Factor de potencia

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El factor de potencia es una cantidad física adimensional que caracteriza a un consumidor de corriente eléctrica alterna en términos de presencia de un componente reactivo en la carga y potencia de distorsión (el nombre colectivo es potencia inactiva ). El concepto de " factor de potencia " debe distinguirse del concepto de " coseno phi ", que es igual al coseno del cambio de fase de la corriente alterna que fluye a través de la carga, en relación con el voltaje que se le aplica. El segundo concepto se utiliza en el caso de tensión y corriente sinusoidales, y sólo en este caso ambos conceptos son equivalentes.

Definición y significado físico

El factor de potencia es igual a la relación entre la potencia activa consumida por el consumidor y la potencia aparente . La potencia activa se utiliza para realizar trabajo . En el caso de corriente y tensión sinusoidal, la potencia aparente es la suma geométrica de la potencia activa y reactiva. En otras palabras, es igual a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las potencias activa y reactiva . En general, la potencia aparente se puede definir como el producto de los valores efectivos (rms) de corriente y voltaje en el circuito. Se acostumbra usar voltio-amperio (V∙A) en lugar de vatio (W) como unidad de potencia aparente .

En la industria de energía eléctrica se aceptan las designaciones para el factor de potencia (donde es el desfase entre la corriente y el voltaje ) o . Cuando se utiliza para indicar el factor de potencia , su valor suele expresarse como un porcentaje. ${\ estilo de visualización \ nombre del operador {cos} \ varphi}$ $\varphi$ $\lambda$ $\lambda$

De acuerdo con la desigualdad de Cauchy-Bunyakovsky , la potencia activa, igual al valor promedio del producto de corriente y voltaje, siempre no excede el producto de los valores de raíz cuadrada media correspondientes. Por tanto, el factor de potencia toma valores de cero a uno (o de 0 a 100%).

El factor de potencia se puede interpretar matemáticamente como el coseno del ángulo entre los vectores de corriente y voltaje (generalmente de dimensión infinita). Por lo tanto, en el caso de tensión y corriente sinusoidales, el valor del factor de potencia coincide con el coseno del ángulo en el que se retrasan las fases correspondientes.

En el caso de tensión senoidal pero corriente no senoidal, si la carga no tiene componente reactiva, el factor de potencia es igual a la proporción de la potencia del primer armónico de la corriente en la potencia total consumida por la carga. .

En presencia de un componente reactivo en la carga, además del valor del factor de potencia, en ocasiones también se indica la naturaleza de la carga: activo-capacitivo o activo-inductivo. En este caso, el factor de potencia se denomina respectivamente adelantado o atrasado.

Sentido aplicado

Se puede demostrar que si una carga está conectada a una fuente de voltaje sinusoidal (por ejemplo, un enchufe ~ 230 V, 50 Hz ), en el que la corriente se adelanta o se atrasa en fase por un cierto ángulo del voltaje, entonces se aumenta la potencia . liberado en la resistencia activa interna de la fuente . En la práctica, esto significa que cuando se opera con una carga con un componente reactivo, se requiere más calor de la central eléctrica que cuando se opera con una carga resistiva; el exceso de energía transmitida se libera como calor en los cables y, en la escala de, por ejemplo, una empresa, las pérdidas pueden ser bastante significativas.

No confunda factor de potencia y factor de carga (COP). El factor de potencia prácticamente no tiene ningún efecto sobre el consumo de energía del propio dispositivo conectado a la red, pero sí afecta la pérdida de energía en los cables que van hacia él, así como en los lugares de generación o conversión de energía (por ejemplo, en las subestaciones). ). Es decir, el medidor de electricidad en el apartamento prácticamente no responderá al factor de potencia de los dispositivos, ya que solo se paga la electricidad que hace el trabajo (el componente activo de la carga). Al mismo tiempo, la potencia activa consumida por el aparato eléctrico depende directamente de la eficiencia . Por ejemplo, una lámpara fluorescente compacta ("ahorro de energía") consume aproximadamente 1,5 veces más energía que una lámpara LED de brillo equivalente . Esto se debe a la mayor eficiencia de este último. Sin embargo, independientemente de esto, cada una de estas lámparas puede tener un factor de potencia bajo y alto, que está determinado por el circuito utilizado.

Cálculos matemáticos

El factor de potencia debe tenerse en cuenta al diseñar redes eléctricas. Un factor de potencia bajo conduce a un aumento en la proporción de pérdidas de electricidad en la red eléctrica en las pérdidas totales. Si su disminución es causada por la naturaleza no lineal y especialmente impulsiva de la carga, esto conduce adicionalmente a la distorsión de la forma de onda del voltaje en la red. Para aumentar el factor de potencia, se utilizan dispositivos de compensación . Un factor de potencia calculado incorrectamente puede provocar un consumo excesivo de energía y reducir la eficiencia de los equipos eléctricos alimentados por esta red.

Para los cálculos en el caso de variables armónicas (tensión) y (corriente), se utilizan las siguientes fórmulas matemáticas : $tu$ $yo$

${\ estilo de visualización \ chi = {\ frac {P} {S}}}$
$P=U\veces I\veces\cos\varphi$
$Q=U\times I\times\sin\varphi$
$S=\textstyle \sum _{k=1}^{\infty}\displaystyle (U)\times I={\sqrt {P^{2}+Q^{2}+T^{2} }}$

Aquí - potencia activa, - potencia aparente, - potencia reactiva, - potencia de distorsión. ${\ estilo de visualización P}$ $S$ $q$ $T$

Evaluaciones típicas de la calidad del consumo de energía

Valor del factor de potencia	alto	Bueno	Satisfactorio	Bajo	insatisfactorio
${\ estilo de visualización \ nombre del operador {cos} \ varphi}$	0,95…1	0,8…0,95	0,65…0,8	0,5…0,65	0…0.5
$\lambda$	95…100%	80…95%	65…80%	50…65%	0…50%

Para la misma potencia de carga activa, la potencia disipada inútilmente en los cables es inversamente proporcional al cuadrado del factor de potencia. Así, cuanto menor sea el factor de potencia, menor será la calidad del consumo eléctrico. Para mejorar la calidad del consumo de energía, se utilizan varios métodos para corregir el factor de potencia , es decir, aumentarlo a un valor cercano a la unidad.

Por ejemplo, la mayoría de las antiguas luminarias con lámparas fluorescentes para encendido y mantenimiento de la combustión utilizan balastos electromagnéticos (EMPRA), caracterizados por un bajo factor de potencia, es decir, un consumo de energía ineficiente. Muchas lámparas fluorescentes compactas ("ahorro de energía") con balastos electrónicos también se caracterizan por un bajo factor de potencia (0,5 ... 0,65). Pero productos similares de fabricantes conocidos, como la mayoría de los accesorios modernos, contienen circuitos de corrección del factor de potencia, y para ellos el valor es cercano a 1, es decir, al valor ideal. ${\ estilo de visualización \ nombre del operador {cos} \ varphi}$

No sinusoidal

La baja calidad de los consumidores de electricidad asociada a la presencia de potencia de distorsión en la carga, es decir, una carga no lineal (especialmente cuando es pulsada), conduce a una distorsión de la forma sinusoidal de la tensión de alimentación. La no sinusoidalidad es un tipo de distorsión de tensión no lineal en una red eléctrica, que se asocia a la aparición de armónicos en la composición de la tensión con frecuencias muchas veces superiores a la frecuencia de la red principal. Los armónicos de mayor tensión tienen un impacto negativo en la operación del sistema de suministro de energía, causando pérdidas activas adicionales en transformadores, máquinas eléctricas y redes; aumento de la siniestralidad en las redes de cable.

Las fuentes de armónicos de corriente y voltaje más altos son consumidores de energía con cargas no lineales. Por ejemplo, potentes rectificadores de CA utilizados en la industria metalúrgica y en el transporte ferroviario, lámparas de descarga de gas, fuentes de alimentación conmutadas , etc.

Corrección del factor de potencia

La corrección del factor de potencia ( PFC) es el proceso de llevar el consumo de un dispositivo final con un factor de potencia bajo cuando se alimenta desde una red de CA a un estado en el que el factor de potencia cumple con los estándares aceptados.

Las cargas no resistivas conducen al deterioro del factor de potencia (un cambio en la corriente consumida desproporcionadamente al voltaje aplicado): reactivo y no lineal. Las cargas reactivas se corrigen por reactividad externa, es para ellas que se determina el valor . La corrección de carga no lineal se implementa técnicamente en forma de uno u otro circuito adicional en la entrada del dispositivo. ${\ estilo de visualización \ cos \ varphi}$

Este procedimiento es necesario para un uso uniforme de la potencia de fase y evitar la sobrecarga del hilo neutro de una red trifásica . Por lo tanto, es obligatorio para las fuentes de alimentación conmutadas con una potencia de 100 o más vatios . . La compensación asegura la ausencia de picos de consumo de corriente en la parte superior de la sinusoide de tensión de alimentación y una carga uniforme en la línea de alimentación.

Variedades de corrección del factor de potencia

Corrección de la componente reactiva del consumo total de energía del dispositivo. Se lleva a cabo incluyendo un elemento reactivo en el circuito que produce el efecto contrario. Por ejemplo, para compensar la acción de un motor de CA con un alto componente reactivo inductivo de plena potencia, se conecta un condensador en paralelo con el circuito de potencia . A escala empresarial , se utilizan bancos de condensadores y otros dispositivos de compensación para compensar la potencia reactiva .
Corrección de la no linealidad del consumo de corriente durante el período de fluctuaciones en la tensión de alimentación. Si la carga consume corriente de manera desproporcionada con respecto al voltaje aplicado, se requiere un circuito corrector de factor de potencia pasivo (PPFC) o activo (APFC) para mejorar el factor de potencia. El corrector de factor de potencia pasivo más simple es un estrangulador de alta inductancia conectado en serie con la carga que se alimenta. La bobina realiza un alisado del consumo de la carga de impulso y la selección del armónico más bajo, es decir, el principal, del consumo de corriente, que es el requerido (aunque esto se consigue en detrimento de la forma de tensión suministrada a la entrada de la dispositivo). La corrección activa del factor de potencia, a costa de alguna complicación del circuito del dispositivo, puede proporcionar la mejor calidad de corrección, acercando el factor de potencia a 1.