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El coseno de phi o factor de potencia

Sobre el blog

Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Autor del libro: Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión (2018). Nominado premios iAgua al mejor post (2018), blog y post (2019), blog (2020 y 2021). Líder en número global de lecturas.

Temas

  • coseno phi o factor potencia

Hace unos días, a raíz de la publicación de mi libro “Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión”, me hicieron una entrevista en iAgua que además abría en portada el nuevo agro newsletter lanzado por esta plataforma. Una de las preguntas que me formuló la entrevistadora, Laura F. Zarza, la dirigía hacia las tareas que en materia de regadíos le pediría al nuevo gobierno recientemente formado. Mi respuesta fue clara. Le dije que uno de los primeros asuntos importantes que habría que abordar, pendiente además desde hacía tiempo, era los costes derivados de los bombeos agrícolas y la necesidad de revisar las tarifas eléctricas.

Pero, como os habréis dado cuenta por el título, este post no va a tratar sobre tarifas, ni sobre su revisión, tareas que por otro lado espero, como decía en la entrevista, acometan más pronto que tarde los actores intervinientes en este delicado tema.

En este post voy a hablaros de electricidad pero referida al factor de potencia o coseno de phi y de lo que significa un mayor o menor valor de este factor en los costes de la energía. 

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 para su funcionamiento: 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 por el motor de la red eléctrica 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 similar al representado 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 phi.

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 el término de potencia por un lado (denominado también término fijo. Supone el coste derivado por el transporte de la energía eléctrica por la red), 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 phi  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 phi  = 0,95 , por ejemplo, será mucho más eficiente que otro que posea un Cos phi  = 0,85, ya que producirá una menor energía reactiva.