La mayor parte de las cargas industriales absorben potencia activa y, en general, potencia reactiva de tipo inductivo. La potencia reactiva es una potencia puramente fluctuante que absorben momentáneamente los receptores durante una parte del ciclo y devuelven a la red a lo largo del ciclo, de forma que no supone un consumo neto. Esto implica, sin embargo, un consumo de corriente extra (corriente reactiva) y por tanto una corriente total mayor que la estrictamente necesaria para obtener el trabajo útil, produciendo pérdidas innecesarias en la instalación y obligando a un mayor dimensionado de los generadores y líneas de transporte.
Compensación de la potencia reactiva
Existe un doble interés en la compensación de la energía reactiva:
• El usuario necesita transformadores y líneas menos dimensionadas
• La compañía suministradora tiene los mismos motivos que el usuario final, y por ello suele establecer algún tipo de recargo sobre los términos de potencia y energía, en función del factor de potencia acumulado al final del período de facturación (incremento del costo de la factura del usuario). Puede evitarse el consumo de reactiva, y por tanto el recargo, si se compensa la potencia reactiva inductiva mediante condensadores. En efecto, la potencia reactiva de tipo inductivo puede ser compensada aprovechando la propiedad de los condensadores de suministrar una corriente reactiva de signo contrario a la que consumen las cargas inductivas. Dicha compensación, se denomina generalmente compensación del factor de potencia o corrección del cosφ. El objetivo es alcanzar un cosφ total, de la carga más los condensadores, lo más próximo posible a la unidad, con lo cual se obtendrán los máximos beneficios en términos de reducción de pérdidas y bonificación en la energía facturada por parte de la compañía.
CÁLCULO DE NECESIDADES
En este apartado trataremos de responder a la pregunta: ¿Cuál es la potencia total de condensadores necesaria para compensar una instalación, con un determinado factor de potencia inicial?
Para ello es preciso conocer los datos de la instalación que se indican a continuación:
• Potencia activa consumida
• Factor de potencia inicial de la instalación no compensada, cos φ¡
• Factor de potencia deseado después de la compensación, cos φr
Cálculo de la compensación a partir de la potencia activa y los factores de potencia inicial y final.
Conocida la potencia activa P, el cos o el ángulo de fase inicial φi, y el cos o el ángulo final φr, el valor deseado de potencia a compensar puede calcularse por ecuación: Ejemplo
Supóngase una instalación que consume 150kW de potencia activa, con un cosφ inicial de 0,65, que queremos pasar a 0,96. De la tabla anterior, para cosφi = 0,65 y cosφr = 0,96 obtenemos un factor 0,88.
Qc (kVAr)= 150(kW) x 0,88 = 132 kVAr COMPENSACIÓN INDIVIDUAL DE CARGAS
En determinados casos, bien sea en cargas de potencia considerable comparadas con el total de una instalación, o bien porque son cargas conectadas a través de líneas muy largas, puede ser interesante compensar de forma individual estas cargas. Los casos más típicos son la compensación del transformador de acometida y la compensación de algunos motores. En los párrafos siguientes daremos algunas directrices de cómo compensar algunas cargas típicas de forma individual.
Compensación del transformador de acometida
En general, el transformador de acometida permanece conectado incluso en el caso de desconectar las cargas. Además, la potencia reactiva de dicho transformador no es medida por el transformador de corriente que da señal al regulador de reactiva, a menos que se instale dicho transformador de corriente en el lado de alta tensión. Por ello, es habitual que los transformadores de acometida se compensen mediante un condensador fijo conectado siempre en paralelo con la salida del transformador.
El consumo de reactiva de los transformadores se debe a dos conceptos:
• Un término fijo, debido a la reactancia magnetizante (corriente magnetizante), que supone aproximadamente de un 1,8 a un 2% de la potencia aparente de transformador en kVA.
donde /²pu representa el índice de carga unitario, es decir, tanto por uno de la carga nominal y ucc es la tensión de cortocircuito unitaria (ucc % / 100).
Regla práctica:
La potencia reactiva total consumida por el transformador sería la suma de QM y QX. No obstante, como se ha dicho, la compensación suele hacerse con un condensador fijo y por lo tanto independiente de la carga. La potencia que suele elegirse es de un 5 % de la potencia en kVA del transformador. En algunos transformadores con ucc % > 6%, pueden elegir valores de 6 ó 7 %. En ningún caso se recomienda una compensación fija con potencia superior al 10% de la potencia aparente del transformador.
Compensación de motores asíncronos
La corriente reactiva que absorbe un motor asíncrono de inducción se mantiene bastante constante, cualquiera que sea su régimen de carga. La corriente reactiva suele ser de un 90% de la corriente consumida por el motor en vacío.
En general, no es recomendable compensar a factor de potencia unidad y se suelen colocar condensadores para compensar entre 0,9 y 0,95. Una fórmula aproximada de cálculo de la potencia necesaria para compensar un motor a cosφ = 0,92 es la siguiente:
En general, el cosφ de los motores está especificado en su placa de características y en los propios catálogos de fabricantes. Los valores de cosφ nominales de los motores suelen ser menores
para motores de mayor número de polos (menos revoluciones). En general, los valores resultantes suelen estar en torno al 20% de la potencia del motor para motores de 1500 rpm, mientras que para motores de 3000 rpm las necesidades son menores y para motores de 750 rpm puede ser más del 25%.
En cuanto a las formas de conexión de la compensación, suelen variar dependiendo del tipo de maniobra de arranque que efectúe el motor.
VENTAJAS DE LA COMPENSACIÓN
La compensación de energía reactiva comporta ventajas de dos tipos:
• Ventajas técnicas
– Aumento de la capacidad de las líneas y transformadores
– Mejora de la tensión de red
– Disminución de pérdidas
• Ventajas económicas
– Reducción del precio de los términos de potencia y de energía
Aumento de la capacidad de las instalaciones
Es frecuente que las líneas, interruptores y otros medios de distribución alcancen el límite de carga y hagan necesaria su ampliación. Una forma de aumentar la capacidad de la instalación es corregir el factor de potencia, descargando las líneas de potencia reactiva, con lo cual aumenta su capacidad de transporte de energía activa. En la figura siguiente se da un gráfico que permite calcular la potencia activa adicional que podría obtenerse de una instalación si se mejora el factor de potencia de cos φ1 a cos φ2.
Como ejemplo de utilización de dicho gráfico, podemos ver que una instalación
con un factor de potencia inicial de 0,7, permitirá un 35% más de potencia activa si se mejora aproximadamente a 0,96.
Tomando como ejemplo un transformador, éste se caracteriza por una potencia aparente S en kVA, pero la potencia activa que puede soportar es menor y viene dada por:
Aplicando la formula a un caso práctico de un transformador de 630 kVA, con un cosφ de 0,75, puede soportar sólo una carga de 472kW. Este mismo transformador, mejorando el cosφ a 1, podría soportar una potencia próxima a los 630kW (minorado por las pérdidas).
Mejora de la tensión de red
La compensación del factor de potencia comporta, como se ha dicho, una disminución de la corriente total que circula por las líneas y transformadores de alimentación y por consiguiente una disminución de las caídas de tensión en los mismos. Esto hace que la tensión en los puntos de suministro final aumente al introducir la compensación del factor de potencia.
Disminución de pérdidas por efecto Joule
Las pérdidas por calentamiento, llamadas también pérdidas por efecto Joule, en una línea, dependen de la resistencia óhmica de los cables, no de su impedancia.
