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Cómo Reducir la Factura de Energía Eléctrica Corrigiendo el Factor de Potencia

Cómo Reducir la Factura de Energía Eléctrica Corrigiendo el Factor de Potencia

RESUMEN El elevado consumo de la Potencia Reactiva (aumento de la necesidad de magnetizar conforme se coloca más equipo a la red) ocasiona no solo mala regulación de voltaje o bajo voltaje en una industria, sino que también puede afectar a otros usuarios. Además, disminuirá la eficiencia con la cual los equipos conectados a la red aprovechan la energía que se les suministra. Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria.

DESCRIPTORES Factor de Potencia. Potencia Reactiva. Condensadores eléctricos estáticos. Cargo por demanda.

FACTOR DE POTENCIA ¿POR QUÉ CORREGIRLO EN LA INDUSTRIA? 1. Introducción En alguna ocasión se ha preguntado, ¿Por qué es necesaria la eficiencia en la conversión de energía? ¿Cuál es la razón de las altas tarifas eléctricas a la Industria que consumen mucha energía que utiliza motores o equipo eléctrico? Actualmente la eficiencia en el consumo energético es tema de actualidad, desde la conciencia a los usuarios en el uso racional de la energía hasta las fábricas e industrias que mediante sus procesos les es necesaria la energía, ¡claro! Una industria tiene que pagar más se preguntará: Pero, ¿será que estas pueden reducir su factura por consumo de energía si toman las debidas precauciones o acciones? En el país, las empresas a cargo de la distribución de la energía cobran una tarifa especial a aquellas Industrias que consumen mucha energía si pasan de cierto rango; tarifas como Potencia Reactiva, por consumo superior a lo permitido, por hora pico, cada usuario conectado a la red eléctrica pertenece a una categoría de consumo, la categoría dependerá si es para uso residencial, comercial o Industrial y así será la factura al final de cada mes. En una industria donde su equipo eléctrico lo constituyen motores, iluminación con balastros, equipos de taladro, tornos, equipo de refrigeración etc., todo aquello que necesite magnetizarse presentara inconvenientes al momento de operar en la red, la empresa de electricidad le estará girando una factura de exceso de consumo de Potencia Reactiva

1

debido a la mayor capacidad de generación de ésta. La industria debe prever que esto no suceda o se aminore; el consumo de reactiva hace que se tenga menor capacidad en la red eléctrica para suplir la demanda de otros usuarios, este exceso se cobra a una tarifa alta, la Industria actualmente esta corrigiendo este factor aplicando bancos de capacitores para compensar la potencia reactiva consumida en ella, a través de generarla ellos mismos. El beneficio viene si se colocan lo más cercano a la carga que consume.

2. Principios Ciertamente los equipos conectados a una red eléctrica tienen característica inductivas (corriente en atraso al voltaje), consumen corriente y necesitan magnetizar sus elementos internos, inductores, capacitores, campos magnéticos etc., aumentando la necesidad de magnetizar conforme se coloca más equipo a la red. Esta energía que magnetiza los elementos internos se le conoce como reactiva, en general Potencia Reactiva. Se comprende mejor sabiendo que se trata de Calor o Luz; cuanto mayor sea el consumo de energía reactiva, peor será el aprovechamiento de la energía recibida por los equipos. El Factor de Potencia es un indicador de dicho aprovechamiento, el cual puede tomar valores entre 0 y 1. Por ejemplo, si el factor de Potencia es igual a 0.80, indica que del total de la energía suministrada (100%) sólo el 80% de esa energía es aprovechada en trabajo útil. La potencia reactiva no ejerce ningún beneficio, va y viene de la carga a la fuente, pero es muy necesario para el correcto funcionamiento del equipo, esta energía reactiva aumenta constantemente en la hora pico (4:00 p.m. a 7:30 p.m.) haciendo que el voltaje en la red disminuya como consecuencia del aumento de corriente y consumo de más reactiva. En algunos casos el usuario residencial se ve afecto al reducirse el voltaje, pero una industria (grandes clientes) se ve aun más afectada si no corrige este problema. La siguiente figura resume los conceptos a tratar: P = I2R = VICos (Φ) S = Potencia compleja Aparente Unidades VA, KVA, MVA S = P +jQ S = I2Z = VI P = Potencia real o promedio, Unidades, W, Kw., MW Q = Esta es la potencia reactiva y que se tiene que compensar: Imaginaria, unidades var, kVar, Mvar jQ = XsI2 = VISen(Φ)

2.1. Consecuencias de la Potencia Reactiva El elevado consumo de Potencia reactiva ocasiona no solo la mala regulación de voltaje o bajo voltaje en una industria sino también puede afectar a otros usuarios, además una consecuencia negativa para todos: ¡el factor de potencia de la red disminuirá! Se entiende por factor de potencia la eficiencia con la cual los equipos conectados a la red aprovechan la energía que se le suministra. Uno de los objetivos de compensar la reactiva es corregir el factor de potencia, esto a través de bancos de capacitores hasta donde sea posible económicamente.

2.2. Corrección del Factor de Potencia, Nociones Generales Denominamos factor de potencia al cociente entre la potencia activa y la potencia aparente, que es coincidente con el coseno del ángulo entre la tensión y la corriente cuando la forma de onda es sinusoidal pura. Las cargas industriales por su naturaleza eléctrica son reactivas a causa de la presencia principalmente de equipos de refrigeración, motores, balastros, etc. Al consumo de potencia activa (KW) se suma al consumo de una potencia llamada reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinan el comportamiento operacional de dichos equipos y motores. Esta potencia reactiva ha sido tradicionalmente suministrada por las empresas de electricidad, aunque puede ser suministrada por las propias industrias. Al ser suministradas por las empresas de electricidad deberá ser producida y transportada por las redes, ocasionando necesidades de inversión en capacidades mayores de los equipos y redes de transmisión y distribución. La potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos, es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento elementos tales como: motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros similares. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, (a mayor numero de equipo que consume reactiva, mas reactiva se requiere) lo cual produce una disminución significativa del factor de potencia. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de: • Un gran número de motores. • Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado. • Por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria. • Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria Pero se debe tomar en cuenta que cargas puramente resistivas, tales como alumbrado incandescente, resistencias de calentamiento, etc., no causan este tipo de problema ya que no necesitan de la corriente reactiva.

El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes: 2.2.1. Al usuario (industrial): • Aumento de la intensidad de corriente • Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión • Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil y reducción de la capacidad de conducción de los conductores • La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su aislamiento. • Aumentos en la factura por consumo de energía eléctrica

Figura 1. Comportamiento Operacional de Equipos y Motores

2.2.2. A la empresa distribuidora de energía: Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional. Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva. Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica. Una forma de que las empresas de electricidad a nivel nacional e internacional hagan reflexionar a las industrias sobre la conveniencia de generar o controlar su consumo de energía reactiva ha sido a través de un cargo por demanda, facturado en Q. /KVA, es decir cobrándole por capacidad suministrada en KVA, factor donde se incluye el consumo de los KVAR que se entregan a la industria

Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone de ellos).

Figura 2. Utilización de un Capacitor de Potencia para Compensación

Ejemplo: Un capacitor instalado en el mismo circuito de un motor de inducción tiene como efecto un intercambio de corriente reactiva entre ellos. La corriente de adelanto almacenada por el capacitor entonces alimenta la corriente de retraso requerida por el motor de inducción. La figura 3 muestra un motor de inducción sin corrección del factor de potencia.

Figura 3. Motor de Inducción sin corrección del Factor de Potencia

Un motor de inducción sin corrección de factor de potencia que consume sólo 80 A para su carga de trabajo, necesita la corriente de magnetización de 60 A (reactiva), debiendo obtener del circuito de alimentación 100 A:

80 2 + 60 2 = 100

Por la línea de alimentación fluye la corriente de trabajo junto con la corriente no útil o corriente de magnetización (reactiva). Después de instalar un capacitor en el motor para satisfacer las necesidades de magnetización del mismo (figura 2), el circuito de alimentación sólo tiene que conducir y suministrar 80 A para que el motor efectúe el mismo trabajo, ya que el capacitor se encarga de entregar los 60A restantes (figura 4)

Figura 4. Motor de Inducción con Factor de Potencia corregido

El circuito de alimentación conduce ahora únicamente corriente de trabajo (80A). Esto permite conectar equipo eléctrico adicional en el mismo circuito y reduce los costos por consumo de energía como consecuencia de mantener un bajo factor de potencia.

3. Instalación de los Capacitores Para la instalación de los capacitores deberán tomarse en cuenta diversos factores que influyen en su ubicación como lo son: La variación y distribución de cargas, el factor de carga, tipo de motores, uniformidad en la distribución de la carga, la disposición y longitud de los circuitos y la naturaleza del voltaje. No se debe efectuar una compensación excesiva de potencia reactiva ya que, en tal caso, debido a sobre-compensación se puede establecer un aumento de la tensión de los equipos con respecto a la de la red.

Los capacitores han de ser localizados en o cerca de las cargas a fin de obtener el mínimo costo y los máximos beneficios.

CONCLUSIONES Para reducir la factura por consumo de energía se ha de tomar en cuenta los siguientes aspectos: • Controlar el consumo de potencia reactiva en la industria resulta ventajoso al reducir la factura por consumo de potencia reactiva • Se mejora la regulación de voltaje en la red eléctrica (no fluctúa) • Se consigue operar mas equipos con la misma capacidad de la red eléctrica • Se consigue un aumento de la capacidad de líneas y transformadores instalados • Se disminuyen las pedidas de energía • Se consigue una reducción en el coste global de la energía • Menos sección transversal de conductores • Menos perdidas de energía por las altas corrientes en la línea

BIBLIOGRAFÍA

1. CHAPMAN, STEPHEN J.. Maquinas eléctricas. 2ª Edición. Editorial McGraw Hill. México: 1998 2. KOSOW, IRVIN. Maquinas eléctricas y Transformadores. 2ª Edición. Limusa Editores. México: 1996 3. BOYLESTAD, ROBERT. Introducción al análisis de Circuitos. 10ª Edición Editorial Pearson. México: 2004 4. GONZALEZ LOPEZ, FRANCISCO JAVIER. Fundamentos teóricos sobre Armónicas. 2ª edición. Formación Siglo21. México: 2000

VENTAJAS, LIMITACIONES Y APLICABILIDAD DE LOS MOTORES DE ALTA EFICIENCIA

Ventajas

· El hecho de que se tenga una eficiencia

mayor significa que se disminuye los costos

de operación del motor y se puede recuperar

la inversión adicional en un tiempo razonable,

sobre todo si se opera a una carga cercana a

la potencia nominal. Recuerde que en un año

el costo de la energía es aproximadamente

seis veces el costo de compra del motor.

· Los motores de alta eficiencia poseen

generalmente un menor deslizamiento (mayor

velocidad de operación) que los motores de

eficiencia estándar, debido a los cambios que

se producen en los parámetros del motor. La

mayor velocidad puede ser ventajosa en

muchos casos, pues mejora la ventilación.

· Los motores de alta eficiencia son

normalmente más robustos y mejor

construidos que los motores estándar, lo que

traduce en menores gastos en

mantenimiento y mayor tiempo de vida.

Limitaciones

· El hecho de que los motores de alta

eficiencia operan a una velocidad mayor,

puede ocasionar un incremento en la carga,

sobre todo cuando se accionan ventiladores

o bombas centrífugas, este hecho debe

valorarse en cada situación .

· El momento de arranque y el momento

máximo son en algunos diseños ligeramente

mayores y en otros ligeramente menores, por

lo tanto es necesario analizar detalladamente

en cada aplicación. 8

Motores Eléctricos de Alta Eficiencia

· La corriente de arranque suele ser mayor.

Esto puede provocar que se sobrepasen los

limites máximos de caída de voltaje en la red.

También puede influir en la capacidad de los

equipos de maniobra, aunque muchas veces

se puede operar con los mismos que se usan

con los motores estándar y en ocasiones sólo

resulta necesario cambiar los elementos

térmicos.

· La corriente transitoria en el arranque, que

tiene su máximo en el primer medio ciclo, se

incrementa debido a la tendencia a un mayor

valor de la relación X/R. Aunque esta

corriente puede no afectar el tamaño del

arrancador, si se afecta el disparo

instantáneo del interruptor del motor, por lo

que hay que buscar un compromiso entre la

coordinación del interruptor y los disparos del

arranque.

· El factor de potencia del motor puede ser

menor que un motor estándar. Un estudio

reciente realizado por Bonnett (1997)

encontró que los motores de alta eficiencia

construidos en USA, en el intervalo de 3 a 10

HP tienen un factor de potencia mayor que

los estándares, inferior en el intervalo de 15 a

40 HP, aproximadamente igual de 50 a 100

HP y de nuevo menor de 125 HP en

adelante.

Aplicabilidad.

Los motores de alta eficiencia pueden aplicarse

favorablemente en los siguientes casos:

· Cuando el motor opera a una carga

constante y muy cerca del punto de

operación nominal.

· Cuando se usan para reemplazar a motores

sobredimensionados.

· Cuando se aplican conjuntamente con

Variadores electrónicos de frecuencia

( Variable Frecuency Drives) para accionar

bombas y ventiladores, pueden lograr

ahorros de hasta mas del 50% de la energía.

· Como parte de un Programa de Uso eficiente

de la Energía Eléctrica.

· En instalaciones nuevas.

El ahorro de dinero al aplicar un motor de alta

eficiencia se puede calcular usando la siguiente

ecuación:

÷ ÷ø

ö

ç çè

æ

= -

A B E E

S 0.746 HP L C T 100 100

S : Ahorro en pesos por año

HP : Potencia de placa en HP

L :Porcentaje de carga del motor respecto

a la potencia nominal.

C : Costo de la Energía en pesos por KWh

T : Tiempo de funcionamiento del motor en

horas por año.

EA : Eficiencia del motor estándar

EB : Eficiencia del motor de alta eficiencia

MOTORES DE ALTA EFICIENCIA

Aunque no existe una definición unificada

mundialmente sobre lo que es un motor de alta

eficiencia, una revisión histórica de su desarrollo

nos permite tener una noción mas clara de este

concepto.

5.1 Desarrollo de los Motores de Alta

Eficiencia

Hasta el año 1960 los diseñadores y fabricantes

de motores de inducción siguieron la tendencia

de diseñar los motores con el objetivo de

conseguir una alta eficiencia, a pesar de que en

ese entonces los materiales no tenían un gran

desarrollo el diseño electromagnético centrado

en la eficiencia consiguió que se fabriquen

motores de eficiencias aceptables.

El bajo costo de la energía eléctrica en aquella

época hacia que la eficiencia no fuera un

parámetro que incidiera en los costos de

operación. Por eso durante el periodo de 1960

hasta 1975 los fabricantes cambiaron su

tendencia y se centraron a diseñar motores para

conseguir un costo mínimo, sobre todo en el

rango de 1 a 250 HP. Con este objetivo se

disminuyo la cantidad de material activo, y los

materiales fueron seleccionados para cumplir

mínimos requerimientos de eficiencia. En este

contexto en 1977 NEMA recomendó marcar la

placa de los motores trifásicos con una

EFICIENCIA NOMINAL NEMA. La Tabla 4

muestra los rangos de eficiencia para motores

trifásicos de Diseño NEMA B, aquí se define un

valor mínimo para la eficiencia para cada nivel de

eficiencia.

Tabla 4. Eficiencia nominal para motores trifásicos

diseño NEMA B

HP Rango de Eficiencia

Nominal

Eficiencia

Nominal

Promedio

5 78 – 85 82

10 81 – 88 85

25 85 – 90 88

50 88 – 92 90

75 89.5 – 92.5 91

100 90 – 93 91.5

150 91 – 93.5 92.5

200 91.5 – 94 93

250 91.5 – 94.5 93.5

La crisis energética que ocurrió en la década del

70 hizo que los costos de la energía eléctrica

empiecen a incrementarse a un ritmo de

aproximadamente 12% anual. En este contexto

los costos de operación de un motor por

consumo de energía hicieron que la eficiencia

sea un parámetro importante en la selección del

motor. En este contexto en el año 1974 algunos

fabricantes empezaron a usar métodos para

diseñar motores con una eficiencia mayor que la

exigida por la Norma NEMA. Así se diseño una

línea de motores de alta eficiencia con perdidas

25% menores que el motor promedio diseño

NEMA B, esto se llamo la primera generación de

motores de alta eficiencia.

Luego del desarrollo de esta primera generación

de motores de alta eficiencia, muchos fabricantes

entraron en la tendencia de diseñar motores con

el objeto de obtener una alta eficiencia, usando

un diseño, materiales y procesos de fabricación

mejorados. Cada fabricante identifico a su motor

con un nombre, entre ellos tenemos:

Fabricante Nombre del motor

General Electric Energy Saver

Realince Electric Co XE Energy Effiicient

Baldor Electric Co Super E

Magnetek/Louis Allis Spartan High Efficiency

US Electrical Motors Corro- DutyPremium

Efficiency

Siemens Premium Efficiency

Toshiba Premium Efficiency

NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Se tiene por pérdidas la potencia eléctrica que se
transforma y disipa en forma de calor en el
proceso de conversión de la energía eléctrica en
mecánica que ocurre en el motor. Las pérdidas2
por su naturaleza se pueden clasificar en 5
áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas
en el cobre del rotor, pérdidas en el núcleo,
pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas
adicionales।
Pérdidas en los conductores.
Las pérdidas en los conductores se dividen en
dos zonas: estator ( I 2R en las bobinas del
estator) y rotor ( I 2R en los bobinados del rotor).
Estas pérdidas dependen del cuadrado de la
corriente.

Pérdidas en los conductores del estator.
Estas pérdidas son una función de la corriente
que fluye en el devanado del estator y la
resistencia de ese devanado. Son mínimas en
vacío y se incrementan al aumentar la carga.
En función del factor de potencia (FP), la
corriente de línea en el estator puede expresarse
como:
Voltaje de línea FP
I potencia eléctrica de entrada L 3 * *
=
Cuando se desea mejorar el comportamiento del
motor, es importante reconocer la
interdependencia entre la eficiencia (EF) y el
factor de potencia (FP). Si se despeja el factor de
potencia la ecuación se reescribe:
voltaje de linea I EF
FP Potencia mécanica de salida
L 3 * * *
=
Por lo tanto si se incrementa la eficiencia, el
factor de potencia tendrá a decrecer. Para que el
factor de potencia permanezca constante, la
corriente del estator debe reducirse en
proporción al aumento de la eficiencia. Si se
pretende que el factor de potencia mejore,
entonces la corriente debe disminuir mas que lo
que la eficiencia aumente. Desde el punto de
vista del diseño, esto es difícil de lograr debido a
que hay que cumplir otras restricciones
operacionales como el momento máximo.
Por otra parte la corriente de línea se puede
expresar:
voltaje de salida FP EF

EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELECTRICOS

Puede decirse que la eficiencia de un motor
eléctrico es la medida de la capacidad que tiene
el motor de convertir la energía eléctrica en
energía mecánica. La potencia eléctrica
correspondiente medida en watts (w) entra por
los terminales del motor y la potencia mecánica
medida en watts o HP que sale por el eje. La
eficiencia (EF) del motor puede expresarse
como:
% x100
Potencia Eléctrica de Entrada
EF = Potencia Mecánica de Salida
Y como:
Potencia mecánica de salida = Potencia eléctrica
de entrada – Pérdidas
Se tiene que :
) 100
.
% ( 1 x
Pot eléctrica de entrada
EF = - Pérdidas

Motores Eléctricos de Alta Eficiencia

Características Electromecánicas, Ventajas y
Aplicabilidad.
El constante incremento de los costos de la
energía eléctrica y las restricciones establecidas
sobre la conservación del medio ambiente
hicieron que en los países industrializados como
USA y algunos países europeos se dictaran
políticas y se aprobaran legislaciones respecto al
uso de la energía. Considerando que de la
energía total generada en el mundo,
aproximadamente el 60% la consumen los
motores eléctricos y que el motor eléctrico más
usado es el asincrónico de jaula de ardilla, surgió
entre las medidas más prometedoras para el
ahorro de la energía, establecer el incremento
obligatorio de la eficiencia de estos motores. Esta
idea fue reforzada cuando un estudio realizado
en 1990 por el Departamento de Energía de los
Estados Unidos de América mostró que para el
año 2010, la industria podría ahorrar 240 mil
millones de Kwh anualmente reemplazando
motores y accionamiento de eficiencia estándar,
por otro que fueran solo de 2 a 6% más
eficientes.

En los países subdesarrollados, este tipo de
política energética a demorado en establecerse y
las cifras que se encuentran en cuanto al uso de
motores más eficientes son notablemente
inferiores a las de los países industrializados.
Una de las razones es que en las practicas
tradicionales de compra no se evalúa el costo
real de la energía, entre otras cosas, porque no
se comprende la relación entre la eficiencia y los
costos totales durante la vida útil del equipo. Así,
los compradores se concentran con frecuencia
en el bajo costo inicial. No se comprende
suficientemente que los motores y
acondicionamientos con mayor eficiencia,
aunque son mas caros inicialmente, gracias a los
costos de operación más bajos, compensan la
diferencia en un plazo normalmente apropiado.
Otra razón es la poca información que tienen los
ingenieros y técnicos respecto a los motores de
alta eficiencia. Este desconocimiento da
inseguridad en el momento de la aplicación y en
algunos casos puede ocasionar inconvenientes
en la operación de los motores. Es importante
entonces conocer cuales son las características
electromecánicas de los motores de alta
eficiencia, sus ventajas y las limitaciones que
pueden presentar en su aplicación.
El propósito de este articulo es dar a conocer las
características principales de los motores de alta
eficiencia, mencionar las ventajas y limitaciones
que presentan y mencionar las condiciones más
comunes en que su aplicación es aconsejable.
Los motores de alta eficiencia
empezaron a ser fabricados a
mediados de la década de los 70
inicialmente en USA pero su
aplicación se hizo masiva al llegar
el año 2000 también en otros
países industrializados. Sin
embargo su aplicación
indiscriminada puede ocasionar
inconvenientes técnicos en los
procesos productivos cuando no
es evaluada correctamente.
El propósito de este articulo es dar
a conocer las características
principales de los motores de alta
eficiencia, mencionar las ventajas
y limitaciones que presentan y
mencionar las condiciones más
comunes en que su aplicación es
aconsejable.