La presencia de reactiva en una instalación genera pérdidas de energía y de tensión en las redes de distribución, disminuyendo el rendimiento global del sistema eléctrico nacional. Esto se traduce por una penalización económica que se refleja en la factura del usuario.
1Descripción conceptual de la energía reactiva
La corriente alterna CA o AC abreviatura de “alternating current”, es una corriente eléctrica donde los electrones circulan en un sentido de forma alterna en una dirección y posteriormente en la otra a intervalos regulares llamados ciclos.
Esta corriente alterna es la utilizada en el conjunto de las instalaciones industriales y domésticas. En México, esta corriente es de 60 ciclos por segundo que corresponde a 60 Hz.
El uso de la corriente alterna frente a la corriente continua reside en el bajo costo de poder cambiar el voltaje de una instalación, además de presentar menores pérdidas de distribución en largas distancias.
En circuito de corriente alterna, la tensión y corriente presentan una curva sinusoidal en una frecuencia de 60 Hz para México. Si la corriente y la tensión se encuentran en “fase”, es decir, que oscilan a la misma frecuencia y encimadas, el producto de ambas unidades genera una potencia ondulada con un valor medio positivo.
En el momento que las curvas sinusoidales de corriente y tensión presentan un desfase, su producto resulta positivo y negativo. Este desfase, puede producirse en los dos sentidos. Este desfase se produce en presencia de bobinas (motores, transformadores, entre otros) o condensadores (cables multiconductores, condensadores…) ubicadas en el circuito eléctrico. La presencia de bobinas genera un desfase inductivo mientras que los condensadores provocan un desfase capacitivo.
En la figura anterior, observamos que la potencia promedio es nula, lo que corresponde a pura energía reactiva.
Las potencias en juego en un circuito de corriente alternativa pueden representarse según un diagrama vectorial:
Donde, la potencia, en el sentido mecánico del término, cuya expresión corresponde a un trabajo realizado en un tiempo determinado, es la potencia activa que la suministra. Esta misma potencia activa puede ser transformada en calor o Luz. Su unidad física es el vatio (W).
Sin embargo la potencia reactiva Q no es una potencia que genera trabajo, calor o luz. El interés de identificarla reside en el hecho que permite evaluar la importancia de los receptores inductivos tales como motores, lámparas fluorescentes y los receptores capacitivos tales como condensadores en una instalación. Esta energía se expresa en VAr o VAR, abreviatura de “Voltios amperios reactivos”.
La potencia aparente correspondiente a la suma geométrica de la potencia activa y reactiva. Esta potencia es la utilizada para el dimensionamiento de los equipos y materiales eléctricos y su unidad es el Voltios amperios (VA).
2Consecuencias de la existencia de energía reactiva
La existencia de energía reactiva tiene incidencias técnicas y económicas importantes, ya que para una misma potencia activa P, con base en el desfase se debe entregar mayor potencia aparente, y por lo tanto mayor intensidad de corriente (A), tal y como se muestra en la figura adjunta.
Este fenómeno genera además las siguientes consecuencias:
- Sobrecarga al nivel de transformadores.
- Sobrecalentamiento de los cables y conductores de corriente.
- Pérdidas importantes suplementarias.
- Caídas de tensión importantes.
Es por ello, que resulta necesario que la producción de energía reactiva sea localizada lo más cerca de las cargas, para limitar y evitar su difusión en los cables de distribución. Es lo que se llama compensación de la energía reactiva.
Con ese fin, las empresas distribuidoras eléctricas, penalizan económicamente a los consumidores que consumen energía reactiva por encima de un cierto nivel.
Para lograr limitar este fenómeno se utilizan condensadores que entregan la energía reactiva solicitada (Qc) en los receptores inductivos, tal y como se observa en la figura adjunta:
3Reactiva y CFE
CFE define el factor de potencia como el indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energía, tomando de rango los valores entre uno y cero. Indicando que para un valor superior a 0.9, la energía es aprovechada correctamente por los equipos eléctricos para producir trabajo, y por debajo de este, se desperdicia. Como ya se revisó esto viene dado del triángulo de potencias en donde al ser menor la potencia reactiva, la hipotenusa que es la potencia real requerida para realizar el trabajo disminuye y con ello el ángulo.
Una lámpara incandescente, un calefactor de resistencias, no requiere de potencia reactiva, pero no así los equipos que disponen de embobinados o inducción para su operación.
El factor de potencia de la instalación se calcula según la siguiente fórmula resulta del cálculo trigonométrico del ángulo:
A continuación se describe la fórmula aplicada a la factura eléctrica sobre el cargo por factor de potencia
El cargo por bajo factor de potencia se efectúa siguiendo la siguiente fórmula:
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, aplicable si F.P. <90%, con un máximo aplicable hasta un 120 % |
Para factores de potencia superiores al 90% se aplica la bonificación, de acuerdo con la siguiente fórmula:
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|
, con un máximo aplicable del 2.5 de bonificación. |
De lo anterior, la compañía suministradora CFE, siguiendo el valor del factor de potencia realiza penalizaciones cuando este se encuentra por debajo del 0.9 (90%) o aplica una bonificación cuando es superior al 0.9 (90%). Esta penalización resulta más consecuente que la bonificación que se puede obtener. Por otra parte, mencionar que el ahorro obtenido por la compensación de la reactiva es la suma de la bonificación y de la penalización evitada.
4Valores del factor de potencia
A continuación se reflejan valores de factor de potencia de aparatos y equipamiento común:
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Receptores |
Cos |
Tg |
|
|---|---|---|---|
|
Motores asíncronos comunes a carga del |
0% |
0.17 |
5.80 |
|
25% |
0.55 |
1.52 |
|
|
50% |
0.73 |
0.94 |
|
|
75% |
0.80 |
0.75 |
|
|
100% |
0.85 |
0.62 |
|
|
Lámparas incandescentes |
Aprox. 1 |
Aprox. 0 |
|
|
Lámparas fluorescentes |
Aprox. 0.5 |
Aprox. 1.73 |
|
|
Lámparas de descarga |
0.4 a 0.6 |
Aprox. 2.29 a 1.33 |
|
|
Horno de resistencias |
Aprox. 1 |
Aprox. 1 |
|
|
Horno de inducción compensado |
Aprox. 0.85 |
Aprox. 0.62 |
|
|
Horno dieléctrico |
Aprox. 0.85 |
Aprox. 0.62 |
|
|
Soldadora de resistencias |
0.8 a 0.9 |
0.75 a 0.48 |
|
|
Soldadora de arco (mono) |
Aprox. 0.5 |
Aprox. 1.73 |
|
|
Soldadora de arco rotativa |
0.7 a 0.9 |
1.02 a 0.48 |
|
|
Soldadora de arco (transf-rectif) |
0.7 a 0.8 |
1.02 a 0.75 |
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Transformador |
0.8 |
0.75 |
|
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Rectificadores tiristorizados |
0.4 a 0.8 |
2.25 a 0.75 |
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5Qué tipo de compensación y dónde instalarla
El tipo de compensación viene definida por el tiempo de retorno de la inversión y depende de los siguientes parámetros:
- De la potencia instalada.
- Del nivel de tensión.
- Del tipo de control.
- Del nivel de la calidad de la protección.
Existen varias alternativas para la implantación de los equipos de compensación de energía reactiva:
Ubicación del sistema de compensación
Compensación global
Se conecta la batería de condensadores en la cabecera de la instalación ya que de este modo se garantiza la compensación del conjunto de las cargas. Este tipo de localización de conexión se selecciona cuando se requiere limitar las penalizaciones económicas de la empresa distribuidora de electricidad.
Compensación localizada por zona
En este caso, la batería de condensadores se integra en la cabecera de la zona que se desea compensar. Este tipo de ubicación se selecciona cuando se trata de una distribución eléctrica interna extensa con funcionamientos de cargas muy dispares.
Compensación individual
La batería de condensadores deberá ser instalada en los bornes de cada equipo receptor inductor tales como los motores. Este tipo de conexión se realiza en el momento que la potencia del equipo receptor es muy elevada frente a la potencia contratada. Este tipo de conexión resulta la más idónea ya que permite compensar la energía reactiva en el propio elemento consumidor.
Tipo de compensación
Compensación fija
Se basa en un funcionamiento todo o nada del conjunto de la batería de condensadores. Su puesta en funcionamiento puede ser realizada de forma manual a través de un interruptor o disyuntor, semiautomático por contactor, ubicado en los bornes de los motores y receptores.
Este tipo de compensación es frecuente para compensar las potencias reactivas bajas (<15% de la potencia del transformador) y cuando la carga es relativamente estable.
Compensación automática
La batería de condensadores integra escalones de funcionamiento que se ajustan de forma automática a la demanda de reactiva.
Este tipo de batería de condensadores suele instalarse en la cabecera de la instalación de baja tensión y permite una regulación progresiva de la energía reactiva.
6Ventajas e inconvenientes
Las principales ventajas en el uso de baterías de condensadores son:
- Reducción de la factura eléctrica.
- Aumento de la potencia disponible y mejora del rendimiento del conjunto de la instalación.
- Reducción de las pérdidas de transporte de la red eléctrica, aportando una mejora medio ambiental.
- Reducción de las caídas de tensión.
Como desventaja se puede resaltar que, en ciertos casos, el disponer en forma continua, de un equipo de compensación de reactiva que fue dimensionado para la carga máxima de una instalación, puede generar una sobrecompensación. Este tipo de efecto, puede ocasionar sobretensiones perjudiciales al conjunto de los equipos conectados.
7Conclusiones
La presencia de potencia reactiva en una instalación provoca numerosos problemas técnicos, alterando y desgastando los equipamientos, además de aumentar la factura eléctrica por penalizaciones.
Resulta evidente la necesidad de disminuir la potencia reactiva de tal forma que la potencia activa y aparente sean los más cercanas posibles.
Para lograrlo, existen numerosas tecnologías que se adaptan a todo tipo de instalación como de necesidad, aportando no sólo ahorros económicos importantes sino también una mejora consistente en el rendimiento global de la instalación.
Este tipo de medida requiere de inversiones relativamente bajas con intervenciones mínimas y puntuales en las instalaciones, que se amortizan en tiempos relativamente bajos situándose por debajo de los 2 años.