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.
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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).
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