Correzione del Fattore di Potenza: Cos'è? (Formula, Circuito e Batterie di Condensatori)

Campo: Elettricità di base

China

cos'è la correzione del fattore di potenza

Cos'è la correzione del fattore di potenza?

La correzione del fattore di potenza (anche nota come PFC o miglioramento del fattore di potenza) è definita come una tecnica utilizzata per migliorare il fattore di potenza dei circuiti AC riducendo la potenza reattiva presente nel circuito. Le tecniche di correzione del fattore di potenza mirano ad aumentare l'efficienza del circuito e ridurre la corrente assorbita dal carico.

In generale, vengono utilizzati condensatori e motori sincroni nei circuiti per ridurre gli elementi induttivi (e quindi la potenza reattiva). Queste tecniche non vengono utilizzate per aumentare la quantità di potenza attiva, ma solo per diminuire la potenza apparente.

In altre parole, riduce lo scostamento di fase tra tensione e corrente. Quindi, cerca di mantenere il fattore di potenza vicino all'unità. Il valore più economico del fattore di potenza è compreso tra 0,9 e 0,95.

Ora si pone la domanda, perché il valore economico del fattore di potenza è 0,95 invece che un fattore di potenza unitario? Ci sono svantaggi con un fattore di potenza unitario?

NO. Non c'è alcuno svantaggio con un fattore di potenza unitario. Tuttavia, è difficile e costoso installare attrezzature PFC unitarie.

Pertanto, le società di utilità e fornitura di energia cercano di mantenere un fattore di potenza in un range da 0,9 a 0,95 per creare un sistema economico. E questo range è sufficientemente buono per un sistema di potenza.

Se il circuito AC ha un carico induttivo elevato, il fattore di potenza può essere inferiore a 0,8. E assorbe una corrente maggiore dalla sorgente.

L'attrezzatura di correzione del fattore di potenza riduce gli elementi induttivi e la corrente assorbita dalla sorgente. Questo porta a un sistema più efficiente e prevenisce la perdita di energia elettrica.

Perché è necessaria la correzione del fattore di potenza?

Nei circuiti in corrente continua, la potenza dissipata da un carico è semplicemente calcolata moltiplicando il voltaggio e la corrente. E la corrente è proporzionale al voltaggio applicato. Pertanto, la dissipazione di potenza da parte del carico resistivo è lineare.

Nei circuiti in corrente alternata, il voltaggio e la corrente sono onde sinusoidali. Di conseguenza, l'ampiezza e la direzione cambiano continuamente. In un particolare istante di tempo, la potenza dissipata è il prodotto del voltaggio e della corrente in quel preciso istante.

Se un circuito in corrente alternata ha carichi induttivi come avvolgimenti, bobine, solenoide, trasformatore; la corrente è fuori fase con il voltaggio. In questa condizione, la potenza effettivamente dissipata è inferiore al prodotto del voltaggio e della corrente.

A causa degli elementi non lineari nei circuiti in corrente alternata, essi contengono sia resistenza che reattanza. Pertanto, in questa condizione, la differenza di fase tra corrente e voltaggio è importante per il calcolo della potenza.

Per un carico puramente resistivo, il voltaggio e la corrente sono in fase. Ma per un carico induttivo, la corrente si ritarda rispetto al voltaggio. E ciò crea una reattanza induttiva.

In questa condizione, la correzione del fattore di potenza è necessaria per ridurre l'effetto dell'elemento induttivo e migliorare il fattore di potenza per aumentare l'efficienza del sistema.

Formula di Correzione del Fattore di Potenza

Consideriamo un carico induttivo connesso al sistema che opera con un fattore di potenza cosф1. Per migliorare il fattore di potenza, dobbiamo connettere un equipaggiamento di correzione del fattore di potenza in parallelo con il carico.

Il diagramma del circuito di questo schema è mostrato nella figura sottostante.

esempio di correzione del fattore di potenza

Il condensatore fornisce un componente reattivo avanzato e riduce l'effetto del componente reattivo ritardato. Prima di connettere il condensatore, la corrente di carico è IL.

Il condensatore prende la corrente IC che precede la tensione di 90˚. E la corrente risultante del sistema è Ir. L'angolo tra la tensione V e IR è diminuito rispetto all'angolo tra V e IL. Pertanto, il fattore di potenza cosф2 è migliorato.

power factor correction phasor diagram

Diagramma fasore della correzione del fattore di potenza

Dal diagramma fasore sopra, il componente ritardato del sistema è ridotto. Pertanto, per cambiare il fattore di potenza da ф1 a ф2, la corrente di carico è ridotta di IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

La capacità del condensatore per migliorare il fattore di potenza è;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Circuito di Correzione del Fattore di Potenza

Le tecniche di correzione del fattore di potenza utilizzano principalmente un condensatore o una banca di condensatori e un condensatore sincrono. A seconda dell'equipaggiamento utilizzato per correggere il fattore di potenza, esistono tre metodi;

Banca di Condensatori
Condensatore Sincrono
Anticipo di Fase

Correzione del Fattore di Potenza tramite Banca di Condensatori

Il condensatore o la banca di condensatori possono essere connessi come capacità fissa o variabile. È collegato a un motore asincrono, a un pannello di distribuzione o al fornitore principale.

Il condensatore a valore fisso è connesso in modo continuo al sistema. Un condensatore a valore variabile modifica la quantità di KVAR in base alle esigenze del sistema.

Per la correzione del fattore di potenza, il banco di condensatori viene utilizzato per connettersi al carico. Se il carico è un carico trifase, il banco di condensatori può essere connesso in configurazione stella o triangolo.

Banco di Condensatori Connesso in Triangolo

Il seguente diagramma elettrico mostra un banco di condensatori connesso in triangolo con un carico trifase.

delta connected capacitor bank

Banco di Condensatori Connesso in Triangolo

Cerchiamo l'equazione del condensatore per fase quando è connesso in configurazione triangolo. In configurazione triangolo, la tensione di fase (VP) e la tensione di linea (VL) sono uguali.

$V_P = V_L$

La capacità per fase (C∆) è data da;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Banca di condensatori a stella

Il seguente diagramma elettrico mostra una banca di condensatori a stella con un carico trifase.

Banca di condensatori a stella

Nella connessione a stella, la relazione tra la tensione di fase (VP) e la tensione di linea (VL) è:

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

La capacità per fase (CY) è data da;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

Dalle equazioni sopra;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Significa che la capacità richiesta nella connessione a stella è tre volte la capacità richiesta nella connessione a delta. Inoltre, la tensione di fase in funzione è 1/√3 della tensione di linea.

Pertanto, la banca di condensatori connessa a delta è un buon progetto e per questo motivo, in una connessione trifase, la banca di condensatori connessa a delta viene utilizzata più frequentemente nella rete.

Correzione del fattore di potenza mediante sincrono condensatore

Quando un motore sincrono è sovraelictrizzato, prende corrente anticipata e si comporta come un condensatore. Un motore sincrono sovraelictrizzato in funzione a vuoto è noto come sincrono condensatore.

Quando questo tipo di macchina è connessa in parallelo alla rete, assorbe una corrente anticipata. E migliora il fattore di potenza del sistema. Il diagramma di connessione del condensatore sincrono con la rete è mostrato nella figura sottostante.

power factor correction using synchronous condenser

Correzione del Fattore di Potenza utilizzando un Condensatore Sincrono

Quando il carico ha una componente reattiva, assorbe una corrente ritardata dal sistema. Per neutralizzare la corrente, questo dispositivo viene utilizzato per assorbire una corrente anticipata.

synchronous condenser phasor diagram

Diagramma Fasore del Condensatore Sincrono

Prima che il condensatore sincrono sia connesso, la corrente assorbita dal carico è IL e il fattore di potenza è фL.

Quando il condensatore sincrono è connesso, assorbe la corrente Im. In questa condizione, la corrente risultante è I e il fattore di potenza è фm.

Dal diagramma fasore, possiamo confrontare entrambi gli angoli del fattore di potenza (фL e фm). E фm è minore di фL. Pertanto, il cosфm è maggiore del cosфL.

Questo metodo di miglioramento del fattore di potenza viene utilizzato nelle stazioni di fornitura di massa a causa dei seguenti vantaggi.

L'intensità della corrente assorbita dal motore viene modificata variando l'eccitazione del campo.
È facile rimuovere i guasti che si verificano nel sistema.
La stabilità termica dell'avvolgimento del motore è elevata. Pertanto, è un sistema affidabile per le correnti di cortocircuito.

Avanzatore di fase

Il motore asincrono assorbe corrente reattiva a causa della corrente di eccitazione. Se si utilizza un'altra sorgente per fornire la corrente di eccitazione, l'avvolgimento dello statore sarà libero dalla corrente di eccitazione. E il fattore di potenza del motore può essere migliorato.

Questo schema può essere realizzato utilizzando l'avanzatore di fase. L'avanzatore di fase è un semplice eccitatore AC montato sullo stesso albero del motore e connesso al circuito del rotore del motore.

Fornisce corrente di eccitazione al circuito del rotore alla frequenza di scivolamento. Se si fornisce una corrente di eccitazione maggiore del necessario, il motore asincrono può funzionare con un fattore di potenza avanzante.

L'unico svantaggio dell'avanzatore di fase è che non è economico per i motori di piccole dimensioni, specialmente quelli inferiori a 200 CV.

Correzione attiva del fattore di potenza

La correzione attiva del fattore di potenza offre un controllo più efficiente del fattore di potenza. Generalmente, viene utilizzata nella progettazione di alimentazioni elettriche per potenze superiori a 100W.

Questo tipo di circuito di correzione del fattore di potenza è costituito da elementi di commutazione ad alta frequenza come diodi, SCR (interruttori elettronici di potenza). Questi elementi sono elementi attivi. Pertanto, questo metodo è chiamato metodo di correzione attiva del fattore di potenza.

Nella correzione passiva del fattore di potenza, gli elementi reattivi come condensatori e induttori utilizzati nel circuito sono non controllati. Poiché il circuito di correzione passiva del fattore di potenza non utilizza alcuna unità di controllo né elementi di commutazione.

A causa degli elementi di commutazione ad alta frequenza e dell'unità di controllo utilizzati nel circuito, il costo e la complessità del circuito aumentano rispetto al circuito di correzione passiva del fattore di potenza.

Il diagramma di circuito sottostante mostra gli elementi di base di un circuito di correzione attiva del fattore di potenza.

correzione attiva del fattore di potenza

Correzione Attiva del Fattore di Potenza

Per controllare i parametri del circuito, viene utilizzato un'unità di controllo nel circuito. Questa misura la tensione e la corrente in ingresso. E regola il tempo di commutazione e il ciclo di lavoro in fase di tensione e corrente.

L'induttore L è controllato dallo switch a stato solido Q. L'unità di controllo viene utilizzata per controllare (ACCESO e SPENTO) lo switch a stato solido Q.

Quando lo switch è ACCESO, la corrente dell'induttore aumenta di ∆I+. La tensione sull'induttore inverte la polarità e rilascia l'energia accumulata attraverso il diodo D1 al carico.

Quando lo switch è SPENTO, la corrente dell'induttore diminuisce di ∆I–. Il cambiamento totale durante un ciclo è ∆I = ∆I+ – ∆I–. Il tempo di ACCESO e SPENTO dello switch è controllato dall'unità di controllo cambiando il ciclo di lavoro.

Con una selezione appropriata del ciclo di lavoro, possiamo ottenere la forma desiderata della corrente al carico.

Come dimensionare la correzione del fattore di potenza?

Per dimensionare la correzione del fattore di potenza, dobbiamo calcolare il requisito di potenza reattiva (KVAR). E connettiamo quella capacità con il sistema per soddisfare la domanda di potenza reattiva.

Ci sono due modi per trovare il requisito di KVAR.

Metodo del Moltiplicatore Tabellare
Metodo del Calcolo

Come suggerisce il nome, nel metodo del moltiplicatore tabellare, possiamo trovare direttamente una costante moltiplicativa da una tabella. Possiamo trovare direttamente il KVAR richiesto moltiplicando la costante con la potenza in ingresso.

metodo del moltiplicatore tabellare

Metodo del moltiplicatore tabellare

Nel metodo di calcolo, dobbiamo calcolare il moltiplicatore come mostrato nell'esempio seguente.

Esempio:

Un motore asincrono da 10 kW ha un fattore di potenza di 0,71 sfasato. Se dobbiamo far funzionare questo motore con un fattore di potenza di 0,92, qual sarà la capacità del condensatore?

Potenza d'ingresso = 10 kW
Fattore di potenza attuale (cos φA) = 0,71
Fattore di potenza richiesto (cos φR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Costante moltiplicativa = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR richiesto = Potenza di ingresso x Costante moltiplicativa

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Quindi, è necessario un potere reattivo di 5,658 KVAR per migliorare il fattore di potenza da 0,71 a 0,92. E il condensatore connesso al sistema ha una capacità di 5,658 KVAR.

Applicazioni della correzione del fattore di potenza

In una rete di distribuzione elettrica, il fattore di potenza svolge un ruolo fondamentale nella qualità e nella gestione del sistema. Determina l'efficienza del fornitore di energia.

Senza la correzione del fattore di potenza, il carico richiede una corrente di alta intensità dalla fonte. Ciò aumenta le perdite e il costo dell'energia elettrica. L'equipaggiamento PFC cerca di rendere in fase le forme d'onda di corrente e tensione. Questo aumenterà l'efficienza del sistema.
Nella rete di trasmissione, è necessario un fattore di potenza elevato. A causa di un fattore di potenza elevato, le perdite della linea di trasmissione diminuiscono e si migliora la regolazione della tensione.
Il motore a induzione è un equipaggiamento ampiamente utilizzato nelle industrie. Per evitare il surriscaldamento e migliorare l'efficienza del motore, si utilizzano i condensatori per mitigare l'effetto del potere reattivo.
L'equipaggiamento PFC riduce la generazione di calore nei cavi, negli apparati di commutazione, nell'alternatore, nei trasformatori, ecc.
A causa dell'alta efficienza della rete, è necessario generare meno energia. Ciò riduce l'emissione di carbonio nell'atmosfera.
Il calo di tensione si riduce considerevolmente utilizzando l'equipaggiamento PFC con il sistema.

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