Hola amiga y amigo, hoy analizaremos un tema muy importante que toda la personas deberían conocer, hoy estudiaremos ¿Qué es el factor de potencia (F.P.) y cómo podemos calcularlo? Conocer este tipo de indicadores es muy importante, sobre todo si en tu hogar o negocio hay maquinaria o equipos que operen mediante motores.

El objetivo de este post es que al final, no solo hayas comprendido el concepto de factor de potencia, sino que te vayas con el conocimiento necesario para saber cómo calcularlo y los beneficios de tener un alto F.P.

• Dato que el concepto de potencia es el parte medular de este post, te invito a repasar el siguiente artículo donde desmenuzo a detalle el tema: ¿Qué es la potencia eléctrica?

¿Qué es el factor de potencia?

El factor de potencia es un indicador cuantitativo y cualitativo, utilizado para medir el correcto consumo y uso de la electricidad suministrada por las subestaciones o empresas dedicadas al suministro eléctrico, aunque técnicamente lo debemos definir como:

El Factor de potencia es un indicador que nos informa la cantidad de energía convertida en trabajo.

Técnicamente hablando es la relación entre la potencia activa (también llamada "potencia activa", abreviada como P) y la potencia aparente. Potencia (S).

Es importante entender que la existencia de este factor se debe a la necesidad de mejorar el consumo de energía, especialmente en los sectores que utilizan sistemas de alta potencia, pero también se aplica a cualquier equipo o lugar que se considere consumo de energía. La llamada "mejora en el consumo eléctrico" se refiere a ahorrar electricidad y no utilizar más. Ahora bien, lo dicho antes tendrá efectos negativos si no se maneja correctamente, y veremos con calma estas consecuencias.

Comprender los conceptos básicos del factor de potencia.

Para entender F.P. después, es muy importante que tenga claridad sobre algunos conceptos básicos de la electricidad, quizás muchos de ustedes ya los conozcan, mientras que otros no. No obstante, de la misma forma, te proporcionaré una lista y una explicación sencilla de estos conceptos para que puedas comprenderlos en su totalidad.

• Potencia: esta es la capacidad de hacer un trabajo. Esto significa que es la tasa de cambio y conversión de energía por unidad de tiempo. En términos simples, puede entenderlo como la tasa de consumo de energía.
• Corriente: es el flujo o paso de carga eléctrica (electrones) en un conductor. Durante un cierto período de tiempo, si la corriente cambia de tamaño y dirección, se denomina corriente alterna (CA), y si su valor no cambia con el tiempo, es corriente continua (CC).
• Voltaje: es la unidad con la que podemos medir el voltaje entre dos puntos. También puede encontrarlo en otras fuentes como una diferencia de potencial.
• Valor RMS: es el valor de voltaje o corriente que produce la misma disipación de calor tanto en corriente continua (DC) como en corriente continua (AC). Con este valor, intente siempre encontrar un valor válido.
• Valor pico: este es el valor máximo de la corriente periódica. En corriente alterna, tenemos un valor pico a pico, que es la diferencia entre los valores positivos y negativos más grandes.
• Valor medio: es el cálculo del valor medio de todos los valores de tensión en un intervalo de tiempo. Cuando se trata de una corriente alterna con características sinusoidales, el valor es 0.

¿Por qué debería tener un factor de potencia igual o cercano a uno?

En la mayoría de las familias, no les importa lo que F.P. o nunca lo pensé, pero como eres de esas personas que cada vez persigue más cosas, te responderé esa pregunta. ¿Entiendes por qué? Para que nadie te engañe. Como se mencionó anteriormente, F.P. Es un indicador del correcto consumo energético y podemos utilizar la siguiente fórmula para expresarlo.

Fórmula para calcular el factor de potencia

Dónde:

• F.P es el factor de potencia
• P es el poder real
• S es el poder aparente

Para comprender cada parámetro recordemos un poco de que trata cada potencia:

• Potencia activa o activa (P): Indica la potencia activa que se utiliza cuando se pone en marcha el sistema eléctrico (de ahí el nombre). Este es un poder útil. Su unidad de medida es WATT o Watt (W).
• Potencia aparente (S): Representa la potencia total consumida por el tipo de carga que está siendo transferida por el concesionario. Es la potencia que se transmite a través de la línea de transmisión y llega al receptor. La unidad de medida es VOLT-AMPERIO (VA).
• Potencia reactiva (Q): representa la potencia consumida por el sistema de inducción. Un sistema de inducción es un sistema que utiliza bobinas o devanados para crear un campo magnético. El sistema electromagnético depende del campo magnético. Esa fortaleza no se tradujo en un trabajo útil. Esta potencia y F.P .: cuanto menor es el factor, mayor es la potencia reactiva. Como puede ver, él es el responsable de los problemas causados ​​por la baja F.P. La unidad de medida es VOLT-AMPERIO-REACTIVO (VAR).

Entonces, la potencia real es lo que necesitamos y la potencia reactiva es lo que necesitamos para evitar y reducir sus efectos porque cuanto menor sea la potencia reactiva, la potencia aparente y la potencia real, entonces tenemos una unidad en la ecuación de género.

• Cuando nuestro F.P. es muy cercano o igual a 1, decimos que F.P. es válido.
• Y si es inferior a 1, habrá problemas con el consumo de energía, por lo que es necesario corregir este indicador. De lo contrario, la empresa de suministro de energía tiene que invertir más recursos para proporcionar la potencia activa necesaria (P). Esto se puede lograr transmitiendo una mayor potencia aparente, lo que significa un mayor consumo y desperdicio de energía.
• Entonces, es muy importante que el F.P. sea 1 o cercano a 1. Esto nos ahorra energía y reduce los costos en electricidad.

¿Influye el tipo de carga en el factor de potencia?

Si, y son estos tres tipos de cargas que afectan directamente al F.P.:

• Carga resistiva: un ejemplo de carga resistiva es un calentador eléctrico. En este caso, el voltaje y la corriente están en fase, por lo que F.P. igualmente.
• Carga capacitiva: un ejemplo obvio es un condensador. En este caso, la corriente precede al voltaje, por lo que es F.P. avanzado.
• Carga inductiva: un ejemplo de carga inductiva son los transformadores y los motores. En este caso, la intensidad está detrás del voltaje, por lo que un F.P. demora.

Ventajas de tener un buen factor de potencia

• Reducir la pérdida del conductor.
• Puede reducir la caída de voltaje.
• Prolonga la vida de nuestras instalaciones eléctricas.
• Reducir los costos de electricidad.
• La potencia activa disponible aumenta a medida que disminuye la potencia reactiva.
• Mejorar la eficiencia de nuestro sistema eléctrico.
• Reduzca las conexiones de cables y las secciones transversales.

Efectos negativo de un bajo factor de potencia

• Hay un mayor consumo de energía.
• La vida del director está agotada.
• Las líneas de distribución pueden saturarse.
• Los transformadores y generadores pueden estar sobrecargados.
• Reducir la eficiencia del consumo de energía de los dispositivos receptores.
• El costo de las facturas de la luz se ha incrementado significativamente.
• F.P. La empresa proveedora proporciona sanciones económicas reducidas.
• Con estos problemas, es muy importante comprobar si nuestros sistemas y dispositivos eléctricos están consumiendo energía de forma eficaz.

Factor de potencia CFE

Si crees o sientes que te estoy mintiendo, esto es lo que mencionó la distribuidora de energía en México. La Comisión Federal de Electricidad (CFE) mencionó que F.P. se ve como un indicador del correcto consumo de energía.

• EL F.P. debe ser 1, porque es un valor ideal y significa que el dispositivo convierte el consumo de energía en trabajo útil de manera satisfactoria, tal y como ya hemos comentado y sabemos.
• La CFE dijo que la penalización contra F.P menos 0.90, si es F.P., agregaría puntos extra a la factura. Mayor que 0,90.
• Este bono puede ser hasta el 2.5% de la cuenta y la multa puede ser hasta el 120% del costo de la cuenta.
• CFE recomienda el uso de bancos de capacitores para corregir la F.P.

También mencionó otras fuentes de un bajo factor de potencia:

• Muchos motores.
• El funcionamiento y la programación del sistema eléctrico son incorrectos.
• La red eléctrica está en mal estado.
• Subutilización de la capacidad instalada de equipos electromecánicos.

La Comisión Reguladora de Electricidad (CRE) adoptó una resolución sobre la eficiencia y seguridad del sistema eléctrico nacional. En el análisis anterior, sugiere que la carga normal y la carga específica deben mantenerse en F.P. El retraso está entre 0,95 y 1.

Factor de potencia en viviendas

Suponga que hay muchos electrodomésticos en la casa, algunos de los cuales tienen F.P. Lo primero que debemos hacer es:

• Preste atención al consumo de energía de cada dispositivo.
  Como una tendencia popular.
• Con un gancho multímetro, puede medir la corriente que fluye hacia su hogar.

En este caso, para calcular el F.P se debe considerar:

• Potencia (P)
• Voltaje (v)
• Corriente eléctrica (I)

Puede utilizar el siguiente formula:

Estos tres puntos nos permite obtener el factor de potencia de cada aparato en nuestra casa y así comprobar si tenemos un consumo optimo de la energía.

¿Cómo calcular el factor de potencia?

Hemos llegado a la parte mas interesante e importante de este artículo, saber como calcular el F.P. Por el momento no te preocupes por el cálculo de la corrección F.P, realizaremos esta operación más adelante para que puedas entenderla mejor.

Para calcular F.P., debe recordar los tipos de energía que existen y que llegan a afectar esta medición:

• Potencia activa.
• Potencia aparente.
• Potencia reactiva.

Triángulo de poder

Todas estas fuerzas están relacionadas con formas geométricas, lo que puede ayudarnos a descubrir cómo encontrar cada una de ellas. Esta relación trigonométrica se llama triángulo de potencia.

En este punto, podemos ver que existe una relación triangular entre estas tres fuerzas o mejor dicho potencias:

Ahora recordemos la formula de factor de potencia

Verás que Cos (φ) y F.P tienen la misma relación: potencia activa y potencia aparente. por lo tanto:

• Esto es solo aplica para circuitos lineales, veremos esto a detalle más adelante.

Ya has visto el valor del coseno del ángulo φ, que es igual a F.P.

Basándonos en el triángulo de potencias, podemos determinar las fórmulas generales para calcular el F.P.

Fórmula trigonométrica general para calcular F.P.

A través de estas fórmulas y relaciones trigonométricas, podemos obtener cualquier dato que necesitemos, solo debemos sustituir y despejar.

Calculo del Factor de potencia en circuitos lineales y no lineales

Circuito lineal

En un circuito lineal, hay una señal sinusoidal perfecta entre voltaje y corriente. El triángulo de potencia es adecuado para este tipo de circuito.

En un circuito lineal, el coseno de φ es igual al coseno del ángulo de los fasores de la corriente y la tensión en la medición vectorial, teniendo lo siguiente:

En estos circuitos:

• La resistencia ideal debe ser 1, que es cos (0).
• Para inductancia y capacitancia, F.P. = 0, es decir: cos⁡ (π / 2).

Circuito no lineal

Los circuitos no lineales tienen una propiedad especial: no tienen una señal sinusoidal perfecta y estas cargas no lineales crean corrientes armónicas representadas por distorsión armónica o TDH en el dominio de potencia.

Esto significa que nuestra potencia aparente (S) no consta solo de potencia real (P) y potencia reactiva (Q), sino que se genera una suma debido a esta distorsión armónica, que se denomina componente de distorsión (D).

Con respecto al contenido anterior, ya puede saber exactamente por qué F.P. está en un circuito no lineal. No es igual al coseno de φ (Cosφ). Para este caso, tenemos:

Ahora, si lo vemos en términos de coseno, tenemos:

Ejemplo de cálculo del factor de potencia

Para que entiendas bien, crearemos un ejemplo para ayudarte a mejorar y aplicar todo el conocimiento que ha adquirido hasta ahora.

Resolver el problema

Se analizaron las instalaciones eléctricas de una universidad privada:

• El sistema consume 5,6 kW de potencia activa.
• La potencia reactiva es de 2,1 kVAR.

Tratemos de responder lo siguiente:

• ¿Cuál es el ángulo de cambio de fase?
• ¿Qué es el factor de potencia?
• ¿Cuánto vale el poder aparente?

Para resolver este tipo de problemas, primero debemos distinguir los datos:

• P = 5,6 kW
• Q = 2,1 kVAR

Lo primero que debemos obtener es la potencia aparente:

• La potencia aparente es S = 5,98 kVAR

Ahora que tenemos la potencia aparente, podemos obtener el factor de potencia, el cual no tiene unidades:

• F.P. = 0,93

Ahora que tenemos el factor de potencia, podemos calcular el ángulo de fase:

En conclusión:

• F.P. es 0,93
• Ángulo de deflexión de 21,56 °.

En este ejemplo hemos visto que dicha universidad no ha hecho un buen trabajo en el uso de energía, para sacar un mejor diagnostico, se debe llevar acabo un análisis mas profundo.

¿Cómo corregir el factor de potencia?

Cuando tenemos un F.P. bajo o insuficiente, debemos corregirlo para evitar efectos adversos.

Una forma eficaz de corregir este factor es el uso de condensadores, ya que por sus características inherentes de acumulación de potencia, los condensadores pueden corregir o incluso eliminar la presencia de potencia reactiva, a esto se le conoce como bancos de capacitores.

¿Qué es lo que necesitamos para corregir el factor de potencia?

 A continuación haremos un ejemplo, donde sabemos:

• Tensión suministrada.
• Frecuencia.
• Potencia consumidas.
• Factor de potencia actual y deseado.

Desfase de la corriente:

• Si es un desfase en retrase se trata de una carga inductiva.
• Si es un desfase adelantado, la carga es capacitiva.
• Si no hay desfase la carga es resistiva

Finalmente, el objetivo es encontrar un capacitor que pueda ayudarnos a aumentar F.P. y reducir la potencia reactiva (Q).

La expresión para encontrar un capacitor ideal es:

Dónde:

• CuF es un condensador ideal en microfaradios (uF).
• Qc es la potencia reactiva (VAR) Qc = Q1-Q2
• V2 es la tensión suministrada (Volts)
• f es la frecuencia (Hz)

También debes reutilizar la relación trigonométrica del triángulo de potencia que usamos anteriormente:

Ejemplo de corrección del factor de potencia

En una empresa, ha llegado una penalización respecto al consumo de energía eléctrica, el personal a cargo del equipo eléctrico inspeccionan los equipos que operan:

• A 220 V y 60 Hz
• Se encontró que la potencia activa consumida es de 3,5 kW.
• El F.P. es del 0.7.
• La corriente se retrasó.

El equipo a cargo tiene como objetivo: corregir este F.P. utilizando condensadores para alcanzar una F.P de 0.9.

¿Cuál es la capacitancia de este condensador?

Muy bien, puede parecer difícil al principio, pero lo haremos paso a paso para que lo entiendas mejor.

💡 Lo primero que debemos hacer es identificar la información que tenemos:

• V = 220 V
• f = 60 Hz
• P = 3,5 kilovatios
• F.P. 1 (actual) = 0,7
• F.P. 2 (requerido) = 0.9

💡 Con los datos muy claros, debemos calcular el ángulo de la fase inicial.

El primer ángulo de desplazamiento es de 45,57 ° y lo puedes ver gráficamente:

💡 Ahora, calculamos la potencia reactiva inicial (Q1).

• La potencia reactiva inicial es de 3,57 kVAR.

💡 Hasta ahora lo estamos haciendo muy bien, seguiremos calculando el nuevo ángulo (ángulo de fase F.P. ideal).

💡 Calculamos la segunda potencia reactiva.

• La potencia reactiva secundaria es de 1,69 kVAR y debe reducirse para aumentar la F.P.

Con base a los resultados obtenidos, podemos determinar:

• Si está retrasando la corriente, significa que es una instalación inductiva. Para reducirlo, se debe generar una potencia reactiva capacitiva.

💡 Calculamos la potencia reactiva de los condensadores para colocarlos en paralelo.

💡 Finalmente, calculamos la capacitancia del capacitor requerido.
 

• Podemos concluir que el valor del capacitor utilizado para corregir el factor de potencia debe ser 103uF (microfaradios).

Vídeo de factor de potencia

Excelente, te felicito por haber llegado hasta el final, fueron muchos conceptos y cálculos, pero espero te haya sido de utilidad este articulo, nos vemos en el siguiente post.