Què és el Factor de Potència?
En l'enginyeria elèctrica, el factor de potència (FP) d'un sistema elèctric de corrent alternada es defineix com la relació entre la potència útil (mesurada en quilovatios, kW) absorbida per la càrrega i la potència aparent (mesurada en quilovolt-amperes, kVA) que circula pel circuit. El factor de potència és un nombre adimensional en l'interval tancat de −1 a 1.
El "factor de potència ideal" és u (també conegut com a "unitat"). Això ocorre quan no hi ha potència reactiva al circuit, i per tant la potència aparent (kVA) és igual a la potència real (kW). Una càrrega amb un factor de potència de 1 és la càrrega més eficient del subministrament.
No obstant això, això no és realista, i el factor de potència en la pràctica serà menor que 1. Diverses tècniques de correcció del factor de potència s'utilitzen per ajudar a augmentar el factor de potència a aquest estat ideal.
Per explicar-ho millor, fem un pas enrere i parlem sobre què és la potència.
La potència és la capacitat de fer treball. En el domini elèctric, la potència elèctrica és la quantitat d'energia elèctrica que es pot transferir a una altra forma (calor, llum, etc.) per unitat de temps.
Matemàticament, el factor de potència és el producte de la caiguda de tensió a través de l'element i la corrent que flueix a través d'aquest.
Considerant primer els circuits de corrent contínua, amb fonts de tensió contínua, els inductors i els capacitors comporten com circuits oberts i tancats respectivament en estat estacionari.
Per tant, tot el circuit comporta com un circuit resistiu i tota la potència elèctrica es dissipa en forma de calor. Aquí la tensió i la corrent estan en la mateixa fase i la potència elèctrica total es dóna per:
Passant als circuits de corrent alternada, aquí tant els inductors com els capacitors oferixen una certa quantitat d'impedància donada per:
L'inductor emmagatzema energia elèctrica en forma d'energia magnètica i el capacitor emmagatzema energia elèctrica en forma d'energia electroestàtica. Cap d'ells no la disipa. Més endavant, hi ha un desplaçament de fase entre la tensió i la corrent.
Per tant, quan considerem tot el circuit que consta d'un resistor, inductor i capacitor, existeix algun desplaçament de fase entre la tensió de la font i la corrent.
El cosinus d'aquest desplaçament de fase es coneix com a factor de potència elèctrica. Aquest factor (-1 < cosφ < 1) representa la fracció de la potència total que es fa servir per fer el treball útil.
L'altra fracció de la potència elèctrica es guarda en forma d'energia magnètica o electroestàtica en l'inductor i el capacitor respectivament.
La potència total en aquest cas és:
Això es diu potència aparent i la seva unitat és VA (Volt-Amp) i es denota per 'S'. Una fracció d'aquesta potència elèctrica total que fa el nostre treball útil es diu potència activa. La denotem com 'P'.
P = Potència activa = Potència elèctrica total.cosφ i la seva unitat és watt.
L'altra fracció de potència es diu potència reactiva. La potència reactiva no fa cap treball útil, però és necessària perquè es faci el treball activ. La denotem amb 'Q' i matemàticament es dóna per:
Q = Potència reactiva = Potència elèctrica total.sinφ i la seva unitat és VAR (Volt-Amp Reactiva). Aquesta potència reactiva oscil·la entre la font i la càrrega. Per entendre-ho millor, totes aquestes potències es representen en forma de triangle.
Matemàticament, S2 = P2 + Q2, i el factor de potència elèctrica és la potència activa / la potència aparent.
El terme factor de potència entra en joc només en els circuits de corrent alternada. Matemàticament, és el cosinus de la diferència de fase entre la tensió de la font i la corrent. Fa referència a la fracció de la potència total (potència aparent) que s'utilitza per fer el treball útil, anomenat potència activa.
Necessitat de Millorar el Factor de Potència
La potència real es dóna per P = VIcosφ. La corrent elèctrica és inversament proporcional a cosφ per transferir una quantitat determinada de potència a una tensió determinada. Per tant, més gran sigui el factor de potència, menor serà la corrent que flueix. Un flux de corrent petit requereix una secció transversal menor de conductors, i així es conserven conductors i diners.
De la relació anterior, veiem que tenir un baix factor de potència augmenta la corrent que flueix en un conductor, i així augmenta la pèrdua de cobre. Es produeix una gran caiguda de tensió en el generador, el transformador elèctric, i les línies de transmissió i distribució, el que dóna una regulació de tensió molt dolenta.
La classificació KVA de les màquines també es redueix tenint un major factor de potència, segons la fórmula:
Per tant, la mida i el cost de la màquina també es redueixen.
És per això que el factor de potència elèctric hauria de mantenir-se proper a la unitat – és significativament més econòmic.
Hi ha tres formes principals de millorar el factor de potència:
Bancs de Capacitadors
Condensadors Síncrons
Avançadors de Fase
Millorar el factor de potència significa reduir la diferència de fase entre la tensió i la corrent. Com la majoria de càrregues són de naturalesa inductiva, necessiten una certa quantitat de potència reactiva per funcionar.
Un capacitor o banc de capacitadors instal·lat en paral·lel a la càrrega proporciona aquesta potència reactiva. Actuen com una font local de potència reactiva, i així menys potència reactiva flueix a través de la línia.
Els bancs de capacitadors redueixen la diferència de fase entre la tensió i la corrent.
