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Un enfoque diferente para entender el Factor de Potencia (1/3)

Escrito por: Joe Evans, Ph.D. (Pump Tech Inc., P&S Editorial Advisory Board)

Publicado: 1 Semptiembre, 2014

 

El Factor de Potencia (PF por sus siglas en inglés) es un importante componente del circuito de corriente alterna (AC por sus siglas en inglés), pero entender su efecto concreto puede ser difícil. ¿Por qué el PF se nos es tan misterioso? Se relaciona con la manera en la que se lo explica

El Factor de Potencia es comúnmente definido como la relación de la potencia de carga real a la potencia aparente en el circuito. La potencia real es la potencia consumida por el circuito, y la potencia aparente es la suma de la potencia real y la potencia reactiva. La potencia de reacción es con frecuencia llamada imaginaria, fantasma o potencia prestada. La potencia real es medida en watts, y la potencia reactiva es medida en voltios-amperes.

 

¿No es un watt un voltio-amper? Tal vez no, si esos amperes son imaginarios. Otra explicación usa un vector triangulo para mostrar la relación del poder real, reactivo y total. Esto puede ser útil para algunos, pero confusos para otros. Mas simplemente, el factor de potencia se puede definir como el coseno del ángulo de fase entre el voltaje y la potencia aparente.

Cuando presenté mi seminario “AC Power and Motors” (“Energía de Corriente Alterna y Motores” en inglés) a fines de los 90, use parte de la información ya mencionada para explicar el factor de potencia. El resultado fue que parte de la audiencia logro entender, pero la mayoría no pudo hacerlo. En el 2007, cambie la manera en que presentaba el tema. Hoy, la mayoría puede decir que lo entiende, pero una pequeña minoría todavía no lo logra.

A pesar de que los resultados no fueron perfectos, son mejores de lo que solían serlo. Usaré mi abordaje actual en esta columna. Aunque varios dispositivos inductivos contribuyen al Factor de Potencia (PF), esta columna trataré la Corriente Alterna (AC) de motores. Mas que la potencia, el foco estará en el aumento y caída del voltaje y la corriente durante el ciclo de Corriente Alterna. Estas ilustraciones pertenecen a mi actual seminario de potencia de Corriente Alterna y motores.

¿Qué es el Factor de Potencia?

El Factor de Potencia (PF) indica cuan efectivamente un motor de Corriente Alterna (AC) usa corriente para desempeñar trabajo (torque) y rangos desde 0 a 100 (0 a 1). Por ejemplo, asuma que un motor monofásico de 230-volt y 1-caballo de fuerza es 100 porciento eficiente. Si el factor de potencia del motor es 100 (1), lo cual es imposible, la unidad tendría que suministrar solo 3.24 amperes (746 watts) para que el motor funcione a carga completa. Tomando un factor de potencia más realista de 75 (0.75), la unidad tendría que suministrar 4.32 amperes (994 watts).

A pesar de que el amperaje adicional no es consumido por el motor, la utilidad todavía debe proveerla o el motor no podría funcionar a carga completa. El funcionamiento exitoso del motor es un “cuento de dos corrientes”, dos tipos de corriente son requeridos: la corriente de carga, la que realiza el trabajo; y la corriente de magnetización, la que inicia un campo magnético en el estator.

Charles Dickens pudo haberlo resumido en esto: “fue la mejor de las corrientes, fue la peor de las corrientes.”

El motor usa corriente de carga para trabajar. La corriente de carga incrementa o disminuye basándose en la carga actual del motor. Nunca es cero, incluso cuando esta desconectada de la carga, debido a la fricción y el efecto del viento asociado con el motor y el rodamiento.

La figura 1 muestra un ciclo de Corriente Alterna completa (360 grados). La curva azul es el voltaje, y las otras tres curvas son las corrientes de carga en diferentes cargas de motor. La corriente en todas las cargas aumenta y cae en sincronía (en fase) con el voltaje y alcanza picos a los 90 y 270 grados. En cualquier punto durante el ciclo, la potencia en watts es igual al producto de voltios y amperes porque es una verdadera carga resistiva.

Voltaje y Corriente de Carga de Motor

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 Figura 1 Corriente de carga versus voltaje (grafico cortesía del autor)

 

Incluso durante la porción negativa del ciclo, el producto de un voltio negativo (V) y un amper negativo (A) produce un watt positivo (W). A la potencia de carga (W = VA) se la llama a menudo “potencia real” y es medida por el medidor killowatt-hora (kWh) de la empresa de servicios públicos.

 

La corriente requerida para iniciar un campo magnético en el estator se comporta de manera diferente. No fluye en sincronía con el voltaje. La figura 2 muestra el voltaje y la corriente de magnetización durante un ciclo completo. La corriente retarda el voltaje en 90 grados y tiene picos de 180 y 360 grados.

 

Voltaje y Corriente Magnética

 

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Figura 2. Corriente de Magnetización versus voltaje.

 

La corriente de magnetización no usa energía para construir un campo magnético debido a que es devuelta al circuito cuando el campo se desintegra. La cantidad requerida depende en el diseño del motor, pero a diferencia de la corriente de carga, se mantiene relativamente constante a pesar de la carga de motor. La corriente de magnetización es a menudo llamada reactiva, imaginaria o potencia prestada. Un medidor kWh estándar no mide esta corriente debido a que no está en fase con el voltaje. La siguiente sección explicara como la combinación de corriente de carga variante y la corriente de magnetización constante causa que el Factor de Potencia varíe del valor de su placa.

 

¿Cómo se calcula el Factor de Potencia?

 

La figura 1 y 2 ilustran como las corrientes de carga y magnetización subían y bajaban durante un ciclo de Corriente Alterna. La corriente de carga estaba en fase con el voltaje, pero la corriente de magnetización retrasaba el voltaje en 90 grados. La figura 3 muestra el efecto de ambas durante un ciclo. La curva roja es la corriente de carga, y la verde es la corriente de magnetización. En este ejemplo, yo elijo mostrar ambas con la misma intensidad de corriente para mantener simples los resultados. En el caso de un motor completamente cargado, la corriente de carga será sustancialmente mayor que la corriente de magnetización.

 

Corriente de Voltaje, Carga, Magnetización y Total

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 Figura 3. Corriente Total versus voltaje.

 

La curva negra en la figura 3 es el total de la corriente- o la suma de la corriente de carga y magnetización en cualquier punto en el ciclo de Corriente Alterna. El producto del total de la corriente de raíz cuadrada media (RMS por sus siglas en ingles) y el voltaje es a menudo llamado potencia aparente. En este ejemplo, la corriente total llega a un máximo de 135 grados, o a exactamente la mitad entre los picos de carga y magnetización. Esto la coloca a 45 grados a la derecha del voltaje y de los picos de la corriente de carga.

 

El ángulo de fase entre la corriente total y el voltaje es de 45  grados, y el coseno de este ángulo es el Factor de Potencia. Por lo que, el Factor de Potencia es igual a coseno 45 = 0.707 (o 70.7). El Factor de Potencia es simplemente el porcentaje de la corriente total que realmente realiza el trabajo. Desde una perspectiva de potencia, es el porcentaje de la potencia aparente (kVA) que realiza el trabajo. El factor de potencia es la proporción de la potencia de carga a la potencia aparente (PF = kw / kVA).

 

Si la placa de un motor muestra un amperaje de carga-completa (FLA) de 22 amperes y un factor de potencia de 70.7, solo 15.5 amperes son consumidos por el motor. El resto construye el campo magnético en el estator y es devuelta al circuito cuando el campo se desintegra.

 

En mi columna de Octubre, discutiré los efectos más importantes del factor de potencia bajo y como esto puede ser mejorado por reactancia capacitiva.

 

Biografía del Autor:

 

Joe Evans es responsable por la educación del cliente y el empleado en PumpTech Inc., un sistema de manufactura y empaquetad de bombas y distribuidor con sucursales a través del noreste del Pacifico. Es posible la comunicación con él a través de su sitio web www.PumpEd101.com. Si hay temas que usted quisiera que se trataran en futuras columnas, déjele un email.