¿Qué es el factor de potencia?

Cuando se quiere realizar una transformación de energía eléctrica en otro tipo de energía, la mayoría de las veces, no se realiza una transformación del 100% en energía útil, sino que se obtienen unas pérdidas.

El voltaje que tenemos en nuestra vivienda es tensión alterna y oscila rápidamente en el tiempo entre dos valores. En corriente continua, solamente disponemos de una potencia. En cambio, la medición de potencia en corriente alterna es más compleja: aparece el concepto de potencia aparente, potencia activa y potencia reactiva y dependen del tipo de carga que conectemos.

Tipos de carga

Una carga es cualquier dispositivo que absorbe energía en un sistema eléctrico. Eléctricamente, existen tres tipos de cargas: resistiva (resistencia), inductiva (bobina) y capacitiva (condensador).

Carga resistiva: Toda la energía se transforma en energía lumínica o calorífica, no en movimiento. La corriente, a su paso por la resistencia, está en fase con la tensión; es decir, ambas tienen el mismo ciclo y pasan por los mismos puntos en el mismo momento. El ángulo entre tensión y corriente es cero.

Carga inductiva (bobinas): Al circular una corriente eléctrica por estos dispositivos, se genera un campo magnético que convierte la energía eléctrica en la energía magnética necesaria para hacerlos funcionar. En un primer momento, la bobina se opone al funcionamiento, de tal forma que en el siguiente ciclo parte de la potencia regresa a la fuente. En los siguientes ciclos, será la inercia la que regulará esta diferencia de potencia. Este hecho hace que se produzca desfases en la corriente. En este caso, la corriente está retrasada respecto de la tensión 90º. Un ejemplo de estas cargas son los motores.

Carga capacitiva (condensadores): En un circuito eléctrico, los condensadores se comportan como un elemento capaz de almacenar la energía eléctrica que recibe y luego la devuelven al sistema. En este caso, la corriente está adelantada respecto de la tensión 90º.

 

Ejemplo de carga inductiva VS carga capacitiva

Con una sencilla analogía entre el agua y la electricidad, vamos a explicar el funcionamiento de una carga inductiva y una carga capacitiva.

Disponemos de un molino de agua que va a representar nuestro dispositivo y la cantidad de agua que llega al molino representa la corriente.

A un “molino inductivo” le cuesta arrancar. El agua va llegando al molino y durante los primeros instantes, el giro de la rueda del molino es lento, necesita una cantidad de agua mayor para poder arrancar que la que posteriormente necesitará para mantener el giro. Esta energía adicional que necesita hasta conseguir mantener el giro a una velocidad constante es lo que se llama potencia reactiva.

Por otro lado, a los “molinos capacitivos” les gusta mantener la misma velocidad de giro. Para ello, el agua que ha llegado de más la almacena para poder mantener el giro de manera constante.

En corriente alterna, estas cargas capacitivas e inductivas son las que dan lugar a la potencia reactiva. Y ¿qué es la potencia reactiva?

Como hemos indicado anteriormente, en corriente alterna existen tres tipos de potencia: activa, reactiva y aparente. Éstas están relacionadas con lo que se llama “factor de potencia” y su representación fasorial se realiza a través del llamado “triángulo de potencias”.

Triángulo de potencias

Un dispositivo eléctrico consume una cantidad de energía equivalente a la entregada por la red eléctrica a la que esté conectado. Esta potencia se denomina “potencia activa”. En nuestro día a día es la que se mide en los registros de contadores y es facturada por las empresas de suministro eléctrico. Se mide en kilovatios (KW)

De la misma manera que en el caso del molino, cuando trabajamos con un dispositivo eléctrico de tipo inductivo, éste necesita un pico inicial de corriente. Esa energía adicional no aparece registrada en el contador, sino que es una energía que necesita el aparato para comenzar a funcionar. A esta energía se le denomina “potencia reactiva” y se mide en kilovares (kVAR)

La suma geométrica de ambas potencias se denomina “potencia aparente” y es la que debe llegar a través de la red eléctrica hasta el punto de consumo. Se mide en Voltamperios (VA).

Vamos a suponer que tenemos un frigorífico que necesita 100W para funcionar de manera constante, pero en el arranque necesita 1000W. La red eléctrica tiene que ser capaz de entregar esos 1000W, aunque sólo nos vayan a cobrar por los 100W.

El hecho de transportar una energía mayor a la que se consume de miles de usuarios sobrecarga la red disminuyendo así la calidad del servicio. Por este motivo, las compañías de distribución penalizan el uso de energía reactiva.

Factor de potencia (fdp)

El factor de potencia es una medida que define el rendimiento eléctrico de un dispositivo relacionando la potencia activa con la potencia aparente. Las pérdidas por calor, rozamiento o de otro tipo no se tienen en cuenta con este valor. Su valor oscilará entre 0 y 1 y cuanto mayor sea, el dispositivo aprovechará mejor la energía para convertirla en “trabajo útil”.

Las cargas puramente resistivas tienen un factor de potencia = 1 (rendimiento máximo) siendo el cos ϕ = fdp. En cambio, en las cargas inductivas o capacitivas, el cos ϕ ≠ fdp.

Según el triángulo de potencias, se define:

cos ϕ = Factor de potencia = Potencia activa / Potencia aparente

Ejemplo:

Imaginemos que tenemos un controlador DALI con fuente incluida de Fullwat: KOMDALI-AC-60/CC.

Tal y como indica el dispositivo, el PF>0.9

Según la tabla, esta fuente es de 60W y tiene varias corrientes de salida seleccionables: 1050mA, 1200mA o 1400mA por un canal.

Por ello, la potencia activa es: 0.9 * 60W = 54W (aprovecha el 90% de la energía suministrada).

Si este dispositivo tuviese un PF=50 y conectamos una carga de 35W, el dispositivo le estaría pidiendo a la red 70W (30W / 0.5).

¿Cómo se puede compensar la potencia reactiva?

En las instalaciones lo que se hace es instalar dispositivos que suministren potencia reactiva de signo contrario a la potencia reactiva demandada por los receptores. A estos dispositivos se les denomina condensadores (dispositivos capacitivos)

Pero ¿la potencia activa aumenta? La potencia activa consumida por los condensadores se considera despreciable, por lo que a efectos de cálculos se puede decir que la potencia activa no varía.

Es muy importante calcular bien la carga capacitiva necesaria para esta “compensación”, ya que en caso de poner una carga capacitiva mayor que la inductiva, el problema se agravaría.

Como se puede ver en la figura, la potencia reactiva capacitiva tiene signo contrario a la inductiva. Gracias a ella, se consigue reducir el ángulo ϕ y por ello aumentar el factor de potencia.