Un sistema eléctrico de CA tiene un voltaje de línea o voltaje de fase característico. Por ejemplo, en su hogar u oficina, el voltaje de fase es de 115 voltios CA; en una fábrica, el voltaje de línea (como, por ejemplo, para hacer funcionar un motor de bomba) suele ser de 460 voltios de corriente alterna; y así. Parte de la energía es “monofásica”, otra es “trifásica”, y los voltajes de línea y fase generalmente difieren entre sí en cualquier caso; pero su pregunta se refiere a factores de potencia, un asunto que no requiere en sí mismo una discusión de líneas, fases y demás, por lo que no hablaremos más de ellos aquí.
Para que una carga (como, por ejemplo, el motor de la bomba antes mencionado) obtenga potencia de un sistema eléctrico de CA, la carga debe extraer una corriente del sistema, medida en amperios (generalmente acortada como “amperios”). En términos generales, la potencia derivada de la carga es el producto de
- el voltaje y
- la corriente,
ajustado por un coeficiente que tiene que ver con el número de fases. Este es el punto central: la potencia es proporcional al producto del voltaje y la corriente. Cuanto más corriente consume la carga, más potencia deriva. En el caso de la bomba, cuanto más corriente consume, más fluido puede bombear.
Sin embargo, surge un problema específicamente porque la electricidad es electricidad de CA, en lugar de CC. La electricidad de CA trae algunas ventajas importantes a varios tipos de máquinas eléctricas, pero también trae algunas desventajas. Una de las desventajas es que la corriente debe permanecer en fase con el voltaje. Si la corriente se retrasa fuera de fase, entonces la carga obtendrá menos potencia de la que debería. (En teoría, una corriente puede desfasarse alternativamente , con ineficiencias similares; pero el caso rezagado es más típico, por lo que limitaremos nuestra discusión actual al caso rezagado).
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En la electricidad de corriente alterna, como probablemente haya escuchado, el voltaje y la corriente varían en un patrón ondulado. Por ejemplo, en un sistema de 460 voltios de CA, el voltaje instantáneo máximo es positivo de 651 voltios (es decir, 460 voltios por la raíz cuadrada de dos), y el mínimo es negativo de 651 voltios. El voltaje alcanza el máximo, el pico de la ola, 60 veces por segundo en las Américas (o 50 veces por segundo en el viejo mundo), razón por la cual, como probablemente también haya escuchado, el sistema se llama “60 Hertz “sistema.
Aquí es donde la corriente retrasada de la que hemos advertido entra en escena. En un sistema de CA, la corriente sigue un patrón de onda como lo hace el voltaje, pero si la corriente no alcanza su pico en el mismo instante que lo hace, la potencia que entrega es menor que el producto de la corriente y el voltaje. Es cierto que se necesitaría una revisión bastante intensiva de la trigonometría para explicar el asunto con gran detalle analítico, pero en general no es tan difícil de entender. A modo de analogía, considere a un atleta lanzando una pelota de béisbol. Lanzar bien quiere que el atleta coordine el movimiento de su pierna, hombro, brazo, muñeca y dedos. No es bueno si el atleta se mete en su lanzamiento demasiado temprano o demasiado tarde: para obtener la máxima potencia, todos los movimientos del atleta deben permanecer ajustados en la fase.
La corriente y el voltaje son un poco como el brazo y la pierna. Si no alcanzan su punto máximo juntos, entonces la corriente entrega menos potencia de la que debería. De hecho, si la corriente retrasa el voltaje en un cuarto de ciclo (apenas 1/240 de segundo), no entrega energía real en absoluto.
El factor de potencia es la fracción de la máxima potencia posible que entrega la corriente, debido al retraso del voltaje. Un factor de potencia del 100 por ciento es ideal y ocurre cuando la corriente no retrasa el voltaje en absoluto. Un factor de potencia del 90 por ciento generalmente se considera aceptable, y el 80 por ciento a veces está bien, dependiendo de la aplicación. Menos del 80 por ciento generalmente significa problemas.
Ahora, suponga un factor de potencia del 80 por ciento. Esto significa que el 80 por ciento de la potencia máxima se entrega realmente. ¿Qué le sucede al otro 20 por ciento?
Como sucede, el otro 20 por ciento no se desperdicia con precisión. El otro 20 por ciento permanece en el sistema, actuando de una manera que puede dañar el motor eléctrico y los cojinetes del generador, pero de lo contrario no hace mucho. Sin embargo, aún así, solo se entrega el 80 por ciento de la potencia deseada. Si necesita el 100 por ciento y no puede corregir el factor de potencia, ¿qué debe hacer?
Respuesta: extrae el 125 por ciento de la corriente requerida para compensar la diferencia.
Y ese es el problema con un bajo factor de potencia. Obliga a una carga a extraer corriente adicional. La corriente adicional requiere cables de mayor calibre, que son caros. Además, si todo el mundo consume corriente adicional debido a factores de baja potencia, entonces la compañía eléctrica debe ejecutar líneas de mayor calibre (o líneas de mayor voltaje, lo que trae sus propios problemas). La compañía eléctrica factura a los clientes industriales con factores de energía malos adicionales por esto. Y no olvide el daño a los cojinetes del motor y del generador que hemos mencionado (esto también daña los cojinetes de la compañía eléctrica, no solo los del cliente). Todo esto es caro.
Si solo puede aumentar su factor de potencia cerca del 100 por ciento, entonces puede evitar todos estos problemas.
Una fábrica generalmente corrige su factor de potencia con grandes bancos de condensadores , los bancos pesan tanto como cientos de libras cada uno, pero esa es una pregunta para otro día.
