MAQUINAS ELECTRICAS

Factor de Potencia

El conjunto de todos los elementos eléctricos que intervienen directamente en los procesos de generación, transformación, transmisión y distribución de la energía eléctrica forma un todo único de operación conjunta, de aquí se deriva que casi toda la electricidad que consumimos en las industrias, fábricas, hogares todos son elementos que pueden considerarse equipos consumidores de energía eléctrica.
Estos usuarios deben de considerar la importancia del Factor de Potencia de su consumo.

¿Qué es el factor de potencia?
Es un indicador cualitativo y cuantitativo del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica.
También podemos decir, el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.

En las instalaciones industriales siempre se va a tener carácter inductivo, se necesitan las inductancias para el funcionamiento de las maquinas Eléctricas tales como motores, transformadores...
• Por tanto, parte de la corriente que circula por los circuitos es necesitada por esasinductancias para generar los campos magnéticos pero no produce trabajo útil.
• El factor de potencia es el coseno del ángulo que forman la tensión simple y la corriente de línea total del circuito.
• Es empleado como medida del aprovechamiento de la instalación eléctrica.
• A menor coseno mayor ángulo y mayor carácter inductivo y por tanto mayor corriente en nuestra instalación que no produce trabajo útil.
• Nuestro objetivo es compensar el carácter inductivo de la instalación, que dentro de la instalación se siga consumiendo energía reactiva inductiva, pero que desde la línea de suministro de energía eléctrica la carga en su conjunto se vea como una carga resistiva, para conseguirlo introduciremos una carga capacitiva en la instalación, de forma que no se introduzca nueva potencia activa pero que se vea compensada la potencia reactiva.

La potencia se puede definir como la capacidad para efectuar un trabajo, en otras palabras, como la razón de transformación, variación o transferencia de energía por unidad de tiempo.

Existen tres tipos de potencia

Potencia Activa

Los diferentes dispositivos eléctricos convierten energía eléctrica en otras formas de energía como: mecánica, lumínica, térmica, química, entre otras.
Esta energía corresponde a la energía útil o potencia activa o simplemente
potencia, similar a la consumida por una resistencia. Expresada en watts.

Potencia Reactiva

Los motores, transformadores y en general todos los dispositivos eléctricos que hacen uso del efecto de un campo electromagnético, requieren potencia activa para efectuar un trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es utilizada para la generación del campo magnético, almacenaje de campo eléctrico que en sí, no produce ningún trabajo.
La potencia reactiva esta 90 ° desfasada de la potencia activa. Esta potencia es expresada en volts-amperes reactivos. (VAR)

Potencia Aparente

S = I * V

Es la que resulta de considerar la tensión aplicada al consumo de la corriente que éste demanda.
Es también la resultante de la suma de los vectores de la potencia activa y la potencia reactiva.
Esta potencia es expresada en volts-amperes ( VA )

El factor de potencia se define como el cociente de la relación de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es:

FP = P/S

Comúnmente, el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.

El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo.

Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil.

La potencia activa o real es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo.

Unidades: Watts (W)


Símbolo: P

La potencia reactiva es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos como los motores y transformadores.

Unidades: VAR


Símbolo: Q

La potencia aparente es la suma geométrica de las potencias efectiva y reactiva; es decir:


Unidades: VA

Símbolo: S

TRIÁNGULO DE POTENCIAS

de la figura vemos

P/S = cos f

por lo tanto

FP = cos f

En electrotecnia, el ángulo f nos indica si las señales de voltaje y corriente se encuentran en fase.
Dependiendo del tipo de carga, el factor de potencia (FP = cos f) puede ser:
adelantado
retrasado
igual a 1.

En las cargas resistivas como las lámparas incandescentes, el voltaje y la corriente están enfase.


Por lo tanto, f = 1

En este caso, se tiene un factor de potencia unitario.

En las cargas inductivas como los motores y transformadores, la corriente se encuentra retrasada respecto al voltaje.


Por lo tanto, f < 1

En este caso se tiene un factor de potencia retrasado.

En las cargas capacitivas como los condensadores, la corriente se encuentra
adelantada respecto al voltaje.


• Por lo tanto, f > 1


• En este caso se tiene un factor de potencia adelantado.

Si deseas conocer más sobre el factor de potencia descarga aquí el PDF

Factor de diversidad o de grupo (Fdiv)

Se define como la relación entre las sumas de las demandas máximas individuales yla demanda máxima de todo el grupo. Puede referirse a dos o más cargasseparadas, o puede incluir todas las cargas de cualquier parte de un sistemaeléctrico o el sistema total.

El factor de diversidad se utiliza para determinar la demanda máxima que resulte dela combinación de un grupo de cargas individuales o de la combinación de dos omás grupos de éstos. Estas combinaciones puede representar un grupo de usuariosalimentados por un transformador, un grupo de transformadores conectados a unalimentador primario, un grupo de alimentadores conectados a una subestación, etc.

Mientras que el factor de demanda indica la simultaneidad en el uso de los equiposinstalados por el usuario, el factor de diversidad permite juzgar el hecho de que tancoincidentes en el tiempo son las demandas máximas individuales y aprovechar ladiversidad para hacer más económicos los diseños y construcciones de los sistemasde distribución puesto que se ajustan a la realidad. Los factores de diversidad sondiferentes para las distintas regiones del país, pues dependen del clima, de lascostumbres, del grado de industrialización de la zona y de las diferentes clases deconsumo.

Las siguientes curvas de carga se utilizan para mostrar el cálculo del factor dediversidad, estas curvas simulan comportamientos residenciales de los estratos 1 y2. (Observar la Figura 11)

Demanda no coincidente = 70 kVA + 60 kVA + 80 kVA = 210 kVA

Demanda máxima diversificada del grupo = 160 kVA

Fdiv = (70 + 60 + 80) kVA / 160 kVA

Fdiv = 0,50

El factor de diversidad puede ser igual o mayor que la unidad: es igual a 1 cuandotodas las demandas máximas individuales ocurran simultáneamente o soncoincidentes.

DEMANDA Y FACTOR DE DEMANDA

La demanda de una instalación o sistema de distribución es la carga en las terminales receptoras tomadas en un valor medio en determinado intervalo, con esta definición se entiende por carga la que se mide en términos de potencia (aparente, activa, reactiva o compleja) o de intensidad de corriente. El período durante el cual se toma el valor medio se denomina intervalo de demanda y es establecido por la aplicación especifica que se considere, la cual se puede determinar por la constante térmica de los aparatos o por la duración de la carga.

La carga puede ser instantánea, como cargas de soldadoras o corrientes de arranque de motores. Sin embargo los aparatos pueden tener una constante térmica en un tiempo determinado, de tal manera que los intervalos de demanda pueden ser de 15, 30, 60 o más minutos, dependiendo del equipo de que se trate, se puede afirmar entonces que al definir una demanda es requisito indispensable indicar el intervalo de demanda ya que sin esto el valor que se establezca no tendrá ningún sentido práctico.

Por ejemplo, si se requiere establecer el valor de demanda en amperes para la selección o ajuste de fusibles o interruptores se deben utilizar valores instantáneos de corriente de demanda, sin embargo, esta situación no se presenta en la mayoría de los equipos eléctricos, ya que su diseño en cuanto a capacidad de carga se basa en la elevación de temperatura que pueden alcanzar dentro de los márgenes de seguridad, y este cambio de temperatura no es instantáneo ni depende simplemente de la carga que se aplique sino también del tiempo.

Como ejemplos de lo anterior se pueden mencionar los cables y transformadores, que tienen una constante de tiempo térmico digno de tenerse en cuenta y por lo tanto poseen una capacidad de almacenamiento térmico y de sobrecarga considerable, por lo que las cargas varían entre picos comparativamente agudos y valles profundos.

Si la carga consiste principalmente de un motor de inducción el valor instantáneo de la corriente de arranque será cinco veces la corriente normal de plena carga y probablemente muchas veces mayor que la corriente que por lo regular tome el transformador que lo alimente: sin embargo, se sabe que durará un intervalo muy pequeño, usualmente menor que un segundo.

Dado que la capacidad de carga de un transformador se basa en la elevación de temperatura con carga continua, y esta última está determinada por energía calorífica que se puede medir en watt-hora o kilowatt-hora, los valores altos de corriente de corta duración no producirán elevaciones de temperatura considerables y consecuentemente será antieconómico determinar la capacidad del transformador que se requiere debido a estas altas corrientes de corta duración.

Como ya se mencionó los intervalos en los que usualmente se mide la demanda son de 15, 30 o 60 minutos, siendo los intervalos de 15 o 30 minutos los que se aplican por lo general para la facturación o determinación de capacidad de equipo.

La demanda promedio en cualquier período es igual al número de kilowatt-hora consumidos, divididos entre el número de horas en el período considerado.

Demanda máxima

Las cargas eléctricas por lo general se miden en amperes, kilowatts o kilovolt-amperes; para que un sistema de distribución o parte de éste se planee eficientemente se debe conocer la "Demanda Máxima" del mismo.

Como ya se ha mencionado, en general las cargas eléctricas rara vez son constantes durante un tiempo apreciable, o sea que fluctúan de manera continua, en una curva de carga de 24 horas de un transformador de distribución, la carga varía entre un máximo a las 19:30 horas y un mínimo a las 3:30 horas, aunque los valores cambien, este tipo de curva se repetirá constantemente, así se presentarán variaciones similares de máximo y mínimo en todas las partes del sistema de distribución, el valor más elevado se denomina pico o demanda máxima.

El valor de la demanda anual es el más utilizado para la planeación de la expansión del sistema de distribución, el término de demanda a menudo se usa en el sentido de máxima demanda para el período de se especifique, por supuesto es necesaria la determinación exacta de la máxima demanda de una carga individual cuando en la facturación del cliente se incluye el valor que tome la demanda máxima.

El conocimiento de la demanda máxima de un grupo de cargas y su efecto en el sistema de distribución es también de gran importancia, dado que la demanda máxima del grupo determinará la capacidad que requiera el mismo sistema, de igual modo, la demanda máxima combinada de un grupo pequeño de consumidores determinará la capacidad del transformador que se requiere; así las cargas que alimenta un grupo de transformadores dan por resultado una demanda máxima, la cual determina el calibre del conductor y la capacidad del interruptor o del regulador que formen parte de un alimentador primario.

La máxima demanda combinada de un grupo de alimentadores primarios determinará la capacidad de la subestación hasta llegar a determinar en forma consecuente la capacidad de generación necesaria para todo el sistema eléctrico de potencia.

Como se puede observar, en todos los casos la determinación de la demanda máxima es de vital importancia, y si no se pueden obtener medidas precisas de la demanda es necesario estimar su valor de la mejor manera posible para utilizar estos datos correctamente en el proceso de la planeación del sistema de distribución.

La "Carga Conectada", es la suma de los valores nominales de todas las cargas del consumidor que tienen posibilidad de estar en servicio al mismo tiempo para producir una demanda máxima. La carga conectada se puede referir tanto a una parte como al total del sistema de distribución y se puede expresar en watts, kilowatts, amperes, caballos de potencia, kilovolt-amperes, etc., dependiendo de las necesidades o requerimientos para su estudio.

La carga conectada representa la demanda de carga máxima posible. Si por ejemplo un consumidor tiene una carga conectada trabajando simultáneamente, la cual consiste en:

20 lámparas 100 watts.

30 lámparas 250 watts.

1 motor 80 Cp

carga total: 69.2 kW

expresada en kVA, la carga conectada en kW se deberá convertir dividiendo su valor entre el factor de potencia del sistema, siendo el factor de potencia de 0.9, se tiene:

carga conectada = 69.2 kW = 76.88 kVA

0.9

Factor de carga

Es la relación entre la demanda promedio en un intervalo dado y la demanda máxima que se observa en el mismo intervalo; basándose en lo anterior se puede expresar el concepto en forma matemática:

Fc = Dm = Dm x Dd = energía absorbida en el intervalo Dd

Dms Dm x Dd Dm x Dd

El pico de carga puede ser el máximo instantáneo o el máximo promedio en un intervalo (demanda máxima), en esta definición el pico de carga por lo regular se entiende como la mayor de todas las cargas promedio en un intervalo específico.

El promedio y las cargas máximas instantáneas se deben expresar en las mismas unidades para que el factor de carga sea adimensional, la definición del factor de carga debe ser específica en el establecimiento del intervalo de la demanda así como el período en que la demanda máxima y la carga promedio se apliquen.

Para una carga dada, excepto una en que el ciclo de carga este compuesto de ciclos idénticos, un período mayor dará un factor de carga más pequeño, dado que el consumo de energía se distribuye en un tiempo mayor, el factor de carga anual influido por las estaciones del año será considerablemente menor que el de un factor de carga diario o semanal, asimismo, el factor de carga semanal será menor que un factor de carga diario.

Por lo tanto, es importante observar que cuando se quieran comparar diversos factores de carga característicos esto se debe o puede hacer siempre y cuando los intervalos sean idénticos.

Una carga constante durante un período tendrá un factor de carga de 1.0 debido a que la carga promedio y el pico de carga son iguales, por lo general el factor de carga es mucho menor.

El factor de carga indica básicamente el grado en que el pico de carga se sostiene durante un período. Ciclos de carga de varias formas y diferentes picos de carga pueden tener factores de carga iguales, siendo el único requisito cuando la relación de los respectivos promedios a los picos de carga sean iguales.

En cuanto a los problemas concernientes de los sistemas de distribución, el factor de carga por sí solo no es usualmente tan importante como la curva de carga de la cual se deriva, la curva muestra las fluctuaciones de la carga de hora a hora o de día a día a través del período que se considere.

El factor de carga es un índice de la eficiencia del sistema o parte del sistema de distribución, siendo el 100% de factor de carga o el pico de carga constante de las 24 horas por día el máximo posible.

FACTOR DE DEMANDA

El factor de demanda en un intervalo d de un sistema de distribución o de una carga, es la relación entre su demanda máxima en el intervalo considerado y la carga total instalada. Obviamente el factor de demanda es un número adimensional; por tanto la demanda máxima y la carga instalada se deberán considerar en las mismas unidades, el factor de demanda generalmente es menor que 1 y será unitario cuando durante el intervalo d todas las cargas instaladas absorban sus potencias nominales.

Por lo tanto, el factor de demanda se expresa:

Fd = D ms

P ins

Donde:

Fd = Factor de demanda del sistema de distribución.

D ms = Demanda máxima del sistema de distribución en un intervalo ( d ).

P ins = Carga total instalada en el sistema de distribución.

A continuación se enlistan los factores de demanda reales de servicios industriales, comerciales y residenciales más comunes que se deben utilizar para el diseño de sistemas de distribución.

CARGAS DE SERVICIOS HABITACIONALES:

TIPOS DE SERVICIOS F. DE DEM.

* Asilos y casas de salud. 45 %

* Asociaciones civiles. 40 %

* Casas de huéspedes. 45 %

* Servicio de edificio residencial. 40 %

* Estacionamiento o pensiones. 40 %

* Hospicios y casas de cuna. 40 %

* Iglesias y templos. 45 %

* Servicio residencial sin aire

acondicionado 40 %

* Servicio residencial con aire

acondicionado 55 %

CARGAS COMERCIALES:

TIPOS DE SERVICIOS F. DE DEM.

* Tiendas y abarrotes. 65 %

* Agencias de publicidad. 40 %

* Alfombras y tapetes. 65 %

* Almacenes de ropa y bonetería 65 %

* Artículos fotográficos. 55 %

* Bancos. 50 %

* Baños públicos. 50 %

* Boticas, farmacias y droguerías. 50 %

* Cafeterías. 55 %

* Camiserías. 65 %

* Centros comerciales, tiendas de descuento. 65 %

* Colegios. 40 %

* Dependencias de gobierno. 50 %

* Embajadas, consulados. 40 %

* Gasolineras. 45 %

* Imprentas. 50 %

* Jugueterías. 55 %

* Papelerías. 50 %

* Mercados y bodegas. 50 %

* Molinos de nixtamal. 70 %

TIPOS DE SERVICIOS F. DE DEM.

* Panaderías. 40 %

* Peluquerías, salas de belleza. 40 %

* Restaurantes. 60 %

* Teatros y cines. 50 %

* Zapaterías. 60 %

EQUIPOS DE FUERZA:

TIPOS DE SERVICIOS F. DE DEM.

* Hornos de acero de inducción. 100 %

* Soldadoras de arco y resistencia. 60 %

* Motores para: bombas, compresores,

elevadores, máquinas, herramientas,

ventiladores. 60 %

* Motores para: operaciones semi continuas

en fábricas y plantas de proceso. 70 %

* Motores para: operaciones continuas tales

como fábricas textiles. 80 %