INTRODUCCIÓN
Pareciera haber bastante confusión entre los usuarios de motores eléctricos sobre la importancia relativa del factor de potencia, la eficiencia y el amperaje, en lo concerniente al costo de operación. La siguiente
información puede ayudar a poner estos términos en una perspectiva correcta.
A riesgo de tratar estos asuntos en orden inverso, quizás sea útil comprender que en una cuenta de
electricidad, ya sea comercial, industrial o residencial, la unidad básica de medida es el kilowatt-hora. Esta es una medida de la cantidad de energía suministrada. En muchos aspectos, el kilowatt-hora puede compararse con una tonelada de carbón, un pie cúbico de gas natural o un galón de gasolina, en cuanto a que es una unidad básica de energía. El kilowatt-hora no está directamente relacionado con los amperios, y en ninguna parte de la cuenta de electricidad puede encontrarse una referencia a los amperios que se han utilizado. Es de fundamental importancia notar esta distinción. A usted se le facturan kilowatt-horas: usted no
necesariamente paga por amperios. FACTOR DE POTENCIA
La mayor confusión surge posiblemente por el hecho que, en nuestra temprana educación sobre las ciencias, nos enseñaron que la fórmula para los watts es amperios por voltios. Esta fórmula, watts = amperios x voltios, es perfectamente cierta en los circuitos de corriente continua. También funciona en algunas cargas de CA, como las lámparas incandescentes, los calefactores de cuarzo, los elementos calentadores de las cocinas eléctricas, y otros equipos de naturaleza similar. Sin embargo, cuando las cargas tienen una característica llamada inductancia, la fórmula debe alterarse incluyendo un nuevo término llamado factor de potencia. Por lo tanto, la fórmula para las cargas monofásicas se convierte en: watts = amperios x voltios x factor de potencia. Este nuevo término, el factor de potencia, está siempre involucrado en las aplicaciones que utilizan energía de CA y donde existen elementos magnéticos inductivos en el circuito. Los elementos inductivos son dispositivos magnéticos tales como bobinas de solenoide, devanados de motores, devanados de transformadores, reactores de lámparas fluorescentes y equipos similares que incluyen componentes magnéticos en sus respectivos diseños.
Observando el flujo de energía eléctrica en este tipo de dispositivos, vemos que tiene esencialmente dos componentes. Una parte es absorbida y utilizada para realizar trabajo útil. Esta parte se denomina potencia activa o real. La segunda parte, literalmente, se toma a préstamo de la empresa eléctrica y se usa para magnetizar la porción magnética del circuito. Dada la naturaleza reversible de la energía de CA, esta energía prestada es posteriormente devuelta a la red eléctrica al invertirse el ciclo de la corriente alterna. Este proceso de préstamo y devolución ocurre continuamente. El factor de potencia es una medida de la potencia activa que se utiliza, dividida por el total de la energía, tanto la tomada a préstamo como la utilizada. El rango de valores del factor de potencia va desde cero a 1.0. Si toda la energía se toma a préstamo y es devuelta sin utilizar, el factor de potencia es cero. Si, por el contrario, toda la energía que se toma de la red se utiliza sin devolverse nada, el factor de potencia es 1.0 En el caso de los elementos calentadores eléctricos, las
lámparas incandescentes, etc., el factor de potencia es 1.0. En el caso de los motores eléctricos, el factor de potencia es variable y cambia según la magnitud de la carga que se aplica al motor. Así, un motor que está funcionando sobre un banco de trabajo sin que haya una carga aplicada al eje, tendrá un bajo factor de potencia (quizás de 0.1 ó 10%) mientras que un motor que funciona a plena carga, conectado a una bomba o a un ventilador, tendrá un factor de potencia relativamente alto (quizás de 0.88 ú 88%). Entre el punto sin carga y el punto de plena carga, el factor de potencia aumenta de modo constante con la carga en HP que se aplica al motor. Estas tendencias pueden verse en el gráfico de datos típicos del desempeño de un motor que muestra la Figura 1.
EFICIENCIA
Consideremos ahora uno de los elementos más críticos pertinentes al costo de operación del motor. Se trata de la eficiencia. La eficiencia o rendimiento es la medida de cuán bien un motor eléctrico convierte en trabajo útil la energía comprada. Por ejemplo, un calentador eléctrico, como ser el elemento térmico en una cocina eléctrica, convierte en calor el 100% de la energía suministrada. En otros dispositivos, como los motores, no toda la energía comprada es convertida en energía usable. Cierta parte de la misma se pierde y no es recuperable porque es eliminada en las pérdidas resultantes de la operación del dispositivo. En un motor eléctrico, estas pérdidas típicas son las pérdidas en el cobre, las pérdidas en el hierro y las llamadas pérdidas por fricción y “efecto del viento” relacionadas con el giro del rotor y los cojinetes y la circulación del aire refrigerante a través del motor.
En un motor de alta eficiencia energética, las pérdidas se reducen porque se utiliza material de mayor calidad, más material y un mejor diseño, lo que permite minimizar los diversos elementos que contribuyen a producir pérdidas en el motor.
Por ejemplo, un motor de 10 HP con diseño Super E de alta eficiencia energética puede tener una eficiencia a plena carga de 91.7%, lo que significa que, funcionando a plena carga (10 HP), convierte en trabajo útil un 91.7% de la energía que recibe. Un motor menos eficiente podría tener una eficiencia de 82%, indicando que sólo convierte en trabajo útil un 82% de la energía recibida.
En general, la eficiencia de los motores será relativamente constante entre el 50% y el 100% de su carga nominal.
AMPERIOS
Pasamos ahora a tratar los amperios, que representan el flujo de corriente eléctrica en el motor. Este flujo incluye tanto la energía tomada a préstamo como la energía utilizada. A bajos niveles de carga, la energía tomada a préstamo es un alto porcentaje de la energía total. Al aumentar la carga en el motor, la energía tomada a préstamo se hace cada vez menor y la energía utilizada va en aumento. Es decir que el factor de potencia se ve incrementado a medida que aumenta la carga en el motor. Al continuar aumentando la carga más allá del 50% de la capacidad nominal del motor, el amperaje empieza a incrementarse en una relación casi rectilínea - ésto puede verse en la Figura 1.
RESUMEN
La Figura 1 muestra en forma gráfica varios elementos importantes que hemos discutido, como la eficiencia, el factor de potencia y los watts, en su relación con la potencia en HP. El factor más significativo de todos ellos corresponde a los watts requeridos por el motor a diversos niveles de carga, ya que son los watts quienes determinan el costo de operación del motor, no el amperaje.
Un usuario con un factor de potencia sumamente bajo en el sistema eléctrico total de su planta puede ser penalizado por la compañía eléctrica ya que en efecto está tomando a préstamo una alta proporción de la energía, sin pagar por ella. Este tipo de cargo adicional que se cobra al usuario se denomina habitualmente multa por factor de potencia. En general, las multas o tarifas por factor de potencia se cobran a los grandes usuarios industriales y muy raramente a usuarios de menor consumo, no importa cual sea su respectivo factor de potencia. Por otra parte, hay diversos tipos de usuarios de energía, como los establecimientos comerciales, hospitales y algunas plantas industriales, que trabajan inherentemente con factores de potencia muy altos. En consecuencia, el factor de potencia de los pequeños motores que se añadan al sistema no tendrán un efecto significativo en el factor de potencia total de la planta.
Por estas razones, podemos hacer la afirmación general que aumentando la eficiencia de los motores se reducirá el consumo de kilowatt-horas y el costo de la energía para todas las categorías de usuarios de energía, no importa cual sea su estructura tarifaria o su factor de potencia específico. Este tipo de afirmación no puede hacerse en lo que concierne al factor de potencia.
Las siguientes ecuaciones básicas son útiles para entender y calcular los factores que determinan los costos de operación de los motores y otros tipos de equipos eléctricos.
CÁLCULOS DEL COSTO DE OPERACIÓN
MOTORES
HP** x .746 x Horas de Operación Kilowatt-Horas =
Eficiencia del Motor ** HP con Carga Media
(Puede ser menor que la potencia nominal indicada en la placa de fábrica del motor)
Fórmula General - Todas las Cargas
Kilowatt-Horas = Watts x Horas de Operación 1000
Costo Aproximado de Operación* = Kilowatt-Horas x Costo Medio por Kilowatt-Hora * No incluye las multas por factor de potencia o los cargos por demanda
que pueden aplicarse en algunas zonas.
Constantes Útiles
Promedio de Horas por Mes = 730
Promedio de Horas por Año = 8760
Promedio de Horas de Oscuridad por Año = 4000
Promedio Aproximado de Horas por Mes