El factor de potencia es un parámetro eléctrico al cual están sujetos todos los elementos de un sistema eléctrico en corriente alterna. Por definición, el factor de potencia es la razón de potencia activa (o energía activa) a potencia aparente (o energía aparente) alimentada o demandada. La razón de potencias o energías se define por la siguiente ecuación:

El factor de potencia tiene un rango desde 0% a 100% y se acompaña de la designación “inductivo o atrasado” o “capacitivo o adelantado”.

¿Por qué los suministradores incentivan a que los Centros de Carga tengan un buen factor de potencia?

• Se reducen pérdidas de potencia en la transformación, transmisión y distribución de la energía eléctrica
• Es posible dimensionar equipo eléctrico de transformación, transmisión y distribución a menor capacidad
• Se mejora la regulación del voltaje en el sistema eléctrico

Los incentivos que el suministrador de servicios básicos ofrece a Centros de Carga son económicos (a través de las tarifas reguladas). Además, en México, mantener un factor de potencia en cierto rango es ya un requerimiento técnico para Centros de Carga en alta tensión, de acuerdo con el Código de Red, con observancia obligatoria a partir de abril de 2019. Los beneficios de mantener un factor de potencia cercano al 100% para el Centro de Carga se indican en la siguiente figura.

En sistemas eléctricos de corriente alterna, como consecuencia de la naturaleza de la inductancia y capacitancia inherente de los equipos eléctricos, aparecen tres parámetros de potencia eléctrica:

• Potencia real, kW: potencia eléctrica que se convierte en trabajo útil en la máquina de uso final
• Potencia reactiva, kVAr: potencia eléctrica que oscila como energía en campos magnéticos y eléctricos en los elementos inductivos y capacitivos de los equipos eléctricos
• Potencia aparente, kVA: medida que determina el tamaño o capacidad de en equipos eléctricos

La relación entre las tres potencias se ilustra en el triángulo de potencia, indicado a continuación.

La gran mayoría de los equipos eléctricos en los centros de carga, además de demandar potencia real (kW), demandan potencia reactiva (kVAr), necesaria para su operación. Por ejemplo, los motores eléctricos de inducción requieren de potencia reactiva para la creación de un campo magnético en su entrehierro, sin el cual, el motor no rotaría. Otros ejemplos de equipos eléctricos que demandan potencia reactiva son: lámparas fluorescentes, convertidores electrónicos, hornos eléctricos y transformadores.

Lograr un buen FP no significa evitar que los equipos eléctricos demanden potencia reactiva, sino, evitar que los kVAr provengan de la red eléctrica del suministrador.

El factor de potencia cercano a 100% (observe el triángulo de potencia) se logra acercando los kVAr a cero, es decir, que la razón de kW a kVA sea cercana a la unidad. Lograrlo no significa evitar que los equipos eléctricos demanden potencia reactiva, sino, evitar que dichos kVAr provengan de la red eléctrica del suministrador, de manera que tendremos que generarlos en nuestra propia instalación. Ahora necesitamos conocer de qué manera podemos generarlos localmente.

Los capacitores son dispositivos eléctricos que generan potencia reactiva en un circuito eléctrico de corriente alterna. Si instalamos de manera estratégica los capacitores en nuestra instalación, generaremos localmente la potencia reactiva demandada por las cargas inductivas, mejorando el factor de potencia (visto por el suministrador) y aprovechando incentivos económicos y técnicos.

La técnica de corrección de factor de potencia tiene consideraciones técnico-económicas adicionales a simplemente determinar el tamaño del capacitor que debe instalarse. Aquí listamos las cuatro más importantes:

• Ubicación y nivel de tensión óptimos para el equipo de corrección de fp.
• Selección de equipo de corrección de fp fijo o automático y su aplicación para cumplimiento de Código de red
• Uso de filtros de armónicas en vez de solamente capacitores, para evitar problemas de amplificación de distorsión armónica de corriente presente en las instalaciones comerciales e industriales actuales.
• Aplicaciones especiales como corrección de caída de tensión por arranque de motores y/o debilitamiento de la potencia de corto circuito.

Ubicación y nivel de tensión para la corrección de fp

Los Centros de Carga normalmente cuentan con dos alternativas con respecto a la ubicación del equipo de corrección de factor de potencia: media tensión (1≤kV<69) y baja tensión (kV<1). La primera alternativa típicamente contempla un solo equipo de corrección de fp que cubra las necesidades de la instalación en su totalidad. A partir de una capacidad de 800kVAr y mayor, es económicamente atractivo considerar esta alternativa. Existen ciertas ventajas y desventajas de la corrección de fp en media tensión:

Ventajas:	Desventajas:
Más económico en capacidades de 800kVAr y mayoresAl ser un equipo centralizado, su mantenimiento es más sencillo (en caso de que cuente con desconectadores bajo carga)Instalado en ubicación ajena al área productiva	El control automático es más complicado y costoso si la demanda eléctrica del sitio varía considerablementeLos parámetros eléctricos son difíciles de monitorearNo se obtiene liberación de capacidad ni disminución de pérdidas I2RSi el equipo falla, el fp global del sitio se ve comprometido

La corrección de factor de potencia en baja tensión simplifica el control automático de potencia reactiva cuando la demanda eléctrica del sitio varía. Como resultado, se convierte en la mejor alternativa para cubrir el requerimiento de cumplimiento de fp de acuerdo con el Código de Red.

La corrección de fp en baja tensión es la mejor alternativa para cubrir el requerimiento de cumplimiento de fp de acuerdo con el Código de Red para Centros de Carga cuya demanda eléctrica varía.

Adicionalmente, cuando se corrige el fp en baja tensión, se libera capacidad del (de los) transformador, y elementos eléctricos aguas arriba del punto de corrección. En principio, mientras la corrección de fp sea lo más cercano posible a las cargas eléctricas que demandan la potencia reactiva, mayor será este beneficio. A estos beneficios se antepone el aumento en costo por el número de los equipos necesarios y el reto de su mantenimiento; de acuerdo con la experiencia de NRGY Solutions, el punto óptimo para la corrección de fp es en los tableros principales o secundarios (dependiendo el tamaño de la instalación) de baja tensión.

Se listan ventajas y desventajas de esta alternativa:

Ventajas:

Desventajas:

Es posible lograr un control óptimo de la potencia reactiva ante variaciones de la demanda eléctricaLos parámetros eléctricos son sencillos de monitorearMejora la confiabilidad, al no ser un equipo centralizadoInstalado en ubicación ajena al área productiva, si se hace en subestacionesLiberación de capacidad en equipo eléctrico aguas arriba del punto de correcciónDisminución de pérdidas I2R en equipos eléctricos aguas arriba del punto de corrección

Típicamente más costoso que la alternativa en media tensión, en $/kVArLos parámetros eléctricos son difíciles de monitorearAl no ser un equipo centralizado, lo cual hace el mantenimiento más complejoNo se obtiene liberación de capacidad ni disminución de pérdidas I2R

Selección de equipo de corrección de fp fijo o automático y su aplicación para cumplimiento de Código de red

Mantener un fp cercano al 100% en todo momento en cargas cuya demanda eléctrica varía, como en el perfil de potencia de la figura siguiente, solamente es posible mediante equipos de corrección de factor de potencia automáticos. Dichos equipos incluyen un sistema de control de lazo cerrado en donde se conectan y desconectan ramales de kVAr automáticamente de acuerdo con la demanda de potencia reactiva de la carga a la cual se le corrige el fp.

Tanto el controlador como el tipo de contactor de los ramales de kVAr define la rapidez con la cual los ramales pueden ser conectados y desconectados. Existen dos tipos de contactores para ramales de equipos de corrección de factor de potencia:

• Contactores de actuación electromecánica: Pueden conectar y desconectar ramales en periodos de minutos. Se utilizan en aplicaciones industriales y comerciales tradicionales, que no exigen control rápido.
• Contactores de estado sólido: Son dispositivos semiconductores de potencia, que carecen de partes móviles mecánicas. Sirven para aplicaciones que exigen tiempos de respuesta de hasta menos de un ciclo de 60Hz, por ejemplo, hornos eléctricos de inducción y en aplicaciones que exigen la aportación de reactivos para la regulación del voltaje.

Cada aplicación para la cual se desee corregir el factor de potencia debe ser evaluada de manera ingenieril para determinar qué tipo de contactor es el más adecuado.

Cada aplicación para la cual se desee corregir el factor de potencia debe ser evaluada de manera ingenieril para determinar qué tipo de contactor es el más adecuado.

El Código de Red indica que los Centros de Carga en alta tensión deberán mantener su fp entre 95% inductivo y 100% al menos el 95% del mes. En Centros de Carga cuya demanda eléctrica varía en un rango de tiempo, el cumplimiento de este requerimiento depende del control automático de seguimiento de demanda eléctrica de potencia reactiva. Veamos la siguiente figura, el perfil de demanda eléctrica de kW y kVAr en el punto de conexión de un Centro de carga en alta tensión que muestra gran variabilidad.

El perfil de fp en el punto de conexión de dicho Centro de carga se muestra en la siguiente figura. Observe que el fp es inductivo en periodos de alta demanda de potencia real y capacitivo en ciertos momentos, en periodos de baja demanda.

El perfil de fp de la figura anterior no cumple con el requerimiento establecido en el Código de Red para el factor de potencia. Este incumplimiento es evidente en la siguiente figura, que muestra que el fp se encuentra entre 95% atrasado y 100% solamente el 37.6% del tiempo de medición, muy por debajo del rango de tiempo mínimo establecido de 95%.

Con propósito de cumplimiento de requerimiento de fp de acuerdo con Código de Red, el Centro de Carga requiere de corrección de factor de potencia con equipos de corrección automáticos en baja tensión, dimensionados a la medida junto con un control maestro que orqueste su operación de acuerdo con la necesidad global de potencia reactiva. Dicho control automático ha sido desarrollado por NRGY Solutions con el nombre de FPGlobal^®.

Nuestra aplicación FPGlobal® permite la coordinación óptima en múltiples equipos de corrección de fp para el cumplimiento de un set-point definido por el usuario en el punto de conexión.

FPGlobal^®, desarrollada por NRGY Solutions, es una aplicación digital de control automático de equipos automáticos de corrección de factor de potencia para lograr el requerimiento del Código de Red o cualquier otra meta definida para el Centro de carga en el punto de conexión. La arquitectura general de la herramienta FPGlobal^® está indicada en la siguiente figura.

Comparemos el caso del Centro de carga anterior, con el siguiente, perteneciente a un Centro de carga al que se le corrigió el factor de potencia con el propósito de cumplimiento con el Código de Red con equipos de corrección de factor de potencia NRGY Solutions utilizando la aplicación FPGlobal^®. El resultado es cumplimiento del requerimiento de fp de acuerdo con el Código de Red. A continuación, se muestra el perfil de demanda eléctrica en el punto de conexión.

El perfil de factor de potencia medido en el punto de conexión se muestra en la siguiente figura. Observe que el fp es se encuentra siempre dentro del rango de 95% inductivo y 100%, salvo por tres periodos cinco-minutales en que el fp se volvió ligeramente capacitivo, en periodo de baja demanda eléctrica, situación controlada por la aplicación FPGlobal^®.

El perfil de fp de la figura anterior cumple con el requerimiento establecido en el Código de Red para el factor de potencia. El cumplimiento es evidente en la siguiente figura, que muestra que el fp se encuentra entre 95% atrasado y 100% el 99.8% del tiempo de medición. El cumplimiento del requerimiento de fp del cliente se logró gracias a la solución hecha a la medida en equipos automáticos de corrección de factor de potencia en baja tensión y a su operación orquestada por la aplicación FPGlobal^® de NRGY Solutions.

La coordinación de múltiples equipos de corrección de factor de potencia para lograr un set-point en el punto de conexión es posible mediante el dimensionamiento correcto de la capacidad de dichos equipos y la aplicación de un control maestro tal como la herramienta FPGlobal^® desarrollada por NRGY Solutions.

Corrección de fp en presencia de armónicas

Es común que en industria y comercio existan convertidores electrónicos cuya corriente se aleje de una onda sinusoidal. Se dice que dicha corriente contiene distorsión armónica. Es común que dicha distorsión armónica esté en el orden de frecuencia de 180, 300, 420, 660, 780Hz y más altas frecuencias en menor medida. Estas corrientes a mayor frecuencia que la de 60Hz presentes en el sistema eléctrico pueden, bajo cierta condición, distorsionar el voltaje en el transformador principal que alimenta al sitio y acortar la vida de equipos de corrección de fp. A dicha condición se le conoce como amplificación de corrientes armónicas por resonancia paralela.

Todo circuito eléctrico tiene una frecuencia de resonancia, en la cual, la reactancia inductiva iguala a la reactancia capacitiva. En sistemas que no tienen capacitores para la corrección de factor de potencia, la frecuencia de resonancia está en el orden de los kHz, sin embargo, en sistemas que tienen capacitores para la corrección del fp, la frecuencia de resonancia puede acercarse o coincidir con alguna corriente armónica, lo cual puede causar problemas en el voltaje general del transformador.

En su operación para la corrección de fp, los filtros de armónicas pasivos son equivalentes a los capacitores, con la ventaja adicional de evitar problemas relacionados con resonancia y distorsión armónica, por ende, son recomendados ampliamente en entornos industriales.

Cuando existen problemas de distorsión armónica y/o bajo factor de potencia, los capacitores para corregir factor de potencia pueden empeorarlos, de manera tal que se debe utilizar otro tipo de solución, tal como:

• Filtros de armónicas pasivos
• Filtros de armónicas activos

El filtro de armónicas pasivo es un conjunto de reactor eléctrico en serie con el capacitor. Las especificaciones de dichos componentes son elegidas estratégicamente para ofrecer un camino de baja impedancia a los órdenes armónicos de corriente presentes en el sistema eléctrico para las cuales han sido sintonizados. En su operación para la corrección de factor de potencia, los filtros de armónicas pasivos son equivalentes a los capacitores, con la ventaja adicional de evitar problemas relacionados con resonancia y distorsión armónica, por ende, son recomendados ampliamente en entornos industriales. La imagen siguiente muestra un filtro de armónicas fabricado por NRGY Solutions instalado en un sitio industrial.

El filtro de armónicas activo opera inyectando corriente armónica que cancela a aquella inyectada por la carga no lineal (ej. convertidor electrónico). Este tipo de equipo tiene un sistema de control de lazo cerrado que monitorea la distorsión armónica de corriente de la carga e inyecta una corriente con una forma de onda tal que, superpuesta con la forma de onda distorsionada, construye una onda sinusoidal cercana a una sinusoide en 60Hz. Este equipo tiene capacidad de operar en dos modalidades: cancelación de corrientes armónicas y corrección de factor de potencia de desplazamiento con opción de balanceo de corriente de secuencia negativa.

El filtro de armónicas activo es más costoso que el filtro de armónicas pasivo y su uso es recomendado en situaciones especiales, por ejemplo, para la corrección de desbalance de corriente de secuencia negativa.

Soluciones de factor de potencia NRGY Solutions

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NRGY Solutions
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Monterrey, NL