Factor de potencia real

¿Sabías que el factor de potencia es un aspecto crucial en el funcionamiento eficiente de cualquier sistema eléctrico? Conocer y comprender el factor de potencia real es esencial para garantizar un consumo de energía óptimo, evitar penalizaciones por parte de las compañías eléctricas y contribuir a la sostenibilidad del medio ambiente. En este artículo, descubriremos qué es el factor de potencia real, cómo se calcula y cuáles son sus implicaciones en el consumo eléctrico. ¡No te lo pierdas!

¿Qué es el factor de potencia real?

El verdadero factor de potencia es el producto del factor de potencia de desplazamiento y el factor de potencia de distorsión. El factor de potencia de desplazamiento depende de la diferencia de ángulo de fase entre el voltaje y la corriente de una carga lineal, mientras que el factor de potencia de distorsión depende de la distorsión armónica total causada por las cargas no lineales. Para comprender cuál es el verdadero factor de potencia, analicemos primero las cargas lineales y no lineales.

CARGAS NO LINEALES

Las cargas que tienen características de tensión-corriente no lineales se denominan cargas no lineales. Cuando se conectan a un voltaje sinusoidal, estas cargas consumen corriente no sinusoidal. Los sistemas electrónicos de potencia modernos dan como resultado una corriente no sinusoidal cuando se conectan a la fuente de voltaje sinusoidal. Los dispositivos no lineales típicos son interruptores estáticos rápidos como un diodo, rectificadores controlados por silicio (SCR), transistores de apagado de puerta (GTO), transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), tiristores conmutados de puerta aislada (IGCT).


Casi todos los dispositivos semiconductores son no lineales o no óhmicos. Los dispositivos no siguen la ley de Ohm y la corriente consumida por los dispositivos no es proporcional al voltaje aplicado.

Los dispositivos no lineales se pueden clasificar en las siguientes tres categorías principales:


Electrónica de potencia:

Rectificadores, variadores de velocidad, sistemas UPS, inversores

Dispositivos ferromagnéticos:

Transformador (características de magnetización no lineal)

Dispositivos de arco:

equipo de horno de arco; generar armónicos debido a las características no lineales del propio arco.

El consumidor genera predominantemente los armónicos y la utilidad se verá afectada, al igual que los otros consumidores que están conectados al sistema. El ejemplo más cercano que se puede citar es el del tabaquismo pasivo. La amplitud armónica generada por transformadores, motores y generadores suele ser insignificante en comparación con la electrónica de potencia y los equipos de arco, a menos que se produzca una saturación.

Los voltajes armónicos afectan el desempeño de otros equipos conectados a la red eléctrica.

DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL (THDv & THDi)

La distorsión armónica total en tensión (THDv) y corriente (THDi) es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la tensión armónica individual desde el orden armónico 2 y en adelante (el orden superior puede despreciarse ya que su magnitud es baja)

THDv= √ (V22+V32+ V42+V52 +——– )

% THDv = THDv / V1 x100 Donde V1 = Voltaje fundamental

THDi= √ (yo22+ yo32+ I42+ I52 +——– )

% THDi = THDi / I1 x100 Donde1 = Corriente fundamental.

Si la forma de onda actual es simétrica con respecto al eje x, los armónicos de orden par no están presentes.

¿Cuál es la diferencia entre el factor de potencia real y el factor de potencia de desplazamiento?

Los dispositivos lineales extraen corriente sinusoidal de la fuente de suministro sinusoidal y estos dispositivos no distorsionan la forma de onda actual. Equipos como un inductor, motor de inducción, transformador son ejemplos de dispositivos lineales. Este equipo también consume corriente magnetizante para su funcionamiento. La corriente consumida por este equipo es sinusoidal pero la forma de onda de la corriente no está en fase con el voltaje. El coseno de la diferencia del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente se llama factor de potencia de desplazamiento (DPF) o el factor de potencia fundamental.

Los dispositivos semiconductores atraen la corriente en fase con el voltaje aplicado, sin embargo, la corriente no es sinusoidal. La corriente no sinusoidal genera armónicos en la red eléctrica. La medida de los armónicos se comprueba calculando la distorsión armónica total (THD). La corriente armónica también es una corriente reactiva que no contribuye a la entrega de potencia activa. El factor de potencia debido a la corriente no lineal que se extrae de una fuente de suministro sinusoidal se conoce como factor de potencia de distorsión. El producto del desplazamiento y el factor de potencia de distorsión se denomina Factor de potencia real.

déjanos entender ambas terminologías de factor de potencia en detalle para lineal y no lineal cargas

FACTOR DE POTENCIA DE CARGAS LINEALES:

Cuando las cargas conectadas al sistema son lineales y el voltaje sinusoidal se aplica a la carga, la carga consume la corriente sinusoidal. El coseno del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente se conoce como factor de potencia de desplazamiento. La fórmula del factor de potencia de desplazamiento es la siguiente.

Pf= cosФ ——— (i)

Donde, pf es el factor de potencia y Ф es el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente.

Factor de potencia real

El coseno del ángulo entre el voltaje y la corriente es el factor de potencia. El factor de potencia con cargas lineales se conoce como factor de potencia de desplazamiento. ¿A qué se debe este desplazamiento de fase entre la tensión y la corriente? La diferencia de fase entre la tensión y la corriente muestra que el equipo consume energía reactiva para su funcionamiento.


Tomemos el caso de la carga resistiva, no hay diferencia de ángulo de fase entre el voltaje y la corriente ya que la resistencia no consume la energía reactiva. El factor de potencia fundamental y de distorsión para la carga resistiva es la unidad. Al medir la potencia activa y aparente, se puede calcular el factor de potencia de desplazamiento. El fórmula del factor de potencia es como se indica a continuación.

Factor de Potencia = Potencia Activa/ Potencia Aparente

Tomemos el ejemplo del motor de inducción para comprender mejor el desplazamiento o factor de potencia fundamental. El motor de inducción toma la corriente magnetizante para su funcionamiento. La corriente de magnetización se retrasa el voltaje aplicado en 90 grados eléctricos. Es por eso que la corriente total consumida por el motor siempre es mayor que la corriente activa consumida por el motor.

FACTOR DE POTENCIA DE CARGAS NO LINEALES:

Cuando las cargas conectadas al sistema no son lineales, la ecuación del factor de potencia de las cargas lineales no es cierta, y se tiene en cuenta un concepto más de factor de potencia de distorsión para calcular el factor de potencia verdadero.

Los dispositivos semiconductores como un diodo, un transistor de unión bipolar y un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) son ejemplos de cargas no lineales. Las cargas no lineales generan armónicos y la corriente armónica es de naturaleza reactiva. La corriente consumida por los dispositivos no lineales no es sinusoidal y distorsiona la forma de onda de la corriente fundamental. El factor de potencia se deteriora con un aumento en la distorsión armónica.

Factor de potencia real

El factor de potencia con cargas no lineales se conoce como factor de potencia de distorsión.

Factor de potencia de distorsión:

Los dispositivos no lineales (todos los dispositivos semiconductores) extraen corriente no sinusoidal de la fuente sinusoidal. Según la Serie de Fourier, la corriente no sinusoidal se puede descomponer en múltiplos fundamentales e integrales de la corriente fundamental. Los múltiplos enteros de la corriente fundamental son los armónicos de corriente que producen la distorsión en la red eléctrica.

Factor de potencia de distorsión= 1/ (√ 1 +THD2i)

Factor de potencia real:

El factor de potencia general de la red eléctrica no solo depende del factor de potencia de desplazamiento, sino que también depende de la distorsión armónica en la red eléctrica.

El verdadero factor de potencia se calcula utilizando la siguiente fórmula.

Factor de potencia real = Factor de potencia de desplazamiento * Factor de potencia de distorsión


= CosФ * 1/ (√ 1 +THD2)

El verdadero factor de potencia se deteriora con un aumento en la distorsión armónica. La siguiente tabla muestra cómo el factor de potencia general (factor de potencia real) es bajo incluso si el factor de potencia de desplazamiento es 0,9.

Factor de potencia real

Ejemplo

En el caso de accionamiento VF, el factor de potencia de desplazamiento es la unidad; sin embargo, el verdadero factor de potencia puede estar en el rango de 0,996 a 0,998.

¿Cómo mejorar el factor de potencia real?

El factor de potencia real se puede mejorar mejorando el factor de potencia de desplazamiento y el factor de potencia de distorsión.

1. Mejora del factor de potencia de distorsión:

Los armónicos se generan debido a cargas no lineales como variadores de frecuencia, arrancadores suaves, sistemas de recuperación de energía de deslizamiento, etc. Las cargas no se pueden erradicar pero se pueden mitigar para que la corriente armónica no fluya en la red eléctrica. Hay varios métodos de técnicas de mitigación de armónicos. Algunos de los métodos son

a. Instalación de Filtro Armónico:

Los filtros sintonizados o desafinados se pueden instalar para mitigar los armónicos en la red eléctrica. El filtro activo también es una solución para mitigar los armónicos.


b. Instalación de Rectificador de 12 Pulsos:

Los armónicos generados en el sistema dependen del número de pulsos. El orden armónico se puede expresar mediante la siguiente fórmula.

n= FC+/-1

dónde,
n= orden armónico
P= Número de pulsos
K= valor integral 1,2,3,4………

Para rectificador de 6 pulsos, el orden armónico (n) es 6*1+/-1=5,7. El orden de los armónicos para el rectificador de 6 pulsos es 5,7,11,13,17,19….. El orden de los armónicos para los rectificadores de 12 pulsos es 11,13,23,25….. La corriente armónica se reduce si el rectificador se selecciona para un mayor número de pulsos.

Leer más: Técnicas de mitigación de armónicos

2. Mejora del factor de potencia de desplazamiento:

El factor de potencia de desplazamiento depende de la diferencia de ángulo de fase entre el voltaje y la corriente. Las cargas inductivas atraen la corriente de magnetización que retrasa el voltaje. Para anular el efecto de la corriente de atraso, se instala el capacitor que extrae la corriente de adelanto. Por lo tanto, la corriente neta se reduce a medida que la corriente del capacitor está en oposición de fase con la corriente atrasada.

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