Fig.# 1: Factor de Potencia de un motor de inducción estándar Vs la carga
El término factor de potencia se confunde a menudo con cos φ (phi). El FP se define como el cociente entre la potencia real o activa (P), expresada en kilovatios (KW), respecto a la potencia aparente (S), expresada en kilovolt-amp (KVA)
Recuerde que cos φ es igual al factor de potencia sólo cuando ambas, la tensión del sistema (U) y la corriente del sistema (I) son sinusoidales y con la misma frecuencia. En el mundo real de las instalaciones eléctricas, tanto las tensiones como las corrientes contienen armónicos, por lo que el factor de potencia no será igual a cos φ
En el circuito eléctrico mostrado en la figura. 2 la tensión de alimentación conectada al circuito se encuentra en una sola frecuencia. Esta tensión hace que la corriente fluya a través de los componentes.
Fig. # 3 Diagrama Fasorial
Estas tensiones y corriente se pueden expresar en forma de fasores (Fig. 3). La corriente es común para cada componente en el sistema, pero las tensiones tienen magnitudes diferentes, y están defasadas 90 ° . Los tres esquemas de la fig. 3 muestran los pasos para la definición de los fasores de voltaje y el ángulo entre el voltaje y la corriente total. Esto nos da la definición del cos φ:
Los beneficios del variador de velocidad de corriente alterna ( Drive AC)
Para producir el par de rotación y velocidad requerida, un motor de inducción requiere de ambas corrientes (activa y reactiva) de la red eléctrica. El par de giro del motor se crea como una interacción entre el componente de la corriente activa y el campo magnético. El campo es producido por el componente de la corriente reactiva. Las cargas ligeras toman menos corriente activa, pero el campo magnético, así como la corriente reactiva, se mantienen constante. Esto significa que el factor de potencia disminuye con la disminución de la carga. La corriente es principalmente activa a plena carga, pero principalmente reactiva con carga ligera.
Mediante la instalación de los accionamientos de velocidad variable AC, se pueden mejorar los controles del proceso, aumentar el ahorro de energía, y reducir el desgaste de la maquinaria. Estas unidades también tienen el beneficio añadido de mejorar el FP.
El FP en la línea de AC de un accionamiento con modulación por ancho de pulso (PWM) con un puente rectificador de entrada es próximo a la unidad (Fig. 4). La sección de rectificación consiste de un puente rectificador de diodos fijo el cual convierte el voltaje de la fuente de alimentación trifásico en un voltaje DC.
La bobina de choque L1 y el capacitor C, suavizan el voltaje DC convertido
El valor rectificado DC (Ud) es aproximadamente 1.35 veces el voltaje entre líneas (650 VDC aproximadamente para una fuente de 480 VAC).
En la sección de inversor el voltaje de DC (Ud) se convierte entonces en un voltaje AC de magnitud y frecuencia variables que se conecta al motor de corriente alterna. El inversor consiste de seis semiconductores muy rápidos, por lo general IGBT (insulated gate bipolar transistor) en unidades modernas. La unidad lógica de control (Control Logic) utiliza un microprocesador para switchear los IGBT encendiéndolos y apagándolos suministrando un voltaje y frecuencia variables al motor
Para comprender mejor el proceso por el cual los drives AC puede mejorar el FP, nos referimos al nivel de tensión y al sistema compuesto por el motor y el drive en la figura # 1.
Potencia mecánica del motor = 55 Kw (Potencia de salida del motor)
Voltaje de entrada = 400 V
Eficiencia = 94.4 %
FP = 0.89
La potencia eléctrica de entrada al motor sería = 55 Kw / 0.944 = 58.3 Kw
La potencia de salida del drive es igual a la potencia de entrada del motor, luego:
La potencia de salida del drive = 58.3 Kw
Voltaje de entrada del drive = 400 V
Eficiencia del drive = 98%
FP del drive = 0.96
La potencia de entrada del drive seria = 58.3 Kw / 0.98 = 59.5 Kw
La formula para determinar la potencia activa (real) en un sistema trifásico es:
Usando esta formula podemos calcular las corrientes de salida y entrada del drive.
La corriente de entrada al drive (alimentación) es aproximadamente un 5% menor que la corriente de salida hacia el motor.
La potencia activa de entrada al drive es 1.2 Kw mayor que la de salida (58.3 Kw Vs. 59.5 Kw). Así es como un drive de velocidad variable AC puede mejorar el FP y como la corriente de salida del drive puede ser mayor que la de entrada.
Comparación del FP entre los drives AC y DC.
La principal diferencia entre los drives estándar AC y DC es que las unidades de PWM de AC tiene un rectificador de diodos en la parte delantera mientras que las unidades de DC tienen un rectificador SCR. El principio de control del rectificador SCR se basa en el control de fase con la conmutación de línea, lo que provoca un desplazamiento de fase entre voltaje y corriente. Cuanto menor sea la velocidad, mayor es el cambios de fase. Esto reduce el PF de unidades de DC, especialmente en los rangos de velocidad más baja (Fig. 5)
Fig. # 5. Comparación del FP entre los drives AC y DC
