CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Compensación del factor de potencia.



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Corriente alterna trifásica. Potencia. Compensación del factor de potencia.

La expresión factor de potencia (fp) se utiliza para designar la relación de potencia de que se dispone realmente en una instalación (es decir, la que definimos como potencia activa) y de la que hubiera podido disponerse si la tensión y la corriente estuvieran idealmente en fase.

De una manera mas estricta, se denomina factor de potencia a la relación entre la potencia activa o efectiva y la potencia aparente de una instalación; es decir que :

La mayoría de los receptores eléctricos son predominantemente inductivos y por tanto trabajan con cargas en las que la intensidad esta atrasada un ángulo φ con respecto a la tensión aplicada.

En consecuencia la potencia aparente en V. A. que absorben de la red tiene una componente activa y otra reactiva de carácter inductivo ( S = P + j Q).

La potencia inductiva Q, en voltamperios reactivos, representa un bombeo de energía necesario para el propio funcionamiento del receptor, que no nos da ninguna energía útil y si repercute en aumentar la potencia aparente que tenemos que transportar a través de la línea.

Cuando una carga es fuertemente inductiva, su factor de potencia es muy pobre, es decir, cos φ es muy próximo a cero (φ próximo a 90º), según se ve en la figura siguiente. Esto lleva consigo que para un mismo consumo de potencia activa, el consumo de potencia reactiva sea elevado y por tanto la potencia aparente aumenta considerablemente. Como consecuencia, el consumo de corriente es excesivo, y las compañías eléctricas lo penalizan.

Solamente la potencia activa se puede transformar en potencia mecánica o potencia calórica, por consiguiente, tanto las empresas suministradoras de energía, como los usuarios, deben procurar, para una instalación dada, obtener el máximo de potencia activa.

Por tanto, desde el punto de vista de economía en el transporte, para un potencial útil o activa P, nos interesa que el factor de potencia sea lo mas próximo a la unidad. Esto se consigue anulando total o parcialmente los efectos sobre la red de la potencia inductiva mediante la instalación de condensadores en paralelo con la carga o el receptor.

Si se trata de una instalación nueva, su precio será mas elevado, cuanto menor sea el factor de potencia a prever , en efecto, la relación:

P = S * cos φ

Expresa que para una misma potencia activa es preciso, si el factor de potencia (cos φ) es pequeño, una potencia aparente S mayor , es decir, generadores y transformadores de mayor potencia nominal (por lo tanto de mayor tamaño), líneas conductoras de mayor sección y aparatos de corte y de protección previstos para más elevados valores de funcionamiento.

Cuando se trata de una instalación ya existente, es decir, prevista para una determinada potencia aparente, la relación:

P =S * cos φ

Demuestra que proporcionará una potencia activa menor en cuanto menor sea el factor de potencia.

Con un factor de potencia bajo hay mayor pérdida de potencia por el efecto Joule (calentamiento) en las líneas.

En resumen, para una instalación eléctrica dada, si disminuye el factor de potencia, disminuye también el rendimiento de la instalación.

 

Para evitarlo, lo que se hace es compensar el factor de potencia mediante cargas capacitivas. Puesto que las carga capacitivas ceden potencia reactiva, lo que hacemos es añadir una batería de condensadores que cedan la suficiente potencia reactiva como para que se compense el 90% de dicha potencia reactiva, según se muestra en la parte derecha de la figura anterior.

La potencia reactiva que suministran los condensadores será

donde UF es la tensión de fase. Tanto el valor de esta tensión como el de los condensadores dependerá de si la batería se conecta en estrella o en triángulo, que a su vez depende de la tensión de trabajo.

Para bajas tensiones, por debajo de 500 V, la norma recomienda colocar la batería de condensadores en triángulo, pues la capacidad de cada condensador es menor y por lo tanto su precio también es menor.

En cambio, para tensiones superiores a 500 V, se recomienda colocar la batería de condensadores en estrella, pues así cada condensador soporta una tensión más baja que si se colocara en triángulo.

Como ejemplo de practica de montaje en laboratorio, y considerando bajas tensiones, colocaremos una batería de condensadores en triángulo. En este caso, la tensión de fase en el condensador es igual a la de línea U, y la potencia reactiva que cede la batería de condensadores en triángulo viene dada por la expresión:

Falta hallar la capacidad de cada condensador, de forma que se compense el 90% de la potencia reactiva, es decir, de forma que Qc = 0,9 Q. Sustituyendo Qc y Q nos queda:

De dónde:

Una vez hallada la capacidad necesaria, se debe montar una carga capacitiva en triángulo, con tres condensadores de dicha capacidad. A continuación acoplar la batería de condensadores en paralelo con la carga inductiva, según el montaje de la figura siguente:

Volver a medir intensidad de línea, potencia activa y potencia reactiva. La potencia reactiva después de compensar debe ser aproximadamente el 90% de la que habíamos medido inicialmente y la intensidad debe disminuir considerablemente. La potencia activa, en cambio, debe permanecer constante. Analizar los resultados obtenidos y ver si se corresponden con lo esperado.

Ejemplo de cálculo de compensación del factor de potencia.

Por una línea cuya resistencia es r = 0.25 φ , hay que transportar una potencia activa P = 10 kW (por ejemplo , los motores de 1kW de potencia unitaria), bajo una tensión de 220 V. Vamos a suponer dos casos:

La capacidad del condensador puede calcularse aplicando la formula de la potencia reactiva

En la mayoría de las instalaciones no se compensa hasta alcanzar un valor de cos φ = 1, pues entonces podrían aparecer fenómenos de Resonancia, suele ser suficiente factor de potencia, de 0,9 a 0,95.

Para hallar la potencia reactivo - capacitiva se emplea una formula en la que se sustituyen los valores del ángulo de desfase de la instalación y el ángulo al que quiera compensarse.

 

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