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Factor de potencia

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El factor de potencia (FP) de un sistema eléctrico cualquiera, que está operando en corriente alterna (CA), es definido por la razón de la potencia real o potencia activa por la potencia total o potencia aparente.

Tabla de contenido

Teoría

Ondas de tensión (V) y corriente (I) en fase. La carga posee característica resistiva (FP=1). Ángulo de fase φ=0°

En circuitos de corriente alterna (CA) puramente resistivos, las ondas de tensión y de corriente eléctrica están en fase, o sea, cambiando su polaridade en el mismo instante en cada ciclo. Cuando cargas reactivas están presentes, tales como capacitores o condensadores e indutores, el almacenamiento de energía en esas cargas resulta en una diferencia de fase entre las ondas de tensión y corriente . Una vez que esa energía almacenada retorna para la fuente y no produce trabajo útil, un circuito con bajo factor de potencia tendrá corrientes eléctricas mayores para realizar el mismo trabajo del que un circuito con alto factor de potencia.


El flujo de potencia en circuitos de corriente alterna ha tres componentes: potencia activa (P), medida en watts (W); potencia aparente (S), medida en voltio-ampères (VA); y potencia reactiva (Q), medida en voltio-ampère-reactivo (Var).

La potencia activa es la capacidad del circuito en producir trabajo en un determinado periodo de tiempo. Debido a los elementos reativos de la carga, la potencia aparente, que es el producto de la tensión por la corriente del circuito, será igual o mayor del que la potencia activa.

La potencia reactiva es la medida de la energía almacenada que es devuelta para la fuente durante cada ciclo de corriente alterna. ES la energía que es utilizada para producir los campos eléctrico y magnético necesarios para el funcionamiento de ciertos tipos de cargas como, por ejemplo, retificadores industriales y motores tranvías.

El factor de potencia puede ser expreso como:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): FP=\frac{P}{S}


En el caso de formas de onda perfectamente senoidais, P, Q y S pueden ser representados por vectores que forman un triángulo rectángulo, también conocido como triángulo de potencias, siendo que:

Triángulo rectángulo que representa la relación entre las potencias aparente (S), activa (P) y reactiva (Q)
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): S^2\,\! = {P^2\,\!} + {Q^2\,\!}


Si φ es el ángulo de fase entre las de ondas de corriente y tensión, entonces el factor de potencia es igual a Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \left|\cos\phi\right| , y:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): P = S \left|\cos\phi\right|


Por definición, el factor de potencia es un número adimensional entre 0 y 1. Cuando el factor de potencia es igual a cero (0), el flujo de energía es enteramente reactivo, y la energía almacenada es devuelta totalmente a la fuente en cada ciclo. Cuando el factor de potencia es 1, toda la energía suministrada por la fuente es consumida por la carga. Normalmente el factor de potencia es señalado como atrasado o adelantado para identificar la señal del ángulo de fase entre las ondas de corriente y tensión eléctricas.

El factor de potencia es determinado por el tipo de carga conectada al sistema eléctrico, que puede ser:

Onda de corriente (I) atrasada en relación a la onda de tensión (V). La carga posee característica indutiva. FP<1 (atrasado)
Onda de corriente (I) adelantada en relación a la onda de tensión (V). La carga posee característica capacitiva. FP<1 (adelantado)

Si una carga puramente resistiva es conectada al sistema, la corriente y la tensión cambiarán de polaridade en fase, en ese caso el factor de potencia será unitario (1), y la energía eléctrica fluye en una misma dirección a través del sistema en cada ciclo. Cargas indutivas tales como motores y transformadores (equipamientos con bobinas) producen potencia reactiva con la onda de corriente atrasada en relación a la tensión. Cargas capacitivas tales como bancos de capacitores o cabos eléctricos enterrados producen potencia reactiva con corriente adelantada en relación a la tensión. Ambos tipos de carga absorberán energía durante parte del ciclo de corriente alterna, sólo para devolver esa energía nuevamente para la fuente durante el resto del ciclo.

Por ejemplo, para obtenerse 1 kW de potencia activa cuando el factor de potencia es unitario (igual a 1), 1 kVA de potencia aparente será necesariamente transferida (1 kVA = 1 kW ÷ 1). Bajo bajos valores de factor de potencia, será necesaria la transferencia de una mayor cantidad de potencia aparente para obtenerse la misma potencia activa. Para obtenerse 1 kW de potencia activa con factor de potencia 0,2 será necesario transferir 5 kVA de potencia aparente (1 kW = 5 kVA × 0,2).

Frecuentemente es posible corregir el factor de potencia para un valor próximo al unitario. Esa práctica es conocida como corrección del factor de potencia y es conseguida mediante el acoplamiento de bancos de indutores o capacitores , con una potencia reactiva Q contraria al de la carga, intentando al máximo anular esa componente. Por ejemplo, el efecto indutivo de motores puede ser anulado con la conexión en paralelo de un capacitor (o banco) junto al equipamiento.

Las pérdidas de energía aumentan con el aumento de la corriente eléctrica transmitida. Cuando la carga tiene factor de potencia más pequeña del que 1, más corriente es requerida para suprir la misma cantidad de potencia útil. Las concessionárias de energía establecen que los consumidores, especialmente los que poseen cargas mayores, manténgan los factores de potencia de sus instalaciones eléctricas dentro de un límite mínimo,hoy 0,92 se estudia aumentar para 0,96 de lo contrario serán penalizados con cobros adicionales. Ingenieros frecuentemente analizan el factor de potencia de una carga como uno de los indicadores que afectan la eficiencia de la transmisión y generación de energía eléctrica.

Componentes no-senoidais

En circuitos que tienen sólo tensión y corriente alternas, el efecto del factor de potencia crece solamente con la diferencia de fase entre ambas. Eso es conocido como "factor de potencia de desplazamiento". Este concepto puede ser generalizado para factores de potencia reales donde la potencia aparente incluye componentes de distorção armónica. Eso posee una importancia práctica en sistemas de potencia que contiene cargas no-lineales tales como retificadores, algunas formas de iluminación eléctrica, hornos a la arco, equipamientos de soldadura , fuentes chaveadas, entre otros.

Un ejemplo particularmente importante son los millones de ordenadores personales que poseen fuentes chaveadas con potencia variando entre 150 W a 500 W. Históricamente, esas fuentes de bajo coste incorporan un retificador simple de onda completa que conducen sólo cuando la tensión instantánea excede la tensión en el capacitor de entrada. Eso produce altos picos de corriente de entrada, que, por su parte, producen distorções en el factor de potencia y problemas de carregamento, tanto de los conductores fase como neutro de las instalaciones y de los sistemas eléctricos.

Un multímetro típico hará lecturas incorrectas de corrientes que posean componentes armónicas. Será necesario un multímetro que mida el valor true RMS para medirse el valor real de las corrientes y tensiones (y la potencia aparente por consecuencia). Para medir la potencia activa o reactiva será necesario escoger adecuadamente el wattímetro, para que haga medições de corrientes no-senoidais.

Legislación

En el Brasil, la Agencia Nacional de Energía Eléctrica - ANEEL establece que el factor de potencia en las unidades consumidoras debe ser superior a 0,92 capacitivo durante 6 horas de la madrugada y 0,92 indutivo durante las otras 18 horas del día. Ese límite es determinado por el Artículo nº 64 de la Resolución ANEEL nº456 de 29 de noviembre de 2000, y quien incumple está sujeto a una especie de multa que lleva en cuenta el factor de potencia medido y la energía consumida al largo de un mes.

La misma resolución establece que la exigencia de medição del factor de potencia por las concessionárias es obligatoria para unidades consumidoras de media tensión (supridas con más de 2.300 V) y facultativa para unidades consumidoras de baja tensión (abajo de 2.300 V, como residencias en general). El cobro en baja tensión, en la práctica, raramente ocurre, pues el factor de potencia de este tipo de unidad consumidora generalmente está por encima de 0,92. No compensa, pues, la instalación de medidores de energía reactiva.

En el Brasil, aún no existe legislación para reglamentar los límites de las distorções armónicas en las instalaciones eléctricas.

Conexiones externas