En artículos anteriores de esta serie analizamos el funcionamiento de los circuitos resistivos, inductivos y capacitivos y vimos que en un circuito real, además de la potencia activa seguramente tendremos potencia reactiva y la combinación de ambas: la potencia aparente. En este artículo veremos qué problemas produce la existencia de potencia reactiva en una instalación y qué es el factor de potencia.
La potencia reactiva en los circuitos
Recordemos que en todo circuito real, además de resistencias sobre las que se desarrolla la potencia activa, tendremos otros componentes como inductores o capacitores que provocarán la aparición de potencia reactiva. Estos dos valores, potencia activa (P) y reactiva (Q) se pueden combinar vectorialmente para obtener la potencia aparente (S), que podemos decir es la potencia total que se está desarrollando en ese circuito.
En una aplicación práctica, como una instalación eléctrica industrial, la existencia de la potencia reactiva supone un inconveniente.
Recordemos que la potencia activa es la que se consume para realizar algún tipo de trabajo, mientras que la potencia reactiva no se “gasta” en la carga sino que es devuelta al generador. La potencia reactiva se está moviendo constantemente entre los dos, la carga y el generador.
Esto significa que en la instalación, y todos los componentes que la forman, como transformadores o conductores, están moviéndose estos dos valores de potencia, pero sólo uno de ellos es de provecho. Sin embargo, la instalación debe estar dimensionada para ambos.
El inconveniente de tener potencia reactiva no es solo un problema interno, dentro de nuestra empresa, taller o vivienda. También es un problema para la empresa que transporta y nos provee de energía eléctrica. La empresa tendrá los mismos inconvenientes en sus redes: mayores corrientes, caídas de tensión en los conductores, sobrecarga de transformadores, etc. Por esta razón, es muy probable que si nuestra instalación produce mucha energía reactiva, la empresa proveedora nos aplique multas e incluso nos corte el suministro.
Analogía
Una analogía que se suele realizar con frecuencia es comparar esta situación con un paquete de papas fritas. Muchas veces al tocarlos parecen grandes pero cuando lo abrimos nos damos cuenta de que buena parte de su contenido es aire. Para nosotros lo “útil” son las papas y no el aire, pero vienen los dos juntos en el mismo paquete. Lo mismo sucede en un circuito con las potencias activas y reactivas.
El factor de potencia
Para saber si nuestra instalación produce mucha o poca energía reactiva necesitamos algún tipo de indicador. Esta es la función del denominado factor de potencia (FP o PF – Power Factor en inglés, que se define como la relación entre la potencia activa (P) y la aparente (S):
FP = \frac{P}{S}Teniendo a la vista el triángulo de potencias de la Fig. 1, podemos ver que si la potencia reactiva Q es pequeña, P y S son muy parecidos, por lo que la razón P/S será casi igual a 1. En cambio, si Q es grande, S será mayor que P y la razón nos dará un número pequeño. Entonces:
- Si FP = 1, no hay potencia reactiva (Caso ideal).
- Si FP es cercano a 1 (0.8 o 0.9), el valor de la potencia reactiva es pequeño.
- Si FP es pequeño (0,5 o 0,4), el valor de la potencia reactiva es importante.
Ejemplo
En un pequeño taller industrial se hace una medición de potencia que arroja los siguientes resultados:
S = 12 KVA, P = 9 KW
Calcular el Factor de potencia.
Solución:
El factor de potencia es FP = P/S = 9 KW/12 KW = 0,75
Coseno de fi
Volviendo otra vez al triángulo de potencias de la Fig. 1, podemos ver que P es lado adyacente al ángulo φ (phi o fi) mientras que S es la hipotenusa. Entonces:
\frac{P}{S} = cos φO sea que el factor de potencia (FP) es igual al coseno del ángulo fi. De hecho, muchas veces se usa esta última expresión, “coseno de fi” para referirse a la relación entre las potencias. Esto es cierto en la mayoría de las veces, pero no siempre. Luego veremos en otro artículo que en algunos casos, cuando hay distorsión armónica, esta igualdad no se cumple, por lo que es mas correcto decir entonces “factor de potencia” que “coseno de fi”.
Medición de potencia reactiva y FP
El problema de la potencia reactiva se da generalmente por la existencia de cargas inductivas, raramente el origen son las cargas capacitivas. Motores eléctricos, balastos de lámparas de descarga gaseosa e incluso algunas lámparas leds son fuentes de energía reactiva que disminuyen o empeoran el factor de potencia.
Para dimensionar correctamente el problema necesitaremos medir cuanta potencia reactiva tenemos en la instalación, o medir directamente el factor de potencia. Para ello se dispone de distintos equipos e instrumentos entre los que se encuentran las pizas cofimétricas o pinzas vatimétricas.
Estas pinzas funcionan de manera similar a las pinzas amperométricas, solo que además de medir la corriente debemos proveer otra conexión para medir la tensión. El instrumento hace los cálculos correspondientes para mostrarnos los valores de las tres potencias y del factor de potencia. Existen numerosos modelos con distintas funciones, algunas de ellas para mediciones monofásicas y otras para líneas trifásicas.
Compensación del factor de potencia
La aparición de potencia reactiva y el empeoramiento del factor de potencia no puede ser evitado, porque como vimos se debe a la naturaleza de las cargas de nuestra instalación. Si podemos compensarlo para minimizar sus efectos nocivos. Como generalmente la energía reactiva presente es de origen inductivo, esta compensación se logra agregando cargas reactivas de origen capacitivo, a través de la conexión de capacitores o condensadores.
La tarea de compensación del factor de potencia consiste en calcular o determinar a través de tablas el valor de esa potencia reactiva capacitiva, o del valor de los capacitores que se deben conectar. Esto lo veremos con mas detalle en un próximo artículo.
Conclusión
En un circuito o instalación en el que existan cargas reactivas, mas comúnmente de tipo inductivo, tendremos circulando potencia reactiva. Esto es un inconveniente porque sobrecarga a la instalación y sus componentes. Un buen indicador de cuanta energía reactiva tenemos es el factor de potencia, con frecuencia también llamado coseno de fi. El coseno de fi ideal es 1, mientras que valores pequeños indican que tenemos un porcentaje considerable de energía reactiva no deseada. Si bien esta energía reactiva no se puede eliminar, a través de la compensación del factor de potencia se pueden disminuir sus efectos.