As heat treating facilities strive for energy efficiency and reliability, investing in power improvements can move a company toward sustainable operations. In this Controls Corner installment, Brian K. Turner of RoMan Manufacturing, Inc. compares real power factor and displacement power factor in the efficiency and electrical performance of vacuum furnaces.
This informative piece was first released in Heat Treat Today’s February 2025 Air/Atmosphere Furnace Systems print edition.
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En el contexto de los hornos de vacío, el factor de potencia real y el factor de potencia de desplazamiento son conceptos claves en relación a la eficiencia y el comportamiento tanto de la fuente de energía eléctrica como de la carga del horno. A continuación, una comparación entre los dos factores.
1. El factor de potencia real (PF, por sus siglas en inglés)
Definición: El factor de potencia real es la relación entre la potencia real (potencia activa, P, medida en vatios) y la potencia aparente (S, medida en voltamperios). Da cuenta tanto del desplazamiento de fase como de la distorsión armónica.
Relevancia para hornos de vacío:
- Los hornos de vacío, en particular los que funcionan con calentamiento por inducción, con frecuencia generan cargas no lineales debido a la operación de la electrónica de potencia.
- Las cargas no lineales conllevan armónicos que distorsionan la forma de onda de la corriente generando una disminución en el factor de potencia real.
- Un bajo factor de potencia real es indicador de ineficiencia ya que el sistema se ve obligado a aumentar el consumo de potencia aparente para generar la potencia real que se requiere.
2. El factor de potencia de desplazamiento (DPF, por sus siglas en inglés)
Definición: El factor de potencia de desplazamiento es el coseno del ángulo (ϕ) entre dos componentes fundamentales: el voltaje y las formas de onda de la corriente.
Relevancia para hornos de vacío
- En los hornos de vacío la esencia inductiva de los componentes (p.ej., los transformadores y las cargas inductivas) genera un factor de potencia de retardo que se ve reflejado en el DPF.
- Un bajo factor de potencia de desplazamiento (es decir, con retardo importante) implica demandas significativas para el sistema en cuanto a potencia reactiva, lo que a su vez afecta el tamaño de los transformadores y del equipo de distribución de energía.
Tabla superior: DPF – Condiciones ideales
- La forma de onda sinusoidal verde representa la corriente en un escenario con factor de desplazamiento de potencia ideal en el que interviene únicamente el desplazamiento de fase (ϕ) entre el voltaje (curva azul) y la corriente.
- Las formas de onda se ven limpias y sinusoidales, indicando la ausencia de distorsión armónica.
Tabla inferior: PF — Con distorsión armónica
- La forma de onda roja representa la corriente con la intervención de la distorsión armónica, situación típica de sistemas con cargas no lineales, caso de los hornos de vacío.
- Esta distorsión genera una disminución en el factor de potencia real frente al factor de potencia de desplazamiento, aún cuando no se haya modificado la relación en la fase fundamental.
Efecto sobre el tamaño de transformadores y transformadores de distribución
Aumento en la demanda de potencia aparente
- Un factor de potencia real disminuido (debido a los armónicos) implica que el transformador deberá manejar una mayor potencia aparente (S) sin importar que la potencia real (P) no haya cambiado. Esto puede aumentar los costos de capital al requerir transformadores más grandes.
Estrés térmico
- Los armónicos llevan a pérdidas adicionales (por las corrientes inducidas y la histéresis) generando el sobrecalentamiento de los transformadores y disminuyendo la eficiencia y duración de los mismos.
Regulación de voltaje
- Los armónicos distorsionan la forma de onda del voltaje, lo que podría afectar los equipos sensibles y obligar al uso de transformadores capaces de regular de manera más precisa el voltaje.
Penalización por consumo energético
- Los proveedores del servicio de energía muchas veces aplican sanciones por un bajo factor de potencia real, con lo que buscan incentivar a los usuarios a mejorar la calidad de la potencia mediante el uso de filtros armónicos o corrección del factor de potencia.
Conclusión
La revisión del factor de potencia en los hornos de vacío es de crítica importancia para lograr una mayor eficiencia y la reducción de los costos operativos. En su avance hacia la eficiencia y la fiabilidad energética, invertir en estas mejoras permitirá a las plantas de tratamiento térmico acercarse un paso más a la operatividad sostenible.
Traducido por: Shawna Blair
About the Author:
Sales Applications Engineer
RoMan Manufacturing, Inc.
Brian K. Turner has been with RoMan Manufacturing, Inc., for more than 12 years. Most of that time has been spent managing the R&D Lab. In recent years, he has taken on the role as applications engineer, working with customers and their applications.
Para contactar a Brian: bturner@romanmfg.com.
