Cos'è il Fattore di Potenza?
In ingegneria elettrica, il fattore di potenza (FP) di un sistema elettrico AC è definito come il rapporto tra la potenza attiva (misurata in chilowatt, kW) assorbita dal carico e la potenza apparente (misurata in kilovoltampere, kVA) che scorre nel circuito. Il fattore di potenza è un numero adimensionale nell'intervallo chiuso di -1 a 1.
Il "fattore di potenza ideale" è uno (anche noto come "unità"). Questo si verifica quando non c'è potenza reattiva nel circuito, e quindi la potenza apparente (kVA) è uguale alla potenza attiva (kW). Un carico con un fattore di potenza di 1 è il carico più efficiente per l'alimentazione.
Tuttavia, questo non è realistico, e il fattore di potenza in pratica sarà inferiore a 1. Vengono utilizzate varie tecniche di correzione del fattore di potenza per aiutare a aumentare il fattore di potenza a questo stato ideale.
Per spiegare meglio, facciamo un passo indietro e parliamo di cosa sia la potenza.
La potenza è la capacità di fare lavoro. Nel dominio elettrico, la potenza elettrica è la quantità di energia elettrica che può essere trasferita in altre forme (calore, luce, ecc.) per unità di tempo.
Matematicamente, il fattore di potenza è il prodotto della caduta di tensione sull'elemento e della corrente che vi scorre attraverso.
Considerando prima i circuiti DC, avendo solo sorgenti di tensione continua, gli induttori e i condensatori si comportano rispettivamente come cortocircuiti e aperti in regime stazionario.
Quindi, l'intero circuito si comporta come un circuito resistivo e l'intera potenza elettrica viene dissipata sotto forma di calore. Qui, la tensione e la corrente sono in fase e la potenza elettrica totale è data da:
Passando ora al circuito AC, qui sia l'induttore che il condensatore offrono una certa impedenza data da:
L'induttore immagazzina energia elettrica sotto forma di energia magnetica e il condensatore immagazzina energia elettrica sotto forma di energia elettrostatica. Nessuno dei due la dissipa. Inoltre, c'è uno scostamento di fase tra tensione e corrente.
Quindi, quando consideriamo l'intero circuito composto da resistore, induttore e condensatore, esiste una certa differenza di fase tra la tensione di alimentazione e la corrente.
Il coseno di questa differenza di fase è chiamato fattore di potenza elettrico. Questo fattore (-1 < cosφ < 1 ) rappresenta la frazione della potenza totale che viene utilizzata per fare lavoro utile.
L'altra frazione di potenza elettrica è immagazzinata sotto forma di energia magnetica o elettrostatica nell'induttore e nel condensatore, rispettivamente.
La potenza totale in questo caso è:
Questo è chiamato potenza apparente e la sua unità è VA (Volt-Amp) e viene denotata con 'S'. Una frazione di questa potenza elettrica totale che fa il lavoro utile è chiamata potenza attiva. La denotiamo con 'P'.
P = Potenza attiva = Potenza elettrica totale.cosφ e la sua unità è watt.
L'altra frazione di potenza è chiamata potenza reattiva. La potenza reattiva non fa lavoro utile, ma è necessaria per far sì che venga fatto il lavoro attivo. La denotiamo con 'Q' e matematicamente è data da:
Q = Potenza reattiva = Potenza elettrica totale.sinφ e la sua unità è VAR (Volt-Amp Reattivo). Questa potenza reattiva oscilla tra la sorgente e il carico. Per comprendere meglio, tutte queste potenze sono rappresentate in forma di triangolo.
Matematicamente, S2 = P2 + Q2, e il fattore di potenza elettrico è la potenza attiva / la potenza apparente.
Il termine fattore di potenza entra in gioco solo nei circuiti AC. Matematicamente, è il coseno della differenza di fase tra la tensione di alimentazione e la corrente. Si riferisce alla frazione della potenza totale (potenza apparente) che viene utilizzata per fare il lavoro utile, chiamato potenza attiva.
Necessità del Miglioramento del Fattore di Potenza
La potenza attiva è data da P = VIcosφ. La corrente elettrica è inversamente proporzionale a cosφ per trasferire una certa quantità di potenza a una determinata tensione. Quindi, maggiore è il FP, minore sarà la corrente che scorre. Un flusso di corrente ridotto richiede una sezione trasversale dei conduttori più piccola, risparmiando così conduttori e denaro.
Dalla relazione sopra, vediamo che avere un basso fattore di potenza aumenta la corrente che scorre nel conduttore, e quindi la perdita di rame aumenta. Si verifica una grande caduta di tensione nell'alternatore, nel trasformatore e nelle linee di trasmissione e distribuzione, che dà una regolazione di tensione molto povera.
La potenza KVA delle macchine viene anche ridotta avendo un fattore di potenza più alto, secondo la formula:
Quindi, le dimensioni e il costo della macchina sono anche ridotti.
Ecco perché il fattore di potenza elettrico dovrebbe essere mantenuto vicino all'unità - è significativamente più economico.
Ci sono tre principali modi per migliorare il fattore di potenza:
Banche di Condensatori
Condensatori Sincroni
Avanzatori di Fase
Migliorare il fattore di potenza significa ridurre la differenza di fase tra tensione e corrente. Poiché la maggior parte dei carichi è di natura induttiva, richiedono una certa quantità di potenza reattiva per funzionare.
Un condensatore o una banca di condensatori installati in parallelo al carico forniscono questa potenza reattiva. Essi agiscono come una fonte locale di potenza reattiva, e quindi meno potenza reattiva scorre lungo la linea.
Le banche di condensatori riducono la differenza di fase tra la tensione e la corrente.
I condensatori sincroni sono motori sincroni trifase senza carico collegato al loro albero.
Il motore sincrono ha le caratteristiche di operare con qualsiasi fattore di potenza, avanzato, ritardato o unitario, a seconda dell'eccitazione. Per carichi induttivi, un condensatore sincrono è collegato verso il lato del carico ed è sovraelicitato.
I condensatori sincroni lo fanno comportare come un condensatore. Attrae la corrente ritardata dalla sorgente o fornisce la potenza reattiva.
Questo è un eccitatore AC utilizzato principalmente per migliorare il FP di un motore asincrono.
Sono montati sull'albero del motore e sono collegati al circuito del rotore del motore. Migli
