Corrección del factor de potencia

Ajustar el factor de potencia de un sistema a un valor muy próximo a la unidad se conoce como: corrección del factor de potencia, el cual se realiza mediante la conexión de conmutadores, en general automáticos, de bancos de capacitores o inductores.

La corrección del factor de potencia debes realizarla de una forma cuidadosa con objeto de mantenerlo lo más alto posible, pero sin llegar nunca a la unidad, ya que en este caso se produce el fenómeno de la resonancia, lo que puede dar lugar a la aparición de tensiones o intensidades peligrosas para la red. En los casos de grandes variaciones en la composición de la carga, es preferible que la corrección la realices por medios automáticos.

Existen diversas formas de seleccionar los capacitores o reactores que te ayudarán a mejorar el factor de potencia. A continuación te presentamos un ejemplo del cálculo de la energía que se ahorra al mejorar el factor de potencia y la selección del banco de capacitores.

Supongamos que se tiene un motor de 100 HP (74.6 kW) a 440 V, operando con un factor de potencia de 0.74. El motor está en servicio 600 horas/mes (2 turnos diarios), alimentado con cable de 250 metros de longitud con una sección de 35 mm2. ¿Cuál es el ahorro anual en kWh cuando el factor de potencia es mejorado a 0.97?

a) Determinación de la corriente de fase:




b) Resistencia del cable (por fase)




c) Cálculo de las pérdidas




d) Reducción de las pérdidas (en %)




e) Cálculo de la energía anual ahorrada

Considerando un costo de $ 0.12209 por kWh, entonces el ahorro equivalente será de $2,476.27 pesos de ahorro.

Ver también: 9 efectos negativos de un bajo factor de potencia

En la práctica, para determinar la potencia reactiva (kVAr) total en capacitores RTC, necesaria para la corrección del factor de potencia, basta con conocer la siguiente información:

1. El promedio de las últimas 3 mediciones de demanda en kW.
   
   
2. El promedio de las 3 últimas mediciones del factor de potencia.
   
   NOTA: Esta información puede ser obtenida de los recibos de la compañía suministradora.
   
   
3. El factor de potencia deseado.
   
   

Tomando los datos del ejemplo anterior: Factor de potencia promedio actual 0.70 (valor supuesto); factor de potencia deseado 0.97; consumo de potencia promedio 775 kW (valor supuesto); voltaje 440 V.

De la tabla para corregir el factor de potencia:

1. Localizar el factor de potencia actual.
   
   
2. Localizar el factor de potencia deseado.
   
   
3. El valor donde intersectan ambos valores de factor de potencia, es el que se multiplica por la potencia promedio para obtener el valor del capacitor adecuado.
   
   

Valor del capacitor o banco de capacitores: 0.770x775=596.75.

Debido a que el valor es muy alto, dividimos entre algún valor, en este caso se elegirá el de 50kVAr para saber el número de capacitores que necesitamos:

No de capacitores: 596.75/50=11.935; por lo tanto necesitaremos 12 capacitores de 50kVAr a 440V.

La forma de conectar los capacitores para corregir el factor de potencia es la siguiente:

Con este ejemplo damos por concluido el tema de factor de potencia y dejaremos para futuras entregas la selección de la protección y su canalización.

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Corrección del factor de potencia con capacitores

Para fines de corrección de Factor de Potencia con capacitores se requiere de la siguiente información que se obtiene del recibo de energía eléctrica de la CFE.

1. Energía consumida, en kWh
   
   
2. Demanda de potencia, en kW
   
   
3. Energía Reactiva consumida, en kVArh
   
   
4. Factor Potencial actual. Que es el resultado de:
   
   
   
   
   
   
5. Tipo de Tarifa contratada
   
   
6. Bonificación por corrección de bajo Factor de Potencia. Este es el rembolso que la compañía suministradora da a las personas que hayan invertido en capacitores, como un premio a la mayor eficiencia
   
   
7. En el caso de usuarios con Factor de Potencia menor a 0.9 aparecerá una partida “Cargo por bajo Factor de Potencia”
   
   

Ver también: El factor de potencia y las 13 tarifas eléctricas en México

El método para calcular el número de capacitores necesarios para corregir el Factor de Potencia resulta ligeramente largo y requiere de conocimientos matemáticos que no hemos tocado en esta sección. Los resultados de estos procedimientos son precisos. Por lo regular, se requieren de capacitores que muy posiblemente no sean comerciales para lo cual es necesario usar lo que existe en el mercado, ya que solicitar la fabricación del capacitor eleva considerablemente el costo, además del tiempo de entrega por parte del fabricante. Las empresas fabricantes de capacitores y bancos de capacitores han generado métodos sencillos de selección para cubrir de buena forma nuestra necesidad de corrección del Factor de Potencia.

El factor de potencia y las 13 tarifas eléctricas en México

El Factor de Potencia es el término usado para describir la relación entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida. Así pues, el triángulo de potencias muestra gráficamente la relación entre la potencia real (kW), la potencia reactiva (kVAr) y la potencia total (kVA).

Las cargas puramente resistivas, tales como calefactores y lámparas incandescentes, no requieren potencia reactiva para su funcionamiento, entonces la potencia real y la potencia total son iguales (FP= 1).

Sin embargo, los equipos eléctricos que requieren para su funcionamiento de la corriente de magnetización para la creación del campo (motores, transformadores, balastros, etcétera) consumen además potencia reactiva (kVAr). Para evitar problemas en la instalación deberá generarse dicha potencia con capacitores.

Las reglamentaciones mexicanas (vigentes desde el 10 de noviembre de 1991) mencionan que los capacitores deben proporcionar, además de la eliminación del cargo por bajo Factor de Potencia, un beneficio económico que puede llegar al 2.5% de bonificación del valor total de la facturación.

Además de este 2.5%, si los capacitores son colocados de acuerdo a las normas generalmente aceptadas para su instalación en los lugares adecuados, pueden proporcionar ahorros adicionales por menores pérdidas de energía (entre el 4 al 7%) lo que a todas luces es una inversión altamente rentable.

Ver también: 9 efectos negativos de un bajo factor de potencia

En México, a partir del 10 de noviembre de 1991, se modificaron por completo las tarifas eléctricas, las cuales describiremos a continuación:

1. Doméstico

2. General hasta 25 kW de demanda

3. General más de 25 kW de demanda. Incluye pequeñas fábricas y comercios que necesitan el servicio trifásico, donde la demanda es más significativa. Estos usuarios requieren de capacitores, ya que se les penaliza por tener un bajo Factor de Potencia (menor a 0.9.) Tienen bonificación por Factor de Potencia superior al 0.9.

4. Molinos de nixtamal y tortillerías. Esta tarifa es para los usuarios cuyo nombre se indica en la misma, pero la tendencia es desaparecerla. La mayoría de ellos se moverán a la tarifa No. 3, donde ya pagarán el bajo Factor de Potencia no incluido en su estructura tarifaria actual.





Máquina para fabricar tortillas en una tortillería mexicana


5. Alumbrado público

6. Bombeo de aguas potables y negras. En esta tarifa sí se paga bajo Factor de Potencia, por lo cual los municipios constituyen un potencial de mercado interesante.

7. Temporal

9. Bombeo para riego agrícola. En esta tarifa se están aplicando incrementos especiales para llevar a un nivel de cobro con relación al costo más real (aún no se incluye el cargo por bajo Factor de Potencia). A pesar de ello, muchos de los usuarios necesitan capacitores dado que las grandes distancias entre los centros de abastecimientos y la localización de los motores para el bombeo, hacen necesario el capacitor para tener un nivel de voltaje adecuado.

Las nuevas tarifas que vienen a sustituir a las que anteriormente se conocían como 8 y 12 son las siguientes:

OM. Para usuarios que reciben el suministro en voltajes de 1,000 a 34,500 Volts y cuya demanda máxima es menor a 1,000 kW. Están sujetos a bonificación por valores superiores a 0.9. Sin embargo no tienen tarifa horaria.

HM. Esta tarifa es para usuarios que reciben el suministro de 1,000 a 34,500 Volts pero cuya demanda es superior a los 1,000 kW. Además de pagar el cargo por bajo Factor de Potencia y tener su bonificación, serán susceptibles a una tarifa horaria de acuerdo a los periodos de consumo de energía.

HS. Son los usuarios que se encuentran en un nivel de voltaje de alimentación superior a los 34,500 Volts, pero menor a los 220,000 Volts. Pagan bajo Factor de Potencia y bonificación por Factor de Potencia superior a 0.9. Además, están sujetos también a tarifa horaria.

HT. Son los usuarios que reciben el suministro de 220,000 Volts en adelante y tal como en la tarifa HS y HM están sujetos a tarifa horaria, cargo por bajo Factor de Potencia y bonificación por Factor de Potencia superior a 0.9.

I30. Esta es una tarifa interrumpible, es decir los usuarios aceptan un cierto número de interrupciones dentro del año con una duración predeterminada por parte de CFE (la cual deberá avisar con media hora de antelación). De esta forma, se disminuyen los cargos.

Es importante señalar que las tarifas de OM hasta la tarifa HT, fueron agregadas posteriormente según el Diario Oficial del 10 de noviembre y son para grandes usuarios de energía eléctrica que obtienen beneficios a cambio de compromisos establecidos con la CFE. La cantidad de estos usuarios en México es sumamente limitada; también presentan cargos estacionales dependiendo del periodo del año en que los consuman, para beneficiar a la carga por aire acondicionado.

El cargo por bajo Factor de Potencia se calcula de acuerdo con la fórmula siguiente:

Es importante señalar que el Factor de Potencia mínimo es el 90% (la tarifa anterior indicaba el 85%).

Uno de los cambios más importantes dentro de la tarifa es que se ofrecen bonificaciones para factores de potencia superiores al 90%, de acuerdo con la siguiente fórmula y logrando un máximo del 2.5%, cuando el Factor de Potencia es unitario.

La demanda máxima tiene una nueva forma de cobro: Se factura el resultado de sumar la demanda máxima medida en el periodo punta, más la quinta parte de la diferencia punta a base. Es importante señalar que en los casos en los que la demanda máxima medida en periodo punta sea superior a la registrada en periodo base, la diferencia será cero.

Como es obvio, para las empresas que se dedican a la fabricación y comercialización de capacitores las tarifas 3, 6, OM, HM, HS, HT, HT-L, HS-L e I30 son las más importantes.

9 efectos negativos de un bajo factor de potencia

Para no generar cargos adicionales al pago de la energía que nos suministra la CFE, se recomienda mantener el factor de potencia en un valor del 90%.

El factor de potencia (cosθ) es un indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. Tiene un gran significado en el campo de la investigación eléctrica. De hecho, se han realizado múltiples estudios para minimizar su efecto. Gráficamente, es el coseno del ángulo que forman las potencias aparente y activa, tal como lo mencionamos en una entrada anterior.

El factor de potencia puede tomar valores entre 0 y 1, lo que significa que:
Por ejemplo, si el factor de potencia es 0.90 (valor mínimo exigido por la CFE) indica que del total de la energía suministrada por la paraestatal sólo el 90% de la energía es utilizada por el cliente, mientras que el 10% se desaprovecha.

En los artefactos tales como las lámparas incandescentes, focos, planchas, calentadores 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 muy cercano a 1, es decir, prácticamente 100% de energía activa.

La potencia reactiva (la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos) es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento elementos tales como motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros similares. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable, los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución exagerada del factor de potencia.

La variación del factor de potencia se presenta en función de dos fenómenos opuestos: atraso en la corriente por las cargas inductivas muy altas, o bien, corriente adelantada generada por circuitos con características capacitivas.

Ver también: ¿Qué es la potencia eléctrica?

Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

• Un gran número de motores
• Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.
• Una subutilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria
• Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria

El hecho de que exista un factor de potencia bajo afecta al usuario y a la CFE de las siguientes maneras:

Al usuario:

1. Aumento de la intensidad de corriente


2. Pérdidas de energía en los conductores y fuertes caídas de tensión


3. Incrementos de potencia de las plantas y transformadores


4. Reducción de la vida útil y capacidad de los conductores


5. La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida del aislamiento


6. Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad

A la empresa suministradora de energía:

1. Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en kVA debe ser mayor para poder entregar energía reactiva adicional


2. Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva


3. Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica

Una forma de que las empresas de electricidad a nivel nacional e internacional hagan reflexionar, sobre todo a las industrias, acerca de la conveniencia de generar o controlar su consumo de energía reactiva es precisamente penalizar monetariamente por mal uso de la energía, es decir cobrándole por capacidad suministrada en kVA, factor donde se incluye el consumo de los kVAR que se entregan.

Específicamente las alteraciones en las regulaciones de la calidad del suministro (variaciones de tensión) disminuyen el rendimiento y funcionamiento de los artefactos y quita capacidad suficiente de respuesta de los controles de seguridad como son interruptores termomagnéticos, fusibles, etcétera.

En la mayoría de los casos se cree que cuando no existe un cortocircuito y actúan interruptores automáticos o fusibles se debe al incremento de la carga conectada; pocas veces se verifica también el factor de potencia.

Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de carácter reactivo, principalmente por la presencia de equipos de refrigeración, motores, etc. En conjunto, consumen altas cantidades de potencia activa y reactiva.

La corrección del factor de potencia requiere de cierto análisis para determinar la cantidad de potencia reactiva requerida para lograr un mejor aprovechamiento de la energía. En una próxima entrada abordaremos el tema de la corrección del factor de potencia y un pequeño ejemplo.