CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA CON ELEMENTOS PASIVOS

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