He oído y leído en trabajos y artículos relacionados con la electricidad y en concreto relacionados con sistemas de bombeo para riego agrícola, definiciones bastante confusas sobre el significado del coseno de phi o factor de potencia y su influencia en la energía consumida por los equipos.
Quisiera aclarar estos conceptos que a veces, bien porque no se explican con claridad, bien porque no se entienden en profundidad, dejan una estela de dudas a las personas que intentan entenderlos.
Así que vamos a comenzar por algo tan básico como los diferentes tipos de corriente alterna para continuar con la potencia y energía eléctrica consumida.
a.- Tipos de corriente alterna
La energía que utilizan las bombas centrífugas para impulsar el agua proviene en la mayoría de las ocasiones de la energía eléctrica. Ya he explicado en varias entradas las características de las bombas centrífugas.
El motor eléctrico es el encargado de mover el rodete de la bomba para transmitir la energía necesaria al agua.
Dependiendo del tipo de instalación a la que se conecten tendremos dos tipos de motores que utilizan corriente alterna: los monofásicos, si se conectan a una instalación monofásica y los trifásicos, si lo hacen a una instalación eléctrica trifásica.
Las instalaciones monofásicas son aquellas que tienen una única fase y una única señal de corriente alterna. Sus tensiones normalizadas se establecen en torno a los 220 o 230 voltios entre el cable de la fase y el cable del neutro. Generalmente poseen menos de 10 kW de potencia y son las que se emplean en los hogares. La señal se transmite a través del cable de fase, (R, color marrón) y retorna a través del cable neutro que cierra el circuito, (N, color azul). Hay un tercer cable de protección que es el de toma de tierra (color verde-amarillo).
Las instalaciones trifásicas son aquellas que constan de 3 fases, es decir, de 3 corrientes alternas monofásicas acopladas y de igual frecuencia. Las tensiones normalizadas entre las fases son de 380-400 V y la tensión entre cualquiera de las fases y el neutro es de 220-230 V. Las señales de cada fase se transmiten por otros tantos cables (R, S y T, colores marrón, negro y gris) y se añade un cuarto conductor que cierra los tres circuitos anteriores, el cable neutro (N, color azul). El quinto cable es la toma de tierra, utilizado para derivar la corriente en caso de fallo en el aparato eléctrico.
b.- Potencia activa
La potencia activa es la potencia absorbida de la red o, dicho de otra manera, es la cantidad de energía que debe de pagar el regante por un determinado periodo de uso.
Para motores monofásicos la potencia activa se expresa como:
Donde,
Pa es la potencia activa o consumida en kW
U es la tensión en voltios (V)
I es la intensidad de corriente en amperios (A)
cos φ es el factor de rendimiento o factor de potencia (se trata de una característica del motor)
Para motores trifásicos:
c.- Factor de potencia
El factor potencia se define como la relación entre la potencia activa y la potencia aparente y nos da la medida del desfase que existe, en grados, entre la intensidad de la corriente eléctrica y la tensión o voltaje en un circuito de corriente alterna. Existen tres tipos de potencias diferentes: la potencia activa, que es la que realiza el trabajo útil y la que absorbe el motor de la red eléctrica, se mide en kW. La potencia reactiva que es la que necesita un motor (o un transformador o un relé…) para producir el flujo magnético en sus bobinas; se mide en kVAR (kilovoltio-amperio reactivo). Por último tenemos la potencia aparente, que es la suma vectorial de la potencia activa más la potencia reactiva y se mide en kVA (kilovoltio-amperio). Las tres nos originan un triángulo de potencias como el de más abajo.
El factor de potencia es igual a la potencia activa dividida entre la potencia aparente. El resultado de esta división es el coseno del ángulo formado en la relación vectorial de potencias. Por tanto factor de potencia = coseno
La energía eléctrica consumida por un aparato eléctrico es el producto de la potencia eléctrica (P) y la duración del tiempo utilizado (t), es decir E = P · t; E= kW · hora = kWh. Por tanto, el triángulo de potencias se transforma ahora en el triángulo de energías:
En la factura eléctrica para un equipo de bombeo de agua para riego, la compañía distribuidora de electricidad facturará la potencia consumida (denominado término fijo. Es un coste que proviene del transporte de la energía por la red eléctrica), la energía activa (kilowatios hora consumidos por el equipo de bombeo) y los excesos de energía reactiva, con tarifas, para la mayoría de los casos, en baja tensión (corriente alterna menor de 1 kV, 1000 voltios). La energía reactiva no es útil y es generada por los campos magnéticos de las bobinas de los motores. Las compañías distribuidoras penalizan en sus facturas el exceso de energía reactiva producida por los motores.
Lo ideal sería que el resultado del factor de potencia o coseno de fuera siempre igual a “1”, pues así habría una mejor optimización y aprovechamiento del consumo de energía eléctrica, es decir, habría menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor eficiencia de trabajo en los generadores que producen esa energía. Sin embargo, un circuito inductivo en ningún caso alcanza factor de potencia igual a "1", aunque se empleen baterías de condensadores para corregir el desfase que se crea entre la potencia activa y la aparente.
En los circuitos inductivos, como ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la mayoría de los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de bobina, el valor del factor de potencia se muestra siempre con una fracción decimal menor que “1” (como por ejemplo 0,80), que es la forma de indicar cuál es el retraso o desfase que produce la carga inductiva en la sinusoide correspondiente a la intensidad de la corriente con respecto a la sinusoide de la tensión o voltaje.
Por tanto, un motor de corriente alterna con un factor de potencia o Cos = 0,95 , por ejemplo, será mucho más eficiente que otro que posea un Cos = 0,85, ya que producirá una menor energía reactiva.