Importancia de la corrección del Factor de Potencia

31.12.21 05:13 PM By kinenergy.internacional

Actualmente, en México existen leyes y regulaciones que impulsan a mantener un factor de potencia en ciertos límites, como son: la “Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica” y el “Manual Regulatorio de Requerimientos Técnicos para la Conexión de Centros de Carga”, en estos se estipulan penalizaciones por contar con un bajo factor de potencia. No obstante, las penalizaciones vienen aunadas con efectos en el Sistema Eléctrico del Centro de Carga (industrias, comercios, etc.), como lo es: mayor corriente para generar la misma Potencia Activa (P), ya que, cuando se tiene bajo factor de potencia la Potencia Aparente (S) es mayor; en el caso de los generadores se desperdicia capacidad de Potencia Activa, cuando se entrega Potencia Reactiva (Q); en los transformadores se desperdicia Potencia Activa, cuando fluye mayor Potencia Reactiva; en los alimentadores se tienen pérdidas técnicas como lo es, el calentamiento en los conductores, conocido como efecto Joule, y por consecuencia una mayor caída de tensión. En resumen, el bajo factor de potencia afecta tanto al suministrador (Central Eléctrica) como a los usuarios (Centros de Carga), debido a esto, se hace muy importante corregir los niveles de Factor de Potencia.

El Factor de Potencia (FP) o Cos (φ), se define como la relación entre la potencia que produce el trabajo (Potencia Activa) y la potencia total (Potencia Aparente) consumida o suministrada. 


Bajo condiciones de tensión y de corriente senoidales se expresa como:

Representativamente como diagramas fasoriales de la corriente y la tensión, se presentan dos tipos de Factores de Potencia:

  • Inductivo o en atraso: La corriente se atrasa con respecto a la tensión, se presenta cuando predominan las cargas inductivas. 
  •  Capacitivo o en adelanto: La corriente se adelanta con respecto a la tensión, se presenta cuando predominan las cargas capacitivas.

En condiciones donde exista distorsión armónica, se presenta el Factor de Potencia Total (FPT), el cual se define como:

Cuando más distorsión armónica exista, el valor del Factor de Distorsión se reduce, por lo que el Factor de Potencia Total (FPT) también, lo cual empeora la situación. Por lo que se concluye que la distorsión armónica influye en el aprovechamiento de la energía.


Para entender mejor esta definición observemos las siguientes graficas:

Gráfica 1. Menor distorsión.
Gráfica 2. Mayor distorsión.

En la Gráfica 1, se presenta una distorsión armónica de corriente muy baja que provoca que el FPT y el Cos (φ), sean iguales. En caso contrario, en la Gráfica 2, se tiene una mayor distorsión armónica de corriente, la cual genera que el FPT y el Cos (φ) sean diferentes, siendo más bajo el FPT.

 

Existen equipos que influyen para que el factor de potencia disminuya, como lo son:

 

1.  Motores de inducción.

2.  Transformadores.

3.  Lámparas fluorescentes (únicamente con balastro electromagnético).

4.  Hornos de inducción.

5.  Rectificadores con o sin control.

6.  Hornos de arco.

7.  Soldadoras eléctricas.

8.  Variadores de Velocidad.

 

Beneficios de realizar la corrección del factor de potencia

 

1.  Liberación de capacidad de potencia (S) del transformador: En la Figura 1, se observa que Q1 requerida por la carga no tiene que fluir por el transformador, ya que el banco de capacitores se encarga de aportar una cantidad de potencia reactiva (Qc), de tal forma que a través del transformador únicamente se tiene una cantidad de potencia reactiva (Q2), de tal forma que la Potencia Aparente S1, ahora será la Potencia Aparente S2.

Fig. 1. Liberación de Capacidad.

2.  Reducción de pérdidas en alimentadores: Cuando se corrige el Factor de Potencia la Potencia Aparente (S) disminuye, por lo que la corriente en los alimentadores también, considerando que el alimentador tiene una resistencia (R), entonces las pérdidas después de la corrección son menores.

 

3.  Menor caída de tensión en los alimentadores: Del mismo modo, ya que el alimentador tiene una resistencia (R), entonces la caída de tensión en el alimentador disminuye. 

 

4.  Bonificaciones de acuerdo con el Reglamento De La Ley Del Servicio Público De Energía Eléctrica, la cual menciona en su Capítulo VII, Artículo 64 que:

 

a)  Cuando el Factor de Potencia tenga un valor igual o superior a 0.9 en atraso, el suministrador tendrá obligación de bonificar al usuario la cantidad que resulte de aplicar a la factura el porcentaje de bonificación.

b)  Cuando el factor de potencia durante cualquier período tenga un promedio menor de 0.9 en atraso el suministrador tendrá derecho a cobrar al usuario la cantidad que resulte de aplicar al monto de la facturación el porcentaje de recargo que se determine.

5.  Evitar penalizaciones por incumplimiento del Código de Red (verificar la actualización de los limites requeridos en el Código de Red 2.0) en cuanto a Factor de Potencia:

 

  I.  Con multa del dos al diez por ciento de los ingresos brutos percibidos en el año anterior.

  II.  Con multa de cincuenta mil a doscientos mil salarios mínimos.

  

Para la corrección del Factor de Potencia, la solución más factible es la instalación de Bancos de Capacitores, los cuales aportan la potencia reactiva capacita que contrarresta un porcentaje de la potencia reactiva inductiva que demanda la carga. De acuerdo con la Calidad de la Energía y el comportamiento de la carga, las soluciones pueden ser:

 

  1. Bancos de Capacitores Fijos.
  2. Bancos de Capacitores Fijos con reactor de rechazo.
  3. Bancos de Capacitores Automáticos.
  4. Bancos de Capacitores Híbridos.
  5. Banco de Capacitores Tiristorizado.

 

Hay que tener en cuenta que la operación del capacitor con una tensión diferente a la nominal no entregará la potencia reactiva de diseño (kVAr), es decir, el capacitor entrega una mayor potencia si el nivel de tensión aplicada aumenta; a la inversa, la potencia que entrega el capacitor disminuye si el nivel de tensión aplicada se reduce. Otra consideración importante, es la vida útil del banco, si la tensión aplicada corresponde a 105% de la tensión nominal, su tiempo de vida se reduce aproximadamente a 50% de su valor de diseño, esta vida útil ira decrementando conforme sea mayor la tensión aplicada con respecto a la tensión de diseño del banco de capacitores.

 

También, se debe de tener en cuenta que se puede presentar resonancia. Si un circuito entra en resonancia, los valores de corriente y tensión alcanzan valores extremos. Esta se produce cuando la parte reactiva es igual a cero. Si esto ocurre la impedancia equivalente del circuito es la resistencia de cortocircuito. Para evitar la resonancia en paralelo en los bancos de capacitores se debe emplear un reactor de rechazo (reactor desintonizado), cuya finalidad es:

 

a)  Tener una reactancia diferente a 0 (no hay resonancia).

b)  Evita sobretensiones en el banco de capacitores.

c)  Bloque el paso de las armónicas hacia el banco.

Fig. 2. Resonancia en un sistema eléctrico.

Para comprender mejor la teoría descrita, se presenta un caso de estudio.

 

Se tiene una instalación con un Factor de Potencia de 85.27% (Ver Figura 3) en atraso, a nivel de 480 V. Dicho Factor de Potencia se debe de corregir a 97% en atraso. Para ello se emplearán las siguientes formulas:

Una vez calculado los valores obtendremos que se necesita un banco de capacitores de 93 kVAr para corregir el Factor de Potencia a 97% en atraso, sin embargo, este valor no es comercial, por lo que se deberá usar un banco de capacitores de 100 kVAr (para este caso de estudio se usa un banco automático de 4 x 25 kVAr).

Fig. 3. Instalación sin banco de capacitor operando. Al lado izquierdo se muestra la instalación mostrando los parámetros de corriente, S y FP. Al lado derecho se muestra la misma instalación mostrando los valores de kW y kVAr.

Una vez que se corrige el Factor de Potencia (Ver Figura 4), podemos observar que se libera Potencia Aparente y que la corriente demandada es menor, tal como se había mencionado en la teoría, ya que la demanda de potencia era de 300.1 kVA y paso a ser de 262 kVA y la corriente demandada era de 357.9 A, la cual paso a ser de 311.4 A.

Fig. 4. Instalación con banco de capacitor operando. Al lado izquierdo se muestra la instalación mostrando los parámetros de corriente, S y FP. Al lado derecho se muestra la misma instalación mostrando los valores de kW y kVAr.

Cabe mencionar que primero se deben corregir los niveles de distorsión armónica en corriente, para que podamos calcular adecuadamente la potencia reactiva necesaria para mejorar el Factor de Potencia, ya que se evita el sobredimensionamiento de los bancos de capacitores. Esto es debido a que se está corrigiendo la forma de onda de la corriente y en consecuencia se obtienen el ángulo de desfase entre la tensión y la corriente que debería tener la carga suponiendo que no se presentará distorsión armónica.


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Alberto Bacilio 

Diseñador Eléctrico Jr. 

Alberto cuenta con 3 años de experiencia en estudios para el cumplimiento del Código Red, ha realizado 12 proyectos en la Republica Mexicana de Centros de Carga en media, alta y extra alta tensión, destacando su participación en el proyecto de Braskem Idesa. Es experto en calidad de la energía y en análisis en estado estable de sistemas eléctricos. Es egresado de la carrera de Ingeniería Eléctrica por el Instituto Politécnico Nacional.

Referencias:

 

(1)  Comisión Reguladora de Energía (CRE), Disposiciones Administrativas de carácter general que contienen los criterios de eficiencia, calidad, confiabilidad, continuidad, seguridad y sustentabilidad del Sistema Eléctrico Nacional: Código de Red.

 

(2)  Reglamento De La Ley Del Servicio Público De Energía Eléctrica.

 

(3)  Calidad de la Energía, Factor de Potencia y filtrado armónico, Santiago Barcón, 2012.

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