CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA CON ELEMENTOS PASIVOS En este apartado analizaremos circuitos alimentados con generadores de ca, donde intervienen resistencias, bobinas y condensadores por separado y después, otros donde se combinan estos elementos. También se definirán conceptos tales como reactancia inductiva, reactancia capacitiva e impedancia. Finalmente haremos un estudio de su aplicación en el cálculo de potencias en corriente alterna y su aplicación a los circuitos eléctricos.

CIRCUITO CON RESISTENCIA

En la figura superior se muestra un circuito formado por un generador de ca, cuya f.e.m es la tensión eficaz de la red eléctrica, que alimenta a una resistencia de 1KΩ. La corriente que circula por el circuito tiene la misma forma que la tensión del generador; los valores máximos y los cortes con el eje de abscisas coinciden en ambos casos. Se dice que ambas ondas están en FASE. Vef= RI

CIRCUITO CON AUTOINDUCCIÓN

El circuito de la figura superior está constituido por una autoinducción y un generador de ca. La corriente por el circuito, como en el caso anterior, tiene la misma forma que la f.e.m del generador; sin embargo, ahora existe un desfase entre ambas. Se dice que la corriente está retrasada 90º con respecto a la tensión. Vef= XLI

XL= 2pi.f.L

Reactancia inductiva

CIRCUITO CON CAPACIDAD

El circuito de la figura superior está constituido por una capacidad y un generador de ca. La corriente por el circuito, como en el caso anterior, tiene la misma forma que la f.e.m del generador; sin embargo, ahora existe un desfase entre ambas. Se dice que la corriente está adelantada 90º con respecto a la tensión. Vef= XCI

1 XC = 2 pi. f .C

Reactancia capacitiva

CIRCUITO CON AUTOINDUCCIÓN Y RESISTENCIA

Z = R + XL 2

I=

Vef Z

2

El circuito de la figura está formado por una resistencia en serie con una autoinducción. El conjunto de la resistencia total, entendida como la oposición total al paso de la corriente, será la suma de la oposición de la resistencia R y la oposición de la bobina, (reactancia inductiva). A la suma de ambas se le llama IMPEDANCIA y se representa por la letra Z.

VR = R.I

VL = X L .I

La IMPEDANCIA de mide en ohmios.

CIRCUITO CON CAPACIDAD Y RESISTENCIA

Z = R + XC 2

I=

Vef Z

2

VR = R.I

El circuito de la figura está formado por una resistencia en serie con una capacidad. El conjunto de la resistencia total, entendida como la oposición total al paso de la corriente, será la suma de la oposición de la resistencia R y la oposición de la bobina, (reactancia capacitiva). A la suma de ambas se le llama IMPEDANCIA y se representa por la letra Z.

VC = X C .I

La IMPEDANCIA de mide en ohmios.

CIRCUITO CON R, L y C

El circuito de la figura contiene los tres elementos pasivos: resistencia, bobina y condensador. El valor de la reactancia será, en este caso, la diferencia entre la inductiva y la capacitiva: XT= XL – XC

Z = R + (X L − X C ) 2

Ángulo de desfase

2

I=

Vef Z

X L − XC ϕ = arctg R

VR = R.I VL = X L .I VC = X C .I

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA Supongamos un circuito de ca donde la corriente y la tensión aplicada se encuentran desfasadas. La potencia, igual que en corriente continua, será el producto de la tensión por la corriente, pero en este caso, debido al comportamiento de los diferentes elementos pasivos, aparecen tres valores de potencia distintos: activa, reactiva y aparente. Potencia activa:

Pa = V .I . cos ϕ

Potencia reactiva:

Pr = V .I .senϕ

Potencia aparente:

P = V .I

vatios VAr VA

En todas las expresiones V e I son los valores eficaces de la tensión y la corriente y φ (fi) el ángulo de desfase entre ambas magnitudes.

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA La relación entre la potencia activa y la potencia aparente, se conoce como factor de potencia y se representa por cos φ

Pa cos ϕ = P

Es aconsejable que en una instalación eléctrica, el factor de potencia sea alto y algunas empresas de servicio energético exigen valores de 0,8 y más. Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de carácter reactivo a causa de la presencia principalmente de equipos de refrigeración, motores, etc. Este carácter reactivo obliga que junto al consumo de potencia activa (KW) se sume el de una potencia reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinan el comportamiento operacional de dichos equipos y motores. 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.

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA ¿Por qué existe un bajo factor de potencia? La potencia reactiva no produce un trabajo físico directo en los equipos, pero 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, lo cual produce una disminución exagerada 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. •Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, 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. Cargas puramente resistivas, tales como alumbrado incandescente, resistencias de calentamiento, etc. no causan este tipo de problema ya que no necesitan la corriente reactiva.

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA

¿Por qué resulta dañino y caro mantener un bajo factor de Potencia? El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes: Al usuario: •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 sus facturas por consumo de electricidad.

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA ¿Por qué resulta dañino y caro mantener un bajo factor de Potencia? El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes: 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.

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA ¿Cómo podemos mejorar el Factor de Potencia? 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). A continuación se tratará de explicar de una manera sencilla y sin complicadas ecuaciones ni términos, el principio de cómo se mejora el factor de potencia: El consumo de KW y KVAR (KVA) en una industria se mantienen inalterables antes y después de la compensación reactiva (instalación de los condensadores), la diferencia estriba en que al principio los KVAR que esa planta estaba requiriendo, debían ser producidos, transportados y entregados por la empresa de distribución de energía eléctrica, lo cual como se ha mencionado anteriormente, le produce consecuencias negativas .

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA Pero esta potencia reactiva puede ser generada y entregada de forma económica, por cada una de las industrias que lo requieran, a través de los bancos de condensadores y/o motores sincrónicos, evitando a la empresa de distribución de energía eléctrica, el generarla transportarla y distribuirla por sus redes. Por eso las empresa distribuidoras suelen bonificar la compensación de energía reactiva, resultando un incentivo para los usuarios.

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA ¿ Cómo determinar la cantidad de condensadores necesarios? • Midiendo la energía activa y reactiva que consumen las instalaciones existentes, se puede calcular la potencia necesaria (KVAR) que deben tener los condensadores para lograr la compensación deseada. Sin embargo, es recomendable la instalación de registradores de potencia durante el tiempo necesario para cubrir (medir) por lo menos un ciclo completo de operación de la industria, incluyendo sus períodos de descanso. Por lo general se recomienda realizar registros trifásicos donde se monitoree para cada fase y para el total de la planta: Potencia Activa (KW) y Reactiva (KVAR), Voltaje y Energía (KWH). Los valores de corriente, potencia aparente (KVA) y factor de potencia (FP) se calculan a partir de las lecturas anteriores, sin embargo, si el registrador dispone de la suficiente capacidad podrán se leídos también. • De esta forma se podrá obtener una curva de carga completa la cual mostrará la máxima capacidad posible de instalar sin el riesgo de caer en sobrecompensación reactiva. También es importante, registrar con las mediciones, el grado de distorsión armónica existente; con el objeto de evitar la posibilidad de resonancia entre estos y los bancos de condensadores a instalar .

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA En la actualidad, en lugar de usar baterías de condensadores fijas, se utilizan compensadores microprocesados que insertan los condensadores cuando aumenta la reactiva y los desconectan cuando disminuye. De esta forma de consigue mantener un factor de potencia muy alto en cualquier condición de trabajo, sin penalizaciones por sobrecompensación.

Conclusiones 1. El factor de potencia se puede definir como la relación que existe entre la potencia activa (KW) y la potencia aparente (KVA) y es indicativo de la eficiencia con que se está utilizando la energía eléctrica para producir un trabajo útil. 2. El origen del bajo factor de potencia son las cargas de naturaleza inductiva, entre las que destacan los motores de inducción, los cuales pueden agravarlo si no se operan en las condiciones para las que fueron diseñados. 3. El bajo factor de potencia es causa de recargos en la cuenta de energía eléctrica, los cuales llegan a ser significativos cuando el factor de potencia es reducido. 4. Un bajo factor de potencia limita la capacidad de los equipos con el riesgo de incurrir en sobrecargas peligrosas y pérdidas excesivas con un dispendio de energía. 5. El primer paso en la corrección del factor es el prevenirlo mediante la selección y operación correcta de los equipos. Por ejemplo, adecuando la carga de los motores a su valor nominal. 6. Los condensadores de potencia son la forma más práctica y económica para mejorar el factor de potencia, sobre todo en instalaciones existentes. 7. El costo de los condensadores se recupera rápidamente, tan sólo por los ahorros que se tienen al evitar los recargos por bajo factor de potencia en el recibo de energía eléctrica. 8. Cuanto más cerca se conecten los condensadores de la carga que van a compensar, mayores son los beneficios que se obtienen. 9. Cuando las variaciones de la carga son significativas, es recomendable el empleo de bancos de condensadores automáticos. 10. La corrección del factor de potencia puede ser un problema complejo. Recurrir a especialistas es conveniente, si no se cuenta con los elementos necesarios para resolverlo.

TABLA CON COS φ DE ALGUNOS CONSUMIDORES

EJEMPLO DE BATERÍA DE CONDENSADORES CON REGULACIÓN AUTOMÁTICA