Este es el punto de partida para comprender los bancos de condensadores y los paneles APFC o PFI.
Este artículo profundizará en el factor de potencia y expondrá la realidad: un factor de potencia bajo no es simplemente un tipo de pérdida. En realidad, está causado por un «desajuste», ya sea en adelanto o en retraso.
En futuros artículos, analizaremos más aspectos de APFC/PFI. Además, profundizaremos en temas como los campos magnéticos en otras series.
Un motor puede estar produciendo la potencia mecánica requerida, pero la corriente que fluye a través del cable puede seguir siendo mucho más alta de lo esperado.
¿Por qué?
Porque en un sistema de CA, la corriente puede tener dos responsabilidades:
- Transferir energía que se convierte en trabajo mecánico, calor o luz.
- Crear y colapsar campos magnéticos o eléctricos dentro del equipo.
El factor de potencia nos indica qué parte de la capacidad eléctrica suministrada a una carga se está convirtiendo en potencia activa.
kW, kVAR y kVA
Para entender el factor de potencia, debemos separar tres tipos de potencia eléctrica.
| Término | Nombre | Significado |
|---|---|---|
| kW | Potencia activa | Potencia convertida en salida útil, calor, luz, movimiento y pérdidas del equipo |
| kVAR | Potencia reactiva | Potencia intercambiada con campos magnéticos o eléctricos |
| kVA | Potencia aparente | Capacidad eléctrica total transportada por el sistema |
Para un sistema sinusoidal:
kVA² = kW² + kVAR²
Esta relación se muestra a menudo como un triángulo de potencias:
Cuanto mayor sea el componente de potencia reactiva, mayor será el kVA necesario para entregar el mismo kW.
¿Qué es el factor de potencia?
El factor de potencia es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente:
Factor de potencia = Potencia activa ÷ Potencia aparente
O bien:
FP = kW ÷ kVA
El valor normalmente oscila entre 0 y 1.
Un factor de potencia de 1 significa que toda la potencia aparente suministrada a la carga se está convirtiendo en potencia activa.
Un factor de potencia de 0,8 significa que un sistema debe suministrar 100 kVA para entregar 80 kW de potencia activa.
En este caso, la potencia reactiva es de 60 kVAR, porque:
100² = 80² + 60²
En un sistema sinusoidal, el componente restante son 60 kVAR de potencia reactiva. Representa energía que se desplaza de un lado a otro entre la fuente y la carga, en lugar de energía consumida permanentemente por la carga. Las cargas no lineales también pueden reducir el factor de potencia mediante la distorsión de la forma de onda de la corriente, lo que se analizará más adelante.
Potencia activa: kW
La potencia activa es la parte que produce una transferencia neta de energía.
Por ejemplo, puede:
- Hacer girar el eje de un motor
- Calentar un calentador eléctrico
- Producir luz
- Hacer funcionar equipos electrónicos
Un motor eléctrico también consume algo de potencia activa a través de pérdidas en el cobre, pérdidas en el hierro, fricción y ventilación. Por lo tanto, no toda la potencia activa se convierte en salida mecánica útil, pero sigue siendo energía real consumida por la carga.
Potencia reactiva: kVAR
Los motores, transformadores, reactores y otros dispositivos inductivos necesitan campos magnéticos para funcionar.
Durante parte de cada ciclo de CA, la energía se toma del suministro y se almacena en el campo magnético. Cuando el campo se debilita, gran parte de esa energía regresa hacia el suministro.
Este intercambio se repite continuamente.
Por lo tanto, la potencia reactiva no es imaginaria ni innecesaria. Un motor necesita su campo magnético. El problema es que cuando la corriente reactiva proviene de la red de suministro, debe viajar a través del transformador, la aparamenta, las barras colectoras, los cables y los interruptores automáticos.
Estos componentes deben transportar la corriente aunque esa parte de la corriente no cree una salida mecánica neta.
Potencia aparente: kVA
La potencia aparente representa la carga total aplicada al sistema eléctrico.
Los transformadores, generadores, sistemas SAI, barras colectoras, cables y cuadros de distribución se dimensionan habitualmente según la corriente o los kVA porque deben transportar tanto la corriente activa como la reactiva.
¿Puede el factor de potencia llegar a 1?
Factor de potencia natural de la propia carga
Un factor de potencia de 1 es físicamente posible. Una carga resistiva ideal no tiene demanda de potencia reactiva, por lo que su potencia activa y su potencia aparente son iguales.
Sin embargo, un motor de inducción por sí solo normalmente no puede alcanzar un factor de potencia de 1 porque siempre requiere corriente de magnetización para establecer su campo magnético giratorio.
Tras añadir la compensación por condensadores
Un banco de condensadores puede compensar la corriente reactiva inductiva del motor. En una condición de carga particular, el sistema combinado de motor y condensador puede, por tanto, parecer que tiene un factor de potencia muy cercano a 1 cuando se mide desde el suministro aguas arriba.
Mantener exactamente 1,00 es difícil en la práctica porque las cargas industriales cambian continuamente y los bancos de condensadores conmutan en pasos fijos. La distorsión armónica también puede mantener el factor de potencia real por debajo de 1, incluso cuando el voltaje y la corriente fundamental están estrechamente alineados.
Por esta razón, un sistema APFC se diseña normalmente para mantener un factor de potencia alto y estable, a menudo entre 0,95 y 0,99, en lugar de perseguir continuamente el 1,00 exacto. Un pequeño margen de retraso también ayuda a prevenir la sobrecompensación y el factor de potencia en adelanto.
Factor de potencia, ángulo de fase y dirección en adelanto o retraso
El factor de potencia tiene tanto una magnitud como una dirección.
La magnitud muestra cuánto se ha desplazado la corriente respecto al voltaje. La dirección muestra si la corriente está por delante o por detrás del voltaje.
Para un sistema de CA sinusoidal sin distorsión armónica significativa:
FP = cos φ
Aquí, φ es el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de la misma fase.
Por ejemplo:
- Corriente 37° por detrás del voltaje significa 0,80 en retraso
- Corriente 37° por delante del voltaje significa 0,80 en adelanto
Ambos tienen la misma magnitud de factor de potencia porque:
cos 37° ≈ 0,80
Esto es similar a −1 y +1. Ambos están a una unidad de distancia del cero, pero apuntan en direcciones opuestas.
| Corriente relativa al voltaje | Factor de potencia |
|---|---|
| 37° en retraso | 0,80 en retraso |
| Alineada | 1.00 |
| 37° en adelanto | 0,80 en adelanto |
Factor de potencia en retraso
En una carga inductiva, la corriente alcanza el mismo punto de su ciclo más tarde que el voltaje. Por lo tanto, la corriente se retrasa respecto al voltaje.
Las cargas inductivas comunes incluyen:
- Motores de inducción
- Transformadores
- Reactores
- Solenoides
- Balastos magnéticos
Estas cargas almacenan temporalmente energía en campos magnéticos, lo que provoca que la forma de onda de la corriente se desplace por detrás de la forma de onda del voltaje.
Factor de potencia en adelanto
En una carga capacitiva, la corriente alcanza el mismo punto de su ciclo antes que el voltaje. Por lo tanto, la corriente se adelanta al voltaje.
Los bancos de condensadores producen una corriente reactiva en adelanto, que puede compensar parte de la corriente reactiva en retraso consumida por motores y transformadores.
Un factor de potencia en retraso normalmente significa que el sistema está dominado por cargas inductivas.
Un factor de potencia en adelanto normalmente significa que el sistema está dominado por cargas capacitivas o que ha sido sobrecompensado por un banco de condensadores.
Cuando el voltaje y la corriente están perfectamente alineados:
φ = 0°
Por lo tanto:
FP = 1
A medida que aumenta la magnitud del ángulo de fase, disminuye la magnitud del factor de potencia.
No confunda este ángulo con los 120° entre las tres fases
In un sistema trifásico equilibrado, los voltajes de la Fase A, la Fase B y la Fase C están separados entre sí por 120°.
Esta separación de 120° es una característica normal de un suministro trifásico. No reduce el factor de potencia.
El factor de potencia se determina comparando el voltaje de cada fase con su corriente de fase correspondiente:
- Voltaje de la Fase A con corriente de la Fase A
- Voltaje de la Fase B con corriente de la Fase B
- Voltaje de la Fase C con corriente de la Fase C
Para una carga resistiva equilibrada, los tres voltajes siguen estando a 120° de distancia, pero cada corriente de fase está alineada con su propio voltaje. El ángulo voltaje-corriente es, por tanto, de 0° y el factor de potencia es 1.
Para un motor equilibrado, las tres corrientes también pueden permanecer a 120° de distancia entre sí, mientras que cada corriente se retrasa respecto a su voltaje correspondiente en 37°.
En ese caso:
FP ≈ 0,80 en retraso
El punto clave es:
El ángulo de 120° describe la separación entre las tres fases. El ángulo del factor de potencia φ describe el desplazamiento entre el voltaje y la corriente en la misma fase.
En un motor, este desfase está causado por la corriente de magnetización necesaria para establecer el campo magnético.
El desfase no representa directamente energía perdida. Sin embargo, significa que se requiere más corriente total para entregar la misma potencia activa. Esa corriente más alta crea pérdidas adicionales en cables, transformadores, barras colectoras y cuadros de distribución.
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¿Por qué es un problema un factor de potencia bajo?
Más corriente
Un factor de potencia bajo significa que el sistema eléctrico debe transportar más corriente para entregar la misma potencia activa.
Considere una carga trifásica que requiere 100 kW a 400 V:
Corriente = kW × 1000 ÷ (√3 × Voltaje × Factor de potencia)
| Factor de potencia | Potencia activa | Potencia aparente | Corriente aproximada |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 100 kW | 100 kVA | 144 A |
| 0.80 | 100 kW | 125 kVA | 180 A |
| 0.60 | 100 kW | 167 kVA | 241 A |
La carga recibe 100 kW en todos los casos. Sin embargo, con un factor de potencia de 0,60, el sistema eléctrico debe transportar aproximadamente 241 A en lugar de 144 A.
Esta corriente adicional afecta a todo el sistema aguas arriba.
Una corriente más alta causa más pérdidas
Las pérdidas en cables y barras colectoras están relacionadas con el cuadrado de la corriente:
Pérdida = I²R
Esto significa que las pérdidas aumentan mucho más rápido que la corriente.
Por ejemplo, cuando la corriente aumenta un 25 %, las pérdidas en los conductores aumentan aproximadamente un 56 %, suponiendo que la resistencia permanezca inalterada.
Las pérdidas adicionales aparecen principalmente en forma de calor en:
- Cables
- Barras colectoras
- Devanados del transformador
- Generadores
- Conexiones de cuadros de distribución
Una corriente más alta utiliza más capacidad del sistema
Los transformadores, generadores, sistemas SAI, cables, interruptores automáticos, barras colectoras y cuadros de distribución deben seleccionarse de acuerdo con la corriente o los kVA que transportan, no solo según la potencia activa entregada a la carga.
Por ejemplo, un transformador de 1.000 kVA que suministra cargas con un factor de potencia de 0,80 teóricamente solo puede entregar unos 800 kW antes de alcanzar su clasificación de kVA completa.
Con un factor de potencia de 0,95, el mismo transformador puede soportar aproximadamente 950 kW bajo las mismas condiciones simplificadas.
Por lo tanto, un factor de potencia bajo ocupa capacidad del sistema que de otro modo podría utilizarse para suministrar cargas activas adicionales.
Una corriente más alta también puede causar:
- Mayor caída de tensión
- Más calentamiento
- Requisitos de equipos más grandes
- Reducción de la capacidad disponible de transformadores y generadores
- Cargos por energía reactiva o demanda de kVA por parte de la empresa de servicios públicos
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Mejorar el factor de potencia ahorra electricidad
Mejorar el factor de potencia puede ahorrar electricidad porque reduce la corriente y, por lo tanto, reduce las pérdidas en cables, transformadores y otros equipos aguas arriba.
Sin embargo, no reduce la potencia requerida por la propia máquina.
Por ejemplo, una bomba que necesita 50 kW seguirá necesitando unos 50 kW después de la corrección del factor de potencia. El ahorro proviene de la reducción de la potencia extra que antes se perdía en forma de calor en el sistema eléctrico.
El factor de potencia también puede verse afectado por los armónicos
En un sistema sinusoidal simple, el factor de potencia depende principalmente del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente.
Sin embargo, los equipos no lineales como los VFD, rectificadores, sistemas SAI y controladores LED pueden distorsionar la forma de onda de la corriente. En estos sistemas, el factor de potencia puede verse reducido no solo por el desfase en adelanto o retraso, sino también por la distorsión armónica.
Un futuro artículo de esta serie APFC/PFI explicará la distorsión armónica y su efecto en el factor de potencia con más detalle.
Conclusión
El factor de potencia describe cuánta potencia aparente se requiere para entregar una cierta cantidad de potencia activa.
Un factor de potencia bajo no significa necesariamente que el motor esté produciendo menos potencia. Significa que debe fluir más corriente a través del sistema eléctrico para entregar la misma potencia activa.
Para los motores y transformadores, la corriente reactiva es necesaria para establecer los campos magnéticos. Pero cuando esa corriente reactiva proviene enteramente de la red aguas arriba, ocupa capacidad de transformadores, cables, barras colectoras y cuadros de distribución, y crea pérdidas adicionales.
Esto nos lleva al propósito básico de la corrección del factor de potencia:
Suministrar localmente parte de la corriente reactiva requerida para que una menor cantidad de esta deba viajar a través del sistema eléctrico aguas arriba.
La siguiente parte de esta serie explicará cómo un condensador realiza esta función y por qué puede reducir la corriente reactiva extraída de la fuente.
Preguntas frecuentes
¿Es un factor de potencia de 0,8 igual a un 80 % de eficiencia?
No. El factor de potencia y la eficiencia son mediciones diferentes. Un factor de potencia de 0,8 significa que la potencia activa es el 80 % de la potencia aparente. No significa que el 20 % de la energía de entrada se pierda necesariamente.
¿Aumenta la corriente un factor de potencia bajo?
Sí. Para el mismo voltaje y potencia activa, un factor de potencia más bajo requiere una corriente más alta.
¿Por qué el factor de potencia del motor es deficiente con carga ligera?
Un motor con poca carga necesita menos corriente activa para producir par, pero sigue requiriendo corriente de magnetización para mantener su campo magnético. Por lo tanto, la corriente reactiva se convierte en una proporción mayor de la corriente total.
¿Es inútil la potencia reactiva?
No. La potencia reactiva sustenta los campos magnéticos y eléctricos requeridos por motores, transformadores, condensadores y otros equipos de CA. La preocupación es la corriente adicional que impone al sistema de distribución.
¿Puede un condensador reducir la corriente del motor?
Un condensador conectado para la corrección del factor de potencia suele reducir la corriente extraída del suministro aguas arriba. No elimina la necesidad del motor de corriente de magnetización, sino que suministra parte de esa corriente localmente.
¿Puede el factor de potencia ser demasiado alto?
Normalmente es deseable un factor de potencia en retraso alto, pero una compensación excesiva por condensadores puede crear un factor de potencia en adelanto. Esto puede causar problemas de control de voltaje, conmutación o resonancia.
¿Reduce un panel APFC el consumo de kWh?
Reduce principalmente el flujo de corriente reactiva, las pérdidas del sistema y las posibles penalizaciones de la empresa de servicios públicos. No reduce directamente la energía activa requerida por la maquinaria conectada.
