El factor de potencia y la eficiencia energética

 

El factor de potencia constituye un indicador cualitativo
y cuantitativo de la eficiencia energética en la industria.

 

Por
Manuel J. Hernández Hernández
y Juana M. Téllez Reinoso

El Sistema Electronergético Nacional (SEN) es el conjunto de todos los elementos eléctricos que intervienen directamente en los procesos de generación, transformación, transmisión y distribución de la energía eléctrica, que forma un todo único de operación conjunta y abarca todas las instalaciones existentes. De aquí se deriva que casi toda la electricidad que consumimos en las industrias, fábricas, hogares, etc., proviene del SEN, y por lo tanto todos los elementos pueden considerarse equipos consumidores de energía eléctrica. Estos equipos consumidores de energía eléctrica se dividen en cuatro clases:

1. Equipos que consumen fundamentalmente energía activa, que es la que se transforma en trabajo mecánico o calor: lámparas incandescentes, hornos de resistencia, planchas eléctricas y otros equipos que funcionan con resistencias puras. Este tipo de energía puede medirse mediante los metrocontadores y, por lo tanto, se paga según las tarifas establecidas.

2. Equipos que consumen fundamentalmente energía reactiva inductiva: reactores de lámparas fluorescentes, bobinas de interruptores magnéticos y bobinas en general, conectados a circuitos de corriente alterna.

3. Equipos que consumen fundamentalmente energía reactiva capacitiva: condensadores y equipos de gran capacitancia conectados al circuito de corriente alterna. Estas dos últimas formas de energía eléctrica de estos consumidores no son medibles mediante los metrocontadores normales que poseemos en nuestras instalaciones, y por lo tanto no se pagan. No obstante, este tipo o forma de energía eléctrica debe ser generada, transmitida y distribuida por el SEN, con las inversiones, gastos y pérdidas de energía relativas al proceso. Por esa razón intentaremos reflexionar sobre la utilización racional de esta forma de energía que, aunque no incide directamente sobre la economía de muchos de los consumidores, ocasiona gastos millonarios a la economía del país.

4. Equipos que consumen los tres tipos de energía mencionados o una combinación de dos de ellas. En la práctica, por lo general, se encuentran los tres tipos de energía en las instalaciones eléctricas de corriente alterna, como es el caso de los motores de inducción con capacitores.

La demanda en un motor eléctrico (o cualquier otro consumidor) es la necesidad instantánea de potencia, ya sea activa o reactiva, proveniente del sistema de alimentación.

La energía eléctrica se mide según el tiempo que actúa la demanda: E = Pt; donde, E es la energía consumida (en Wh); P, la potencia instantánea (en W); y t, el tiempo en que transcurre la demanda (en horas).

A pesar de que la potencia reactiva no produce trabajo útil, puede ser medida por un metro contador reactivo y se expresa en Var-h (esta unidad de medida se utiliza tanto para la energía inductiva como para la capacitiva).

De manera general, un equipo consumidor de energía eléctrica (motor eléctrico) demanda los tres tipos de energía o una combinación de dos de ellos, y por lo tanto la potencia total demandada tiene una componente activa (que realiza trabajo útil) y otra componente reactiva (creación del campo magnético), por lo que analíticamente se puede formular la siguiente ecuación:

S = P2 + Q2

Donde, S es la potencia total; P, la componente activa; y Q, la componente reactiva.

La relación que existe entre la potencia activa y la potencia total se denomina factor de potencia: cos φ= P/S. El factor de potencia indica qué tanto por ciento de la potencia total es efectivamente utilizada para realizar trabajo. Por lo tanto, el factor de potencia constituye un índice de la utilización cualitativa y cuantitativa de la energía, que se expresa por el coseno del ángulo entre la potencia activa y la potencia total.

Significado técnico-económico
El factor de potencia tiene un importante significado técnico-económico debido a que de su magnitud dependen, en cierta medida, los gastos de capital y explotación, así como el uso efectivo de los equipos de las instalaciones eléctricas. En la transmisión de la energía las pérdidas desempeñan un elemento fundamental, y para disminuirlas se pueden tener en cuenta: aumentar la tensión de las líneas de transmisión, evitar las transformaciones innecesarias, mejorar el factor de potencia y reducir las corrientes excesivas (picos de demandas).

Excepto la medida relativa a mejorar el factor de potencia, las restantes presentan serios inconvenientes para su aplicación, ya sea de orden técnico o económico; por lo tanto, el método más factible para disminuir las pérdidas de energía eléctrica de las instalaciones es proteger o aumentar el factor de potencia existente.

Consecuencias
Entre las principales consecuencias de un factor de potencia bajo se pueden enumerar las siguientes:

1. Disminución de las capacidades entregadas por la generación, las que se encuentran limitadas por corrientes máximas, aún cuando la potencia que se entregue no sea máxima. La capacidad de entregas es directamente proporcional al factor de potencia:
P = S cos φ. Como S = UI, entonces P = UI cos φ; donde U es la tensión de la línea.
2. Aumento de las pérdidas térmicas en los conductores que son inversamente proporcionales al cuadrado del factor potencia: ΔP = I2R. Como I = P/U cos φ, entonces ΔP = P2/U2 cos2 φ ; donde, ΔP son las pérdidas de potencia y R es la resistencia de los conductores.
3. Aumento de la sección transversal de los conductores necesarios para transmitir la misma potencia, en tanto esa sección es inversamente proporcional al cuadrado del factor de potencia.
4. Disminución de la tensión terminal en las cargas, lo que tiene considerables desventajas secundarias.
5. Los motores primarios (turbinas de vapor) de los generadores en las estaciones eléctricas se calculan sólo para la potencia activa del generador. Por tanto, cuando aumenta la potencia reactiva disminuye el factor de potencia y es necesario disminuir la carga activa, por lo que el motor primario estará sólo parcialmente cargado, lo que implica la disminución de su rendimiento y el consiguiente aumento de los gastos en combustible.

A partir de esta breve exposición técnico-económica del problema planteado se puede formular un conjunto de medidas destinadas al mejoramiento del índice de utilización de la energía, es decir, el factor de potencia.

Medidas de ahorro
A continuación se relacionan algunas medidas que se pueden adoptar en instalaciones de producción o servicio para mantener o incrementar el índice de utilización de la energía eléctrica:

1. Exacta correspondencia entre los tipos y las potencias de los motores eléctricos con las características y potencias consumidas por los mecanismos accionados por esos motores, de forma tal que la potencia que demande el mecanismo accionado cargue completamente al motor, es decir, que desarrolle su potencia nominal o muy próxima a ella.

2. Evitar al máximo el trabajo prolongado de los motores en régimen de vacío, por lo que se debe prever la desconexión automática durante el tiempo de trabajo sin carga, con su posterior conexión.

3. Cambio de un motor asincrónico por otro de menor potencia. Esto funciona cuando el motor asincrónico está cargado entre 40 y 50 % de su potencia nominal, ya que el efecto económico obtenido por el incremento del cos j amortiza con creces los gastos de compra y montaje de los nuevos equipos. Si la carga media del motor asincrónico es igual o mayor que 70 % de la carga nominal, entonces el cambio por otro motor de menor potencia no es racional.

4. Cambio en la conexión de los motores, manteniendo la misma tensión de la alimentación. Para los motores asincrónicos sistemáticamente cargados entre un 40 y
50 % de su potencia (Pn) debe utilizarse el cambio de la conexión delta a estrella con la misma tensión de la red, debido a que en este caso a cada fase del estator llega una tensión menor, por lo que disminuye también el consumo de energía reactiva (Q). Es necesario tener en cuenta que con tal conmutación el par del motor disminuye tres veces.

5. Garantizar reparaciones de calidad a los motores eléctricos. La magnitud de la corriente del vacío de los motores asincrónicos (corriente reactiva) aumenta también con la baja calidad de las reparaciones de estos motores, la incorrecta conexión de las secciones de las bobinas y la variación en el proceso de enrollado de los parámetros del motor con respecto a los de su certificado técnico.

6. Operaciones de los motores eléctricos con sus tensiones nominales de operación.
La corriente de vacío de los motores eléctricos y la potencia reactiva consumida por ellos aumenta notablemente cuando trabajan en redes con tensiones mayores que la nominal. Por esto, durante la explotación es necesario controlar la tensión de la red y no permitir su desviación de los valores establecidos. Diferentes investigaciones muestran que un aumento de la tensión en 1 % provoca, como promedio, el incremento de la potencia reactiva de los motores en 3 % y de los transformadores de soldadura en 2,5 %.

7. Replanteamiento de los diferentes procesos tecnológicos de las máquinas herramienta de los talleres. Deben replantearse, siempre que sea posible, las diferentes condiciones en que se realizan los procesos tecnológicos en las máquinas herramienta, de forma tal que se tenga en consideración que el motor eléctrico debe estar lo más cargado posible en correspondencia con su potencia nominal; por lo tanto, la potencia de corte, la velocidad de corte y otros parámetros deben propiciar un estado óptimo de carga.
Otro aspecto importante es la selección de la máquina herramienta en función de las condiciones tecnológicas del trabajo que hay que realizar.

La aplicación consecuente de estas medidas ayudan significativamente a lograr el incremento del ahorro de la energía eléctrica en la producción y los servicios, donde se emplean motores eléctricos, con la utilización de menos recursos materiales y económicos; y constituye un esfuerzo adicional al Programa de Ahorro de Electricidad en Cuba (PAEC).