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Introducción a la Automatización y Control de Motores
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Generalidades sobre la energía reactiva
Todo aparato que se alimenta con corriente alterna consume dos formas de energía eléctrica, la energía activa y la energía reactiva. Sólo la energía activa se transforma, a través del aparato que la consume, en energía luminosa, térmica, mecánica, etc. La energía reactiva sirve para la imantación de los circuitos magnéticos de las máquinas eléctricas, tales como motores, transformadores, equipos de encendido de lámparas, etc. Análogamente, durante el funcionamiento de cada aparato se producirá el consumo de una corriente activa (lP), que está en fase con la tensión de la red, y una corriente reactiva (IQ) o corriente magnetizánte, esta corriente está desfasada 90° respecto de la tensión, en retraso en los receptores inductivos y en adelanto en los receptores capacitivos. Estas dos corrientes, activa y reactiva, se componen para formar la corriente aparente (lS), desfasada un ángulo ϕ respecto de la corriente activa. Esta corriente aunque se denomine aparente es la corriente real, puesto que es la que recorre los conductores de la instalación, desde el origen hasta el receptor, incluido dicho receptor.
lP V
ϕ
ω Donde sabemos que el cosϕ es el factor de potencia de la carga. La potencia que consume el aparato será: Para cargas monofásicas: S = V x lS Para cargas trifásicas: S = 3 x V x lS Donde S se denomina potencia aparente, V es la tensión de la red y lS es la corriente que circula por la línea cuando el receptor está en funcionamiento. Las potencias activas (P) y reactivas (Q) son: Para cargas monofásicas: P = V x lS x cosϕ Q = V x lS x senϕ Para cargas trifásicas: P = 3 x V x lS x cosϕ Q = 3 x V x lS x senϕ Luego P = S x cosϕ
IS
Figura 1. Diagrama vectorial de las corrientes activa, reactiva y aparente.
Si por la red circula una corriente a frecuencia industrial (50 o 60 Hz) se cumple: lS = lP x cosϕ
S
ϕ
P P Q
Figura 2. Triángulo de potencias.
Podemos concluir que: el factor de potencia en un artefacto eléctrico (inductivo) es la relación o cociente que existe entre la potencia activa y la potencia aparente, consecuencia del desfase entre la tensión y la intensidad creado por el comportamiento de la bobina respecto a la resistencia.
El consumo de la energía reactiva desde el punto de vista de las compañías suministradoras de la energía eléctrica
El aumento del consumo de la energía reactiva conlleva un incremento de las potencias que han de circular a través de las líneas por las que se distribuye la energía eléctrica. La potencia que puede transportar una línea tiene un límite que no puede
superarse sin perjuicio a la propia línea y a la estabilidad del suministro. Si se supera la potencia máxima para la que ha sido dimensionada la red, las consecuencias serán: En el punto de consumo, una excesiva caída de tensión; en la línea, una intensidad de corriente superior a la que los elementos que la constituyen puedan soportar; en el punto de generación de la energía, una sobre carga de corriente en los transformadores o generadores. Estas consecuencias llevan a las empresas suministradoras de energía eléctrica a poner un límite a la generación de la energía reactiva. Los clientes que superan este límite son penalizados con un recargo en la facturación, este recargo se aplica sobre la energía activa consumida. En nuestro país, la ANDE, impone un recargo de 4% por cada centésimo inferior a 0,92 de la energía activa consumida. Este recargo es aplicado sólo a los abonados que poseen transformadores propios (PD exclusivo), es decir, servidos con media tensión. El pliego de tarifas Nº 21 de la ANDE establece 0,92 como factor de potencia como medio mensual.
La mejora del factor de potencia beneficia al usuario consumidor de la energía. En primer lugar, existe una importante diferencia en el costo económico de la energía eléctrica entre una instalación con bajo factor de potencia y otra con alto factor de potencia, consistente en la aplicación de las penalizaciones. Además existen otras: Disminuyen las pérdidas en los conductores. Disminuyen las caídas de tensión. Aumenta la potencia activa disponible en el secundario del transformador que alimenta la instalación. Puesto que la limitación de la potencia del transformador viene impuesta por un máximo de potencia aparente (medida en kVA), si disminuimos la componente reactiva de la potencia consumida, a igualdad de potencia aparente, dispondremos de más potencia activa, sin reducir el consumo ni sobrecargar el transformador.
El dispositivo ideal para la reducción de energía reactiva es el capacitor. Éste, al ser conectado en paralelo con las cargas, suministra parte de la energía reactiva que requieren los artefactos inductivos para la magnetización de su núcleo.
Como utilizar los condensadores
Un condensador destinado a la mejora del factor de potencia de una instalación se conectará en paralelo con el resto de los receptores, puesto que se trata de una carga más de la instalación. El condensador podrá conectarse en diferentes partes de la instalación, dependiendo del punto de instalación, se obtendrán, en mayor o menor grado, los beneficios citados. Reducción de las penalizaciones. Reducción de las caídas de tensión. Reducción de las pérdidas de los conductores. Aumento de la potencia activa disponible en el secundario del transformador.
El factor de potencia y su compensación
La utilización de la energía eléctrica, distribuida mediante redes de corriente alterna, ya sea para fines industriales, comerciales o residenciales, lleva implícita la existencia de campos magnéticos para el establecimiento de los campos rotativos que mueven los motores, para las reactancias de las lámparas de descarga o lámparas fluorescentes, etc. Tales campos electromagnéticos requieren de la línea alimentadora una cierta potencia reactiva (VAR o KVAR) que, si bien no significa un aumento directo de la potencia activa (W o KW) que se está utilizando, se traducen, aparte del sobrecosto económico para aquellos usuarios a los que se les factura la energía reactiva, en mala regulación de la tensión de suministro (en la mayoría de los casos en baja tensión), mayores pérdidas de potencia en de una determinada carga es la unidad, la potencia aparente (S) es igual a la potencia activa (P), luego: S = P. Si ahora, al mismo generador se le conecta una carga que tiene un cos ϕ igual a 0,5, la potencia activa que entrega el generador a la red será:
P = V x I x cos ϕ = 1200 x 200 x 0,5 = 120.000 W
Como se puede apreciar, los 200 A siguen circulando por los devanados del generador. Un aumento de carga por encima de los 200 A, que permite dicho bobinado, produciría un recalentamiento con la posibilidad de que el generador se queme. De este modo, vemos que cuanto menor es el factor de potencia del consumidor, tanto menor será la potencia activa que entregará el generador o transformador, y por lo tanto menor será el rendimiento de estas máquinas. Esto induce a tomar en cuenta no sólo la energía activa que el consumidor toma de la central eléctrica, sino también la energía reactiva. Consiguientemente al consumidor que posee carga reactiva no compensada se le exigirá la corrección del factor de potencia de su instalación o, de lo contrario, a través del medidor de potencia reactiva deberá abonar cada mes un sobrecosto por energía eléctrica.
las líneas (I² x R) y elementos de distribución, así como el aumento de la potencia aparente de (VA o kVA) requerida para igual potencia activa utilizada.
Necesidad de aumentar el cosϕ de los consumidores
Supongamos que en una central eléctrica esté instalado un generador de corriente alterna monofásica de 240 KVA y 1200 V de tensión. La intensidad de corriente que puede entregar a la red será:
S 240.000 I = ——— = —————— = 200 A V 1.200
Analicemos el caso cuando al generador se le conecta una carga que tiene sólo potencia activa (lámparas incandescentes, por ejemplo). Puesto que en este caso toda la potencia que entrega el generador es activa, el cosϕ es igual a la unidad. Luego:
P = V x I x cos ϕ = 1200 x 200 x 1 = 240.000 W
Concluimos: cuando el factor de potencia ¡Muy importante!
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