Factor de potencia

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Relación del poder activo con el poder aparente

Esquemática mostrando cómo se calcula el factor de potencia

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 fluyendo en el circuito. La potencia real es el promedio del producto instantáneo de voltaje y corriente y representa la capacidad de la electricidad para realizar un trabajo. La potencia aparente es el producto de la corriente RMS 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 sería necesario para transferir potencia 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 potencia 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 por la misma cantidad de potencia útil transferida. Las corrientes más altas aumentan la pérdida de energía en el sistema de distribución y requieren cables más grandes y otros equipos. Debido a los costos de los equipos más grandes y la energía desperdiciada, las empresas eléctricas generalmente cobrarán un costo más alto a los clientes industriales o comerciales donde hay un factor de potencia bajo.

Corrección del factor de potencia aumenta el factor de potencia de una carga, mejorando la eficiencia del sistema de distribución al que está conectado. Las cargas lineales con un factor de potencia bajo (como los motores de inducción) se pueden corregir con una red pasiva de capacitores 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, repartidos en un sistema de distribución o integrados en equipos que consumen energía.

Caso general

Esquemática mostrando cómo se calcula el factor de potencia

La expresión general para el factor de potencia viene dada por

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

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

Donde $P$ es el poder real medido por un wattímetro ideal, ${displaystyle I_{rms}}$ es la corriente rms medida por un ametro ideal, y ${displaystyle V_{rms}}$ es el voltaje rms medido por un voltímetro ideal. Poder aparente, $P_{a}$ , es el producto de la corriente rms y el voltaje rms.

Si la carga es fuente de energía hacia el generador, entonces $P$ y ${displaystyle {mbox{power factor}}}$ será negativo.

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 de la siguiente manera

{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 $i(t)$ es la corriente instantánea, $v(t)$ es el voltaje instantáneo, $t'$ es un tiempo de inicio arbitrario, y $T$ es el período de las ondas.

Formas de onda no periódicas

Si las ondas no son periódicas y los metros físicos tienen el mismo tiempo de promediación, entonces las ecuaciones para el caso periódico se pueden utilizar con la excepción de que $T$ es el tiempo promedio de los metros en lugar del período de onda.

Circuitos lineales invariantes en el tiempo

Flujo de potencia calculado a partir de voltaje AC y corriente entrando en una carga con un factor de potencia cero (

φ

= 90°, porque(

φ

) = 0). La línea azul muestra la potencia instantánea que entra en la carga: toda la energía recibida durante el primer (o tercer) ciclo trimestral se devuelve a la cuadrícula durante el segundo (o cuarto) ciclo trimestral, dando lugar a un promedio flujo de energía (línea azul ligera) de cero.

Potencia instantánea y media calculada a partir del voltaje AC y la corriente para una carga con un factor de potencia de lavado (

φ

= 45°, porque(

φ

) Entendido 0.71). La línea azul (poder instantánea) muestra que una parte de la energía recibida por la carga se devuelve a la red durante la parte del ciclo etiquetado

φ

Circuitos lineales invariantes en el tiempo (referidos simplemente como circuitos lineales en el resto de este artículo), por ejemplo, los circuitos que consisten en combinaciones de resistencias, inductores y capacitores tienen una respuesta sinusoidal a la sinusoidal linea de voltaje. 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 la polaridad en el mismo instante en cada ciclo. Toda la energía que ingresa a la carga se consume (o se disipa).

Donde hay cargas reactivas, como capacitores 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 cualquier 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 más tarde.

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, electroválvulas, transformadores, balastros de lámparas fluorescentes y otros) pueden tener un factor de potencia muy por debajo de 1.

En la red eléctrica, las cargas reactivas provocan un flujo y reflujo continuo de energía improductiva. Un circuito con un factor de potencia bajo usará 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 mayor potencia nominal. conductores y transformadores.

Definición y cálculo

La alimentación de CA tiene dos componentes:

Potencia real o poder activo ( $P$ ) (a veces llamado poder promedio), expresado en watts (W)
Potencia reactiva ( $Q$ ), generalmente expresado en voltios reactivas (var)

Juntos forman el poder complejo ( $S$ ) expresado como amplificadores de voltio (VA). La magnitud del poder complejo es el poder aparente ( $|S|$ ), también expresado en los amplificadores de voltio (VA).

VA y var son unidades ajenas al SI matemáticamente idénticas al vatio, pero se utilizan en la práctica de la ingeniería en lugar del vatio para indicar qué cantidad se está expresando. El SI prohíbe explícitamente el uso de unidades para este propósito o como la única fuente de información sobre una cantidad física utilizada.

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 únicamente en potencia real que puede realizar trabajo una vez transferida a la carga, sino que consiste en una combinación de potencia real y reactiva, denominada 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.

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 se adelanta a la forma de onda de voltaje.

Triángulo de potencia

Se pueden relacionar los diversos componentes de la alimentación de 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 activa 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 la 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 rezagados, adelantados y unitarios

El factor de potencia se describe como líder si la onda actual es avanzada en fase con respecto al voltaje, o lagging cuando la onda actual está detrás de la onda de voltaje. Un factor de potencia de carga significa que la carga es inductiva, ya que la carga será consumir energía reactiva. El componente reactivo $Q$ es positivo como la energía reactiva viaja a través del circuito y es consum por la carga inductiva. Un factor de potencia líder significa que la carga es capacitiva, como la carga suministros potencia reactiva, y por lo tanto el componente reactiva $Q$ es negativo ya que se está suministrando energía reactiva al circuito.

Si θ es el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje, entonces el factor de potencia es igual al cosino del ángulo, $cos theta$ :

|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 adelanto o retraso para mostrar el signo del ángulo de fase. Las cargas capacitivas están en adelanto (la corriente conduce al voltaje) y las cargas inductivas están en atraso (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 al mismo tiempo, 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 enrollada), consumen potencia reactiva y la forma de onda de la corriente se retrasa con respecto al voltaje. Las cargas capacitivas, como bancos de condensadores o cables enterrados, generan potencia reactiva con la fase de corriente a la cabeza de la tensión. 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, se necesita transferir 1 kVA de potencia aparente (1 kW ÷ 1 = 1 kVA). A valores bajos del factor de potencia, se necesita 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 energía de corriente alterna consumen tanto energía activa como reactiva. La suma vectorial de 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 inferior a la potencia aparente, por lo que la carga eléctrica tiene un factor de potencia inferior a 1.

Puede producirse un factor de potencia negativo (0 a −1) al devolver potencia activa a la fuente, como en el caso de un edificio equipado con paneles solares cuando la potencia excedente se devuelve al suministro.

Corrección del factor de potencia de cargas lineales

Corrección del factor de potencia de la carga lineal

Por lo general, 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. La corrección del factor de potencia puede ser aplicada por una empresa de transmisión de energía eléctrica para mejorar la estabilidad y la eficiencia de la red. Los clientes individuales de electricidad 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 a fin de reducir los costos.

La corrección del factor de potencia acerca el factor de potencia de un circuito de alimentación de CA a 1 mediante el suministro o la absorción de potencia reactiva, añadiendo 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 potencia reactiva tenga que fluir desde el generador de servicio hasta la carga. En la industria eléctrica, se dice que los inductores consumen energía reactiva y que los capacitores la suministran, aunque la energía reactiva es solo energía que se mueve de un lado a otro 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 se apagan. Suministrarán o consumirán energía reactiva independientemente de si hay una carga correspondiente operando cerca, lo que aumenta 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 genera inestabilidad en el sistema y fluctuaciones severas de sobrevoltaje. 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 de red; 3. Fusibles lentos; 4. Contadores delimitadores de entrada; 5. Capacitors (single-phase or three-phase units, delta-connection); 6. Transformador (para controles y ventiladores de ventilación)

Una unidad de corrección automática del factor de potencia consta de una serie de condensadores que se conectan mediante contactores. Estos contactores están controlados por un regulador que mide el factor de potencia en una red eléctrica. Según la carga y el factor de potencia de la red, el controlador del factor de potencia conmutará los bloques de condensadores necesarios en pasos para asegurarse de que el factor de potencia se mantenga por encima del 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 una función de su campo de excitación. Se denomina condensador síncrono. Está arrancado y conectado a la red eléctrica. Funciona con un factor de potencia líder y pone 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 suministrada 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 relación 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 de energía de alto voltaje o grandes cargas industriales fluctuantes, se utilizan cada vez más dispositivos electrónicos de potencia como el compensador VAR estático o STATCOM. Estos sistemas pueden 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 alimentación) y los dispositivos de descarga de arco, como lámparas fluorescentes, máquinas de soldadura eléctrica u hornos de arco. Debido a que la corriente en estos sistemas es interrumpida por una acción de conmutación, la corriente contiene componentes de frecuencia que son múltiplos de la frecuencia del sistema de potencia. 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.

Tensión sinusoidal y corriente no sinusoidal dan un factor de potencia de distorsión de 0.75 para esta carga de alimentación de la computadora.

Componentes no sinusoidales

En los circuitos lineales que tienen solo corrientes y voltajes sinusoidales de una frecuencia, el factor de potencia surge solo de la diferencia de fase entre la corriente y el voltaje. Este es el factor de potencia de desplazamiento.

Las cargas no lineales cambian la forma de 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 los sistemas de potencia prácticos que contienen cargas no lineales como rectificadores, algunas formas de iluminación eléctrica, hornos de arco eléctrico, equipos de soldadura, fuentes de alimentación conmutadas, 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 la potencia reactiva se debe utilizar un vatímetro diseñado para trabajar correctamente con corrientes no sinusoidales.

Factor de potencia de distorsión

El factor de distorsión de potencia es el componente de distorsión asociado con las tensiones y corrientes armónicas 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}}}

${mbox{THD}}_{i}$ 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}}}}

$I_{1}$ es el componente fundamental de la corriente y $I_{mbox{rms}}$ es la corriente total – ambos son valores cuadrados básicos (el factor de potencia de distorsión también se puede utilizar para describir armónicos de orden individual, utilizando la corriente correspondiente en lugar de corriente total). Esta definición con respecto a la distorsión armónica total supone que el voltaje permanece indistorsionado (sinusoidal, sin armónicos). Esta simplificación es a menudo una buena aproximación para las fuentes de voltaje rígido (no siendo afectada por los cambios en el flujo de carga en la red de distribución). La distorsión armónica total de generadores típicos de la distorsión actual en la red está en el orden del 1–2%, que puede tener implicaciones a mayor escala pero puede ser ignorada en la práctica común.

El resultado cuando se multiplica con el factor de potencia de desplazamiento (DPF) es el factor de potencia verdadero general 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 los dispositivos de una red de distribución trifásica dependen de la magnitud de armónicos de cierto orden en lugar de la distorsión armónica total.

Por ejemplo, los armónicos triples o de secuencia cero (3.°, 9.°, 15.°, etc.) tienen la propiedad de estar en fase cuando se comparan línea a línea. En un transformador delta-estrella, estos armónicos pueden generar corrientes circulantes en los devanados delta y generar 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 crear errores en los sistemas de medición de kilovatios-hora y en los ingresos de facturación. La presencia de armónicos de corriente en un transformador también da como resultado corrientes de Foucault más grandes en el núcleo magnético del transformador. Las pérdidas por corrientes de Foucault generalmente aumentan con el cuadrado de la frecuencia, lo que reduce la eficiencia del transformador, disipa calor adicional y reduce su vida útil.

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

Fuentes de alimentación conmutadas

Una clase especialmente importante de cargas no lineales son los millones de ordenadores personales que suelen incorporar fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) con una potencia de salida nominal que va 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 de pico a promedio, lo que también conduce a un factor de potencia de baja distorsión y problemas de carga de fase y neutro potencialmente graves.

Una fuente de alimentación conmutada típica primero convierte la red de CA en un bus de CC por medio de un puente rectificador. Luego, el voltaje de salida se deriva 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 los 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 por encima de 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 el estándar 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 la 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 usar un filtro que pase corriente solo a la frecuencia de línea (50 o 60 Hz). El filtro consta de condensadores o inductores y hace que un dispositivo no lineal se parezca más a una carga lineal. Un ejemplo de PFC pasivo es un circuito de relleno de valle.

Una desventaja del PFC pasivo es que requiere inductores o capacitores más grandes que un circuito PFC activo de potencia equivalente. Además, en la práctica, el PFC pasivo suele ser menos efectivo para mejorar el factor de potencia.

PFC activo

Especificaciones tomadas del embalaje de una fuente de alimentación PC de 610 W que muestra la calificación 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. Algunos tipos de PFC activo son buck, boost, buck-boost y condensador síncrono. La corrección activa del factor de potencia puede ser de una o 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 en 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, la configuración del rectificador Vienna se puede usar para mejorar sustancialmente el factor de potencia.

Los SMPS con PFC pasivo pueden lograr un factor de potencia de aproximadamente 0,7 a 0,75, los SMPS con PFC activo, un factor de potencia de hasta 0,99, mientras que los SMPS sin ninguna corrección del factor de potencia tienen un factor de potencia de solo aproximadamente 0,55 a 0,65.

Debido a su rango de voltaje de entrada muy amplio, muchas fuentes de alimentación con PFC activo pueden ajustarse automáticamente para funcionar con alimentación de CA de aproximadamente 100 V (Japón) a 240 V (Europa). Esa 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 sitios de fabricación). DPFC es útil cuando la corrección del factor de potencia estándar causaría una corrección excesiva o insuficiente. DPFC utiliza interruptores semiconductores, normalmente tiristores, para conectar y desconectar rápidamente condensadores o inductores para mejorar el factor de potencia.

Importancia en los sistemas de distribución

75 MVAr banco de condensadores en una subestación de 150 kV

Los factores de potencia inferiores a 1,0 requieren que una empresa de servicios públicos genere más de los voltios-amperios 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 (dado que son proporcionales al cuadrado de la corriente). Alternativamente, todos los componentes del sistema, como generadores, conductores, transformadores y aparamenta, aumentarían en tamaño (y costo) para transportar la corriente adicional. Cuando el factor de potencia es cercano a la unidad, para la misma clasificación de kVA del transformador, se puede suministrar más corriente de carga.

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 potencia.

Con el aumento del 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. Las pautas actuales de Energy Star para computadoras exigen un factor de potencia de ≥ 0,9 al 100 % de la salida nominal en la fuente de alimentación de la PC. De acuerdo con un libro blanco 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.

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

Los clientes pequeños, como los hogares, no suelen pagar por la potencia reactiva, por lo que no se instalarán equipos de medición del factor de potencia para dichos clientes.

Técnicas de medición

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

Se puede fabricar un medidor de factor de potencia de lectura directa con un medidor de bobina móvil de tipo electrodinámico, que lleva 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 se retrase 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 impulsar el indicador hacia 0. En valores intermedios del factor de potencia, los pares proporcionados por las dos bobinas se suman y el indicador ocupa el valor intermedio. posiciones.

Otro instrumento electromecánico es el tipo de paleta polarizada. En este instrumento, una bobina de campo estacionario produce un campo magnético giratorio, como un motor polifásico. Las bobinas de campo se conectan directamente a fuentes de tensión polifásica o a un reactor de cambio de fase si se trata de una aplicación monofásica. Una segunda bobina de campo estacionaria, perpendicular a las bobinas de tensión, transporta una corriente proporcional a la corriente en una fase del circuito. El sistema de movimiento del instrumento consta de dos paletas que son magnetizadas por la bobina de corriente. En funcionamiento, las paletas móviles adoptan un ángulo físico equivalente al ángulo eléctrico entre la fuente de voltaje y la fuente de corriente. Este tipo de instrumento se puede hacer para registrar corrientes en ambas direcciones, dando una visualización de cuatro cuadrantes del factor de potencia o ángulo de fase.

Existen instrumentos digitales que miden directamente el tiempo de retraso entre las formas de onda de voltaje y corriente. Los instrumentos de bajo costo de este tipo miden el pico de las formas de onda. Las versiones más sofisticadas miden solo el pico del armónico fundamental, lo que brinda una lectura más precisa del ángulo de fase en formas de onda distorsionadas. El cálculo del factor de potencia a partir de las fases de tensión y corriente solo es preciso si ambas formas de onda son sinusoidales.

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), el factor de potencia de potencia aparente (VA), Voltaje CA, corriente CA, voltaje CC, corriente CC, frecuencia, medición armónica IEC61000-3-2/3-12, medición de parpadeo IEC61000-3-3/3-11, voltajes de fase individuales en aplicaciones delta donde no hay una línea neutra, distorsión armónica total, fase y amplitud de tensión individual o armónicos de corriente, etc.

Mnemónicos

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

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