Conèixer el factor de potència i com afecta les vostres factures d’energia

A part de la seguretat i la fiabilitat, s'han de perseguir diversos altres objectius, inclosa l'eficiència, en el disseny i implementació de sistemes elèctrics. Una de les mesures d’eficiència d’un sistema elèctric és l’eficiència amb què el sistema transforma l’energia que rep en treball útil. Aquesta eficiència està indicada per un component dels sistemes elèctrics conegut com a factor de potència. El factor de potència indica quanta potència s’utilitza realment per realitzar un treball útil per una càrrega i quanta potència està “malgastant”. Per trivial que sona el seu nom, és un dels principals factors que hi ha darrere de les altes factures d’electricitat i de les falles d’energia.

Per poder descriure adequadament el factor de potència i la seva importància pràctica, és important actualitzar la memòria sobre els diferents tipus de càrregues elèctriques i components de potència que existeixen.

A partir de les classes bàsiques d’electricitat, les càrregues elèctriques solen ser de dos tipus;

1. Càrregues resistives
2. Càrregues reactives

1. Càrregues resistives

Les càrregues resistives, com el seu nom indica, estan formades per elements purament resistius. Per a aquest tipus de càrregues (tenint en compte les condicions ideals), tota la potència que se li subministra es dissipa per treballar perquè el corrent està en fase amb la tensió. Un bon exemple de càrregues resistives inclouen les bombetes i piles incandescents.

El component de potència associat a càrregues resistives es coneix com a Potència real. Aquesta potència real també es coneix de vegades com a potència de treball, potència real o potència real. Si no coneixeu l’alimentació de CA i us sentiu confós amb totes aquestes formes d’ona, us recomanem que llegiu els conceptes bàsics de la CA per comprendre el funcionament de la CA.

2. Càrregues reactives

En canvi, les càrregues reactives són una mica més complexes. Tot i que provoquen una caiguda de tensió i extreuen corrent de la font, no dissipen cap energia útil com a tal perquè la potència que consumeixen del subministrament no funciona. Això és degut a la naturalesa de les càrregues reactives.

Les càrregues reactives poden ser capacitives o inductives. En càrregues inductives, la potència consumida s’utilitza en la configuració del flux magnètic sense realitzar cap treball directe, mentre que per a càrregues capacitives, la potència s’utilitza per carregar el condensador i no produir treball directament. La potència així dissipada en càrregues reactives es coneix com a potència reactiva. Les càrregues reactives es caracteritzen pel corrent (càrregues capacitives) o endarrerit (càrregues inductives) darrere de la tensió, per tant, sol existir una diferència de fase entre el corrent i el voltatge.

Els dos gràfics anteriors representen una càrrega inductiva i capacitiva en què el factor de potència és inferior i principal respectivament. Les variacions d’aquests dos tipus de càrrega condueixen a l’existència de tres components de potència en sistemes elèctrics, a saber;

1. Potència real
2. Potència reactiva
3. Poder aparent

1. Potència real

Aquesta és la potència associada a les càrregues resistives. És el component de potència dissipat per a la realització de treballs reals en sistemes elèctrics. Des de la calefacció fins a la il·luminació, etc., s’expressa en watts (W) (juntament amb els seus multiplicadors, quilo, Mega, etc.) i representat simbòlicament per la lletra P.

2. Potència reactiva

Aquesta és la potència associada a les càrregues reactives. Com a conseqüència del retard entre el voltatge i el corrent en les càrregues reactives, l'energia extreta en reactiu (ja sigui capacitiva o inductiva) no produeix cap treball. Es coneix com a potència reactiva i la seva unitat és Volt-Ampere Reactive (VAR).

3. Potència aparent

Els sistemes elèctrics típics inclouen tant càrregues resistives com inductives, penseu en les vostres bombetes i escalfadors per a càrregues resistives i en equips amb motors, compressors, etc. com a càrregues inductives. Així, en un sistema elèctric, la potència total és una combinació dels components de la potència real i la reactiva, aquesta potència total també s’anomena potència aparent.

La potència aparent ve donada per la suma de la potència real i la potència reactiva. La seva unitat és volt-amperes (VA) i representada matemàticament per l’equació;

Potència aparent = Potència real + Potència reactiva

En situacions ideals, la potència real dissipada en un sistema elèctric sol ser superior a la potència reactiva. La imatge següent mostra el diagrama vectorial dibuixat mitjançant els tres components de potència

Aquest diagrama vectorial es pot transformar en el triangle de potència com es mostra a continuació.

El factor de potència es pot calcular obtenint l’angle teta (ϴ) mostrat anteriorment. Aquí theta és l’angle entre la potència real i la potència aparent. Aleshores, seguint la regla del cosinus (adjacent a la hipotenusa), el factor de potència es pot estimar com la proporció de potència real amb la potència aparent. Les fórmules per calcular el factor de potència es donen a continuació

PF = Potència real / Potència aparent o PF = Cosϴ

Posant-ho al costat de l’equació per determinar la potència aparent, és fàcil veure que un augment de la potència reactiva (presència d’un nombre elevat de càrregues reactives) condueix a un augment de la potència aparent i a un valor més gran per a l’angle ϴ, que en última instància, resulta en un factor de potència baix quan s’obté el cosinus (cos ϴ). Per contra, la reducció de les càrregues reactives (potència reactiva) condueix a un factor de potència augmentat, cosa que indica una alta eficiència en sistemes amb menys càrregues reactives i viceversa. El valor del factor de potència sempre estarà entre el valor de 0 i 1, com més s’acosti a un, major serà l’eficiència del sistema. A l’Índia es considera que el valor del factor de potència ideal és de 0,8. El valor del factor de potència no té cap unitat.

Importància del factor de potència

Si el valor del factor de potència és baix, això significa que s’està malgastant l’energia de la xarxa, ja que una gran part no s’utilitza per a un treball significatiu. Això es deu al fet que la càrrega aquí consumeix més potència reactiva en comparació amb la potència real. Això posa una pressió sobre el sistema de subministrament i provoca una sobrecàrrega en el sistema de distribució, ja que tant la potència real necessària per la càrrega com la potència reactiva utilitzada per satisfer les càrregues reactives seran extretes del sistema.

Aquesta tensió i aquest "malbaratament" sol conduir a enormes factures d'electricitat per als consumidors (especialment els consumidors industrials), ja que les empreses de serveis públics calculen el consum en termes de potència aparent, per tant, acaben pagant una energia que no s'utilitzava per aconseguir cap treball "significatiu". Algunes empreses també multen els seus consumidors si obtenen més potència reactiva, ja que provoca una sobrecàrrega al sistema. Aquesta multa s’imposa per tal de reduir el factor de potència baix que provoca l’ús de càrregues a les indústries.

Fins i tot en situacions en què els generadors de l’empresa proporcionen l’energia, es malgasten diners en generadors més grans, cables de mida més gran, etc. necessaris per subministrar energia quan només se’n malgastarà un bon nombre. Per entendre-ho millor, tingueu en compte l’exemple següent

Una fàbrica que funcioni amb una càrrega de 70 kW es podria alimentar amb èxit mitjançant un generador / transformador i cables de 70 kVA si la fàbrica funciona amb un factor de potència de 1. Però, si el factor de potència baixa fins a 0,6, fins i tot amb la mateixa càrrega de 70KW, es necessitarà un generador o transformador més gran de 116,67 kVA (70 / 0,6), ja que el generador / transformador haurà de subministrar la potència addicional per a la càrrega reactiva. A part d’aquest fort augment de les necessitats d’alimentació, també caldria augmentar la mida dels cables utilitzats, cosa que provocaria un augment significatiu del cost de l’equip i un augment de les pèrdues de potència com a resultat de la resistència al llarg dels conductors. El càstig per això va més enllà de les altes factures d’electricitat en alguns països, ja que les empreses amb un factor de potència deficient solen ser multades amb enormes quantitats per fomentar la rectificació.

Millora del factor de potència

Amb tot el que s’ha dit, estareu d’acord amb mi que té més sentit econòmic rectificar el pobre factor de potència que seguir pagant enormes factures d’electricitat, especialment per a les grans indústries. També s’estima que es pot estalviar més del 40% de les factures d’electricitat en grans indústries i plantes de fabricació si el factor de potència es corregeix i es manté baix.

A part de la reducció de costos per als consumidors, executar un sistema eficient contribueix a la fiabilitat i eficiència general de la xarxa elèctrica, ja que les empreses de serveis públics poden reduir les pèrdues de línies i el cost de manteniment alhora que experimenten una reducció de la quantitat de transformadors i infraestructura de suport similar necessària per a les seves operacions.

Calculant el factor de potència per a la vostra càrrega

El primer pas per corregir el factor de potència és determinar el factor de potència de la vostra càrrega. Això es pot fer mitjançant;

1. Càlcul de la potència reactiva mitjançant els detalls de reactància de la càrrega

2. Determinar la potència real que es dissipa per la càrrega i combinar-la amb la potència aparent per obtenir el factor de potència.

3. L’ús del mesurador del factor de potència.

El mesurador del factor de potència s’utilitza principalment ja que ajuda a obtenir fàcilment el factor de potència en grans configuracions del sistema, on determinar els detalls de reactància de la càrrega i la potència real dissipada pot ser una ruta difícil.

Amb el factor de potència conegut, podeu procedir a corregir-lo, ajustant-lo el màxim possible a 1.n El factor de potència recomanat per les empreses subministradores d’electricitat sol estar entre 0,8 i 1 i això només es pot aconseguir si utilitzeu un la càrrega resistiva o la reactància inductiva (càrrega) del sistema és igual a la reactància de capacitat ja que tots dos es cancel·laran.

A causa del fet que l’ús de càrregues inductives és una causa més freqüent de baix factor de potència, especialment en entorns industrials (a causa de l’ús de motors pesats, etc.), un dels mètodes més senzills de corregir el factor de potència és cancel·lar el reactància inductiva mitjançant l'ús de condensadors de correcció que introdueixen reactància capacitiva al sistema.

Els condensadors de correcció del factor de potència actuen com un generador de corrent reactiu, contrarestant / compensant la potència "malgastada" per càrregues inductives. Tot i això, cal tenir en compte el disseny acuradament en inserir aquests condensadors en configuracions per garantir un funcionament suau amb equips com ara variadors de velocitat variable i un equilibri efectiu amb el cost. Segons la instal·lació i la distribució de la càrrega, el disseny podria incloure condensadors de valor fix instal·lats en punts de càrrega inductius o bancs de condensadors de correcció automàtica instal·lats a les barres de bus dels panells de distribució per a una correcció centralitzada que sol ser més rendible en sistemes grans.

L’ús de condensadors de correcció del factor de potència a les instal·lacions té els seus inconvenients, especialment quan no s’utilitzen els condensadors adequats o el sistema no està dissenyat correctament. L'ús dels condensadors podria produir un breu període de "sobretensió", quan s'encén, que podria afectar el bon funcionament dels equips, com ara els variadors de velocitat, fent que s'apaguessin de manera intermitent o fessin volar els fusibles d'alguns dels condensadors. Tot i això, es podria resoldre intentant fer ajustos a la seqüència de control de commutació, en el cas dels variadors de velocitat o eliminant els corrents harmònics en el cas dels fusibles.

Unity Power Factor i per què no és pràctic

Quan el valor del vostre factor de potència és igual a 1, es diu que el factor de potència és el factor de potència d’unitat. Podria ser temptador obtenir el factor de potència òptim d’1, però és gairebé impossible assolir-lo pel fet que cap sistema és realment ideal. En el sentit que cap càrrega és purament resistiva, capacitiva o inductiva. Totes les càrregues es componen d’alguns elements de l’altre per petits que siguin, ja que l’interval típic de factor de potència realitzable sol ser de 0,9 / 0,95. Ja hem après sobre aquestes propietats paràsites dels elements RLC als nostres articles ESR i ESL amb condensadors.

El factor de potència és un factor determinant de la bona utilització de l’energia i de la quantitat que pagueu en les factures d’electricitat (especialment per a les indústries). Per extensió, és el principal contribuent al cost operatiu i podria ser aquest factor darrere dels marges de benefici reduïts als quals no heu estat atents. La millora del factor de potència del vostre sistema elèctric podria ajudar a reduir les factures d’electricitat i garantir el màxim rendiment.