Factor de potencia: ¿Qué es?, ¿cómo calcularlo? y más

El factor de potencia, se trata de una medida que se utiliza para el rendimiento de la energía que necesita un receptor o algún sistema eléctrico, entre otras palabras es la relación que existe entre un voltaje total a un circuito de voltaje resistiva del mismo. En este artículo vamos a explicar un poco más sobre este gran tema.

¿Qué es el Factor de Potencia?

El factor de potencia se conoce por ser un circuito de corriente alterna, esto quiere decir que es el vinculo que existen entre la la potencia activa y la aparente, son unas medidas de la extensión de una carga que adquiere una potencia activa.

Es importante tener en cuenta saber diferenciar los términos que existen sobre el factor potencia, ya que no son iguales, en el caso de las cargas lineales los dos factores coinciden.

El factor de potencia

Presentamos un ejemplo para que se pueda saber con mayor claridad el significado del factor potencia. Si mediante una lámpara toda esta energía se vuelve luz es un receptor bastante útil, con un factor de potencia de valor 1.

Se puede decir que el factor de potencia que posee un objeto eléctrico o electrónico es el vínculo que existe entre la energía que saca de la red y la energía necesaria que tenemos para su mejor función.

Factor de Potencia = F.P. = Energía absorbida/Energía útil = (Pabsorbida x t )/ (Pútil x t) = Pabsorbida/Pútil.

Como se observa a pesar de que nos encontramos hablando de energía, el tiempo se basa en la fórmula final ya que se encuentra arriba y abajo de una fracción para el factor de potencia esto no es obligatorio. La fórmula final nos queda como el vinculo entre esas dos potencias. Gracias a este ejemplo se puede conocer el por qué se llama Factor de Potencia.

El factor de potencia, es un tipo de medida que no posee unidades, solo números. Si es de valor 1 esto significa que contiene un rendimiento mayor, toda la potencia (energía) que adquiere de la red se transforma en útil, mientras que si se trata de un valor o es peor ya que no posee nada de utilidad.

Hay que tener presente que este tipo de factor es solo una medida que se usa para el rendimiento electrice, con las pérdidas debido al calor o otra causa no se toman en cuenta para el factor de potencia, solo se pueden tomar en cuentas las pérdidas de energía o de potencias.

La pregunta sería ¿Donde se pierde toda esta energía? La energía que se va perdiendo en los receptores lo hace producto de las bobinas o el cable enrollado que algunos receptores poseen y que son obligatorias para su función un ejemplo de ello sería: el  bobinado de un motor.

Esto se puede entender bastante bien con el siguiente ejemplo.

Piensa sobre un motor eléctrico, su ocupación es que un eje de vueltas con una potencia o fortaleza. Este motor al contener un bobinado requiere generar diferentes campos magnéticos en sus bobinas para que el eje gire y pueda funcionar. Es allí donde se encuentra una energía que consume el motor útil solo para producir todos estos campos magnéticos.

Factor de potencia

Esta energía no es una energía productiva o útil en el eje del motor, solo se trata de los campos magnéticos en el bobinado, por ende, esta energía no produce un trabajo productivo o perfecto en el motor.

La potencia de esta energía es la que conocemos como  potencia reactiva y como se entiende es útil para que pueda tener una buena función el motor, pero no produce un trabajo real en el motor.

¿Qué es una bobina?

Una bobina es un complemento inductivo, gracias a lo explicado hasta ahora siempre estará presente en los receptores que tengan bobinas o también se piensa que tengan una gran parte inductiva. Estos receptores con bobinas se usan en corriente alterna, por eso el factor de potencia es una medida del rendimiento de un receptor solo en algunos receptores que trabajen en la corriente alterna.

En la electricidad, la potencia que produce el trabajo en el motor la conocemos como Potencia activa o útil, y será la modificada en trabajo junto con el eje del motor. Con la potencia absorbida de la red (la total) se le llamará Potencia Aparente, mientras que a la potencia perdida ocasionada (por las bobinas) se le llama Potencia Reactiva.

Estos inductores pueden estar fabricados por circuitos incorporados, utilizando el mismo procedimiento usado para formar los  microprocesadores. En otros casos el aluminio se conoce como un elemento conductor, no obstante no es muy común que se fabriquen los inductores dentro de esos circuitos, ya que es más fácil utilizar un modelo girador.

Factor de potencia

Potencia activa, reactiva y aparente

Vamos a conocer un poco sobre las 3 Potencias. Para tener una mejor idea de como funcionan dichas potencias te las presentamos a continuación:

Existen diversos aparatos eléctricos conformados  por uno o varios receptores que son inductivos, por ejemplo una fuente de alimentación que contiene en su interior un transformador, por lo que lo convierte en un aparato inductivo. El factor de potencia cuanto más cerca de 1 es (más alto), así tendrá un mejor rendimiento del receptor.

La Potencia Eléctrica Total, también conocida como la Potencia Aparente, es usada gracias a un sistema eléctrico proveniente de  una instalación industrial o comercial de corriente alterna la cual se puede medir en Voltio Amperios (VA) o Kilo-voltio Amperios (KVA) este posee dos componentes:

Potencia Activa: es la que genera el trabajo y se mide en vatios o Kw. Gracias a ello es porque produce realmente un trabajo a esta también se le llama Potencia Productiva o útil.

Potencia Reactiva: esta potencia es la que se utiliza para generar todos  los campos magnéticos necesitados por los aparatos eléctricos que contiene alguna parte inductiva (bobinas), como es el caso de los motores de corriente alterna, los transformadores, hornos inductivos, entre muchos más. Se mide en VAR (Voltio Amperios Reactivos o kVAR).

Potencia inductiva: es la combinación de las anteriores.

Como sabemos este es un receptor en corriente alterna se encuentran 3 potencias diferentes, pero unidas entre sí. La potencia aparente o total es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva. Estas se pueden representar mediante el conocido triángulo de Potencias normalizadas.

Triángulo de potencias: para explicar esto tenemos que la S representa es la Potencia Aparente, la Pa es la Potencia Activa mientras que la Q es la Potencia Reactiva.

Si el factor de potencia es bastante bajo, lo adecuado es tener que aumentarlo de alguna forma, como vamos a explicar más adelante, hasta hacerlo lo más cercano a 1 posible. Con este costo más elevado se le cobra de forma directa al consumidor industrial por medio de  algunas cláusulas que tiene el factor de potencia incorporadas en las tarifas.

Cuando se paga menos por el consumo eléctrico es solo una de las ventajas que existen para aumentar el factor de potencia de los receptores eléctricos, al final del articulo vamos a explicar sobre todos los beneficios de incrementar todo el factor de potencia.

La mejor alternativa existe reflejado en el diagrama vectorial, en donde se ubica la potencia activa esta simbolizada por la barra positiva X y la potencia Reactiva por la barra Y. La potencia inductiva es la responsable de formar y mantener todo el entorno electromagnético cerca de la bobina para poder ser la encargada de la barra Y positivo.

La empresa encargada de producir toda la energía eléctrica va a cuidar de todos los consumos que se mantengan en potencia aparente para poder brindar hasta un 10% de privación sin encargo con penalidades, pero siempre nos va a cobrar por dicho consumo.

Cuando se presenta una pérdida elevada la función puede alcanzar hasta 130% de castigo por el bajo nivel de potencia que contiene, ya que al momento de usar nuestros registros eléctricos, si hay una corriente baja o no la empresa tiene que fabricarla.

Entre más cerca este el 100% de eficiencia se mantengan nuestros consumos eléctricos, mejor será el nivel de potencia, menor será la petición de la corriente y menor costo para el suministrador.

Este triángulo también nos brinda el ángulo para poder calcular el coseno de phi. El ángulo φ del triángulo de potencias va a demostrar cual es el valor del coseno de phi del receptor que hemos explicado anteriormente.

Ten presente: cuando hay menor ángulo mayor es el valor del coseno del ángulo, ángulo 0º su coseno será 1, ángulo de 90º su coseno será de 0.

Dos Potencias Reactivas

Si se toma en cuenta el triángulo de potencias, la Q es la consecuencia de la resta de otras dos potencias QL – Qc.

Hemos explicado que las bobinas poseen una potencia reactiva para producir los campos magnéticos, con  el triángulo esa potencia será QL y se le va a llamar potencia reactiva inductiva. Entonces ¿Qué quiere decir la Qc?.

Las bobinas crean los campos magnéticos, y los condensadores son los componentes que producen los campos eléctricos. Para poder producir todos estos campos eléctricos, al mismo tiempo que las bobinas, los magnéticos, los condensadores en corriente alterna contienen una potencia reactiva, pero en esta oportunidad es todo lo contrario a la potencia reactiva de las bobinas.

Los condensadores también suelen llamarse Capacitores.

Si en un receptor inductivo se coloca un condensador o capacitor en paralelo, resulta ser una potencia reactiva total (recordemos que esta es la mala) será la resta vectorial de la QL -Qc.

Corrección del Factor de Potencia

La manera más fácil y económica para poder alzar el factor de potencia se basa en la disminución del consumo de la potencia reactiva reflejada en la colocación de los condensadores.

Esto se debe a que los condensadores de potencia cuando se mantienen en paralelo con la carga atraen una corriente reactiva de modelo capacitativo, que se encuentra marcada en un 90° en adelanto con base a la tensión.

Por ejemplo, el efecto inductivo de las cargas de motores puede ser corregido de forma local mediante la conexión de los condensadores. En determinadas oportunidades pueden instalarse los motores síncronos con los que se puede incorporar una potencia con capacidad o reactiva con tan solo cambiar la corriente de excitación del motor.

Las pérdidas de energía en las líneas de transporte de energía eléctrica incrementan con el aumento de la intensidad. Como se ha explicado, cuanto más bajo sea el f.d.p. de una carga, se necesita más corriente para lograr la misma cantidad de energía conveniente.

A esto es a lo que se le conoce como compensación o “Corrección del Factor de Potencia” = para ello se tiene que cambiar este ángulo φ inicial por otro mejor (más bajo) y por lo tanto por un coseno φ o factor de potencia más elevado.

Existen diferentes virtudes en cuanto a la corrección del factor de potencia entre ella tenemos:

Un mejor uso para los transformadores y generadores: los transformadores son elementos extensos en funcionamiento con la potencia que se tiene que modificar, esta potencia se puede medir en  kVA (potencia aparente).

Es importante saber que la potencia activa están estrechamente vinculadas por la siguiente expresión: P = S ⋅ cosϕ.

Siempre hay que tener presente que si un trasformador nutre una carga de factor potencia similar  a la unidad toda esa potencia aparente será usada mientras el factor de potencia se encuentre bajo, la mayor potencia activa la máquina solo para brindar una parte  de su potencia aparente.

Correcciones aisladas

Este tipo de correcciones se tiene que realizar uniendo los capacitores lo más cercano posible a una carga o de las culminaciones de los propios alimentadores, se tiene que tener presente que al realizar esta acción se tiene que tomar en cuenta el punto completo de energía y no solamente en la dirección contraria.

Ya que los capacitores que se encuentran cerca de las cargas pueden dejar de funcionar de forma rápida cuando las cargas se cansan sube el nivel de voltaje y por ello el funcionamiento del motor.

Debemos tener en cuenta que la modificación se realiza sólo por el  punto deferente a la fuente de energía y no en dirección contraria. Los capacitores instalados próximo de las cargas pueden dejar de trabajar de forma automática cuando las cargas terminan, aumentan el voltaje y por ello que se debe saber Cómo hacer una fuente de Voltaje.

A continuación vamos a tratar de explicar de una manera fácil y sin complicadas ecuaciones ni terminaciones, el comienzo de cómo se mejora el factor de potencia es el siguiente:

Las cargas de un circuito son diferentes en el caso de los motores y diversos equipos de los conocidos inductivos las modificaciones son elevadas en donde se pueden llegar a convertirse en un inconveniente para el consumos.

Estas consecuencias para las pequeñas empresas se ven forzadas por las compañías eléctricas a colocar los condensadores para sus consumos para de esta manera no producir derivaciones que incremente de forma inadecuada todo su consumo provocando la penalidad.

Posiblemente la desigualdad que existe entre las unidades es el factor potencia, este se encuentra representado de forma matemática por el coseno entre el angulo de las corrientes y las tensiones.

Presentamos un ejemplo:

En definitiva si podemos corregir el ángulo, se reforma el coseno de ese ángulo y modificamos el factor de potencia.

Para corregirlo, antes se tiene  que saber cual es el factor de potencia inicial y final queremos conseguir.

Calcular Factor de Potencia

Si prestas atención en el triángulo de potencias, calcular el coseno del ángulo φ; del triángulo es muy sencillo por Pitágoras o trigonometría.

Ten presente: que en un triángulo rectángulo, como el de potencias, el coseno del triángulo es igual al cateto contiguo al ángulo partido por la hipotenusa.

El seno es lo mismo pero el cateto contrario al ángulo partido por la hipotenusa.

Triángulo de potencias

Este conocido triángulo es la mejor manera de ver y entender de modo gráfico de que se trata el factor de potencia o el coseno de “fi” (Cos φ).  Es la representación de un triángulo de ángulo recto que muestra la relación entre potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente.

Factor de potencia fórmula

Del triángulo y Pitágoras podemos tener otras fórmulas considerables, por ejemplo los valores de las 3 potencias:

S = V x I se mide en voltio amperios (VA)

Pa = S x cosen φ; o lo que es lo mismo P = V x I x cose φ. (recuerda S = V x I, reemplaza a S por estos valores en la primera fórmula). Se mide en vatios w o Kilovatios KV

Q = S x seno φ; o lo que es lo mismo Q = V x I x seno φ. Se mide en VAR.

Coseno phi y El Factor de Potencia

Como hemos explicado una resistencia tiene 0º de desfase entre la onda de tensión y la  intensidad, están se ubican en fase, pero en el caso de una bobina la intensidad tiene -90º de retraso (desfase) conforme a la tensión y un condensador +90º.

Pero, ¿Qué sucede si el receptor es una combinación de resistivo e inductivo o incluso de los 3 tipos? Por ejemplo cuando una bobina es inductiva, al ser un cable enrollado también se obtendrá una resistencia, por lo tanto también será resistiva.

En estos casos el ángulo de desfase no será ni 0º, ni +90º, ni -90º, ya que será otro diferente, por ejemplo podría ser de 30º, -40º, etc.

Posiblemente este ángulo de desfase es el que usamos para calcular el llamado coseno de phi, esta se encuentra muy vinculado con el factor de potencia.

El coseno del ángulo de desfase que existe entre la tensión y la intensidad por un receptor, es el coseno de phi, también conocido como cos fi o cos φ.

En un sistema eléctrico con una corriente alterna se encuentra la unión entre la potencia activa y la aparente. Además se le conoce como el ángulo constituido entre estas potencias, cuando se encuentra un movimiento entre las ondas de corriente que tiene una carga y las ondas de tensiones.

Si la corriente y la tensión que se producen de forma sinusoidal (220 Hz), la potencia activa y la potencia se volverá la misma.

En los circuitos inductivos, este valor siempre mantendrá una fracción decimal menor a 1, provocado por el desajuste entre las ondas que hemos explicado.

Desfases entre la Tensión e Intensidad

Con la corriente alterna (c.a.), las tensiones y las intensidades administradas por las compañías de electricidad son ondas senoidales. Cuando la onda de la tensión comienza y termina en el mismo lugar, se dice que se encuentran en fase.

En c.a. se ubican  3 tipos de receptores diversos, los resistivos que son resistencias puras, los inductivos que son las bobinas, y los capacitivos que son parte de los condensadores.

FACTOR DE POTENCIA

Receptores de corriente alterna

  • Cuando el receptor es una resistencia pura (resistivo), la onda de la intensidad se encuentra en fase con la onda de la tensión.
  • Cuando el receptor es una bobina (inductivo), la onda de la intensidad está retrasada 90º con semejanza a la de la tensión.
  • Cuando el receptor es un condensador (capacitivo), la onda de la intensidad se encuentra adelantada por 90º respecto a la de la tensión.

En la siguiente imagen se puede ver las ondas para los 3 tipos de receptores y aparte como se van a representar de manera vectorial la tensión y la intensidad.

Condensador Necesario para Mejorar el Factor de Potencia

Al modificar el factor de potencias se puede ampliar la manera de transferir la corriente, modificar la capacidad de los equipos, disminuir las pérdidas de la energía así como también las facturas ocasionadas a razón de Cómo se Transporta la Electricidad, la manera más fácil de poder hacer esto es cambiar el factor de potencia es incorporar los condensadores de corrección F.P al sistema eléctrico.

Con estos tipos de condensadores de corrección se puede trabajar con la corriente reactiva, ya que estos socorren manteniendo la potencia que no funciona usadas por las cargas inductiva, aumentando de esta manera el factor de potencia. La comunicación que existe entre estos condensadores y los equipos necesitan un sistema bien fabricado.

Estos condensadores se pueden prender durante todos los días, cuando se conecta un condensador puede ocasionar una situación muy pequeña llamada sobre tensión. Cuando un cliente posee diferentes inconvenientes de velocidades estos suelen apagarse solos debido a esa sobre carga, posiblemente a la misma hora ocurre esto, se puede estudiar cuales son los controles necesarios para poder mejorar esta situación.

Ya tenemos nuestro factor de potencia, ahora piensa que quiero mejorarlo. Si por ejemplo fuera un motor, conoceremos su Pa y el coseno φ que tiene inicialmente (lo podríamos calcular como se hizo antes).

Si ese coseno φ lo quiero mejorar a otro se tendrá que definir cuál es el nuevo que queremos obtener.

Coseno φ = Pa/S; despejando la S.

S = Pa /coseno φ; Este coseno de φ o factor de potencia será el que queremos tener al final, por ejemplo de 0,9.

¿Qué conocemos del nuevo triángulo? Conocemos la Pa que no va a modificar y el coseno de φ nuevo que queremos conseguir (0,9). Aparte que ya tenemos calculada la nueva S.

S nueva= Pa/cose φ ; en la imagen S.

Ahora podría calcular la Q nueva; en la imagen Q.

Q = S x seno φ.

Qc = Qi – Qf; en la imagen Q´- Q.

La unidad más utilizada de capacidad de los condensadores son los microfaradios μF.

Calculo de capacitores para corregir factor de potencia

Aunque este paso no es muy necesario, si se quiere saber de donde sale la fórmula de la capacidad del condensador, a continuación lo tienes. Empezamos por la Intensidad del condensador, sabiendo que es la tensión distribuida por su impedancia.  Te presentamos un claro ejemplo de ello.

Capacidad del condensador para corregir el factor de potencia

Todo este ejemplo va a  servir para un motor monofásico. La instalación es muy fácil, en realidad la mayoría de los motores monofásicos ya contienen con su condensador para modificar el factor de potencia instalado en el mismo motor. Si estamos hablando de motores trifásicos, tendríamos que colocar los  3 condensadores, uno por cada fase.

¿Cómo Conectar un Capacitor a un Motor Monofásico?

Para la instalación de los capacitores se deben tomar en cuenta diferentes factores que forman parte en su ubicación como es el caso de: La variación y distribución de cargas, el factor de carga, clase de motores, uniformidad en la repartición de la carga, la colocación y distancia de los circuitos y la naturaleza del voltaje.

Se puede hacer una modificación del grupo de cargas conectando en los transformadores primarios y secundarios de la planta, por ejemplo, en un dispositivo principal de partición o en una barra guía del control de motores.

La modificación de grupo es obligatorio cuando las cargas cambian de forma radical entre los alimentadores y cuando los voltajes del motor son bajos, como por ejemplo, 230 V.

FACTOR DE POTENCIA

Cuando los flujos de potencia van cambiando de forma constante entre diversos lugares de la planta y cargas individuales, se hace obligatorio efectuar la modificación primero en una parte de la planta, para poder  verificar las condiciones adquiridas y luego compensar en la otra. No obstante, es más provechoso usar un capacitor de grupo ubicado lo más paralelo que se pueda de las cargas.

Cuando la distancia de los alimentadores es considerable, se aconseja la instalación de los capacitores individuales a los motores, por supuesto que se van a necesitar algunos condensadores de diversas capacidades, derivando por esto en un costo mayor.

No obstante se deberá evaluar  cuál es el beneficio económico adquirido con la compensación individual.

Estos tipos de motores poseen 2 bobinas divididas de forma organizada a unos 90 grados una d otra encima del estrato. Se le conoce porque la ohmios del arrollamiento de acceso es un poco mayor al que corresponde el choque de servicio.

Aparte se encuentra con la bobina de impulso que posee un capacitor de valor definido por el cual pasa la corriente, se encuentra vinculada de forma adelantada con base al  bobinado de trabajo.

Problemas de un Bajo Factor de Potencia

Estos son ocasionados por cargas inductivas como es el caso de (transformadores, motores eléctricos e iluminación de descarga de intensidad elevada), los cuales son una parte bastante importante de la energía utilizada en los complejos industriales. El incremento en la potencia reactiva y aparente ocasiona que el factor de potencia se reduzca.

FACTOR DE POTENCIA

Existen diferentes tipos de inconvenientes cuando se tiene un bajo rendimiento por parte del factor de potencia, a continuación te explicaremos cuales son algunos de esos problemas.

Problemas técnicos

  • Poseen un mayor consumo de corriente.
  • Incremento de las pérdidas en conductores.
  • Exceso de los transformadores, generadores y líneas de distribución.
  • Aumento de las caídas de voltaje.

Problemas económicos

  • Ampliación de la factura eléctrica por consumo superior de corriente.
  • Sanción de hasta un 120 % del costo de la factura.

Beneficios por corregir el factor de potencia

El cargo por factor de potencia simboliza la compensación va a depender de la energía reactiva, corrección al factor de carga, para lo cual se toman en cuenta los componentes como el número de centros de carga, la ubicación y por ende el factor de potencia actual.

Beneficios en los equipos

  • Disminución de las pérdidas en conductores.
  • Rebaja de las caídas de tensión.
  • Incremento de la disposición de potencia de los transformadores, líneas y generadores.
  • Aumento de la vida útil en todas las instalaciones.

Beneficios económicos

  • Disminución de los costos por factura eléctrica.
  • Eliminación del cargo por bajo factor de potencia.
  • Abono de hasta un 2.5 % de la facturación cuando se tenga un factor de potencia mayor a 0.9
  • Las cargas inductivas necesitan de una potencia reactiva para poder realizar su funcionamiento.
  • Esta demanda de reactivos se puede disminuir e incluso eliminar si se colocan los capacitores en paralelo con la carga.
  • Cuando se disminuye la potencia reactiva, se mejora el factor de potencia.

FACTOR DE POTENCIA

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