Qué es el Factor de Potencia: Mejora, Fórmula y Definición
¿Qué es el Factor de Potencia?
En la ingeniería eléctrica, el factor de potencia (FP) de un sistema de potencia eléctrica de corriente alterna se define como la relación entre la potencia activa (medida en kilovatios, kW) absorbida por la carga y la potencia aparente (medida en kilovoltioamperios, kVA) que fluye a través del circuito. El factor de potencia es un número adimensional en el intervalo cerrado de -1 a 1.
El "factor de potencia ideal" es uno (también conocido como "unidad"). Esto ocurre cuando no hay potencia reactiva a través del circuito, y, por lo tanto, la potencia aparente (kVA) es igual a la potencia activa (kW). Una carga con un factor de potencia de 1 es la carga más eficiente para el suministro.
Dicho esto, esto no es realista, y el factor de potencia en la práctica será menor que 1. Se utilizan varias técnicas de corrección de factor de potencia para ayudar a aumentar el factor de potencia a este estado ideal.
Para explicar esto mejor, retrocedamos un poco y hablemos sobre qué es la potencia.
La potencia es la capacidad de realizar trabajo. En el dominio eléctrico, la potencia eléctrica es la cantidad de energía eléctrica que se puede transferir a otra forma (calor, luz, etc.) por unidad de tiempo.
Matemáticamente, el factor de potencia es el producto del caída de tensión a través del elemento y la corriente que fluye a través de él.
Considerando primero los circuitos de corriente directa, que tienen solo fuentes de tensión de corriente directa, los inductores y los condensadores se comportan como cortocircuitos y circuitos abiertos respectivamente en estado estable.
Por lo tanto, todo el circuito se comporta como un circuito resistivo y toda la potencia eléctrica se disipa en forma de calor. Aquí, la tensión y la corriente están en la misma fase y la potencia eléctrica total se da por:
Ahora, pasemos al circuito de corriente alterna, aquí tanto el inductor como el condensador ofrecen una cierta cantidad de impedancia dada por:
El inductor almacena energía eléctrica en forma de energía magnética y el condensador almacena energía eléctrica en forma de energía electrostática. Ninguno de ellos la disipa. Además, existe un desfase entre la tensión y la corriente.
Por lo tanto, cuando consideramos todo el circuito que consta de un resistor, inductor y condensador, existe alguna diferencia de fase entre la tensión de la fuente y la corriente.
El coseno de esta diferencia de fase se llama el factor de potencia eléctrico. Este factor (-1 < cosφ < 1) representa la fracción de la potencia total que se utiliza para hacer el trabajo útil.
La otra fracción de la potencia eléctrica se almacena en forma de energía magnética o energía electrostática en el inductor y el condensador, respectivamente.
La potencia total en este caso es:
Esto se llama potencia aparente y su unidad es VA (Volt-Amp) y se denota con 'S'. Una fracción de esta potencia eléctrica total que realiza nuestro trabajo útil se llama potencia activa. La denotamos como 'P'.
P = Potencia activa = Potencia eléctrica total.cosφ y su unidad es vatios.
La otra fracción de la potencia se llama potencia reactiva. La potencia reactiva no realiza trabajo útil, pero es necesaria para que se realice el trabajo activo. La denotamos con 'Q' y matemáticamente se da por:
Q = Potencia reactiva = Potencia eléctrica total.sinφ y su unidad es VAR (Volt-Amp Reactivo). Esta potencia reactiva oscila entre la fuente y la carga. Para entenderlo mejor, todas estas potencias se representan en forma de triángulo.
Matemáticamente, S2 = P2 + Q2, y el factor de potencia eléctrico es la potencia activa / potencia aparente.
Mejora del Factor de Potencia
El término factor de potencia aparece solo en los circuitos de corriente alterna. Matemáticamente, es el coseno de la diferencia de fase entre la tensión de la fuente y la corriente. Se refiere a la fracción de la potencia total (potencia aparente) que se utiliza para realizar el trabajo útil llamado potencia activa.
Necesidad de Mejora del Factor de Potencia
La potencia real se da por P = VIcosφ. La corriente es inversamente proporcional a cosφ para transferir una cantidad determinada de potencia a un cierto voltaje. Por lo tanto, cuanto mayor sea el factor de potencia, menor será la corriente que fluye. Un flujo de corriente pequeño requiere un área de sección transversal de conductores menor, y así ahorra conductores y dinero.
De la relación anterior, vemos que tener un mal factor de potencia aumenta la corriente que fluye en un conductor, y, por lo tanto, aumenta la pérdida de cobre. Ocurre una gran caída de tensión en el alternador, transformador eléctrico y líneas de transmisión y distribución, lo que da una regulación de tensión muy pobre.
La calificación en KVA de las máquinas también se reduce al tener un mayor factor de potencia, según la fórmula:
Por lo tanto, el tamaño y el costo de la máquina también se reducen.
Es por eso que el factor de potencia eléctrico debe mantenerse cerca de la unidad, ya que es significativamente más barato.
Métodos de Mejora del Factor de Potencia
Existen tres formas principales de mejorar el factor de potencia:
Bancos de Condensadores
Condensadores Sincrónicos
Aceleradores de Fase
Bancos de Condensadores
Mejorar el factor de potencia significa reducir la diferencia de fase entre la tensión y la corriente. Dado que la mayoría de las cargas son de naturaleza inductiva, requieren una cierta cantidad de potencia reactiva para funcionar.
Un condensador o banco de condensadores instalado en paralelo a la carga proporciona esta potencia reactiva. Actúan como una fuente local de potencia reactiva, y, por lo tanto, menos potencia reactiva fluye a través de la línea.
Los bancos de condensadores reducen la diferencia de fase entre la tensión y la corriente.
Condensadores Sincrónicos
Los condensadores sincrónicos son motores síncronos trifásicos sin carga conectada a su eje.
El motor síncrono tiene la característica de operar con cualquier factor de potencia adelantado, atrasado o unidad, dependiendo de la excitación. Para cargas inductivas, un condensador sincrónico se conecta hacia el lado de la carga y se sobrexexcita.
Los condensadores sincrónicos lo hacen comportarse como un condensador. Extrae la corriente atrasada del suministro o suministra la potencia reactiva.
Aceleradores de Fase
Este es un excitador de corriente alterna utilizado principalmente para mejorar el FP de un motor de inducción.
Se montan en el eje del motor y se conectan al circuito del rotor del motor. Mejora el factor de potencia proporcionando los vueltas amperios de excitación para producir el flujo requerido a la frecuencia de deslizamiento dada.
Además, si las vueltas amperios aumentan, se puede hacer que opere con un factor de
