Capítulo I. La importancia del factor de potencia en las redes. eléctricas

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1 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas. Itroducció Las fuetes de alimetació o geeradores de voltaje so las ecargadas de sumiistrar eergía e las redes eléctricas. Estas so de suma importacia, ya que si o fucioa correctamete surge cierta iestabilidad e las cargas y los dispositivos electróicos. La geeració de voltaje por lo geeral es de corriete altera (CA), a partir de estas fuetes se puede obteer voltajes de corriete directa (CD) mediate u puete de diodos rectificadores. Posteriormete se puede utilizar covertidores CD CD co el objetivo de icremetar o dismiuir el voltaje de CD. U alterador automotriz es u geerador sicróico (geerador de CA), el cual covierte la potecia mecáica e potecia eléctrica CA trifásica [], dode los voltajes se ecuetra desfasados eléctricos etre si. La rectificació de señales eléctricas puede ser moofásica o trifásica, siedo la última de éstas la más eficiete, debido a que maeja potecias mayores y preseta iveles bajos de rizo e las formas de oda del lado de CD co respecto a la primera. Esto da como resultado la utilizació de u filtro más pequeño. E cualquier circuito rectificador, las corrietes de fuete preseta cierta distorsió, debido a que los diodos so dispositivos o lieales. Esto provoca la geeració de compoetes armóicos, los cuales so ideseables e cualquier red eléctrica. Estos puede ocasioar la distorsió del voltaje de

2 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas líea, además de causar cierta excitació de resoacias eléctricas lo cual produce sobre voltajes, así como causar el malfucioamieto de las cargas que se ecuetra coectadas e la misma red []. La calidad de coversió de CA a CD se mide por ciertos parámetros de redimieto. Detro de estos parámetros se ecuetra el factor de potecia (FP), el cual mide la relació de eergía utilizada por las cargas eléctricas y la eergía proporcioada por la fuete. El FP es ua cifra adimesioal y represeta que tato de la potecia etregada por la fuete es cosumida por las cargas eléctricas. U bajo FP idica que existe compoetes armóicos e las corrietes de líea. Ua forma de icremetar el FP es por medio de circuitos correctores de factor de potecia (CFP), de esta maera se puede mejorar la relació que hay etre la potecia absorbida por las cargas y la potecia etregada por la fuete. Ya que el alterador es ua fuete de CA trifásica, se requiere ua topología capaz de corregir el factor de potecia e las tres fases simultáeamete, esto quiere decir que las corrietes esté e fase co sus respectivos voltajes y o presete compoetes armóicas.. Potecia eléctrica e circuitos de CA La potecia eléctrica de u circuito se correspode co el producto de los valores de la tesió existete e sus extremos multiplicado por la itesidad de la corriete que lo recorre. E u circuito de CA existe tres tipos de potecia: activa (P), reactiva (Q) y aparete (S). La potecia activa es la úica trasformable e trabajo mecáico, lumíico calorífico, químico, etc. Esta potecia es la que realmete se cosume por las cargas, sus

3 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas uidades so watts (W). La potecia reactiva surge cuado existe cargas capacitivas o iductivas y se utiliza para formar campos eléctricos y magéticos respectivamete. Esta potecia o produce trabajo útil, por lo tato sus uidades so volt-amperes reactivos (VAR). La potecia aparete es la suma compleja de P y Q, esto es, es la suma de la eergía que disipa dicho circuito e cierto tiempo e forma de calor o trabajo y la eergía utilizada para la formació de los campos eléctricos y magéticos de sus compoetes [3]... El triagulo de potecias El triagulo de potecias idica la relació que existe etre las potecias de circuitos de CA. Figura. riagulo de potecias eléctricas Las relacioes se obtiee a partir del teorema de Pitágoras: S = P + Q P cos( ϕ ) = S Q si ( ϕ ) = S S = Vs Is (.) Dode Is y Vs so la corriete y voltaje eficaz (RMS) de la líea respectivamete. 3

4 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas.3 El factor de potecia La proporció que existe etre la potecia utilizada o activa y la potecia etregada por la fuete o aparete se le ombra factor de potecia. La potecia activa uca es mayor que la aparete, lo cual quiere decir que cuado estas so similares, el FP es aproximadamete, esto sigifica que las cargas so resistivas, o bie, existe capacitacias e iductacias compesado el FP etre si. Cuado S es mayor a P, surge la potecia reactiva, esto es ideseable ya que el FP dismiuye coforme aumeta Q debido a la reactacia de las cargas. ( ϕ ) P FP = = cos (.) S Otra maera de represetar el FP es mediate la proporció que existe etre la compoete fudametal y la distorsió armóica que preseta la corriete de líea. Co ayuda de (.) y (.), se obtiee la siguiete ecuació. Is ( ) cos ϕ FP = (.3) Is Dode Is es la compoete fudametal de corriete e la líea y ϕ es el águlo que idica que tato está desplazada Is co respecto al voltaje de etrada. La ecuació aterior idica que el FP dismiuye coforme aumeta las compoetes armóicas, esto geera cierta distorsió armóica e la corriete de líea. La corriete RMS de líea se puede expresar de la siguiete forma. + Is = Is Is h (.4) h= E u sistema trifásico, el factor de potecia tambié se obtiee de la siguiete forma: 4

5 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas FP P Vo 3 S = 3 = (.5) ( Vs Is ) Dode Io y Vo so las corriete y voltaje de salida del rectificador. El factor de 3 idica la presecia de las tres fases..3. Causas, beeficios y cosecuecias del factor de potecia Las pricipales causas de u factor de potecia bajo es debido a que existe cargas iductivas (motores eléctricos, trasformadores) y capacitivas. Estas cargas requiere de potecia reactiva para su correcto fucioamieto. Al aumetar eergía reactiva, aumeta la potecia aparete y el factor de potecia dismiuye. Io El pricipal beeficio de teer u bue factor de potecia e las redes eléctricas es que la mayoría de la potecia etregada es cosumida por las cargas, por lo tato es covertida e trabajo. De esta maera, las corrietes o so distorsioadas, por lo tato la cotamiació armóica e la red es míima. U factor de potecia bajo requiere más geeració de eergía, ya que parte de esta eergía está formada por potecia reactiva, por lo tato, los dispositivos ecargados de trasmitir eergía eléctrica como trasformadores tiee que ser más robustos. E muchos países, la empresa que se ecarga de la distribució de la eergía eléctrica cobra u impuesto a los usuarios si el factor de potecia o es mayor al 95% [4]. Otro beeficio de teer u bue FP es que o hay disipació de potecia e las redes de distribució de eergía, por lo tato o hay caídas de voltaje e la red i sobrecaletamieto de cargas eléctricas. 5

6 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas Ua de las pricipales cosecuecias de teer u factor de potecia bajo radica e la geeració de compoetes armóicas, provocado u malfucioamieto del equipo eléctrico coectado a la red, como es el caso de trasformadores, iterruptores y sistemas de telefoía. Además de esto, surge el sobrecaletamieto de cargas eléctricas, cortes de eergía y el sobrecaletamieto del odo eutral e las redes trifásicas. Otras cosecuecias so las fluctuacioes de voltaje, ruido eléctrico y perturbacioes eléctricas como trasitorios [5]. Figura. ipos de distorsioes de corriete de líea.3. Compoetes armóicas La distorsió e la corriete de etrada produce bajos iveles de factor de potecia, geerado ciertas compoetes armóicas de orde superior a la fudametal. Mediate aálisis de Fourier se puede aalizar cuatas compoetes existe, cual es la magitud de estas y que tato se desfasa la compoete fudametal de corriete co respecto al voltaje de líea. Para aalizar los parámetros ateriores se utiliza la serie de Fourier, la cual se basa e represetar a cualquier señal periódica (itesidad de corriete) como la 6

7 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas suma ifiita de seos y coseos [6]. Dicha señal periódica f ( t) debe de cumplir co los siguietes requisitos:. La señal f () t debe ser periódica, esto es f ( t) f ( t + ) = dode es el periodo.. f () t debe se ser cotiua, tiee u úmero fiito de máximos, míimos y discotiuidades e u periodo. to+ to 3. La itegral f () t dt existe. Respetado estas codicioes, la señal f ( t) se represeta de la siguiete maera: = ( a cos( w t) + b ( w t) ) f ( t) = a + si (.6) A esta forma de represetar a cierta señal se le cooce como serie trigoométrica de Fourier, dode: w a a b π = = πf = = = f f f () t dt () t cos( w t) () t si( w t) o o dt dt (.7) Sustituyedo a la corriete de líea por f ( t), se obtiee sus compoetes armóicas. ambié se puede represetar a ua señal mediate la siguiete ecuació: = ( f ( t) = a + a + b cos wt + φ ) (.8) Dode la magitud cada compoete es f () t a + b =.La fase es φ = ta ( b a ) 7

8 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas De esta maera se puede saber que ta distorsioada se ecuetra la corriete de líea. ambié es posible saber el factor de potecia del sistema..4 Correctores de factor de potecia Los correctores de factor de potecia (CFP) so circuitos utilizados para obteer u alto factor de potecia e las líeas de tesió de ua red eléctrica. Esto trae como cosecuecia ua baja distorsió armóica de corriete, iveles bajos de iterferecia electromagética (EMI), alta eficiecia y mayor utilizació de la potecia dispoible, lo que es deseable e cualquier red eléctrica. Los CFP se clasifica e tipos: pasivos y activos..4. Correctores de factor de potecia pasivos U corrector de factor de potecia pasivo es aquel que úicamete utiliza compoetes pasivos, como es el caso de iductores y capacitores. Para obteer u bue factor de potecia, es ecesario que la potecia reactiva sea míima. E la idustria las cargas geeralmete so iductivas, como es el caso de motores, bobias y trasformadores. Para cotrarrestar estos efectos iductivos se utiliza bacos de capacitores. Estos bacos so arreglos de capacitores e paralelo [7] los cuales se coecta a la líea. Cuado las cargas so capacitivas tales como; baterías, codesadores o cables largos, se utiliza iductores para cotrarrestar y corregir el factor de potecia. Esto se logra mediate la coexió de motores sicróicos (iductor) a las líeas de tesió. La pricipal vetaja de éste método es que el motor regula la potecia reactiva etregada a la red mediate la excitació de su campo [7] y a la vez regula el factor de potecia. Este dispositivo se comporta como u capacitor variable. ambié se puede hacer arreglos de motores, aálogos a los bacos de 8

9 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas capacitores. Los métodos mecioados ateriormete, se les cooce por lo geeral como correctores de factor de potecia pasivos, ya que sólo utiliza compoetes pasivos. Si embargo estas técicas utiliza compoetes robustos y pesados, haciedo que la istalació y el mateimieto se ecarezca..4. Correctores de factor de potecia activos Otra técica más efectiva de corregir el FP es mediate los correctores de factor de potecia activos. Estos o utiliza compoetes ta grades como los pasivos lo que facilita la istalació e cualquier parte, icluso e la red eléctrica del automóvil. Se compoe pricipalmete de trasistores, diodos, drivers, microcotroladores, iductores y capacitores. Los pricipales CFP activos so los siguietes [8]: Reductores (Buck) Elevadores (Boost) Reductores Elevadores (Buck Boost) Los CFP reductores obtiee u voltaje de salida meor que el de etrada, de la misma maera que los elevadores obtiee voltajes superiores a los de líea. Los reductores elevadores puede obteer voltajes mayores o meores que los de etrada, si embargo la polaridad del voltaje de salida es iversa a la de etrada. odos estos CFP puede operar si la ecesidad de coectar trasformadores. ambié puede ser uidireccioales o bidireccioales, esto idica que la corriete puede fluir e u setido o bie e el setido cotrario. La siguiete figura muestra la clasificació de los CFP más utilizados. 9

10 La importacia del factor de potecia e las redes eléctricas.5 Coclusioes Figura.3 Clasificació de los CFP activos [8] La eergía eléctrica es muy importate e la sociedad actual, ya que es la base para el fucioamieto de cualquier aparato electróico. El o aprovecharla correctamete ifluye directamete e el malfucioamieto de estos compoetes, los cuales se comporta como cargas eléctricas. Debido a esto puede llegar a sobrecaletarse, provocado que sea iservibles e u plazo de mediao tiempo. Para aprovechar al máximo la eergía que proporcioa las compañías de electricidad, se requiere de u circuito que corrija el factor de potecia. De esta maera, las cargas eléctricas o se ve afectadas por los disturbios ocurridos e las líeas de tesió. Para esto se requiere el previo estudio de estos y qué topología es la más adecuada para cada caso.

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