La mayoría de las cargas en los sistemas de distribución eléctrica modernos son inductivas.
Los ejemplos mas comunes de cargas inductivas incluyen entre otros: motores, transformadores, balastos de iluminación fluorescente y hornos de inducción.
Las cargas inductivas necesitan un campo magnético para funcionar y requieren dos tipos de potencia:
• Potencia de trabajo (kW) para realizar el trabajo real de crear calor, luz, movimiento, potencia de la máquina, etc.
• Potencia reactiva (kVAR) para mantener el campo magnético.
La potencia de trabajo consume watts y se puede leer en un vatímetro. Se mide en kilovatios (kW). La potencia reactiva no realiza un «trabajo» útil, sino que circula entre el generador y la carga.
Los kVAR son un tipo de potencia que obliga a conducir mas corriente desde la fuente de energía, así como en el sistema de distribución de la fuente, por ello los operadores de red penalizan el exceso de esta potencia. La potencia reactiva se mide en kilovoltios-amperios-reactiva (kVAR).
La potencia de trabajo (kW) y la potencia reactiva (kVAR) juntas forman la potencia aparente (kVA). La potencia aparente se mide en kilovoltios-amperios (kVA).
[joli-toc]
Fundamentos del factor de potencia
El factor de potencia es la relación entre la potencia de trabajo y la potencia aparente. Mide la eficacia con la que se utiliza la energía eléctrica.
Un factor de potencia alto indica una utilización eficiente de la energía eléctrica, mientras que un factor de potencia bajo indica una utilización deficiente de la energía eléctrica.
Para determinar el factor de potencia (PF), divida la potencia de trabajo (kW) por la potencia aparente (kVA). En un sistema lineal o sinusoidal, el resultado también se denomina coseno θ.
Por ejemplo, si tuviera un motor con una potencia de 100 kW y la potencia aparente fuera de 125 kVA, dividiría 100 entre 125 y obtendría un factor de potencia de 0,80.
¿Cómo afecta una instalación, un factor de potencia bajo?
El factor de potencia bajo significa que no está utilizando completamente la energía eléctrica por la que está pagando.
Como demuestran las relaciones triangulares de la Figura 1, los kVA disminuyen a medida que aumenta el factor de potencia. Con un factor de potencia del 70%, requiere 142 kVA para producir 100 kW, pero con un factor de potencia del 95%, solo requiere 105 kVA para producir 100 kW. Otra forma de verlo es que con un factor de potencia del 70%, se necesita un 35% más de corriente para hacer el mismo trabajo.
¿Qué se debe hacer para mejorar el factor de potencia?
Puede mejorar el factor de potencia agregando condensadores de corrección del factor de potencia (Bancos de capacitores) al sistema de distribución de su edificio.
Cuando la potencia aparente (kVA) es mayor que la potencia de trabajo (kW), la red eléctrica debe suministrar el exceso de corriente reactiva más la corriente de trabajo (kVAR+kW=kVA).
Los condensadores de corrección de factor de potencia actúan como generadores de corriente reactiva. (Ver Figura 2). Al proporcionar la corriente reactiva, reducen la cantidad total de corriente que su sistema debe extraer de la red.
El factor de potencia del 95% proporciona el máximo beneficio.
Teóricamente, los condensadores podrían proporcionar el 100% de la potencia reactiva necesaria. Sin embargo, en el uso práctico, la corrección del factor de potencia hasta aproximadamente el 95% proporciona el máximo beneficio.
El triángulo de potencia en la Figura 3 se muestran las demandas de potencia aparentes en un sistema antes y después de agregar capacitores.
Al instalar condensadores de potencia y aumentar el factor de potencia al 95% (F.P=0.95), la potencia aparente se reduce de 142 kVA a 105 kVA, una reducción del 35%.
¿Cuánto puedo ahorrar instalando condensadores o banco de capacitores de potencia?
Los condensadores de potencia brindan muchos beneficios:
- Facturas de servicios eléctricos reducidas.
- Mayor capacidad del sistema.
- Voltaje mejorado.
- Reducción de pérdidas.
- No penalización por regulación del operador de red.
Disminuir la factura de servicios públicos
Su compañía eléctrica proporciona potencia de trabajo (kW) y reactiva (kVAR) a su edificio en forma de potencia aparente (kVA). Si bien la potencia reactiva (kVAR) no se registra en la demanda de kW o en los medidores de kW-hora, esta si se registra en los medidores de kVAR. El sistema de transmisión y distribución de la empresa de servicios públicos debe ser lo suficientemente grande para proporcionar la potencia total kVA, kVAR y kW.
Las empresas de servicios públicos tienen varias formas de cobrarle a usted el gasto de generar kVAR desde sus generadores, transformadores, cables, interruptores y similares, incluso en algunos paises se penaliza el consumo de kVAR desde la red.
Como se muestra en las siguientes historias de casos, los capacitores pueden ahorrarle dinero sin importar cómo le facturen la energía de sus servicios públicos.
El operador de red mide y factura cada amperio de corriente, incluyendo la corriente reactiva.
Ejemplo 1 (Calculo de capacitor, ahorro y retorno de inversión)
Suponga una demanda no corregida de 460 kVA, 480 V, trifásica a un factor de potencia de 0,87.
- Facturación: $ 4,75 / kVA demando
- Corregir al factor de potencia a 0,97
Solución:
kVA × factor de potencia = kW
460 × 0,87 = 400 kW de demanda real = kVA
kW/F.P=kVA
400kW/0.97=412 kVA, seria la demanda de facturación corregida.
Como se puede observar el aumento en el factor de potencia disminuye el consumo de kVA.
Para encontrar el condensador requerido para aumentar el factor de potencia de 0,87 a 0,97 se debe multiplicar el factor de potencia inicial por los kW a corregir, ver información en la tabla siguiente:
Multiplicador de 0,316 x kW; 0.316 x 400 = 126 kVAR (usar 140 kVAR, mas comercial que 126kVAR)
Facturación original sin corregir:
460 kVA × $4.75 = $2185 / mes.
Facturación nueva corregida:
412 kVA × $ 4,75 = $ 1957 / mes
140 kVAR, costo del capacitor de 480 V: $ 1600 (Solo condensador, la instalación es adicional).
Este condensador se amortiza en menos de ocho meses, con el ahorro que trae la corrección del factor de potencia.
Ahorro:
$2185-$ 1957=$ 228 / ahorro cada mes × 12 =$2736 ahorrado al año, mucho mas que el costo del condensador.
Ejemplo 2 (Calculo de capacitor, ahorro y retorno de inversión teniendo en cuenta cargo (penalidad) por consumo)
Suponga las mismas condiciones anteriores:
400 kW @ 87% = 460 kVA
400 kW @ 97% = 412 kVA facturación corregida
Costo de kVA y demanda de kWh:
$ 1.91 / kVA / mes
112,400 kWh / mes de energía consumida por el edificio
Cargo por energía consumida:
$ 0.0286 / kWh (primeros 200 kWh / kVA de demanda)
$ 0.0243 / kWh (próximos 300 kWh / kVA de demanda)
$ 0.021 / kWh (más de 500 kWh / kVA de demanda)
Sin corregir:
460 kVA × $1.91 = $878.60
Corregido:
412 kVA × $1.91 = $786.92
Ahorro en kVA:
$878.60 – $786.92= 91,68 ahorros en los kVA demandados
Costo de la energía consumida sin corregir, teniendo en cuenta el cargo por consumo:
kWh = 112.400
460 × 200 = 92.000 kWh @ 0.0286 = $ 2631.20
460 × 300 = 138,000
Pero solo de este cargo consumió = 112.400-92.000 = 20,400 @ $0.0243 = $495.72
$ 2631.20 + $495.72 = $ 3126.92 cargo de energía sin corregir.
Costo de la energía consumida corregida, teniendo en cuenta el cargo por consumo:
kWh = 112,400
412 × 200 = 82,400 kWh @ 0.0286 = $2356.64
412 × 300 = 123,600 kWh
Pero solo de este cargo consumió = 112.400-82,400 = 30,000 @ $0.0243 = $729.00
$ 2356.64 + $729.00 = $ 3085.64 cargo de energía corregida.
Ahorros en el cargo de energía:
$3126.92 – $3085.64=41.28, No se trata de una reducción de la energía consumida, sino solo de la facturación.
$ 41.28 ahorro en cargo+$ 91.68 Ahorro en demanda=$ 132.96 Ahorros totales al mes.
Teniendo presente que el capacitor vale $1600, este se podría pagar en: $1600/$ 132.96=12 meses
Facturación por demanda de kW con ajuste del factor de potencia
La empresa de servicios públicos cobra de acuerdo con la demanda de kW y agrega un recargo o ajuste por factor de potencia. El ajuste puede ser un multiplicador aplicado a la demanda de kW. La siguiente fórmula muestra una facturación basada en un factor de potencia del 90%, F.p=0.9:
Si el factor de potencia fuera 0,84, la empresa de servicios públicos requeriría un aumento del 7% en la facturación, como se muestra en esta fórmula:
Algunas empresas de servicios públicos cobran por un factor de potencia bajo pero otorgan un crédito o bonificación por un factor de potencia por encima de cierto nivel.
Ejemplo 3 (Calculo de los kVAR y costos teniendo en cuenta el factor de ajuste por factor de potencia de 0.87 a 0.96):
Suponga una carga de 400 kW, factor de potencia del 87% con la siguiente tarifa de servicio público.
Cargos por demanda:
Primera demanda de facturación mensual de 40 kW a $ 10,00 / kW
Siguientes 160 kW a $ 9,50 / kW
Siguientes 800 kW a $ 9,00 / kW
Todo sobre 1000 kW a $ 8,50 / kW
Cláusula de factor de potencia:
Tarifas basadas en un factor de potencia del 90% o más. Cuando el factor de potencia es inferior al 85%, la demanda aumentará un 1% por cada 1% que el factor de potencia sea inferior al 90%. Si el factor de potencia es superior al 95%, la demanda se reducirá un 1% por cada 1% que el factor de potencia supere el 90%.
No habría ninguna penalización por el factor de potencia del 87%. Sin embargo, se podría acreditar una bonificación si el factor de potencia se eleva al 96%.
Para aumentar un factor de potencia del 87% al 96%, consulte la Tabla 1. Corrección de factor de potencia.
Después de revisar la tabla para un potencia de 400kW se encuentra que el factor es: 0,275 x 400 kW = 110 kVAR. (Se recomienda seleccionar 120 kVAR para garantizar el mantenimiento del nivel del 96%).
Demanda de facturación normal de 400 kW
Primeros 40 kW a $ 10,00 = $ 400,00
Siguientes 160 kW a $ 9.50 = $ 1520.00
Restante 200 kW a $ 9,00 = $ 1800,00
Total 400 kW $ 3720,00 facturación mensual normal
Nueva facturación con factor de potencia de 0.96:
(kWx0.9)/Nuevo factor de potencia=(400×0.9)/0.96=375 kW demandados
Primeros 40 kW a $ 10,00 = $ 400,00
Siguientes 160 kW @ $ 9.50 = $ 1520.00
Restante 175 kW a $ 9,00 = $ 1575,00
Facturación mensual ajustada por factor de potencia de $ 3495.00
Ejemplo 4 (Calculo de los kVAR, ahorros y costos teniendo en cuenta el factor de ajuste por factor de potencia de 0.81 a 0.96):
Con la misma carga de 400 kW, el factor de potencia es solo del 81%. En este ejemplo, el cliente pagará un ajuste de:
(400kWx0.9)/0.81=444, pago por kW demandado.
(Del ejemplo anterior: Cuando el factor de potencia = 96%, la demanda de facturación es 375 kW = $ 3495,00 por mes).
Primeros 40 kW a $ 10,00 = $ 400,00
Siguientes 160 kW a $ 9.50 = $ 1520.00
Siguientes 244 kW a $ 9,00 = $ 2196,00
Total 444 kW = $ 4116,00
$4116.00 – $3495.00 = $621.00 x 12 = $7452.00, ahorro anual si se corrige al 96%.
$ 4116.00 es el cobro por un factor de potencia del 81%
– $ 3720.00 Cargo por demanda de kW normal
De lo anterior se pagaría $ 395.00 mas, por tener un factor de potencia del 81%
Para aumentar el factor de potencia del 81% al 96%, seleccione el multiplicador de la Tabla 1. 0,432 x 400 kW = 173 kVAR. Utilice 180 kVAR para garantizar un factor de potencia del 96%. El costo de un capacitor de 180 kVAR es de $ 1900,00 y el retorno es de menos de cuatro meses.
Nota: en este caso en particular 55 kVAR eliminarían la penalización al corregir el factor de potencia al 85%.
Cargo de demanda reactiva kVAR por consumo de kW
La empresa de servicios públicos impone un cargo directo por el uso de la energía de magnetización, generalmente una exención de algún porcentaje de la demanda de kW.
Por ejemplo, si este cargo fuera de 60 centavos por kVAR para todo lo que supere el 50% de los kW y existiera una carga de 400 kW en ese momento, la empresa de servicios públicos proporcionaría 200 kVAR gratis.
Ejemplo 5 (Calculo de los kVAR, ahorros y costos teniendo en cuenta las restricciones del 50% de kW del operador de red)
Suponga una demanda de carga de 400 kW con un factor de potencia del 81%.
Estructura tarifaria:
El cargo por demanda es:
$ 635.0 para los primeros 200 kW de demanda
$ 2.8 por kW, para todos los kW adicionales
El cargo por demanda reactiva es:
$ 0.60 por kVAR en exceso del 50% de la demanda de kW
En este ejemplo, demanda de kW = 400 kW,
por lo tanto, 50% = 200 kVAR que se suministrarán sin costo alguno.
Coseno (θ) = Factor de potencia =kW/kVA = Lado Adyacente/Hipotenusa
Tangente (θ) = kVAR/kW = Lado Opuesto/Lado Adyacente.
Con 200 kVAR permitidos sin costo, entonces:
θ2=200/400; 0.5 o 50% de kW
En la columna de factor de potencia de 1.0 de la tabla 1, observe que 0.500 cae entre el rango de factor de potencia de 89% y el 90%. El exceso de facturación de kVAR está por encima de ese nivel del 81% del factor de potencia.
Tangente (θ1) = 0.724 kVAR = kW x Tangente (θ1) = 400 x0.724 =289 kVAR.
Debido a que se permiten 200 kVAR, el exceso de kVAR es 89.6 (redondeado a 90) x $ 0.60 = $ 54.00 por facturación mensual por demanda reactiva.
Solución:
Para corregir 400 kW del 81% al 90% se requieren 400 x 0,240 (de la Tabla 1) = 96 kVAR. (Use 100 kVAR). El costo aproximado de este capacitor es $ 1250.00. El retorno es de unos 23 meses.
Los cargos por kVAR varían de aproximadamente 15 centavos a un dólar, y los kVAR gratuitos varían entre el 25% (97% de factor de potencia) y el 75% (80% de factor de potencia) de la demanda de kW.
Al mejorar el factor de potencia se tiene mayor capacidad en kW y corriente disponible del transformador
Los condensadores de corrección del factor de potencia aumentan la capacidad de transporte de corriente del sistema.
El aumento del factor de potencia en una carga de kW se reduce los kVA. Por lo tanto, al agregar condensadores, puede agregar una carga de kW adicional a su sistema sin alterar los kVA.
Una planta tiene un transformador de 500 kVA operando cerca de su capacidad. Consume 480 kVA o 578 A a 480 V. El factor de potencia actual es del 75%, por lo que la potencia de trabajo real disponible es de 360 kW.
Se desea aumentar la producción en un 25%, lo que significa que deben obtener unos 450 kW de potencia. Sin duda, un nuevo transformador sería una solución, aumentando la capacidad a 450 kW, el transformador tendría una potencia de 600 kVA para manejar una carga de factor de potencia del 75%.
Lo más probable es que se necesite la clasificación estándar comercial (630 o 750 kVA).
Quizás una mejor solución sería mejorar el factor de potencia y liberar suficiente capacidad para adaptarse al aumento de carga.
Para corregir 450 kW del 75% (f.p=0.75) al 95% (f.p=0.95), se debe multiplicar 450 x 0.553 (de la Tabla 1) = 248.8 kVAR use 250 kVAR.
El mismo principio es válido para reducir la corriente en instalaciones sobrecargadas. El aumento del factor de potencia del 75% al 95% en la misma carga de kW da como resultado un flujo de corriente un 21% menor. Dicho de otra manera, se necesita un 26,7% más de corriente para que una carga funcione con un f.p de 75% y un 46,2% más de corriente para que funcione con un f.p de 65%.