Factor de Potencia, Explicó. En este tutorial nos fijamos en el factor de potencia. Aprenderemos qué es el factor de potencia, qué es el factor de potencia bueno y malo, cómo comparar el factor de potencia, las causas del factor de potencia, por qué y cómo corregir el factor de potencia, así como algunos cálculos de ejemplo para ayudarlo a aprender ingeniería eléctrica.
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Entonces, ¿qué es el factor de potencia?

El factor de potencia es un número sin unidad utilizado en circuitos de corriente alterna, se puede usar para referirse a equipo de una sola pieza, como un motor de inducción o para el consumo de electricidad de todo un edificio. En cualquier caso, representa la relación entre la potencia verdadera y la potencia aparente. La fórmula es PF = kW / KVA. Entonces, ¿qué significa esto?

Mi analogía favorita para explicar esto es usar la analogía de la cerveza.

Pagamos por una cerveza por vaso, pero dentro del vaso hay cerveza y espuma. Cuanta más cerveza tengamos, menos espuma habrá, por lo que obtendremos una buena relación calidad-precio. Si hay mucha espuma, entonces no hay mucha cerveza y no estamos obteniendo una buena relación calidad-precio.

La cerveza representa nuestra verdadera potencia o nuestros kW, kilovatios. Esto es lo útil que queremos y necesitamos, esto es lo que hace el trabajo.

La espuma representa nuestra potencia reactiva o nuestros kVAr, kilovoltios-amperios reactivos. Estas son cosas inútiles, siempre habrá algunas y tenemos que pagar por ellas, pero no podemos usarlas, así que no queremos demasiado. (en realidad tiene un uso y propósito, pero veremos por qué más adelante)

La combinación de estos kW y kVAr es nuestra potencia aparente o nuestro kVA. kilovoltios-amperios

El factor de potencia es, por lo tanto, la relación de potencia útil o potencia verdadera en kW dividida por se cobra en kVA. Así que nos dice cuánto valor por dinero estamos obteniendo por la energía que consumimos.

Si tocamos muy brevemente los términos de ingeniería eléctrica, podríamos ver esto expresado como un triángulo de potencia. En este caso, lo dibujaré como un factor de potencia principal, ya que es más fácil de visualizar. La cerveza o potencia verdadera es la línea adyacente, luego tenemos la espuma que es la potencia reactiva en el lado opuesto, luego para el lado de la hipotenusa, que es el lado más largo, tenemos la potencia aparente, esto está en un ángulo de la potencia verdadera, el ángulo se conoce como theta.

Como la potencia reactiva o la espuma aumenta, entonces también lo hace la potencia aparente o kVA. Luego podríamos usar trigonometría para calcular este triángulo, no lo haré en este artículo, ya que solo cubro los conceptos básicos, así que solo veremos las fórmulas que necesita, pero haremos algunos cálculos y ejemplos trabajados más adelante en este artículo.

Si nos fijamos en una factura de electricidad residencial típica, normalmente solo veremos una tarifa por la cantidad de kWh utilizados porque el factor de potencia y el consumo de electricidad serán muy bajos, por lo que las compañías de electricidad tienden a no preocuparse por esto.

Sin embargo, en las facturas de electricidad comerciales e industriales, especialmente en los edificios con medidores de electricidad inteligentes o por intervalos, es probable que veamos cargos e información sobre la cantidad de kW, kWh, kVA y kVArh utilizados. Los grandes edificios, en particular, a menudo también verán cargas de energía reactiva allí, pero esto depende del proveedor de electricidad.

La razón por la que cobran una penalización por esto es porque cuando los grandes consumidores tienen factores de potencia malos, están aumentando el flujo de corriente a través de red eléctrica y que causa caídas de tensión que reduce la capacidad de distribución de los proveedores y tiene un efecto de golpe para otros clientes. Los cables están clasificados para manejar una cierta cantidad de corriente que fluye a través de ellos. Por lo tanto, si muchos consumidores grandes se conectan con factores de energía defectuosos, los cables podrían sobrecargarse, podrían tener dificultades para cumplir con los acuerdos de demanda y capacidad y ningún cliente nuevo podrá conectarse hasta que reemplace los cables o instale cables adicionales.

Las cargas de potencia reactiva se producen cuando el factor de potencia de un edificio cae por debajo de un cierto nivel, este nivel es definido por el proveedor de electricidad, pero generalmente comienza alrededor de 0,95 o por debajo.

Un factor de potencia perfecto sería 1.0, sin embargo, en realidad esto es casi imposible de lograr. Volveremos a esto más adelante en el video.

En edificios comerciales grandes, es probable que el factor de potencia general se sitúe en las siguientes categorías

El factor de potencia bueno esté generalmente entre 1.0 y 0.95

El factor de potencia pobre esté entre 0.95 y 0.85

El factor de potencia malo esté por debajo de 0.85.

Los edificios de oficinas comerciales suelen estar en algún lugar entre 0,98 y 0,92, los edificios industriales podrían ser tan bajos como 0,7. Veremos qué causa esto en breve.

Si comparamos dos motores de inducción, ambos tienen una salida de 10 kW y están conectados a suministro de fase 415V 50Hz. Uno tiene un factor de potencia de 0,87 y el otro con un factor de potencia de 0,92

Ambos motores proporcionarán 10 kW de trabajo, pero el primer motor tiene un factor de potencia más bajo en comparación con el segundo, lo que significa que no estamos obteniendo la misma relación calidad-precio.

El primer motor tendrá que extraer 11,5 kVA de la red eléctrica para proporcionar los 10 kW de potencia.

El segundo motor tendrá que extraer solo 10,9 kVA de la red eléctrica para proporcionar los 10 kW de potencia.

Esto significa que el primer motor de 5.7 kVAr y el segundo motor se acaba de 4.3 kVAr.

Recuerde que nuestro kW es la cerveza que las cosas útiles. El kVAr es la espuma, eso es lo que no es tan útil. El kVA es lo que vamos a pagar y eso es el kW + el kVAr.

¿Cómo calculé esto?

Para kVA I se utiliza kW dividido por el factor de potencia, por lo que 10 dividido por 0,87 para obtener 11,5 kVA

kVA = kW / PF

Para kVAr Utilicé la raíz cuadrada de kVA cuadrado restar kW cuadrado, por lo que la raíz cuadrada de 11,5 kVA^2 menos 10 kW^2

kVAr = raíz cuadrada de kVA^2 – kW^2

También podríamos haber encontrado el factor de potencia del kW y el kVA usando 10 kW dividido por 11.5kVA

PF = kW / kVA

Podríamos haber encontrado el kW del factor de potencia y el kVA usando 0.87 dividido por 11.5 kVA para obtener 10

kW = PF x kVA

Entonces, ¿qué causa un factor de potencia pobre?

En la mayoría de los casos, el factor de potencia se ve afectado por cargas inductivas.

Si tuviéramos una carga puramente inquieta, como un calentador eléctrico inquieto, entonces las formas de onda de voltaje y corriente estaría sincronizado o muy cerca. Ambos pasarían su punto máximo y mínimo y pasarían a través del eje cero al mismo tiempo. El factor de potencia en este caso es 1, que es perfecto.

Si dibujamos un diagrama de fasores, el voltaje y la corriente serían paralelos, por lo que toda la energía extraída del suministro de electricidad se destina a hacer trabajo, en este caso creando calor.

Si tomamos una carga inductiva como un motor de inducción, el campo magnético de las bobinas retiene la corriente y los resultados en un cambio de fase en el que las formas de onda de voltaje y corriente no están sincronizadas con la corriente y, por lo tanto, pasan por el punto cero después del voltaje, esto se conoce como factor de potencia de retraso.

Anteriormente en el artículo dije que la espuma o el kVAr son inútiles, eso no es exactamente cierto, en realidad necesitamos algo de potencia reactiva para crear y mantener el campo magnético que hace girar el motor. La potencia reactiva se desperdicia en el sentido de que no obtenemos trabajo de ella, pero aún tenemos que pagar por ella, aunque la necesitamos para poder hacer el trabajo en primer lugar. Cubrimos cómo funcionan los motores de inducción anteriormente, haga clic aquí para ver ese tutorial.

Si dibujamos un diagrama de fasores para una carga puramente inductiva, la corriente estará en un ángulo por debajo de la línea de voltaje, lo que significa que no toda la electricidad consumida funciona.

Si tomamos puramente capacitiva de carga, a continuación, sucede lo contrario a la carga inductiva. El voltaje y la corriente están fuera de fase, excepto que esta vez el voltaje se retiene. Esto causa el factor de potencia principal. Una vez más, esto significará que no toda la electricidad se está utilizando para hacer trabajo, pero tenemos que pagar por ello de todos modos.

Si dibujamos un diagrama de fasores para una carga puramente capacitiva, la línea de corriente estaría en un ángulo por encima de la línea de voltaje tal como está liderando.

Corrección de factor de potencia deficiente

¿Qué podemos hacer para corregir el factor de potencia deficiente ¿y cargas de potencia reactiva? En la mayoría de los casos, nos encontramos con un factor de potencia retardado causado por cargas inductivas, pero podemos encontrarnos con un factor de potencia líder.

Para corregir el factor de potencia deficiente, podemos agregar condensadores o inductores al circuito que realinearán la corriente de nuevo en fase y acercarán el factor de potencia a 1. Si tenemos un factor de potencia de retraso causado por altas cargas inductivas en el circuito, agregamos condensadores, esto es lo más común. Si tenemos un factor de potencia principal causado por altas cargas capacitivas, agregamos una carga inductiva al circuito. Estos deben calcularse y veremos algunos cálculos de ejemplo al final del artículo.

¿Por qué corregir un factor de potencia deficiente?

Un factor de potencia deficiente significa que necesita extraer más energía de las redes eléctricas para hacer el mismo trabajo, y los cables deben ser más grandes, por lo que costarán más. Si el factor de potencia se vuelve demasiado bajo, el proveedor de electricidad puede cobrarle una tarifa de penalización o un cargo por potencia reactiva. Un factor de potencia deficiente puede causar pérdidas en equipos como transformadores y generar altas ganancias de calor. Puede provocar caídas de voltaje e incluso reducir la esperanza de vida útil de los equipos en escenarios extremos.

Cálculos de condensadores para la corrección del factor de potencia

Veamos un ejemplo simplificado de cálculo del tamaño de un condensador para mejorar el factor de potencia de una carga. El edificio tiene una fuente de alimentación de 3 fases y tiene una carga total de 50 kW de trabajo y un factor de potencia de 0,78, pero queremos que sea de 0,96 para evitar cargos de penalización.

Actualmente el edificio tiene un valor de potencia aparente total (kVA) de 64,1 kVA y lo encontramos con solo sumergir el kW (50 kW) por el factor de potencia de 0,78.

También tiene una potencia reactiva de 40,1 kVAr, lo encontramos tomando la raíz cuadrada del kVA^2 al cuadrado y restándola del kW^2 al cuadrado. Tomemos la raíz cuadrada de 64,1 kVA al cuadrado menos 50 kW al cuadrado.

Luego calculamos cuáles deberían ser los valores si tuviéramos el factor de potencia de 0,96.

Por lo tanto, nuestra potencia aparente sería de 52.1 kVA, encontramos que de 50 kw dividido por 0.96 factor de potencia

Entonces encontramos nuestra potencia reactiva que es la raíz cuadrada de kVA^2 cuadrado menos el kW cuadrado raíz cuadrada de 52.1 kVA^2 menos 50 Kw^2 cuadrado que nos da 14.6 kVAr.

Por lo tanto, el condensador necesita compensar la diferencia entre estos dos, por lo que 40,1 kVAr menos 14.6kVAr which equals 25.5kVAr capacitor. This is a simplified example, check with a supplier.