Corrección del Factor de Potencia

¿Por qué es importante implementar soluciones de corrección del factor de potencia en las instalaciones eléctricas?

Por lo general, las cargas en las instalaciones eléctricas utilizan la energía eléctrica de la red como fuente de alimentación, ya sea para convertirla en otra forma de energía o para convertirla en trabajo útil. Para que esto ocurra, generalmente es necesario que el equipo alimentado intercambie energía reactiva con la red.

Esto contribuye al incremento de la potencia total que transita por la red eléctrica, sobrecargando los generadores, los transformadores de potencia y los conductores de las líneas eléctricas. Adicionalmente, la potencia reactiva reduce el factor de potencia y aumenta la caída de tensión en las líneas de transmisión y distribución.

En este sentido, la corrección del factor de potencia en las instalaciones eléctricas sirve para atenuar el efecto negativo que provoca el tránsito de la potencia reactiva a lo largo de la red eléctrica.

Instalaciones Industriales
Imagen Referencial: Instalaciones Industriales.

Componentes de la Corriente Absorbida

En los sistemas eléctricos de corriente alterna, la corriente absorbida por una carga está representada por dos componentes: la componente activa (IR) y la componente reactiva (IQ).

La Componente Activa IR está directamente relacionada con el trabajo útil desarrollado. Es decir, está relacionada con la energía transformada en otro tipo de energía, como la mecánica, la térmica, la lumínica, entre otras. La corriente IR está en fase con la tensión de alimentación.

La Componente Reactiva IQ sirve para producir el flujo necesario para la conversión de las potencias a través del campo eléctrico o del campo magnético, como ocurre en el núcleo de un transformador, o en el entrehierro de un motor. En este sentido, la componente reactiva es un índice del intercambio de energía entre la fuente de alimentación y la carga. Además, la corriente IQ es perpendicular a la tensión.

En definitiva, en los sistemas eléctricos es necesario generar y transportar tanto la Potencia Activa útil (P) como la Potencia Reactiva (Q), para la conversión de energía eléctrica que no es utilizada por las cargas sino intercambiada con la red.

Factor de Potencia (Cosφ)

El Factor de Potencia, también identificado como “Cosφ“, es la relación entre la componente activa “IR” y el valor total de la corriente “I”, donde φ es el ángulo de fase entre la tensión (V) y la corriente (I), como se muestra en la siguiente figura:

Factor de Potencia
Factor de Potencia. Fuente: Cuaderno Técnico ABB.

Por lo que se observa en la figura anterior, mientras mayor sea componente reactiva, mayor será el ángulo φ, y por lo tanto, menor será el factor de potencia (Cosφ). Lo que quiere decir que el sistema eléctrico deberá generar y transmitir tanto la potencia activa útil “P” y una cantidad elevada de potencia reactiva “Q” que sobrecargue el generador y las líneas de transmisión innecesariamente.

El objetivo de las empresas de servicio eléctrico es que la Potencia Aparente “S” sea lo más parecida posible a la Potencia Activa útil “P”, reduciendo al mínimo la Potencia Reactiva “Q” para optimizar la cantidad de energía generada y transmitida sin sobrecargar los elementos de la red eléctrica.

Valores Típicos del Factor de Potencia

El factor de potencia en cargas resistivas es igual a 1 porque no absorben componente reactiva.

Sin embargo, el factor de potencia en cargas inductivas varía dependiendo de las características constructivas de los equipos y del tipo de conversión de energía que requieren para su operación. Algunas cargas óhmico-inductivas son las siguientes:

  • Transformadores en vacío: tienen un factor de potencia entre 0.10 y 0.15.
  • Motores: tienen un factor de potencia entre 0.70 y 0.85.
  • Soldadoras de arco: tienen un factor de potencia entre 0.35 y 0.60.
  • Soldadoras de arco compensadas: tienen un factor de potencia entre 0.70 y 0.80.
  • Soldadoras de Resistencia: tienen un factor de potencia entre 0.40 y 0.60.
  • Hornos de arco: tienen un factor de potencia entre 0.75 y 0.90.
  • Lámparas fluorescentes compensadas: tienen un factor de potencia de 0.90.
  • Lámparas fluorescentes no compensadas: tienen un factor de potencia entre 0.40 y 0.60.
  • Rectificadores: tienen un factor de potencia entre 0.60 y 0.95.
  • Accionamientos de corriente continua: tienen un factor de potencia entre 0.40 y 0.75.
  • Accionamientos de corriente alterna: tienen un factor de potencia entre 0.95 y 0.97.
Hornos Industriales.
Imagen Referencial: Horno Industrial.

Sanciones de las Compañías Eléctricas

En muchos países, gestionar una instalación con un bajo factor de potencia implica un incremento de los costes para el distribuidor de energía eléctrica, ya que sobrecarga las líneas de distribución y las fuentes de generación, y aumenta la caída de tensión a lo largo de la red eléctrica.

Como consecuencia, las empresas de servicio eléctrico aplican un sistema de tarifas que sanciona el uso de la energía con bajos factores de potencia.

De este modo, las compañías eléctricas nacionales pueden promover que los clientes reduzcan el consumo de la energía reactiva de la red, y lograr que el factor de potencia no caiga por debajo de 0.90. Es decir, a partir del sistema de tarifas aplicado, el usuario puede decidir incorporar un sistema de corrección de factor de potencia en sus instalaciones para ahorrarse el costo de las sanciones.

¿En qué consiste la Corrección del Factor de Potencia?

La corrección del factor de potencia consiste en producir localmente la potencia reactiva que necesitan los equipos locales para operar. De esta manera, no se consumirá potencia reactiva de la red, y se evitarán sanciones por parte de la compañía de servicio eléctrico.

Corrección del Factor de Potencia.
Corrección del Factor de Potencia. Fuente: Cuaderno Técnico ABB.

En la imagen anterior podemos observar que P es la potencia activa y QC es la potencia reactiva de corrección (perteneciente al elemento de producción de energía reactiva local). Q1 y φ1 son la potencia reactiva y el ángulo de desfase antes de la corrección (la que necesita la carga para operar). Q2 y φ2 son la potencia reactiva y el ángulo de desfase en la red eléctrica después de la corrección.

1. Ventajas en Máquinas Eléctricas

La corrección del factor de potencia a un valor mayor de 0.9 permite dimesionar los generadores y los transformadores de la red eléctrica en capacidades constructivas más económicas. Ya que la potencia aparente S (la potencia nominal de fabricación) estará calculada en función de la Potencia Activa P, considerando una cantidad mínima de la potencia reactiva Q.

De lo contrario, si se permite que el sistema tenga un factor de potencia menor a 0.9, entonces las máquinas eléctricas deberán dimensionarse con una Potencia Nominal mucho mayor, para poder generar y transmitir la cantidad de Potencia Reactiva que demanda el sistema. Esto se traduce en mayores costos de inversión por parte de las compañías eléctricas.

Por otra parte, si el sistema eléctrico ya es existente, dimensionado para operar con un factor de potencia de 0.9, entonces, la potencia nominal de los generadores y transformadores no tendrán la capacidad de generar y transmitir más Potencia Reactiva Q que la que se diseñó durante la construcción de la red eléctrica. Por lo tanto, los generadores y transformadores trabajarán sobrecargados si se les exige operar a un factor de potencia menor a 0.9, llevando a ocasionar sobrecalentamiento y reducción de la vida útil de esos equipos.

2. Ventajas en Líneas Eléctricas

La corrección del factor de potencia trae ventajas con respecto al dimensionamiento de los cables y conductores de las líneas eléctricas. Ya que, si se reduce la componente reactiva de la corriente, entonces se reducirá la corriente total que se transmite a través de la línea. Es decir, se reduce la corriente nominal requerida para dimensionar las secciones de los cables, los interruptores de potencia, los seccionadores, y demás componentes de la red eléctrica.

3. Reducción de Pérdidas

La corrección del factor de potencia permite reducir las pérdidas de potencia en todas las partes de la instalación ubicadas aguas arriba del punto en el que se efectúa la corrección.

Esto se debe a que las pérdidas de potencia en un conductor eléctrico dependen de la resistencia del conductor y del cuadrado de la corriente que lo atraviesa. Si la corriente que atraviesa al conductor tiene una componente reactiva alta (en este caso, el factor de potencia es bajo), el conductor tendrá mayores pérdidas de potencia.

En cambio, si se reduce la componente reactiva de la corriente por medio de la corrección del factor de potencia, entonces la corriente que atraviesa al conductor será menor y tendrá menores pérdidas en el sistema eléctrico aguas arriba del punto de corrección.

4. Reducción de la Caída de Tensión

La caída de tensión en el sistema eléctrico será menor cuanto mayor sea el factor de potencia. Ya que la caída de tensión es proporcional al ángulo de desfase φ entre la tensión y la corriente. Mientras más componente reactiva haya en el sistema, mayor será el ángulo de desfase φ, y por lo tanto, mayor será la caída de tensión, perjudicando los perfiles de tensión de la red eléctrica y la calidad de energía que reciben los demás usuarios conectados a la red.

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Elementos de Producción de Potencia Reactiva

Los principales elementos para la producción de potencia reactiva son los siguientes:

  • Alternadores Sincrónicos: se actúa sobre la excitación del alternador para variar el valor de la tensión generada, y así poder regular las aportaciones de potencia reactiva a la red para mejorar los perfiles de tensión del sistema.
  • Compensadores Sincrónicos: son motores sincrónicos que funcionan en vacío y se ponen en sincronismo con la red para absorber la potencia reactiva excedente o para proporcionar la potencia que falta. Son muy costosos en instalaciones de baja tensión.
  • Compensadores Estáticos: consiste en sistemas electrónicos estáticos para el control de la potencia reactiva a través de parejas de tiristores en antiparalelo. Se utilizan mayormente en redes de alta y extra alta tensión.
  • Bancos de Condensadores Estáticos: tienen la capacidad de acumular y suministrar energía, y se pueden utilizar en todos los niveles de tensión.

Tipos de Corrección del Factor de Potencia

Actualmente no existen reglas específicas para los diferentes tipos de soluciones de corrección de potencia, por lo que los condensadores pueden instalarse en cualquier punto, siempre y cuando haya una evaluación práctica y económica que se ajuste a las exigencias de cada proyecto.

A continuación, describiremos los principales métodos de corrección del factor de potencia dependiendo de la planificación y diseño de las instalaciones eléctricas.

1. Corrección Distribuida

La corrección distribuida consiste en dimensionar un banco de condensadores y conectarlo directamente a los terminales del dispositivo que necesita la potencia reactiva.

Sin embargo, hay ciertas desventajas en el modo de conexionado, por lo que se recomiendan tres tipos de conexionados, como se muestra en la siguiente imagen, en los que el ingeniero de diseño deberá discernir cuál esquema es más conveniente según las necesidades y según el presupuesto disponible de cada proyecto.

Corrección de FP - Distribuida.jpg
Corrección Distribuida de Factor de Potencia. Fuente: Cuaderno Técnico ABB

2. Corrección por Grupos

Este tipo de corrección consiste en corregir un grupo de cargas mediante la instalación de un banco de condensadores en la misma barra que alimenta al grupo de cargas en cuestión. En este caso, el beneficio de corrección afecta sólo a las líneas aguas arriba respecto al punto en el que se encuentra instalado el banco de condensadores.

Corrección de Factor de Potencia - Grupos
Corrección de Factor de Potencia por Grupo de Cargas. Fuente: Cuaderno Técnico ABB.

3. Corrección Centralizada

La corrección centralizada consiste en instalar un único sistema de corrección en el punto inicial de la instalación. Usualmente, este tipo de corrección se utiliza en instalaciones con muchas cargas que funcionan generalmente de forma simultánea, donde no es económicamente viable instalar un banco de condensador local para cada carga.

La desventaja de la corrección centralizada es que las líneas de distribución de la instalación, aguas abajo del punto inicial donde se instaló el dispositivo de corrección, deben estar sobredimensionadas teniendo en cuenta la totalidad de la potencia reactiva absorbida por las cargas.

Corrección de Factor de Potencia - Centralizada
Corrección Centralizada de Factor de Potencia. Fuente: Cuaderno Técnico ABB.

4. Corrección Mixta del Factor de Potencia

La corrección mixta consiste en la aplicación de la corrección distribuida en conjunto con la corrección centralizada. De forma que la corrección distribuida se utiliza para los aparatos eléctricos de mayor potencia, y la corrección centralizada se utiliza para la parte restante.

5. Corrección Automática

La corrección automática consiste en un conjunto de componentes que, por medio de un sistema de detección de tipo varimétrico y de un regulador de factor de potencia, permiten la inserción o la desconexión automática de los bancos de condensadores, siguiendo las variaciones de la potencia reactiva absorbida y manteniendo constante el factor de potencia de la instalación.

Conclusiones

La potencia reactiva genera múltiples problemas en las redes eléctricas desde la generación de energía hasta el punto de utilización. Es por eso que las compañías eléctricas sancionan a los clientes cuyas instalaciones eléctricas tengan un factor de potencia que caiga por debajo de límites preestablecidos. En este sentido, por razones económicas, es importante implementar soluciones de corrección de factor de potencia dentro de las instalaciones del cliente para que las cargas no consuman la potencia reactiva de la red, sino de una fuente local.

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Fuentes

Megger. A Guide to Power Quality Testing. Norristown, 2018.

ABB. Corrección del Factor de Potencia y Filtrado de Armónicos en las Instalaciones Eléctricas. Barcelona, España.

ABB Group. Leading digital technologies for industry

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