La economia de mejorar el factor de potencia

Las empresas continúan explorando maneras de reducir los costos - y un área que ha despertado interés es la corrección del factor de potencia. Pero la pregunta si la mejora del factor de potencia se traducira directamente en una mayor ganancia no es fácil de responder. Se requiere una mejor comprensión del factor de potencia en general, así como los los armónicos (tensiones y corrientes eléctricas que aparecen en el sistema de energía eléctrica como resultado de ciertos tipos de cargas eléctricas. Las frecuencias armónicas en la red de energía son una causa frecuente de problemas de calidad de la energía), un sistema de instalaciones de distribución eléctrica de la empresa - y las prácticas de facturación de la compañía eléctrica o el proveedor de energía. Además del dinero que se puede ahorrar, hay otros beneficios adicionales a la corrección del factor de potencia - como la huella de carbono reducida. 

¿Qué es el Factor de potencia - y por qué es importante para mi rentabilidad? 
La corriente eléctrica en un circuito de CA comprende tres componentes: la potencia real (P), potencia reactiva (Q) y potencia aparente (S).

La potencia real es el trabajo de producción de energía medida en vatios (W) o kilovatios (kW). La potencia real produce el resultado mecánico de un motor - en un ambiente de envasado esto podría incluir los motores que impulsan una máquina de llenado y sellado, por ejemplo, o mueven el transportador que traslada los materiales a través de la planta.
La potencia reactiva, en cambio, no hace ningún trabajo, pero es sin embargo necesaria para operar el equipo. Se mide en voltamperios reactiva (VAR) o kilovar (kVAR). Hay muchos ejemplos de cargas inductivas que se encuentran dentro de las instalaciones de embalaje - incluyendo motores, transformadores, balastos de iluminación fluorescente y potencia electrónica. Hay dos componentes para corriente consumida por una carga inductiva - corriente magnetizante y corriente de producción energética. La corriente de magnetización se requiere para sostener el campo electro-magnético en un dispositivo y crea la potencia reactiva. Una carga inductiva jala la corriente que reduce la tensión, en que la corriente sigue la forma de onda de tensión. La cantidad de retraso es el desplazamiento eléctrico (o fase) del ángulo entre el voltaje y la corriente (ver Figura 1).

En ausencia de armónicos, potencia aparente (o la potencia de la demanda) se compone de (suma vectorial) tanto potencia activa y reactiva, y se mide en voltios-amperios (VA) o kilovoltios-amperios (kVA). (Ver figura 2 muestra triángulo de potencia).
El factor de potencia (FP) es una medida de cuan eficientemente se está utilizando la energía eléctrica. Es la relación entre la potencia real a la potencia aparente y representa la cantidad de energía eléctrica real que utiliza el equipo. El factor de potencia es también igual al coseno del ángulo de fase entre las formas de onda de voltaje y corriente.
Las cargas eléctricas demandan más energía de la que consumen. Los motores de inducción convierten un máximo de 80 - 90% de la potencia suministrada en trabajo útil o pérdidas eléctricas. La energía restante se utiliza para establecer un campo electromagnético en el motor. Este campo esta alternativamente expandiéndose y y contrayéndose (una vez cada ciclo) por lo que la potencia consumida en el campo en un instante regresa al sistema de suministro eléctrico en el próximo.
Por lo tanto, la potencia media consumida por el campo es cero y la potencia reactiva no se registra en un contador de kilovatios-hora. La corriente magnetizante crea la potencia reactiva. Aunque no hace ningún trabajo útil esta circula entre el generador y la carga - colocando una sangría mayor en la fuente de alimentación, así como en el sistema de transmisión y distribución.
Dicho de otra manera, cuando un proveedor sirve una instalación que cuenta con el factor de potencia pobre, la utilidad debe ser capaz de proporcionar mayores niveles actuales de servir a una determinada carga (ver figura 3). Desde el punto de vista del cliente, los componentes de transporte de corriente de su sistema de energía (generadores, transformadores, cables, interruptores y fusibles, por ejemplo) también debe ser capaz de llevar esta corriente total más alta. (Ver figura 3)
Dado que los servicios públicos se pagan sobre la base de la energía consumida (kWh) y el componente reactivo de la corriente no se registra en un contador de kilovatios-hora, muchos proveedores imponen una penalidad de factor de potencia o un elemento de facturación de pico de demanda (kVA) para recibir ingresos por la potencia total que están obligados a entregar a un cliente determinado. Como el factor de potencia cae el sistema se vuelve menos eficiente (véase el gráfico 4). Por ejemplo, supongamos que dos plantas tienen la misma demanda de potencia real - pero una planta tiene un factor de potencia de 0,85, mientras que la otra tiene un factor de potencia de sólo 0,70. En este caso, el proveedor debe proporcionar un 21% más actual a la segunda planta para satisfacer la demanda. Sin un elemento de facturación de factor de potencia, el proveedor no recibiría más ingresos de la segunda planta que de la primera. (Véase el gráfico 4).
Es por eso que proveedores establecen una penalidad de factor de potencia en su cuadro tarifario. A menudo, un factor de potencia mínima, de 0.85 a 0.95, se establece. Cuando el factor de potencia de un cliente cae por debajo del valor mínimo, la empresa cobra una prima extra por bajo factor de potencia. Normalmente, cuanto menor sea el factor de potencia, mayor será la prima.
Otra forma en que algunas empresas de servicios públicos cargan una prima de bajo factor de potencia es cobrar por kVA (potencia aparente) en lugar de kW (potencia real).
Otras empresas de servicios ofrecer a sus clientes con un crédito por alto factor de potencia. En general, los servicios públicos imponen sanciones de factor de potencia o aplican créditos sólo a sus grandes clientes comerciales e industriales. Con una amplia gama de estructuras de tarifas de facturación impuesta por las empresas eléctricas, es imprescindible entender completamente el método de facturación empleado. 

Mejora del Factor de Potencia 
La manera más económica de mejorar el factor de una instalación de energía es mediante la adición de condensadores. Recordemos que la corriente a través de una carga inductiva afecta la tensión, pero la corriente de un condensador aumenta la tensión. Así los condensadores sirven como un importante generador de corriente reactiva para contrarrestar la corriente reactiva que se queda en un sistema. En pocas palabras, los condensadores suministran la corriente magnetizante requerida por los motores en o cerca del sitio de motor, en lugar de desde el proveedor (véase el gráfico 5). Esto libera la capacidad del proveedor para proporcionar mas potencia real. Determinar la costo-eficacia de la corrección del factor de potencia - y la recuperación de la inversión del equipo - depende de las penalidades del factor de potencia que aplica el proveedor. Es crucial entender la estructura de tarifas del proveedor para determinar la tasa de retorno de la inversión para mejorar el factor de potencia. (Véase el gráfico 6)
Mantener un alto factor de potencia en una instalación producirá un ahorro directo. Además de reducir el factor de potencia sanciones impuestas por algunos servicios públicos, puede haber otros factores económicos que, considerados en su conjunto, puede dar lugar a la adición de condensadores de corrección del factor de potencia que proporcionan un justificado retorno sobre la inversión. Otros ahorros tales como la disminución de las pérdidas de distribución, la mejora de la reducción de voltaje, y el aumento de de capacidad de instalaciones de transporte de corriente son menos evidentes pero no obstante real. Además, hay otros beneficios indirectos, como resultado de un rendimiento más eficiente de los equipos o la reducción de emisiones de carbono, para tener en cuenta.
Como factor de potencia del sistema se mejora el flujo de corriente total se reducirá - que permite cargas adicionales que se añadirán y serán servidas por el sistema existente. En el caso de que los equipos, tales como transformadores, cables, y generadores, puedan sufrir sobrecarga térmica, la mejora del factor de potencia puede ser la manera más económica de reducir la corriente y eliminar la sobrecarga.
Incluyendo condensadores de corrección del factor de potencia en una nueva construcción o expansión de instalaciones, en teoría, pueden reducir los costos del proyecto a través de disminuir el tamaño de los transformadores, cables, interruptores y fusibles. En la práctica, sin embargo, las medidas de ampacidad (la cantidad máxima de corriente eléctrica que puede transportar un cable antes de tener un progresivo deterioro inmediato) son una función de valores del equipo a plena carga y la reducción de tamaño puede ser prohibida por los códigos eléctricos.

Las pérdidas de distribución y mejoras de la tensión 
Las pérdidas de distribución en una instalación pueden ser reducidas por la adición de los condensadores y el consiguiente aumento de factor de potencia. Dado que la distribución de las pérdidas son pequeñas al principio, capturando una porción importante de ellos ofrece un rendimiento mínimo general en el sistema. Aunque el beneficio económico de las pérdidas de distribución por sí sola no puede ser suficiente para justificar la instalación de los condensadores, es un beneficio adicional, especialmente en instalaciones con muchos transformadores y alimentadores largos que sirven cargas de bajo factor de potencia.
Los condensadores también elevaran el voltaje de un circuito, sin embargo, tal como la reducción de las pérdidas de distribución, rara vez es económica para su aplicación en las plantas industriales por esa sola razón.

Una nota rápida sobre armónicos 
Hemos hecho la suposición de que una instalación no dispone de importantes corrientes armónicas presentes - para simplificar la discusión de la corrección del factor de potencia, pero una palabra de precaución es necesaria. Hay muchos productos que inducen armónicos comúnmente utilizados en la fabricación - incluyendo variadores de frecuencia, arrancadores suaves para motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, e incluso computadoras - y su presencia puede hacer más complicada la corrección del factor de potencia. A pesar de condensadores mismos no generan armónicos, cuando los condensadores se aplican a los circuitos con cargas no lineales que interponen corrientes armónicas, pueden surgir problemas. Los condensadores pueden reducir la frecuencia de resonancia de ese circuitos lo suficiente para crear una condición de resonancia. La resonancia es una condición especial en la cual la reactancia inductiva es igual a la reactancia capacitiva. Conforme se alcanza la resonancia, la magnitud de la corriente armónica en el sistema y el condensador se vuelve mucho más grande que la corriente armónica generada por la carga no lineal. La corriente puede ser lo suficientemente alta como para volar los fusibles del condensador, crear otros "molestos" problemas o convertirse en un evento catastrófico. Una solución a este problema es desafinar el circuito cambiando el punto de que los condensadores están conectados con el circuito, cambiando la cantidad de capacitancia aplicada o mediante la instalación de reactores de filtro a un banco de capacitores que obviamente aumenta su costo.
Si una instalación tiene más de 15% de la carga no lineal, un estudio de armónicos se debe realizar antes de aplicar los condensadores. La presencia de armónicos pueden afectar el buen funcionamiento de la maquinaria, equipos y procesos, lo cual puede tener un impacto económico. Los resultados de los armónicos problemáticos deben tenerse en cuenta al evaluar los costos de operación.

Consideraciones de banco de condensadores y los costos asociados 
El tipo de baterías de condensadores seleccionados y su ubicación dentro del circuito de tienen un impacto en el costo. Decidir donde se debe instalar un condensador, sin embargo, es más difícil que la determinación de la capacidad total requerida. Preguntas tales como si un solo condensador grande es preferible a los condensadores pequeños con cargas individuales, o si se deben usar los condensadores de conmutación fija o automática, son dignas de consideración sobre la base de las circunstancias individuales.

Desde que los condensadores actúan como un generador de kVAR, el lugar más eficiente para instalarlos es por lo general directamente a una carga inductiva por la cual se mejora el factor de potencia. El valor de la carga reactiva individual del motor es acumulativo hacia la energía reactiva total de la planta. Por tanto, al mejorar el factor de potencia de un solo motor, se reduce los requerimientos reactivos totales de la planta. Si una planta tiene muchos motores de gran tamaño (25 CV o más), por lo general es mas económico instalar un condensador por motor y poner un mismo interruptor para el condensador y el motor. Además, cuanto más cerca se encuentre el condensador a la carga inductiva, menores seran las pérdidas de distribución.

Sin embargo, la adición de menos, bancos grandes de condensadores es generalmente menos costoso que los bancos más pequeños debido a una reducción de costos por kVAR debido a los menores costos de instalación. Si una planta contiene muchos motores pequeños (1 / 2 a 10 CV), puede ser más económico agrupar los motores y colocar condensadores individuales o baterías de condensadores en, o cerca del centro de control del motor.
Los esquemas de localización de condensadores fijos incluyen:
1. La combinación de la cantidad requerida de condensadores en el bus principal. Esto eliminará la penalidad de factor de potencia, pero no reducirá las pérdidas en la instalación. Los condensadores colocados en este lugar son los más susceptibles a la resonancia armónica.
2. Distribución de los condensadores a los centros de control de motores y sub-paneles en forma proporcional a la carga media. En general, esto mejorará las pérdidas, aunque no una solución óptima.
3. Distribución de los condensadores con los tamaños de motor y de las tablas NEMA como guía. Esta solución no se corresponde con la necesidad de una mayor capacidad liberada, si se trata de un objetivo. Condensadores para cargas pequeñas, a menudo, son proporcionalmente mucho más caros que las grandes condensadores fijos, principalmente debido a los costos de instalación. (Ver figura 7)

Las opciones de conmutación de condensadores son:
1. Cambio de algunos de los condensadores con motores más grandes. Los condensadores pueden ser instalados físicamente, ya sea directamente conectados al motor o por medio de un contactor en el centro de control del motor que está vinculado con el control del motor. Si los motores son lo suficientemente grandes como para utilizar los condensadores del mismo tamaño que estaban siendo consideradas para el esquema de condensadores fijos, se incurre en un pequeño costo adicional para instalarlos en los motores. Cuando la economía se pierde es cuando entonces se colocan condensadores en varios motores pequeños. Hay relativamente poca diferencia en los costos de instalación para las unidades grandes y pequeñas de 480 voltios.
2. La segunda opción de conmutación es considerar un controlador de factor de potencia automático instalado en el banco de condensadores. Esto conmutará los grandes bancos de condensadores en pequeños pasos (25 - 50 kVAR) para seguir la carga. Los bancos de condensadores con factor de potencia automáticos se debe instalar en el centro de control del motor y no en la bus principal, si una pérdida óptima de distribución es la meta. La economía de la adquisición, instalación, protección y control de un solo gran banco de condensadores de conmutación automática las puede inclinar la decisión hacia un bus principal, sobre todo si el objetivo principal es evitar las sanciones del factor de potencia.
Se pueden agregar reactores a los bancos de condensadores de factor de potencia fijo o automática para evitar el riesgo de los efectos perjudiciales de los armónicos. (Véase la figura 8 para la presentación gráfica de los costos)

¿Qué más se puede hacer para reducir el factor de potencia? 
La selección del motor adecuado para la aplicación puede tener un gran impacto en el factor de potencia. Utilice el motor de velocidad más alta posible. Los motores de de dos polos, 3600 RPM tienen el más alto factor de potencia; el factor de potencia disminuye a medida que aumenta el número de polos. Especificar el tamaño de los motores lo más cerca posible a la demanda de potencia de la aplicacion. Un motor con poca carga requiere poco potencia real y un motor con mucha carga requiere más potencia real. Dado que la potencia reactiva es casi constante, el factor de potencia (relación entre la potencia real y la potencia reactiva) varía con la carga de un motor. Sin carga, factor de potencia puede ser tan baja como 0.10 y tan alto como 0.85 a plena carga (ver Figura 9).

Como un factor de potencia mejorado reduce la huella de carbono 
Recuerde que aunque las mejoras económicas para la eliminación de la distribución de las pérdidas son pequeñas, hay otros beneficios - una reducción resultante de emisiones de carbono derivadas de una mejora en el factor de potencia es la que puede ser de interés. Tipicamente llamada las pérdidas de I²R debido a la relación entre la pérdida de potencia (P), corriente (I) y la resistencia (R) - o P = I²R.
Supongamos que una planta típica tiene una demanda de 1.500 KVA y utiliza 500.000 kwh / mes. Si Ias perdidas I²R son tan altas como el 2% del consumo de kw/hora, entonces se ahorran 120.000 kwh anualmente. La reducción de las pérdidas del transformador puede significar una pérdidaadicional de 10 % kwh también. En promedio, un kWh producido en los EE.UU. genera cerca de 1.25 libras de CO2. Asumiendo que nuestros promedios son, de hecho, reales, con este escenario la eliminación de una pérdida de distribución de 2% sería reducir la huella de carbono en 68,000 kg por año.
Esto se deriva de los datos del gobierno de EE.UU. para la demanda eléctrica y la huella de carbono. Las cifras reales pueden variar de 0.35 a 0.9 kg por kWh dependiendo el porcentaje de electricidad generada por carbón, petróleo, gas o combustibles no fósiles, como nuclear, hidroeléctrica, solar o eolica. Incluso en el extremo inferior de la generación de carbono y el extremo inferior de las pérdidas de distribución, las cifras de reducción de carbono puede ser significativas.

Conclusiones 
El aumento del factor de potencia es una manera probada de aumentar el uso eficiente de la electricidad por las empresas y usuarios finales. Los beneficios económicos para los usuarios finales pueden incluir menor facturación de energía, reducir las pérdidas por cable y transformador, y la mejora de las condiciones de tensión, al mismo tiempo los servicios públicos se benefician por el aumento de capacidad del sistema. La mayor parte de los ahorros para los usuarios finales se obtienen mediante la eliminación de recargos por factor de potencia, en caso de que sean impuestos por su proveedor. Los condensadores son un medio eficiente, probado y eficaz de mejorar el factor de potencia y el ahorro y la rentabilidad de la inversión se puede calcular. La aplicación de los condensadores en la presencia de armónicos se debe hacer con cuidado.

Escrito por Ed Kwiatkowski, presidente de Staco Energy Products Co.