Corrección del Factor de Potencia: ¿Qué es? (Fórmula, Circuito y Bancos de Condensadores)

Campo: Electricidad Básica

China

qué es la corrección del factor de potencia

¿Qué es la Corrección del Factor de Potencia?

La corrección del factor de potencia (también conocida como CFP o Mejora del Factor de Potencia) se define como una técnica utilizada para mejorar el factor de potencia de los circuitos CA reduciendo la potencia reactiva presente en el circuito. Las técnicas de corrección del factor de potencia tienen como objetivo aumentar la eficiencia del circuito y reducir la corriente extraída por la carga.

Generalmente, se utilizan capacitores y motores síncronos en los circuitos para reducir los elementos inductivos (y, por lo tanto, la potencia reactiva). Estas técnicas no se utilizan para aumentar la cantidad de potencia real, solo para disminuir la potencia aparente.

En otras palabras, reduce el desfase entre v tensión y corriente. Por lo tanto, intenta mantener el factor de potencia cerca de la unidad. El valor más económico del factor de potencia está entre 0.9 y 0.95.

Ahora surge la pregunta, ¿por qué el valor económico del factor de potencia es 0.95 en lugar de un factor de potencia unitario? ¿Existe alguna desventaja de un factor de potencia unitario?

NO. No hay ninguna desventaja de un factor de potencia unitario. Pero es difícil y costoso instalar equipos de CFP unitarios.

Por lo tanto, las empresas de servicios públicos y suministro de energía tratan de mantener un factor de potencia en un rango de 0.9 a 0.95 para hacer un sistema económico. Y este rango es suficiente para un sistema de energía.

Si el circuito CA tiene una carga inductiva alta, el factor de potencia puede estar por debajo de 0.8. Y extrae más corriente de la fuente.

El equipo de corrección del factor de potencia reduce los elementos inductivos y la corriente extraída de la fuente. Esto resulta en un sistema eficiente y previene la pérdida de energía eléctrica.

¿Por qué se necesita la Corrección del Factor de Potencia?

En circuitos de corriente directa, la potencia disipada por una carga se calcula simplemente multiplicando el voltaje y la corriente. Y la corriente es proporcional al voltaje aplicado. Por lo tanto, la disipación de potencia por la carga resistiva es lineal.

En circuitos de corriente alterna, el voltaje y la corriente son ondas sinusoidales. Por lo tanto, la magnitud y la dirección cambian continuamente. En un instante particular de tiempo, la potencia disipada es la multiplicación del voltaje y la corriente en ese instante.

Si un circuito de corriente alterna tiene cargas inductivas como; bobinas, chowk coils, solenoide, transformador; la corriente está fuera de fase con el voltaje. En esta condición, la potencia real disipada es menor que el producto del voltaje y la corriente.

Debido a los elementos no lineales en los circuitos de corriente alterna, contiene tanto resistencia como reactancia. Por lo tanto, en esta condición, la diferencia de fase entre la corriente y el voltaje es importante al calcular la potencia.

Para una carga puramente resistiva, el voltaje y la corriente están en fase. Pero para una carga inductiva, la corriente se retrasa respecto al voltaje. Y esto crea reactancia inductiva.

En esta condición, la corrección del factor de potencia es lo más necesaria para reducir el efecto del elemento inductivo y mejorar el factor de potencia para aumentar la eficiencia del sistema.

Fórmula de Corrección del Factor de Potencia

Considere que una carga inductiva está conectada con el sistema y opera con un factor de potencia cosф1. Para mejorar el factor de potencia, es necesario conectar equipos de corrección del factor de potencia en paralelo con la carga.

El diagrama de circuito de este arreglo se muestra en la figura siguiente.

ejemplo de corrección del factor de potencia

El condensador proporciona un componente reactivo adelantado y reduce el efecto del componente reactivo retrasado. Antes de conectar el condensador, la corriente de carga es IL.

El condensador toma una corriente IC que adelanta al voltaje en 90˚. Y la corriente resultante del sistema es Ir. El ángulo entre el voltaje V e IR se reduce en comparación con el ángulo entre V e IL. Por lo tanto, el factor de potencia cosф2 se mejora.

power factor correction phasor diagram

Diagrama fasorial de corrección del factor de potencia

A partir del diagrama fasorial anterior, el componente retrasado del sistema se reduce. Por lo tanto, para cambiar el factor de potencia de ф1 a ф2, la corriente de carga se reduce en IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

La capacitancia del condensador para mejorar el factor de potencia es;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Circuito de Corrección de Factor de Potencia

Las técnicas de corrección de factor de potencia utilizan principalmente un condensador o banco de condensadores y condensador síncrono. Según el equipo utilizado para corregir el factor de potencia, existen tres métodos;

Banco de Condensadores
Condensador Síncrono
Avanzador de Fase

Corrección de Factor de Potencia utilizando Banco de Condensadores

El condensador o banco de condensadores puede conectarse como una capacitancia fija o variable. Se conecta a un motor de inducción, panel de distribución o suministro principal.

El condensador de valor fijo está conectado continuamente con el sistema. Un condensador de valor variable varía la cantidad de KVAR según la necesidad del sistema.

Para la corrección del factor de potencia, se utiliza un banco de condensadores para conectar con la carga. Si la carga es una carga trifásica, el banco de condensadores puede conectarse en estrella y en delta.

Banco de condensadores conectado en delta

El siguiente diagrama de circuito muestra un banco de condensadores conectado en delta con una carga trifásica.

delta connected capacitor bank

Banco de condensadores conectado en delta

Encontremos la ecuación del condensador por fase cuando está conectado en configuración delta. En la conexión delta, el voltaje de fase (VP) y el voltaje de línea (VL) son iguales.

$V_P = V_L$

La capacitancia por fase (C∆) se da como;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Banco de Capacitores Conectado en Estrella

El siguiente diagrama de circuito muestra un banco de capacitores conectado en estrella con una carga trifásica.

Banco de Capacitores Conectado en Estrella

En la conexión en estrella, la relación entre el voltaje de fase (VP) y el voltaje de línea (VL) es:

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

La capacitancia por fase (CY) se da como;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

De las ecuaciones anteriores;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Esto significa que la capacitancia requerida en la conexión en estrella es tres veces la capacitancia requerida en la conexión en delta. Además, el voltaje de fase operativo es 1/√3 veces el voltaje de línea.

Por lo tanto, el banco de condensadores conectado en delta es un buen diseño y esa es la razón por la que, en una conexión trifásica, el banco de condensadores conectado en delta se utiliza más en la red.

Corrección del Factor de Potencia usando Condensador Síncrono

Cuando un motor síncrono está sobrealimentado, toma corriente adelantada y se comporta como un condensador. Un motor síncrono sobrealimentado funcionando en condiciones sin carga se conoce como condensador síncrono.

Cuando este tipo de máquina se conecta en paralelo con el suministro, toma una corriente adelantada. Y mejora el factor de potencia del sistema. El diagrama de conexión del condensador síncrono con el suministro es como se muestra en la figura a continuación.

power factor correction using synchronous condenser

Corrección del Factor de Potencia usando un Condensador Síncrono

Cuando la carga tiene un componente reactivo, extrae una corriente retrasada del sistema. Para neutralizar la corriente, se utiliza este dispositivo para tomar una corriente adelantada.

synchronous condenser phasor diagram

Diagrama Fásico del Condensador Síncrono

Antes de que se conecte el condensador síncrono, la corriente extraída por la carga es IL y el factor de potencia es фL.

Cuando se conecta el condensador síncrono, toma la corriente Im. En esta condición, la corriente resultante es I y el factor de potencia es фm.

A partir del diagrama fásico, podemos comparar ambos ángulos de factor de potencia (фL y фm). Y фm es menor que фL. Por lo tanto, el cosфm es mayor que el cosфL.

Este tipo de método de mejora del factor de potencia se utiliza en estaciones de suministro a gran escala debido a las siguientes ventajas.

La magnitud de la corriente absorbida por el motor se cambia variando la excitación del campo.
Es fácil eliminar las fallas que ocurren en el sistema.
La estabilidad térmica del bobinado del motor es alta. Por lo tanto, es un sistema confiable para corrientes de cortocircuito.

Avanzador de Fase

El motor de inducción absorbe corriente reactiva debido a la corriente de excitación. Si se utiliza otra fuente para proporcionar la corriente de excitación, el bobinado del estator queda libre de la corriente de excitación. Y el factor de potencia del motor puede mejorar.

Este arreglo se puede hacer utilizando el avanzador de fase. El avanzador de fase es un simple excitador AC montado en el mismo eje del motor y conectado con el circuito del rotor del motor.

Proporciona corriente de excitación al circuito del rotor a la frecuencia de deslizamiento. Si se proporciona más corriente de excitación de la necesaria, el motor de inducción puede operarse con un factor de potencia adelantado.

La única desventaja del avanzador de fase es que no es económico para motores de pequeño tamaño, especialmente por debajo de 200 HP.

Corrección Activa del Factor de Potencia

La corrección activa del factor de potencia proporciona un control más eficiente del factor de potencia. Generalmente, se utiliza en el diseño de fuentes de alimentación para más de 100W.

Este tipo de circuito de corrección del factor de potencia consta de elementos de conmutación de alta frecuencia como diodos, SCR (interruptores electrónicos de potencia). Estos elementos son activos. Por lo tanto, este método se llama corrección activa del factor de potencia.

En la corrección pasiva del factor de potencia, los elementos reactivos como capacitores e inductores utilizados en el circuito son no controlados. Como el circuito de corrección pasiva del factor de potencia no usa ninguna unidad de control ni elementos de conmutación.

Debido a los elementos de conmutación de alta frecuencia y la unidad de control utilizados en el circuito, el costo y la complejidad del circuito aumentan en comparación con el circuito de corrección pasiva del factor de potencia.

El diagrama de circuito a continuación muestra los elementos básicos de un circuito de corrección activa del factor de potencia.

corrección activa del factor de potencia

Corrección activa del factor de potencia

Para controlar los parámetros del circuito, se utiliza una unidad de control en el circuito. Mide la tensión y corriente de entrada. Y ajusta el tiempo de conmutación y el ciclo de trabajo en la tensión y corriente de fase.

El inductor L es controlado por el interruptor de estado sólido Q. La unidad de control se utiliza para controlar (encendido y apagado) el interruptor de estado sólido Q.

Cuando el interruptor está encendido, la corriente del inductor aumenta en ∆I+. La tensión a través del inductor invierte su polaridad y libera la energía acumulada a través del diodo D1 a la carga.

Cuando el interruptor está apagado, la corriente del inductor disminuye en ∆I–. El cambio total durante un ciclo es ∆I = ∆I+ – ∆I–. El tiempo de encendido y apagado del interruptor es controlado por la unidad de control al cambiar el ciclo de trabajo.

Con la selección adecuada del ciclo de trabajo, podemos obtener la forma deseada de la corriente a la carga.

¿Cómo dimensionar la corrección del factor de potencia?

Para dimensionar la corrección del factor de potencia, necesitamos calcular el requerimiento de potencia reactiva (KVAR). Y conectamos esa cantidad de capacitancia con el sistema para satisfacer la demanda de potencia reactiva.

Existen dos formas de encontrar el requerimiento de KVAR.

Método del multiplicador de tabla
Método de cálculo

Como su nombre indica, en el método del multiplicador de tabla, podemos encontrar directamente una constante de multiplicador desde una tabla. Podemos encontrar el KVAR requerido directamente multiplicando la constante con la potencia de entrada.

table multiplier method

Método del multiplicador de tabla

En el método de cálculo, necesitamos calcular el multiplicador como se muestra en el ejemplo siguiente.

Ejemplo:

Un motor de inducción de 10 kW tiene un factor de potencia de 0,71 retrasado. Si necesitamos hacer funcionar este motor con un factor de potencia de 0,92, ¿cuál será el tamaño del capacitor?

Potencia de entrada = 10 kW
Factor de potencia real (cos фA) = 0,71
Factor de potencia requerido (cos фR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR requerido = Potencia de entrada x Constante multiplicadora

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Por lo tanto, se requiere un potencia reactiva de 5.658 KVAR para mejorar el factor de potencia de 0.71 a 0.92. Y el capacitor conectado al sistema tiene una capacitancia de 5.658 KVAR.

Aplicaciones de la Corrección del Factor de Potencia

En una red de sistemas de energía, el factor de potencia juega un papel muy importante en la calidad y gestión del sistema. Determina la eficiencia del suministro de energía.

Sin la corrección del factor de potencia, la carga extrae una corriente de alta magnitud de la fuente. Esto aumenta las pérdidas y el costo de la energía eléctrica. El equipo de CFP intenta sincronizar las ondas de corriente y voltaje. Esto aumentará la eficiencia del sistema.
En la red de transmisión, es necesario un alto factor de potencia. Debido al alto factor de potencia, las pérdidas de la línea de transmisión disminuyen y mejora la regulación de voltaje.
El motor de inducción es un equipo ampliamente utilizado en la industria. Para evitar el sobrecalentamiento y mejorar la eficiencia del motor, se utilizan capacitores para mitigar el efecto de la potencia reactiva.
El equipo de CFP reduce la generación de calor en cables, interruptores, alternadores, transformadores, etc.
Debido a la alta eficiencia de la red, necesitamos generar menos energía. Esto reduce la emisión de carbono en la atmósfera.
La caída de tensión se reduce considerablemente al utilizar equipos de CFP con el sistema.

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