¿Qué es la corrección del factor de potencia?

En este artículo explicaremos el comportamiento de la electricidad ante diferentes equipos consumidores de la misma y los fenómenos eléctricos llamados: potencia activa y reactiva sobre las cuales se desarrollan una serie de variaciones del factor de potencia, también llamado cosϕ. Además, explicaremos los beneficios e importancia de la corrección del factor de potencia a través de la instalación de bancos de condensadores.

Potencia activa y potencia reactiva, factor de potencia

La compañía LIFASA (España), indica que los aparatos consumidores de energía eléctrica presentan dos tipos de cargas: cargas resistivas y cargas reactivas. Las cargas puramente resistivas se caracterizan porque la corriente absorbida se encuentra en fase con la tensión aplicada (fig. 1). Tal es el caso de las lámparas de incandescencia, estufas eléctricas, etc.

En este tipo de cargas la energía absorbida de la red se transforma íntegramente en energía mecánica, calor o cualquier otra forma de energía. La corriente absorbida por estas cargas se denomina corriente activa.

Una carga reactiva (inductiva) ideal absorbe una corriente que se encuentra desfasada 90° en retraso con respecto a la tensión aplicada (fig. 2).

En este caso la energía absorbida no es transformada en trabajo útil o en calor, sino que es almacenada en forma de campo eléctrico o magnético durante un corto período de tiempo y es devuelta a la red en un tiempo igual al que tardó en almacenarse, con un consumo neto nulo. Las corrientes absorbidas por estas cargas se conocen como corrientes reactivas.

Las cargas reales que se acostumbran a encontrar en las instalaciones industriales se pueden considerar como compuestas por una parte puramente resistiva, en paralelo con otra parte reactiva ideal (fig. 3). En las líneas de transmisión, lámparas de descarga, motores eléctricos, transformadores, equipos de soldadura, hornos de inducción, etc., la parte reactiva de la carga es de una magnitud comparable a la parte resistiva o activa.

En la figura 3, IA representa la corriente activa, IR la corriente reactiva e I la corriente total demandada por la carga. Al coseno del ángulo que forma la corriente activa IA con la corriente total I, se le denomina factor de potencia o (en sistemas perfectamente sinodales) cosϕ:

La potencia realmente consumida por la instalación, denominada potencia activa es igual al producto de la corriente activa IA y la tensión de alimentación V, (P = V ⋅ IA), siendo sus unidades el watt (W) o el kilowatt (kW). Esta potencia es la registrada por el medidor de la instalación.

La potencia reactiva absorbida por la instalación es igual al producto de la corriente reactiva IR por la tensión de alimentación V, (Q = V ⋅ IR), y se mide en VAr o kVAr. Esta potencia no es registrada por el medidor de la instalación (a menos que se disponga de un medidor especial para energía reactiva).

La corriente total absorbida por la instalación, I, multiplicada por la tensión de alimentación V, nos proporciona la potencia aparente (S = V ⋅ I), que se mide en VA o en kVA. A modo de resumen:

Corrección del factor de potencia

La forma más sencilla y económica de elevar el factor de potencia, reduciendo por tanto el consumo de potencia reactiva de la carga, es la instalación de condensadores. En la figura 5 se ha añadido a la carga un condensador de potencia instalado en paralelo.

Los condensadores de potencia conectados en paralelo con la carga, absorben una corriente reactiva de tipo capacitivo que está desfasada 90° en adelanto respecto a la tensión. Esta corriente se halla en oposición de fase con respecto a la corriente reactiva de tipo inductivo de la carga, produciendo su superposición una disminución de la corriente (y potencia) reactiva total de la instalación (fig. 6).

Conociendo la potencia activa (kW) y el factor de potencia (cosϕ1) de una instalación, es por tanto muy sencillo determinar la potencia reactiva (kvar) de condensadores necesaria para aumentar el factor de potencia a un nuevo valor (cosϕ2). De la figura 6 se deduce la relación:

Para no tener que efectuar cálculos, más adelante se incluye una tabla al final de este artículo que proporciona el factor multiplicador (tgϕ1 - tgϕ2) de la potencia activa.

Ventajas de la corrección del factor de potencia

1. Mejor aprovechamiento de transformadores y generadores

Los transformadores son dimensionados en función de la potencia que deben transformar. Esta potencia se mide en kVA (potencia aparente).

Estando la potencia activa y la potencia aparente ligadas por la expresión P = S ⋅ cosϕ, es claro que, si un transformador alimenta una carga con factor de potencia igual a la unidad, toda su potencia aparente podrá ser aprovechada como potencia activa, mientras que si el factor de potencia es bajo, la máxima potencia activa que la máquina podrá entregar será sólo de una fracción de su potencia aparente.

Por ejemplo, si consideramos un transformador de 250 kVA, éste puede suministrar las siguientes potencias activas, sin ser sobrecargado, en función del factor de potencia:

2. Reducción de pérdidas por efecto Joule

Las pérdidas por calor en las líneas son producidas tanto por las corrientes activas como por las reactivas, representando una energía que se pierde, pero que es pagada por el consumidor. La pérdida de potencia por efecto Joule en una línea trifásica viene dada por la expresión:

Donde:

P = Pérdidas de potencia activa en la línea

R = Resistencia de la línea

I = Corriente de la línea

IA= Componente activa

IR= Componente reactiva

De la ecuación anterior se deduce, que las pérdidas generadas por la componente reactiva de la corriente son independientes de la potencia activa transportada por la línea. Al conectar condensadores en paralelo con la carga, disminuye la corriente reactiva IR y con ella las pérdidas en la línea. Obsérvese que las pérdidas de potencia son función del cuadrado de la intensidad.

En definitiva y por lo que respecta a las pérdidas, la corrección del factor de potencia nos ofrece las siguientes ventajas:

En una instalación en funcionamiento, reduce de manera muy importante las pérdidas en las líneas, o bien manteniendo las pérdidas constantes, aumenta la potencia efectiva que puede transportar la línea. Esto hace que la ampliación de cables o transformadores pueda ser pospuesta, o bien que no llegue a ser necesaria. La potencia que puede ser transportada a través de la línea tras la mejora del factor de potencia se puede calcular mediante la expresión siguiente:

En una instalación en proyecto, para un nivel de pérdidas establecido, permite dimensionar con secciones más reducidas y por tanto más económicas.

3. Disminución del costo de energía

Como se ha indicado antes, la intensidad que registra el medidor (intensidad activa) es inferior a la intensidad total que realmente circula por la instalación y que es la realmente generada y transportada por la compañía suministradora, la cual debe dimensionar sus generadores y transformadores no en función de la potencia facturable, sino de la potencia aparente, siempre superior a la anterior. Este es el motivo por el que las compañías aplican un recargo a los abonados que presentan un bajo factor de potencia.

Actualmente hay dos tipos de mercados:

Mercado regulado: precio de la energía fijada por el estado
Mercado libre: precio de la energía negociable con la empresa suministradora

Los condensadores de potencia conectados en paralelo con la carga, absorben una corriente reactiva de tipo capacitivo que está desfasada 90° en adelanto respecto a la tensión.

Es inevitable para ciertos usuarios, sobre todo los de la industria, la instalación de sistemas de compensación de energía reactiva; lo importante es adoptar la solución adecuada basada en los datos obtenidos a través del estudio de calidad de energía. No es solo un tema de penalización por exceso de consumo de energía reactiva, sino un tema de calidad de energía, donde el beneficio es múltiple tanto para red eléctrica, para los equipos y la instalación en consecuencia para las empresas.

La presencia de armónicos es un factor que hoy, por el avance tecnológico, se ha convertido en uno de los principales problemas y será objeto en un próximo tema a tratar. En ese sentido la compañía LIFASA (España) es muy clara en sugerir que se aborde dos puntos importantes: un análisis y correcto diseño de la solución para corregir el factor de potencia y contar con los componentes de calidad en la construcción de esta solución.