Beneficios de tener un alto factor de potencia (F.P.)

Como siempre me da gusto tenerte de nuevo en esta tu casa Capacitores .NET ✌, hoy te traigo un tema súper importante e interesante, hoy hablaremos del FACTOR DE POTENCIA (F.P.), aprenderás ¿Qué es? Y toda la teoría e información que hay sobre este concepto para que no te engañen y te vendan gato por liebre. No olvides en compartir en tus redes sociales para que mas gente se entere. 👍

Antes de analizar al factor de potencia

¿Qué veremos hoy? Inicializaré escribiendo una definición y avanzaré dejándote tips de como corregir el factor de potencia y además veremos:

  • La importancia que tiene dentro del campo de la electricidad y el consumo de energía.
  • Conceptos importantes de electricidad.
  • Como calcular el F.P. en distintos circuitos.
  • Ejemplos y casos prácticos.
  • Los efectos negativos de un mal F.P.
  • La corrección a base de cálculos del F.P.
  • La importancia de una buena corrección del F.P.
  • El F.P. en México.
  • La influencia de cada tipo de carga en el F.P.

¿Qué es el factor de potencia?

No hay mejor forma de empezar, que entendiendo el concepto básico del F.P.

En términos simples, el factor de potencia es un indicador de naturaleza cuantitativa y cualitativa que mide el correcto consumo y aprovechamiento de la energía eléctrica suministrada por alguna subestación o compañía dedicada al suministro.

Dicho en otras palabras y para que quede mas claro, es el factor que describe la cantidad de energía total convertida en trabajo, que en términos técnicos es la relación entre una potencia real (también llamada “activa”, se abrevia con una P) y una potencia aparente (S). No te preocupes esto lo veremos más adelante.

Lo importante es que comprendas que este factor nace de la necesidad de mejorar el consumo eléctrico, sobre todo en industrias que utilizan sistemas de alta potencia, pero también es aplicable a todo equipo o lugar que sea considerado un consumidor de energía eléctrica.

Al decir “mejorar el consumo eléctrico”, me refiero al ahorro de la energía eléctrica y no utilizar más de lo necesario. Ahora, lo dicho anterior mente tiene consecuencias negativas si no es realizado correctamente, consecuencias veremos con calma.

Conceptos básicos para comprender el factor de potencia

Para entender más adelante la teoría del cálculo del F.P. , es importante que tengas claro algunos conceptos básicos dentro de la electricidad y quizá muchos ya los conoces y otros quizá no.

Pero de igual forma, te dejare la lista de estos conceptos y una explicación sencilla para que los puedas comprender a la perfección.

  • POTENCIA: Es la capacidad de poder realizar un trabajo. Esto quiere decir que es la razón de variación y transformación de energía por unidad de tiempo. En términos simples, lo puedes entender como la velocidad a la que se consume la energía.
  • CORRIENTE ELÉCTRICA: Es el flujo o paso de una carga eléctrica (electrones) en un conductor, esto durante un determinado intervalo de tiempo, si la corriente cambia su magnitud y dirección se conoce como corriente alterna (CA) y si su valor no varia a través del tiempo es Corriente directa (CD).
  • VOLTAJE: Es la unidad con la que podemos medir la tensión eléctrica entre dos puntos. También la puedes encontrar en otras fuentes como diferencia de potencial.
  • VALORES RMS: Es el valor del voltaje o corriente que produce la misma disipación de calor por igual, tanto en Corriente Directa (C.D) como en Corriente Continua (C.A). Con este valor se busca siempre encontrar un valor que sea eficiente.
  • VALOR PICO: Es el valor máximo de una corriente periódica. En Corriente Alterna se tiene el valor Pico a Pico, que es la diferencia de valor máximo negativo y positivo.
  • VALOR PROMEDIO: Es el cálculo de la media de todos los valores de tensión durante un intervalo de tiempo. Cuando es una corriente alterna de característica sinusoidal, este valor es 0.

La lista anterior contiene todos los conceptos básicos que debes conocer, en los siguientes apartados veremos cálculos y entenderlos en este momento es importante.

Imagen de foco incandescente

¿Por qué debo tener un factor de potencia de uno o cerca a uno?

En la mayoría de los hogares no les interesa ni se han puesto ha pensar en la importancia que tiene el F.P., pero como tu eres de los que siempre buscan más responderé a esta pregunta y comprenderás el ¿Por qué? Para que nadie te engañe.

Como habíamos mencionado anteriormente, el F.P. es un indicador del correcto aprovechamiento del consumo eléctrico y podemos representarlo con la siguiente formula

Formula para calcular el factor de potencia

Formula para calcular el factor de potencia

Donde:

  • F.P es el factor de potencia
  • P es la potencia activa
  • S es la potencia aparente

Tipos de potencias

  • POTENCIA ACTIVA O REAL (P): Representa la energía REAL (de ahí viene su nombre) que aprovecha un sistema eléctrico cuando lo ponemos a trabajar. Es potencia útil. Su unidad de medida es el VATIO o Watts (W).
  • POTENCIA APARENTE (S): Representa toda la potencia consumida por el tipo de carga que se transmite desde la compañía suministradora. Es la potencia que se transmite a través de las líneas de transmisión y llegan al receptor. Su unidad de medida es el VOLT-AMPERIO (VA).
  • POTENCIA REACTIVA (Q): Representa aquella potencia que consumen los sistemas inductivos. Los sistemas inductivos son aquellos que utilizan bobinas o enrollados para producir campos magnéticos, y que de los cuales depende. Esta potencia NO se transforma en trabajo útil. Este tipo de potencia se relaciona con el F.P. : entre más bajo sea este factor, más potencia reactiva existe. Como puedes ver, es el responsable de la problemática que causa el bajo F.P. Su unidad de medida es el VOLT-AMPERIO-REACTIVO (VAR).

Entonces la potencia activa es la que necesitamos y potencia reactiva es lo que necesitamos evitar y disminuir sus efectos, ya que entre más pequeña sea la potencia reactiva, la potencia aparente y la potencia activa serán iguales y en la ecuación tendremos como resultado la unidad.

  • Si nuestro F.P. es muy cercano o es 1, entonces decimos que es un F.P. eficaz.
  • De lo contrario, si es menor a 1 tenemos problemas de consumo eléctrico y es necesario realizar una corrección de F.P. ya que, de no hacerlo, la compañía suministradora tiene que invertir más para poder suministrar la potencia activa (P) necesaria, y esto se logra transmitiendo mayor potencia aparente, lo que representa un mayor consumo y desperdicio de corriente eléctrica.

He aquí la importancia de que nuestro F.P. sea 1 o cerca de la unidad. Nos ahorrara un desperdicio de energía y un menor costo en la factura eléctrica. A continuación, te dejo los beneficios de tener un F.P eficaz.

Influencia del tipo de carga en el factor de potencia.

Existen 3 tipos de cargas que influyen directamente en el F.P. y como esta trabaja. Te lo explicare de la manera más sencilla:

  1. CARGAS RESISTIVAS: Un ejemplo de cargas resistivas es el calentador eléctrico. En este caso, la tensión y la corriente están en fase, por lo tanto, es un F.P. unitario.
  2. CARGA CAPACITIVA: Un ejemplo claro son los capacitores. En este caso, la corriente se encuentra adelantada respecto al voltaje, por lo tanto, es un F.P. adelantado.
  3. CARGA INDUCTIVA: Un ejemplo de cargas inductivas son los transformadores y motores. En este caso, la intensidad se encuentra en retraso respecto a la tensión, por lo tanto, se tiene un F.P. retrasado.

Beneficios de un alto factor de potencia

  • Disminuye la perdida de conductores.
  • Puede reducir las caídas de tensión.
  • Incrementa la vida útil de nuestras instalaciones eléctricas.
  • Reduce los costos de facturación eléctrica.
  • Aumento de una potencia útil disponible ya que se reduce la potencia reactiva.
  • Aumenta la eficacia de nuestros sistemas eléctricos.
  • Disminuye conexiones y sección de cables.

Efectos negativos de un bajo factor de potencia.

  • Existe un mayor consumo de corriente eléctrica.
  • Existe un desgaste en la vida útil de los conductores.
  • Puede suceder que las líneas de distribución de saturen.
  • Es posible una sobrecarga de transformadores y generadores.
  • Disminuye la eficacia del consumo de energía eléctrica por parte del equipo o dispositivo receptor.
  • Hay un incremento considerable en el costo de facturación eléctrica.
  • Penalización económica por bajo F.P. por parte de la compañía suministradora.
  • Por estos puntos, es muy importante revisar si nuestras instalaciones eléctricas y nuestros equipos tienen un eficaz consumo de energía.

Factor de potencia CFE

Si crees o sientes que te estoy miento, aquí te dejo lo que menciona la distribuidora de energía eléctrica de mi pais.

La Comisión Federal de Electricidad (CFE) hace mención que el F.P. de potencia es considerado como un indicador de un correcto consumo de energía.

Este F.P. debe ser 1, ya que es el valor ideal y está indicando que los aparatos trasformaron la energía consumida en trabajo útil de manera satisfactoria, lo mismo que ya hemos comentado anteriormente y ya sabes.

La CFE hace mención de que existe una sanción a un F.P. menos al 0.90, y una bonificación en la factura si es F.P. es mayor a 0.90.

Dicha bonificación puede ser de hasta 2.5% de la facturación y la penalización de hasta un 120% del costo de facturación.

La CFE hace recomendación del uso de bancos de capacitores para la corrección del F.P.

También nos menciona el origen de un F.P. deficiente:

  • Un gran número de motores.
  • Una mala operación y planificación del sistema eléctrico.
  • Un mal estado de la red física eléctrica.
  • Una subutilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos.

La Comisión Reguladora de Electricidad (CRE) emitió una resolución que trata sobre la eficacia y seguridad del Sistema Eléctrico Nacional. En dicha resolución indica que las cargas convencionales y especiales deben mantener un F.P. de atraso de entre 0.95 y 1.

Ya vez como no son ideas mías 😒

Torre de transmisión de corriente eléctrica

Factor de potencia en una casa habitación

Supongamos que en una casa habitación existen múltiples electrodomésticos, los cuales algunos tienen especificado el F.P. Lo primero que tenemos que hacer es:

  • Tomar nota del consumo de potencia de cada aparato.
  • Al igual que del voltaje que llega a la casa.
  • Con un multímetro de gancho puedes medir la corriente que llega a tu casa.

En este caso para obtener el factor debemos tener en cuenta tres puntos.

  • Potencia (P)
  • Voltaje (V)
  • Intensidad de la corriente (I)

Y puedes utilizar la siguiente variación de la formula del F.P.

Formula del factor de potencia en términos de corriente y voltaje

Estos tres puntos se aplican para calcular el F.P. de cada aparato, y así, calcular el F.P. medio, el cual nos permitirá saber si nuestro consumo eléctrico es óptimo.

¿Cómo calcular el factor de potencia?

Hemos llegado a una parte muy interesante e importante de este post, que es el cálculo del F.P. y posteriormente, el cálculo para corregir dicho F.P, descuida, lo haremos por parte para que puedas entenderlo mejor.

Para poder calcular el F.P., tienes recordar los tipos de potencias están presentes e influyen en esta medición y, en general, en los circuitos de corriente alterna:

  • P. Activa
  • P. Aparente
  • p. Reactiva

Triangulo de potencia

Todas estas potencias se relacionan dentro de una forma geométrica, la cual nos ayuda a identificar como encontrar cada una de ellas, a esta relación trigonométrica se le conoce como Triangulo de potencias.

Triangulo de potencia

En este punto, podemos ver las relaciones trigonométricas que existen entre estas 3 potencias:

Razones trigonométricas de las potencias en el calculo del factor de potencia

¿Recuerdas la fórmula de factor de potencia?

Formula para calcular el factor de potencia

Puedes ver que Cos(φ) y F.P tienen la misma relación: potencia real y potencia aparente. Por lo tanto…

factor de potencia en términos de coseno

*Esto solo en circuitos lineales, más adelante lo veremos.

Ya has visto la importancia del coseno del ángulo φ pudiste observar que es igual al F.P.

Basándonos en el triángulo de las 3 potencias, podemos ya determinar las fórmulas generales para el cálculo del F.P.

Formulas generales trigonométricas para calcular el F.P.

Formulas generales del factor de potencia

A partir de estas fórmulas y de las relaciones trigonométricas, podemos sustituir y despejar cualquier dato que necesitemos.

Factor de potencia en Circuitos lineales y no lineales

Circuitos lineales

En los circuitos lineales se tiene señales sinusoidales perfectas entre la tensión y la intensidad de corriente. En este tipo de circuitos, el triángulo de potencias aplica.

Factor de potencia en circuitos lineales

Dentro de los circuitos lineales, el coseno de φ es igual al coseno de los ángulos de lo fasores de la corriente y la tensión en una medición vectorial, teniendo:

Formula fasorial del factor de potencia en circuitos lineales

Dentro de estos circuitos, la resistencia ideal debe de ser 1, es decir, cos(0). Para la inductancia y capacitancia, F.P. = 0, es decir: cos ⁡(π/2).

Circuitos no lineales

Para los circuitos no lineales, existe una característica especial: no se tiene señales sinusoides perfectas, y estas cargas no lineales general corrientes armónicas, que dentro de la electricidad se representan por la tasa de distorsión armónica o también llamado TDH.

Lo anterior hace que nuestra potencia aparente (S) no solo sea compuesta por la potencia activa (P) y la potencia reactiva (Q), ya que gracias a esta distorsión armónica se genera una suma de potencias, la cual de denomina componente de distorsión (D).

Haciendo referencia a lo ya mencionado, puedes ver ya con precisión porque en los circuitos no lineales el F.P. NO es igual al coseno de φ (Cos φ ).

En este caso para F.P tenemos…

Formula del factor de potencia circuitos no lineales

En términos de coseno de tenemos…

Formula trigonométrica del factor de potencia circuitos no lineales

Ejemplo para calcular el factor de potencia

Espero no haberte mareado con tanta teoría y fasores, bienvenido a la vida de los electrónicos 😂 , pero como yo soy tu amigo, hagamos un ejemplo para que no te aburras y comprendas mejor todo esto que te he venido diciendo.

Bien, para que lo entiendas perfectamente, y puedas calcular el F.P., haremos un ejemplo que te ayudara a fortalecer y aplicar todo el conocimiento que has adquirido hasta ahora.

Problemática a resolver

Se analiza una instalación eléctrica de una universidad privada:

  • La instalación consume 5,6 kW de potencia activa
  • Con una potencia de tipo reactiva de 2,1 kVAR.

Y trataremos de responder

  • ¿Cuál es el ángulo de desfase?
  • ¿Cuál es el factor de potencia?
  • ¿Cuanto vale la potencia aparente?

Bien, para resolver este tipo de problemas, en primer lugar, debemos distinguir los datos:

  • P = 5.6 kW
  • Q = 2.1 kVAR

Y lo primero que obtendremos es la Potencia aparente

Resultado potencia aparente

Potencia aparente es S = 5.98 kVAR

Teniendo ya nuestra potencia aparente, podemos calcular directamente nuestro F.P., el cual es unidimensional (no tiene unidades):

Factor de potencia calculada

F.P. = 0.93

Ahora, teniendo ya nuestro factor de potencia, podemos calcular el ángulo de desfase:

Ángulo de desfase del factor de potencia calculado

φ = 21.56°

Podemos concluir que dicha instalación tiene:

  • F.P. es de 0.93
  • Ángulo de desfase de 21.56°.

En este ejemplo hemos visto que dicha institución no le va mal con su consumo de energía, pero quizá podría mejorar, para ello se requiere de un análisis mas profundo y de campo.

¿Cómo corregir el factor de potencia?

Cuando tenemos un F.P. bajo o deficiente, requerimos corregirlo para evitar las penalizaciones y los efectos negativos en nuestros sistemas.

Una forma eficiente para corregir este factor, es el uso de capacitores, los cuales, por su característica inherente de la acumulación de energía eléctrica, puede corregir e incluso eliminar la presencia de potencia reactiva.

Generalmente, se utilizan banco de capacitores del cual tengo un post completo que te dejo para que puedas leer.

¿Qué necesitamos para corregir el factor de potencia?

Haremos un ejemplo, donde tienes a tu disposición la información del voltaje suministrado y la frecuencia. Además, te proporciona los datos de las potencias consumida y el F.P., tanto el inicial, como el deseado.

También te encontrarás en la redacción del problema a solucionar, la especificación de la corriente: te indica si esta en retraso, en adelanto, o ninguna. Recuerda que:

  • si se trata de un desfase en retraso, es una CARGA INDUCTIVA.
  • En cambio, si es un desfase en adelanto, es una CARGA CAPACITIVA.
  • Finalmente, si no hay desfase, existe una CARGA RESISTIVA.

Para terminar, el objetivo es encontrar un capacitor que nos ayude a aumentar el F.P., y reducir la potencia reactiva (Q).

La expresión para encontrar el capacitor ideal en Micro Faradios (uF) es:

Formula del capacitor para corregir el factor de potencia

Donde:

  • CuF es el Capacitor ideal en microfaradios (uF).
  • Qc es la Potencia reactiva del condensador a colocar (VAR) Qc = Q1 – Q2
  • V2 es el Voltaje suministrado (tensión) al cuadrado (Volts)
  • f es la frecuencia (Hz)

También se tienen que volver a utilizar las relaciones trigonométricas del triángulo de potencias, que previamente ya hemos utilizado.

Triangulo y formulas de factor de potencia

Ejemplo de corrección del factor de potencia

En una empresa de telecomunicaciones se han dado cuenta que hubo una penalización en el costo de la tarifa del suministro eléctrico.

Los ingenieros inspeccionan la instalación eléctrica, la cual opera con 220v y 60 Hz. Encuentran que la potencia activa que esta consume es de 3.5kW, y que el F.P. se encuentra críticamente a 0,7 y una corriente de atraso. Ellos desean corregir este F.P. con un capacitor, con el objetivo de alcanzar un F.P de 0.9.

  • ¿Cuál será la capacitancia de dicho condensador?

Muy bien, puede parecer difícil a simple vista, pero lo haremos paso a paso para que lo puedas comprender mejor.

  1. Lo primero que tenemos quehacer es identificar la información de la que disponemos
  • V = 220v
  • f = 60Hz
  • P = 3.5 kW
  • F.P. 1 (actual) = 0.7
  • F.P. 2 (deseado) = 0.9
  1. Teniendo bien claro los datos lo segundo que haremos es calcular en angulo de desfase inicial
Calculo del angulo de desfase inicial de la corrección del factor de potencia

El primer ángulo de desfase es 45.57° y puedes verlo gráficamente de esta forma:

Representación gráfica del angulo de desfase en la corrección del factor de potencia
  1. Calculamos ahora la potencia reactiva inicial (Q1).
Calculo de la potencia reactiva inicial en la corrección del factor de potencia

La potencia reactiva inicial es de 3.57 kVAR.

  1. Hasta ahora vamos bien, procedamos a calcular el nuevo ángulo (el ángulo de desfase del F.P. ideal).
Calculo del nuevo angulo de desfase en la corrección de potencia
  1. Calculamos la segunda potencia reactiva (del F.P. ideal)
Calculo de la potencia reactiva final en la corrección de potencia

La potencia reactiva secundaria es de 1.69 kVAR el cual debemos disminuir para mejorar el F.P.

Con los resultado obtenidos podemos establecer que:

Al ser una corriente atrasada, indica que es una instalación de tipo inductiva. Para reducirla se debe generar una potencia reactiva capacitiva.

  1. Calculamos la potencia reactiva del condensador a colocar en paralelo.
Calculo de la potencia reactiva en un capacitor
  1. Finalmente, calculamos la capacitancia de nuestro condensador necesario.
Calculo de la capacitancia del condensador para corregir el factor de potencia

Podemos concluir que el valor de nuestro capacitor para corregir el factor de potencia debe ser de 103uF (Microfaradios).

Hemos llegado al final de este texto. El F.P. , como ya lo has visto, es un tema muy extenso, inclusive complejo, en el cual interfieren muchos factores de tipo eléctrico. Sin embargo, la importancia de este tema en la industria, y en general para todo receptor o consumidor de energía eléctrica es muy grande.

Ahora es de tu conocimiento los diferentes beneficios que conlleva un buen factor de potencia, así como los efectos negativos que atrae no tener este factor cerca de la unidad (F.P cerca de 1).

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Estudie Electrónica en la UNAM y me encanta hablar y publicar estos temas para ayudar a los demás a comprender ciertos temas que muchas veces son complicados de entender. Espero que este blog, el cual lo he dedicado a hablar de los Capacitores y productos relacionados a este componente, te sea de gran ayuda, amigo o amiga electrónica.

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