga de 1 coulomb (C), cuando al capacitor se le aplica 1 volt de tensión.
Ahora, como las unidades de medida del capacitor son muy pequeñas, lo que se utiliza para abreviar los valores de capacidad son los “submúltiplos”.

Para los casos en particular que trabajaremos, las unidades más comunes de capacitores que encontraremos estarán expresados en “microfaradio”, “μF”. Luego para aplicaciones como por ejemplo electrónica, se utilizan valores aún más pequeños.

¿Qué datos se deben tener en cuenta al momento de adquirir un capacitor?

Existen distintos tipos de capacitores dependiendo de su utilización y de la capacidad que se desee manejar; para nuestro caso de capacitores para compensación de Energía Reactiva, los más comunes que se encontrarán serán los capacitores con dieléctrico de film de polipropileno metalizado autorregenerables (indicados para corrección de factor de potencia).
Pudiéndose aplicar a: Circuitos de iluminación con lámparas de descarga. Motores, Aires acondicionados, Heladeras

Las principales características a tener en cuenta son:

Capacidad: indicada en microfaradio “μF”

Tolerancia de capacidad: +/-5%; +/-10%.

Tensión eléctrica de servicio: deberá ser igual o mayor a 220V.

Frecuencia de trabajo: 50 / 60Hz.
Rango de temperatura: -25 / 85ºC Sello según norma IRAM 2170-1/2.

Servicio permanente.

¿Cómo se realiza la conexión del capacitor?

Cuando se compensa la potencia reactiva de una carga, haciéndolo con un capacitor, se suele instalar en PARALELO con la carga. Es decir, los bornes del capacitor se conectan a la fase y al neutro que alimenta dicha carga.

Ejemplo: Para un motor monofásico, la conexión del capacitor de compensación, se realiza en paralelo con los bornes de alimentación (fase – neutro). Recordaremos que los motores, suelen tener un capacitor instalado, dicho capacitor es para el arranque del motor; no cumple con la función de compensación.

Para compensaciones de grandes cargas, se suele indicar la capacidad de los capacitores en VAR (que es una unidad de potencia). Cuando estamos compensado cargas individuales y pequeñas, se suele indicar en su unidad de medida “Faradio”.

¿Cómo mejorar el factor de potencia?

Para que el factor de potencia se aproxime a uno (FP=1), la potencia aparente debe ser casi igual a la potencia activa, es decir que debería reducirse la potencia reactiva y de esa forma también el ángulo de desfasaje.
En la práctica no se busca el valor uno, ya que en caso de sobrecompensación podrían aparecer otros efectos no deseados y por lo tanto se realizan los cálculos para obtener valores tales como 0,90 o 0,95.

La potencia reactiva aparece debido a las cargas capacitivas y fundamentalmente a cargas inductivas (por ejemplo motores, bobinados, etc.).

Como muchas veces no es posible reducir las cargas inductivas, lo que podemos hacer es compensarlas con cargas capacitivas, de tal forma de que la diferencia entre ambas reactancias proporcione menor potencia reactiva y por lo tanto un mejor factor de potencia.

Recordemos que la potencia reactiva viene dada por la reactancia total, que se calcula como (XL-XC), es decir como la diferencia entre las reactancias inductiva y capacitiva. Por lo tanto para reducir la reactancia total, si no podemos eliminar las reactancias inductivas, lo que debemos hacer es tratar de igualarlas, de tal forma que la diferencia sea cercana a cero.

Se recuerda que los términos Reactancia Inductiva y Reactancia Capacitiva, son propiedades que caracterizan a los inductores y capacitores respectivamente, y que su característica es lo homologo a la resistencia eléctrica en dichos componentes.

¿Cómo obtener el capacitor preciso para realizar la compensación?

A partir del gráfico mostrado anteriormente, “determinación de la potencia reactiva para compensar”, se obtiene la potencia reactiva que aportará el capacitor o conjunto de capacitores, con el fin de reducir dicha potencia reactiva proveniente de la red y aportarla desde el capacitor.

Recordemos que realizaremos el cálculo de la potencia reactiva del capacitor con la idea de llevar el FP alrededor de 0,90 a 0,95.

Ejemplo de corrección del factor de potencia

Una instalación de 220V y 50 Hz consume una potencia activa de 4,5 kW (4500W) con un factor de potencia de 0,80 inductivo. Calcular el valor del capacitor que debería conectarse en paralelo con la misma para conseguir un factor de potencia de 0,90.

Solución:
Lo primero que hacemos es calcular el valor del ángulo de desfasaje inicial (Φ1) a partir del factor de potencia inicial (FP1). Sabemos que el factor de potencia es igual al coseno del ángulo y por lo tanto el ángulo lo calculamos con la función inversa del coseno.

El triángulo de potencia inicial lo podemos representar con la siguiente forma:

Forma de calcular la potencia reactiva inicial de la instalación. (Valor Q)

El ejercicio nos dice que se busca un factor de potencia de 0,9, por lo tant o calculamos el ángulo deseado.

Calculamos la potencia reactiva para este nuevo factor de potencia. Recordemos que la potencia activa no se modifica, por lo tanto para conseguir el nuevo factor de potencia lo que modificamos es la potencia reactiva.

Para conseguir un factor de potencia de 0,90 necesitamos una potencia reactiva de capacitores de 2,18 kVAR. Sin embargo la potencia reactiva actual de la instalación es de 3,38 kVAR. Calculamos la diferencia entre ambas potencias, es decir el número en el que deberíamos reducir la potencia reactiva actual.

Para reducir la potencia reactiva en 1,2 kVAR utilizamos un capacitor que genere una potencia reactiva de sentido contrario a la inductiva de la instalación.

Si se desea conocer el valor del capacitor en FARADIOS, se sigue lo siguiente:

El valor de la capacidad lo calculamos con la siguiente expresión:

C=QcV2.

Calculamos primero la velocidad angular.

Calculamos la capacidad:

ACLARACION: el mismo procedimiento puede ser realizado de forma más simplificada, acudiendo a tablas con valores pre-calculados, para reducir los cálculos.

En las siguientes tablas, se debe tener en cuenta el valor de FP que tenemos (sin compensar) y el valor de FP al que deseamos llevar finalmente (compensado). Luego solo necesitamos el valor de Potencia Activa de la instalación
que está en juego.

Veamos con un ejemplo como utilizar las tablas:

Del ejemplo anterior donde se pretende llevar el FP desde 0,80 a 0,90; para una potencia activa de 4500W; se llegó a un valor de potencia de capacitores de
1200VAR.

Sabiendo que debemos llevar el FP 0,80 a 0,90; recurrimos a la segunda tabla, buscando el valor de la constante de la siguiente manera:

Con el valor obtenido de tabla, ahora con la siguiente expresión obtenemos la potencia de capacitores a instalar para compensar y así obtener un FP=0,90.