Factor de potencia

Relación entre potencia activa y potencia aparente

En ingeniería eléctrica , el factor de potencia de un sistema de alimentación de CA se define como la relación entre la potencia real absorbida por la carga y la potencia aparente que fluye en el circuito. La potencia real es el promedio del producto instantáneo del voltaje y la corriente y representa la capacidad de la electricidad para realizar un trabajo. La potencia aparente es el producto de la corriente y el voltaje. Debido a la energía almacenada en la carga y devuelta a la fuente, o debido a una carga no lineal que distorsiona la forma de onda de la corriente extraída de la fuente, la potencia aparente puede ser mayor que la potencia real, por lo que fluye más corriente en el circuito de lo que se requeriría para transferir energía real por sí sola. Una magnitud del factor de potencia inferior a uno indica que el voltaje y la corriente no están en fase, lo que reduce el producto promedio de los dos. Un factor de potencia negativo ocurre cuando el dispositivo (que normalmente es la carga) genera energía real, que luego fluye de regreso hacia la fuente.

En un sistema de energía eléctrica, una carga con un factor de potencia bajo consume más corriente que una carga con un factor de potencia alto para la misma cantidad de energía útil transferida. Las corrientes más grandes aumentan la energía perdida en el sistema de distribución y requieren cables y otros equipos más grandes. Debido a los costos de equipos más grandes y el desperdicio de energía, las empresas de servicios eléctricos generalmente cobrarán un costo más alto a los clientes industriales o comerciales donde hay un factor de potencia bajo.

La corrección del factor de potencia aumenta el factor de potencia de una carga, mejorando la eficiencia del sistema de distribución al que está conectada. Las cargas lineales con un factor de potencia bajo (como los motores de inducción ) se pueden corregir con una red pasiva de condensadores o inductores . Las cargas no lineales, como los rectificadores , distorsionan la corriente extraída del sistema. En tales casos, se puede utilizar la corrección del factor de potencia activa o pasiva para contrarrestar la distorsión y aumentar el factor de potencia. Los dispositivos para la corrección del factor de potencia pueden estar en una subestación central , distribuidos en un sistema de distribución o integrados en equipos que consumen energía.

Caso general

Esquema que muestra cómo se calcula el factor de potencia.

La expresión general para el factor de potencia está dada por

${\displaystyle {\mbox{power factor}}=P/P_{a}}$

${\displaystyle P_{a}=I_{rms}V_{rms}}$

donde es la potencia real medida con un vatímetro ideal , es la corriente rms medida con un amperímetro ideal y es el voltaje rms medido con un voltímetro ideal . La potencia aparente, , es el producto de la corriente rms y el voltaje rms. ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle I_{rms}}$ ${\displaystyle V_{rms}}$ ${\displaystyle P_{a}}$

Si la carga está suministrando energía hacia el generador, entonces y será negativo. ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle {\mbox{power factor}}}$

Formas de onda periódicas

Si las formas de onda son periódicas con el mismo período, que es mucho más corto que el tiempo promedio de los medidores físicos, entonces el factor de potencia se puede calcular mediante la siguiente

${\displaystyle {\mbox{power factor}}=P/P_{a}}$

${\displaystyle P_{a}=I_{rms}V_{rms}}$

${\displaystyle P={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}i(t)v(t)dt}$

${\displaystyle I_{rms}^{2}={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}{i(t)}^{2}dt}$

${\displaystyle V_{rms}^{2}={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}{v(t)}^{2}dt}$

donde es la corriente instantánea, es el voltaje instantáneo, es un tiempo de inicio arbitrario y es el período de las formas de onda. ${\displaystyle i(t)}$ ${\displaystyle v(t)}$ ${\displaystyle t'}$ ${\displaystyle T}$

Formas de onda no periódicas

Si las formas de onda no son periódicas y los medidores físicos tienen el mismo tiempo promedio, entonces se pueden usar las ecuaciones para el caso periódico con la excepción de que es el tiempo promedio de los medidores en lugar del período de la forma de onda. ${\displaystyle T}$

Circuitos lineales invariantes en el tiempo.

Flujo de potencia calculado a partir del voltaje y la corriente CA que ingresan a una carga que tiene un factor de potencia cero ( ϕ  = 90°, cos( ϕ ) = 0). La línea azul muestra la potencia instantánea que ingresa a la carga: toda la energía recibida durante el primer (o tercer) trimestre del ciclo se devuelve a la red durante el segundo (o cuarto) trimestre del ciclo, lo que resulta en un flujo de energía promedio (línea azul claro ) de cero.

Potencia instantánea y promedio calculada a partir de voltaje y corriente CA para una carga con un factor de potencia retrasado ( ϕ  = 45°, cos( ϕ ) ≈ 0,71). La línea azul (potencia instantánea) muestra que una parte de la energía recibida por la carga regresa a la red durante la parte del ciclo denominada ϕ .

Los circuitos lineales invariantes en el tiempo (denominados simplemente circuitos lineales en el resto de este artículo), por ejemplo, los circuitos que constan de combinaciones de resistencias, inductores y condensadores, tienen una respuesta sinusoidal al voltaje de línea sinusoidal. ^[1] Una carga lineal no cambia la forma de la onda de entrada, pero puede cambiar la sincronización relativa (fase) entre el voltaje y la corriente, debido a su inductancia o capacitancia.

En un circuito de CA puramente resistivo, las formas de onda de voltaje y corriente están en paso (o en fase ), cambiando de polaridad en el mismo instante en cada ciclo. Toda la energía que ingresa a la carga se consume (o se disipa).

Cuando hay cargas reactivas , como condensadores o inductores , el almacenamiento de energía en las cargas da como resultado una diferencia de fase entre las formas de onda de corriente y voltaje. Durante cada ciclo del voltaje de CA, la energía adicional, además de la energía consumida en la carga, se almacena temporalmente en la carga en campos eléctricos o magnéticos y luego se devuelve a la red eléctrica una fracción del período después.

Los circuitos eléctricos que contienen cargas predominantemente resistivas (lámparas incandescentes, elementos calefactores) tienen un factor de potencia de casi 1, pero los circuitos que contienen cargas inductivas o capacitivas (motores eléctricos, válvulas solenoides , transformadores, balastos de lámparas fluorescentes y otros) pueden tener un factor de potencia bien. debajo de 1.

En la red eléctrica , las cargas reactivas provocan un flujo y reflujo continuo de energía no productiva. Un circuito con un factor de potencia bajo utilizará una mayor cantidad de corriente para transferir una cantidad determinada de potencia real que un circuito con un factor de potencia alto, lo que provocará mayores pérdidas debido al calentamiento resistivo en las líneas eléctricas y requerirá el uso de fuentes de mayor potencia. conductores y transformadores.

Definición y cálculo

La alimentación de CA tiene dos componentes:

• Potencia real o potencia activa ( ) (a veces llamada potencia media ^[2] ), expresada en vatios (W) ${\displaystyle P}$
• Potencia reactiva ( ), generalmente expresada en voltiamperios reactivos (var) ^[3] ${\displaystyle Q}$

Juntos forman la potencia compleja ( ) expresada en voltamperios (VA). La magnitud de la potencia compleja es la potencia aparente ( ), expresada también en voltiamperios (VA). ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle |S|}$

VA y var son unidades no pertenecientes al SI matemáticamente idénticas al vatio, pero se utilizan en la práctica de la ingeniería en lugar del vatio para indicar qué cantidad se expresa. El SI prohíbe explícitamente el uso de unidades para este propósito o como única fuente de información sobre una cantidad física tal como se usa. ^[4]

El factor de potencia se define como la relación entre la potencia real y la potencia aparente. A medida que la potencia se transfiere a lo largo de una línea de transmisión, no consiste puramente en potencia real que puede realizar trabajo una vez transferida a la carga, sino que consiste en una combinación de potencia real y reactiva, llamada potencia aparente. El factor de potencia describe la cantidad de potencia real transmitida a lo largo de una línea de transmisión en relación con la potencia aparente total que fluye en la línea. ^{[5] [6]}

El factor de potencia también se puede calcular como el coseno del ángulo θ por el cual la forma de onda de corriente se retrasa o adelanta a la forma de onda de voltaje. ^[7]

Triángulo de poder

Se pueden relacionar los diversos componentes de la energía CA utilizando el triángulo de potencia en el espacio vectorial. La potencia real se extiende horizontalmente en el eje real y la potencia reactiva se extiende en la dirección del eje imaginario. La potencia compleja (y su magnitud, la potencia aparente) representa una combinación de potencia real y reactiva y, por lo tanto, se puede calcular utilizando la suma vectorial de estos dos componentes. Podemos concluir que la relación matemática entre estos componentes es:

${\displaystyle {\begin{aligned}S&=P+jQ\\|S|&={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}}\\{\text{pf}}&=\cos {\theta }={\frac {P}{|S|}}=\cos {\left(\arctan {\left({\frac {Q}{P}}\right)}\right)}\\Q&=P\,\tan(\arccos({\text{pf}}))\end{aligned}}}$

A medida que el ángulo θ aumenta con una potencia aparente total fija, la corriente y el voltaje están más desfasados ​​entre sí. La potencia real disminuye y la potencia reactiva aumenta.

Factores de potencia retrasados, adelantados y unitarios.

El factor de potencia se describe como adelantado si la forma de onda de la corriente avanza en fase con respecto al voltaje, o retrasado cuando la forma de onda de la corriente está detrás de la forma de onda del voltaje. Un factor de potencia retrasado significa que la carga es inductiva, ya que consumirá potencia reactiva. El componente reactivo es positivo ya que la potencia reactiva viaja a través del circuito y es consumida por la carga inductiva. Un factor de potencia adelantado significa que la carga es capacitiva, ya que la carga suministra potencia reactiva y, por lo tanto, el componente reactivo es negativo ya que se suministra potencia reactiva al circuito. ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$

Si θ es el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje, entonces el factor de potencia es igual al coseno del ángulo ,: ${\displaystyle \cos \theta }$

${\displaystyle |P|=|S|\cos \theta }$

Dado que las unidades son consistentes, el factor de potencia es, por definición, un número adimensional entre -1 y 1. Cuando el factor de potencia es igual a 0, el flujo de energía es completamente reactivo y la energía almacenada en la carga regresa a la fuente en cada ciclo. Cuando el factor de potencia es 1, denominado factor de potencia unitario , toda la energía suministrada por la fuente es consumida por la carga. Los factores de potencia generalmente se expresan como adelantados o retrasados ​​para mostrar el signo del ángulo de fase. Las cargas capacitivas están adelantadas (la corriente adelanta el voltaje) y las cargas inductivas están retrasadas (la corriente atrasa el voltaje).

Si se conecta una carga puramente resistiva a una fuente de alimentación, la corriente y el voltaje cambiarán de polaridad en pasos, el factor de potencia será 1 y la energía eléctrica fluirá en una sola dirección a través de la red en cada ciclo. Las cargas inductivas, como los motores de inducción (cualquier tipo de bobina bobinada), consumen potencia reactiva y la forma de onda de la corriente va por detrás del voltaje. Las cargas capacitivas, como bancos de condensadores o cables enterrados, generan potencia reactiva con la fase actual liderando el voltaje. Ambos tipos de cargas absorberán energía durante parte del ciclo de CA, que se almacena en el campo magnético o eléctrico del dispositivo, solo para devolver esta energía a la fuente durante el resto del ciclo.

Por ejemplo, para obtener 1 kW de potencia real, si el factor de potencia es la unidad, es necesario transferir 1 kVA de potencia aparente (1 kW ÷ 1 = 1 kVA). Con valores bajos de factor de potencia, es necesario transferir más potencia aparente para obtener la misma potencia real. Para obtener 1 kW de potencia real con un factor de potencia de 0,2, es necesario transferir 5 kVA de potencia aparente (1 kW ÷ 0,2 = 5 kVA). Esta potencia aparente debe ser producida y transmitida a la carga y está sujeta a pérdidas en los procesos de producción y transmisión.

Las cargas eléctricas que consumen corriente alterna consumen tanto potencia real como potencia reactiva. La suma vectorial de la potencia real y reactiva es la potencia compleja y su magnitud es la potencia aparente. La presencia de potencia reactiva hace que la potencia real sea menor que la potencia aparente, por lo que la carga eléctrica tiene un factor de potencia menor que 1.

Un factor de potencia negativo (0 a −1) puede resultar del retorno de energía activa a la fuente, como en el caso de un edificio equipado con paneles solares cuando el excedente de energía se devuelve al suministro. ^{[8] [9] [10]}

Corrección del factor de potencia de cargas lineales.

Corrección del factor de potencia de carga lineal.

Generalmente es deseable un factor de potencia alto en un sistema de suministro de energía para reducir las pérdidas y mejorar la regulación de voltaje en la carga. Los elementos de compensación cerca de una carga eléctrica reducirán la demanda de energía aparente en el sistema de suministro. Una empresa de transmisión de energía eléctrica puede aplicar la corrección del factor de potencia para mejorar la estabilidad y eficiencia de la red. Los clientes eléctricos individuales a quienes su empresa de servicios públicos les cobra por un factor de potencia bajo pueden instalar equipos de corrección para aumentar su factor de potencia y reducir costos.

La corrección del factor de potencia acerca el factor de potencia de un circuito de alimentación de CA a 1 suministrando o absorbiendo potencia reactiva, agregando condensadores o inductores que actúan para cancelar los efectos inductivos o capacitivos de la carga, respectivamente. En el caso de compensar el efecto inductivo de las cargas del motor, se pueden conectar condensadores localmente. Estos condensadores ayudan a generar potencia reactiva para satisfacer la demanda de las cargas inductivas. Esto evitará que la energía reactiva tenga que fluir desde el generador de servicios públicos hasta la carga. En la industria eléctrica, se dice que los inductores consumen energía reactiva y los capacitores la suministran, aunque la potencia reactiva es simplemente energía que se mueve hacia adelante y hacia atrás en cada ciclo de CA.

Los elementos reactivos en los dispositivos de corrección del factor de potencia pueden crear fluctuaciones de voltaje y ruido armónico cuando se encienden o apagan. Suministrarán o consumirán energía reactiva independientemente de si hay una carga correspondiente operando cerca, aumentando las pérdidas sin carga del sistema. En el peor de los casos, los elementos reactivos pueden interactuar con el sistema y entre sí para crear condiciones resonantes, lo que resulta en inestabilidad del sistema y fluctuaciones severas de sobretensión . Como tales, los elementos reactivos no pueden aplicarse simplemente sin un análisis de ingeniería.

1. Relé de control de potencia reactiva ; 2. Puntos de conexión a la red; 3. Fusibles de acción lenta ; 4. Contactores limitadores de irrupción ; 5. Condensadores (unidades monofásicas o trifásicas, conexión en triángulo); 6. Transformador (para controles y ventiladores)

Una unidad de corrección automática del factor de potencia consta de una serie de condensadores que se conmutan mediante contactores . Estos contactores están controlados por un regulador que mide el factor de potencia en una red eléctrica. Dependiendo de la carga y el factor de potencia de la red, el controlador del factor de potencia cambiará los bloques de condensadores necesarios en pasos para garantizar que el factor de potencia se mantenga por encima de un valor seleccionado.

En lugar de un conjunto de condensadores conmutados , un motor síncrono descargado puede suministrar potencia reactiva. La potencia reactiva consumida por el motor síncrono es función de su excitación de campo. Se le conoce como condensador síncrono . Se pone en marcha y se conecta a la red eléctrica . Opera con un factor de potencia líder y coloca vars en la red según sea necesario para soportar el voltaje de un sistema o para mantener el factor de potencia del sistema en un nivel específico.

La instalación y el funcionamiento del condensador síncrono son idénticos a los de los grandes motores eléctricos . Su principal ventaja es la facilidad con la que se puede ajustar la cantidad de corrección; se comporta como un condensador variable. A diferencia de los condensadores, la cantidad de potencia reactiva proporcionada es proporcional al voltaje, no al cuadrado del voltaje; esto mejora la estabilidad del voltaje en redes grandes. Los condensadores síncronos se utilizan a menudo en conexión con proyectos de transmisión de corriente continua de alto voltaje o en grandes plantas industriales como acerías .

Para la corrección del factor de potencia de sistemas eléctricos de alta tensión o de grandes cargas industriales fluctuantes, se utilizan cada vez más dispositivos electrónicos de potencia como el compensador estático VAR o STATCOM . Estos sistemas son capaces de compensar cambios repentinos del factor de potencia mucho más rápidamente que los bancos de condensadores conmutados por contactores y, al ser de estado sólido, requieren menos mantenimiento que los condensadores síncronos.

Cargas no lineales

Ejemplos de cargas no lineales en un sistema de energía son los rectificadores (como los que se usan en una fuente de energía) y los dispositivos de descarga de arco, como lámparas fluorescentes , máquinas de soldar eléctricas u hornos de arco . Debido a que la corriente en estos sistemas se interrumpe mediante una acción de conmutación, la corriente contiene componentes de frecuencia que son múltiplos de la frecuencia del sistema de energía. El factor de potencia de distorsión es una medida de cuánto disminuye la distorsión armónica de una corriente de carga la potencia promedio transferida a la carga.

El voltaje sinusoidal y la corriente no sinusoidal dan un factor de potencia de distorsión de 0,75 para esta carga de fuente de alimentación de computadora.

Componentes no sinusoidales

En circuitos lineales que tienen únicamente corrientes sinusoidales y voltajes de una frecuencia, el factor de potencia surge únicamente de la diferencia de fase entre la corriente y el voltaje. Este es el factor de potencia de desplazamiento . ^[11]

Las cargas no lineales cambian la forma de la onda actual de una onda sinusoidal a alguna otra forma. Las cargas no lineales crean corrientes armónicas además de la corriente CA original (frecuencia fundamental). Esto es importante en sistemas de energía prácticos que contienen cargas no lineales como rectificadores , algunas formas de iluminación eléctrica, hornos de arco eléctrico , equipos de soldadura, fuentes de alimentación de modo conmutado , variadores de velocidad y otros dispositivos. Los filtros que consisten en capacitores e inductores lineales pueden evitar que las corrientes armónicas ingresen al sistema de suministro.

Para medir la potencia real o potencia reactiva se debe utilizar un vatímetro diseñado para funcionar correctamente con corrientes no sinusoidales.

factor de potencia de distorsión

El factor de potencia de distorsión es el componente de distorsión asociado con los voltajes y corrientes armónicos presentes en el sistema.

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mbox{distortion power factor}}&={\frac {I_{1}}{I_{rms}}}\\&={\frac {I_{1}}{\sqrt {I_{1}^{2}+I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }{I_{1}^{2}}}}}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}\\\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\mbox{THD}}_{i}}$es la distorsión armónica total de la corriente de carga.

${\displaystyle THD_{i}={\frac {\sqrt {\displaystyle \sum _{h=2}^{\infty }I_{h}^{2}}}{I_{1}}}={\frac {\sqrt {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}{I_{1}}}}$

${\displaystyle I_{1}}$es el componente fundamental de la corriente y es la corriente total; ambos son valores cuadráticos medios (el factor de potencia de distorsión también se puede usar para describir armónicos de orden individual, usando la corriente correspondiente en lugar de la corriente total). Esta definición con respecto a la distorsión armónica total supone que la tensión permanece sin distorsionar (sinusoidal, sin armónicos). Esta simplificación suele ser una buena aproximación para fuentes de voltaje rígidas (que no se ven afectadas por cambios en la carga aguas abajo en la red de distribución). La distorsión armónica total de los generadores típicos debido a la distorsión de la corriente en la red es del orden del 1 al 2%, lo que puede tener implicaciones a mayor escala, pero puede ignorarse en la práctica común. ^[12] ${\displaystyle I_{\mbox{rms}}}$

El resultado cuando se multiplica por el factor de potencia de desplazamiento es el factor de potencia real total o simplemente el factor de potencia (PF):

${\displaystyle {\mbox{PF}}={\frac {\cos {\varphi }}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}}$

Distorsión en redes trifásicas.

En la práctica, los efectos locales de la corriente de distorsión en dispositivos en una red de distribución trifásica dependen de la magnitud de ciertos armónicos de orden en lugar de la distorsión armónica total.

Por ejemplo, los armónicos triplen, o de secuencia cero, (3.º, 9.º, 15.º, etc.) tienen la propiedad de estar en fase cuando se comparan línea a línea. En un transformador delta-estrella , estos armónicos pueden dar lugar a corrientes circulantes en los devanados delta y provocar un mayor calentamiento resistivo . En una configuración en estrella de un transformador, los armónicos triples no crearán estas corrientes, pero darán como resultado una corriente distinta de cero en el cable neutro . Esto podría sobrecargar el cable neutro en algunos casos y generar errores en los sistemas de medición de kilovatios-hora y en los ingresos de facturación. ^{[13] [14]} La presencia de armónicos de corriente en un transformador también da como resultado corrientes parásitas más grandes en el núcleo magnético del transformador. Las pérdidas por corrientes parásitas generalmente aumentan con el cuadrado de la frecuencia, lo que reduce la eficiencia del transformador, disipa calor adicional y reduce su vida útil. ^[15]

Los armónicos de secuencia negativa (5.º, 11.º, 17.º, etc.) se combinan 120 grados desfasados, de manera similar al armónico fundamental pero en una secuencia invertida. En generadores y motores, estas corrientes producen campos magnéticos que se oponen a la rotación del eje y, en ocasiones, provocan vibraciones mecánicas dañinas. ^[dieciséis]

Fuentes de alimentación conmutadas

Una clase particularmente importante de cargas no lineales son los millones de computadoras personales que típicamente incorporan fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) con una potencia de salida nominal que varía desde unos pocos vatios hasta más de 1 kW. Históricamente, estas fuentes de alimentación de muy bajo costo incorporaban un rectificador simple de onda completa que conducía solo cuando el voltaje instantáneo de la red excedía el voltaje en los capacitores de entrada. Esto conduce a relaciones muy altas de corriente de entrada pico a promedio , lo que también conduce a un factor de potencia de distorsión bajo y problemas de carga de fase y neutro potencialmente graves.

Una fuente de alimentación de modo conmutado típica convierte primero la red de CA en un bus de CC mediante un puente rectificador . La tensión de salida se deriva entonces de este bus de CC. El problema con esto es que el rectificador es un dispositivo no lineal, por lo que la corriente de entrada es altamente no lineal. Eso significa que la corriente de entrada tiene energía en armónicos de la frecuencia del voltaje. Esto presenta un problema para las compañías eléctricas, porque no pueden compensar la corriente armónica agregando capacitores o inductores simples, como podrían hacerlo con la potencia reactiva consumida por una carga lineal. Muchas jurisdicciones están comenzando a exigir la corrección del factor de potencia para todas las fuentes de alimentación que superen un determinado nivel de potencia.

Las agencias reguladoras como la UE han establecido límites armónicos como método para mejorar el factor de potencia. La disminución del costo de los componentes ha acelerado la implementación de dos métodos diferentes. Para cumplir con la norma actual de la UE EN61000-3-2, todas las fuentes de alimentación de modo conmutado con una potencia de salida superior a 75 W deben incluir al menos una corrección pasiva del factor de potencia. La certificación de fuente de alimentación 80 Plus requiere un factor de potencia de 0,9 o más.

Corrección del factor de potencia (PFC) en cargas no lineales

PFC pasivo

La forma más sencilla de controlar la corriente armónica es utilizar un filtro que pase la corriente sólo a la frecuencia de la línea (50 o 60 Hz). El filtro consta de condensadores o inductores y hace que un dispositivo no lineal parezca más una carga lineal . Un ejemplo de PFC pasivo es un circuito de relleno de valles .

Una desventaja del PFC pasivo es que requiere inductores o condensadores más grandes que un circuito PFC activo de potencia equivalente. ^{[17] [18] [19]} Además, en la práctica, el PFC pasivo suele ser menos eficaz para mejorar el factor de potencia. ^{[20] [21] [22] [23] [24]}

PFC activo

Especificaciones extraídas del paquete de una fuente de alimentación para PC de 610 W que muestra la clasificación PFC activa

El PFC activo es el uso de electrónica de potencia para cambiar la forma de onda de la corriente consumida por una carga para mejorar el factor de potencia. ^[25] Algunos tipos de PFC activo son reductor , elevador , reductor-impulsor y condensador síncrono . La corrección activa del factor de potencia puede ser de una sola etapa o de varias etapas.

En el caso de una fuente de alimentación conmutada, se inserta un convertidor elevador entre el puente rectificador y los condensadores de entrada principales. El convertidor elevador intenta mantener un voltaje constante en su salida mientras consume una corriente que siempre está en fase y a la misma frecuencia que el voltaje de línea. Otro convertidor de modo conmutado dentro de la fuente de alimentación produce el voltaje de salida deseado desde el bus de CC. Este enfoque requiere interruptores semiconductores y electrónica de control adicionales, pero permite componentes pasivos más baratos y más pequeños. Se utiliza con frecuencia en la práctica.

Para un SMPS trifásico, se puede utilizar la configuración del rectificador Viena para mejorar sustancialmente el factor de potencia.

Los SMPS con PFC pasivo pueden alcanzar un factor de potencia de aproximadamente 0,7 a 0,75, los SMPS con PFC activo, hasta un factor de potencia de 0,99, mientras que un SMPS sin ninguna corrección del factor de potencia tiene un factor de potencia de solo aproximadamente 0,55 a 0,65. ^[26]

Debido a su amplio rango de voltaje de entrada, muchas fuentes de alimentación con PFC activo pueden ajustarse automáticamente para funcionar con alimentación de CA desde aproximadamente 100 V (Japón) a 240 V (Europa). Esta característica es especialmente bienvenida en las fuentes de alimentación para portátiles.

PFC dinámico

La corrección dinámica del factor de potencia (DPFC), a veces denominada corrección del factor de potencia en tiempo real, se utiliza para la estabilización eléctrica en casos de cambios rápidos de carga (por ejemplo, en grandes plantas de fabricación). DPFC es útil cuando la corrección del factor de potencia estándar causaría una corrección excesiva o insuficiente. ^[27] DPFC utiliza interruptores semiconductores, típicamente tiristores , para conectar y desconectar rápidamente condensadores o inductores para mejorar el factor de potencia.

Importancia en los sistemas de distribución.

Batería de condensadores de 75 MVAr en una subestación de 150 kV

Los factores de potencia inferiores a 1,0 requieren que una empresa de servicios públicos genere más que los voltamperios mínimos necesarios para suministrar la potencia real (vatios). Esto aumenta los costos de generación y transmisión. Por ejemplo, si el factor de potencia de la carga fuera tan bajo como 0,7, la potencia aparente sería 1,4 veces la potencia real utilizada por la carga. La corriente de línea en el circuito también sería 1,4 veces la corriente requerida con un factor de potencia de 1,0, por lo que las pérdidas en el circuito se duplicarían (ya que son proporcionales al cuadrado de la corriente). Alternativamente, todos los componentes del sistema, como generadores, conductores, transformadores y aparamenta, aumentarían de tamaño (y costo) para transportar la corriente adicional. Cuando el factor de potencia está cerca de la unidad, para la misma clasificación de kVA del transformador se puede suministrar más corriente de carga. ^[28]

Las empresas de servicios públicos suelen cobrar costos adicionales a los clientes comerciales que tienen un factor de potencia por debajo de cierto límite, que suele ser de 0,9 a 0,95. Los ingenieros suelen estar interesados ​​en el factor de potencia de una carga como uno de los factores que afectan la eficiencia de la transmisión de energía.

Con el creciente costo de la energía y las preocupaciones sobre el suministro eficiente de energía, el PFC activo se ha vuelto más común en la electrónica de consumo. ^[29] Las pautas actuales de Energy Star para computadoras ^[30] exigen un factor de potencia de ≥ 0,9 al 100% de la potencia nominal en la fuente de alimentación de la PC . Según un documento técnico escrito por Intel y la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU ., las PC con fuentes de alimentación internas requerirán el uso de corrección activa del factor de potencia para cumplir con los requisitos del programa ENERGY STAR 5.0 para computadoras. ^[31]

En Europa, EN 61000-3-2 requiere que se incorpore la corrección del factor de potencia en los productos de consumo.

A los clientes pequeños, como los hogares, generalmente no se les cobra por la potencia reactiva, por lo que no se instalará equipo de medición del factor de potencia para dichos clientes.

Técnicas de medición

El factor de potencia en un circuito monofásico (o circuito trifásico equilibrado) se puede medir con el método vatímetro-amperímetro-voltímetro, donde la potencia en vatios se divide por el producto del voltaje y la corriente medidos. El factor de potencia de un circuito polifásico equilibrado es el mismo que el de cualquier fase. El factor de potencia de un circuito polifásico desequilibrado no está definido de forma única.

Un medidor de factor de potencia de lectura directa se puede realizar con un medidor de bobina móvil del tipo electrodinámico, llevando dos bobinas perpendiculares en la parte móvil del instrumento. El campo del instrumento es energizado por el flujo de corriente del circuito. Las dos bobinas móviles, A y B, están conectadas en paralelo con la carga del circuito. Una bobina, A, se conectará a través de una resistencia y la segunda bobina, B, a través de un inductor, de modo que la corriente en la bobina B está retrasada con respecto a la corriente en A. Con un factor de potencia unitario, la corriente en A está en fase. con la corriente del circuito, y la bobina A proporciona el par máximo, impulsando el puntero del instrumento hacia la marca 1,0 en la escala. Con un factor de potencia cero, la corriente en la bobina B está en fase con la corriente del circuito, y la bobina B proporciona un par para llevar el puntero hacia 0. En valores intermedios del factor de potencia, los pares proporcionados por las dos bobinas se suman y el puntero ocupa el valor intermedio. posiciones. ^[32]

Otro instrumento electromecánico es el del tipo de paletas polarizadas. ^[33] En este instrumento, una bobina de campo estacionario produce un campo magnético giratorio, como un motor polifásico. Las bobinas de campo están conectadas directamente a fuentes de voltaje polifásicas o a un reactor de desplazamiento de fase si se trata de una aplicación monofásica. Una segunda bobina de campo estacionario, perpendicular a las bobinas de voltaje, transporta una corriente proporcional a la corriente en una fase del circuito. El sistema de movimiento del instrumento consta de dos paletas que están magnetizadas por la bobina actual. En funcionamiento, las paletas móviles adoptan un ángulo físico equivalente al ángulo eléctrico entre la fuente de voltaje y la fuente de corriente. Se puede hacer que este tipo de instrumento registre corrientes en ambas direcciones, brindando una visualización de cuatro cuadrantes del factor de potencia o ángulo de fase.

Existen instrumentos digitales que miden directamente el desfase temporal entre las formas de onda de tensión y corriente. Los instrumentos económicos de este tipo miden el pico de las formas de onda. Las versiones más sofisticadas miden únicamente el pico del armónico fundamental, dando así una lectura más precisa del ángulo de fase en formas de onda distorsionadas. Calcular el factor de potencia a partir de las fases de tensión y corriente sólo es preciso si ambas formas de onda son sinusoidales. ^[34]

Los analizadores de calidad de energía, a menudo denominados analizadores de energía, realizan un registro digital de la forma de onda de voltaje y corriente (generalmente monofásica o trifásica) y calculan con precisión la potencia real (vatios), la potencia aparente (VA), el factor de potencia, el voltaje de CA, Corriente CA, tensión CC, corriente CC, frecuencia, medición de armónicos IEC61000-3-2/3-12, medición de parpadeo IEC61000-3-3/3-11, voltajes de fase individuales en aplicaciones delta donde no hay línea neutra, armónicos totales distorsión, fase y amplitud de armónicos individuales de tensión o corriente, etc. ^{[35] [36]}

Mnemotécnica

Se recomienda a los estudiantes de ingeniería eléctrica de habla inglesa que recuerden: ELI el hombre ICE o ELI en ICE : el voltaje E, conduce a la corriente I, en un inductor L. La corriente I conduce al voltaje E en un capacitor C.

Otro mnemotécnico común es CIVIL: en un condensador (C), la corriente (I) conduce al voltaje (V), el voltaje (V) conduce a la corriente (I) en un inductor (L).

Referencias

1. Das, JC (2015). Armónicos del sistema de potencia y diseño de filtros pasivos . Wiley, prensa IEEE. pag. 2.ISBN​ 978-1-118-86162-2. Para distinguir entre cargas lineales y no lineales, podemos decir que las cargas lineales invariantes en el tiempo se caracterizan de modo que la aplicación de un voltaje sinusoidal da como resultado un flujo de corriente sinusoidal.
2. Boylestad, Robert (4 de marzo de 2002). Análisis introductorio de circuitos (10ª ed.). pag. 857.ISBN​ 978-0-13-097417-4.
3. "Unidades SI - Electricidad y Magnetismo". CH : Comisión Electrotécnica Internacional. Archivado desde el original el 11 de diciembre de 2007 . Consultado el 14 de junio de 2013 .
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enlaces externos

• Armónicos y cómo se relacionan con el factor de potencia (PDF) , U Texas.