Comprendere il fattore di potenza e come influisce sulle bollette energetiche

Oltre alla sicurezza e all'affidabilità, molti altri obiettivi, inclusa l'efficienza, dovrebbero essere perseguiti nella progettazione e implementazione dei sistemi elettrici. Una delle misure di efficienza in un sistema elettrico è l'efficienza con cui il sistema trasforma l'energia che riceve in lavoro utile. Questa efficienza è indicata da un componente dei sistemi elettrici noto come Power Factor. Il fattore di potenza indica quanta potenza viene effettivamente utilizzata per eseguire un lavoro utile da parte di un carico e quanta energia viene "sprecata". Per quanto banale possa sembrare il suo nome, è uno dei principali fattori alla base di bollette elevate e interruzioni di corrente.

Per essere in grado di descrivere correttamente il fattore di potenza e il suo significato pratico, è importante rinfrescare la memoria sui diversi tipi di carichi elettrici e componenti di potenza esistenti.

Dalle classi elettriche di base, i carichi elettrici sono tipicamente di due tipi;

Carichi resistivi
Carichi reattivi

1. Carichi resistivi

Carichi resistivi, come suggerisce il nome, questi carichi sono costituiti da elementi puramente resistivi. Per questo tipo di carichi (considerando le condizioni ideali), tutta la potenza ad esso fornita viene dissipata per lavoro per il fatto che la corrente è in fase con la tensione. Un buon esempio di carichi resistivi include lampadine a incandescenza e batterie.

La componente di potenza associata ai carichi resistivi viene definita potenza effettiva. Questo potere effettivo è talvolta chiamato anche potenza di lavoro, vero potere o potere reale. Se non hai familiarità con l'alimentazione CA e ti senti confuso con tutte queste forme d'onda, si consiglia di leggere le basi della CA per capire come funziona l'alimentazione CA.

2. Carichi reattivi

I carichi reattivi, d'altra parte, sono un po 'più complessi. Sebbene causino una caduta di tensione e assorbano corrente dalla sorgente, non dissipano alcuna potenza utile in quanto tali perché la potenza che assorbono dall'alimentazione non funziona. Ciò è dovuto alla natura dei carichi reattivi.

I carichi reattivi possono essere capacitivi o induttivi. Nei carichi induttivi, la potenza assorbita viene utilizzata per impostare il flusso magnetico senza alcun lavoro diretto eseguito mentre per i carichi capacitivi, la potenza viene utilizzata per caricare il condensatore e non per produrre direttamente lavoro. La potenza così dissipata nei carichi reattivi viene definita potenza reattiva. I carichi reattivi sono caratterizzati dalla corrente in anticipo (carichi capacitivi) o in ritardo (carichi induttivi) dietro la tensione, in quanto tale, di solito esiste una differenza di fase tra la corrente e la tensione.

I due grafici sopra rappresentano un carico induttivo e capacitivo in cui il fattore di potenza è rispettivamente in ritardo e in anticipo. Le variazioni di questi due tipi di carico portano all'esistenza di tre componenti di potenza nei sistemi elettrici, vale a dire;

Potenza effettiva
Potere reattivo
Potere apparente

1. Potenza effettiva

Questa è la potenza associata ai carichi resistivi. È la componente di potenza dissipata per l'esecuzione del lavoro effettivo negli impianti elettrici. Dal riscaldamento all'illuminazione, ecc., È espresso in Watt (W) (insieme ai suoi moltiplicatori, kilo, Mega, ecc.) E simbolicamente rappresentato dalla lettera P.

2. Potenza reattiva

Questa è la potenza associata ai carichi reattivi. Come risultato del ritardo tra tensione e corrente nei carichi reattivi, l'energia assorbita in reattiva (capacitiva o induttiva) non produce lavoro. È indicato come potenza reattiva e la sua unità è Volt-Ampere Reactive (VAR).

3. Potenza apparente

I sistemi elettrici tipici comprendono carichi resistivi e induttivi, pensa alle lampadine e ai riscaldatori per carichi resistivi e alle apparecchiature con motori, compressori, ecc. Come carichi induttivi. Pertanto, in un sistema elettrico, la potenza totale è una combinazione dei componenti di potenza effettiva e reattiva, questa potenza totale è anche chiamata potenza apparente.

La potenza apparente è data dalla somma della potenza effettiva e della potenza reattiva. La sua unità è volt-amp (VA) e rappresentata matematicamente dall'equazione;

Potenza apparente = Potenza effettiva + Potenza reattiva

In situazioni ideali, la potenza effettiva dissipata in un sistema elettrico è solitamente maggiore della potenza reattiva. L'immagine sotto mostra il diagramma vettoriale disegnato utilizzando i tre componenti di potenza

Questo diagramma vettoriale può essere trasformato nel triangolo di potenza come mostrato di seguito.

Il fattore di potenza può essere calcolato ottenendo l'angolo theta (ϴ) mostrato sopra. Qui theta è l'angolo tra il potere reale e il potere apparente. Quindi, seguendo la regola del coseno (adiacente su ipotenusa), il fattore di potenza può essere stimato come il rapporto tra la potenza effettiva e la potenza apparente. Di seguito vengono fornite le formule per calcolare il fattore di potenza

PF = Potenza effettiva / Potenza apparente o PF = Cosϴ

Affiancando questa equazione per la determinazione della potenza apparente, è facile notare che un aumento della potenza reattiva (presenza di un numero elevato di carichi reattivi), porta ad un aumento della potenza apparente e ad un valore maggiore dell'angolo ϴ, che alla fine si traduce in un basso fattore di potenza quando si ottiene il suo coseno (cos ϴ). Il rovescio della medaglia, la riduzione dei carichi reattivi (potenza reattiva) porta ad un aumento del fattore di potenza, indicando un'elevata efficienza nei sistemi con carichi meno reattivi e viceversa. Il valore del Power Factor sarà sempre compreso tra 0 e 1, più ci si avvicina a uno maggiore sarà l'efficienza del sistema. In India il valore del fattore di potenza ideale è considerato pari a 0,8. Il valore del fattore di potenza non ha unità.

Importanza del fattore di potenza

Se il valore del fattore di potenza è basso, significa che l'energia dalla rete viene sprecata poiché una parte enorme di essa non viene utilizzata per lavori significativi. Questo perché il carico qui consuma più potenza reattiva rispetto alla potenza reale. Ciò mette a dura prova il sistema di alimentazione provocando un sovraccarico sul sistema di distribuzione in quanto dal sistema verranno prelevate sia la potenza reale richiesta dal carico che la potenza reattiva utilizzata per soddisfare i carichi reattivi.

Questa tensione e lo "spreco" in genere portano a enormi bollette dell'elettricità per i consumatori (in particolare i consumatori industriali) poiché le società di servizi calcolano il consumo in termini di potenza apparente, in quanto tali, finiscono per pagare per l'energia che non è stata utilizzata per realizzare alcun lavoro "significativo". Alcune aziende multano anche i loro consumatori se assorbono più potenza reattiva poiché causa un sovraccarico del sistema. Questa multa è imposta in modo da ridurre il basso fattore di potenza che causa i carichi utilizzati nelle industrie.

Anche in situazioni in cui l'energia viene fornita dai generatori dell'azienda, i soldi vengono sprecati per generatori più grandi, cavi di dimensioni maggiori, ecc. Necessari per fornire energia quando un buon numero di esso sarà semplicemente sprecato. Per capire meglio questo, considera l'esempio seguente

Una fabbrica che utilizza un carico di 70 kW potrebbe essere alimentata con successo da un generatore / trasformatore e cavi classificati per 70 kVA se la fabbrica funziona con un fattore di potenza di 1. Tuttavia, se il fattore di potenza scende a 0,6, anche con lo stesso 70KW, sarà richiesto un generatore o un trasformatore più grande da 116,67 kVA (70 / 0,6), poiché il generatore / trasformatore dovrà fornire la potenza aggiuntiva per il carico reattivo. Oltre a questo forte aumento dei requisiti di alimentazione, sarebbe necessario aumentare anche le dimensioni dei cavi utilizzati, con un conseguente aumento significativo del costo delle apparecchiature e maggiori perdite di potenza come risultato della resistenza lungo i conduttori. La punizione per questo va oltre le bollette elettriche elevate in alcuni paesi, poiché le aziende con un fattore di potenza scarso di solito vengono multate con enormi somme per incoraggiare la rettifica.

Migliorare il fattore di potenza

Con tutto ciò che è stato detto, sarai d'accordo con me sul fatto che ha più senso dal punto di vista economico rettificare il fattore di potenza scarso piuttosto che continuare a pagare enormi bollette elettriche, soprattutto per le grandi industrie. Si stima inoltre che oltre il 40% sulle bollette elettriche possa essere risparmiato in grandi industrie e stabilimenti di produzione se il fattore di potenza viene corretto e mantenuto basso.

A parte la riduzione dei costi per i consumatori, la gestione di un sistema efficiente contribuisce all'affidabilità e all'efficienza complessiva della rete elettrica, poiché le società di servizi sono in grado di ridurre le perdite nelle linee e i costi di manutenzione, sperimentando anche una riduzione della quantità di trasformatori e infrastruttura di supporto simile necessaria per le loro operazioni.

Calcolo del fattore di potenza per il carico

Il primo passaggio per correggere il fattore di potenza è determinare il fattore di potenza per il carico. Questo può essere fatto da;

1. Calcolo della potenza reattiva utilizzando i dettagli di reattanza del carico

2. Determinare la potenza reale dissipata dal carico e combinarla con la potenza apparente per ottenere il fattore di potenza.

3. L'uso del misuratore del fattore di potenza.

Il misuratore del fattore di potenza viene utilizzato principalmente in quanto aiuta a ottenere facilmente il fattore di potenza in configurazioni di sistema di grandi dimensioni, dove determinare i dettagli di reattanza del carico e la potenza dissipata reale, può essere un percorso difficile.

Con il fattore di potenza noto si può quindi procedere a correggerlo, regolandolo il più possibile vicino a 1.n Il fattore di potenza consigliato dalle aziende di fornitura elettrica, è solitamente compreso tra 0,8 e 1 e questo può essere raggiunto solo se si esegue un carico resistivo o la reattanza induttiva (carico) nel sistema è uguale alla reattanza capacitiva poiché entrambi si annullano a vicenda.

A causa del fatto che l'uso di carichi induttivi è una causa più comune di basso fattore di potenza, specialmente in ambienti industriali (a causa dell'uso di motori pesanti, ecc.), Uno dei metodi più semplici per correggere il fattore di potenza è annullare il reattanza induttiva mediante l'utilizzo di condensatori di correzione che introducono reattanza capacitiva nel sistema.

I condensatori di correzione del fattore di potenza agiscono come un generatore di corrente reattiva, contrastando / compensando la potenza "sprecata" dai carichi induttivi. Tuttavia, è necessario considerare attentamente la progettazione quando si inseriscono questi condensatori nelle configurazioni per garantire un funzionamento regolare con apparecchiature come azionamenti a velocità variabile e un equilibrio efficace con i costi. A seconda della struttura e della distribuzione del carico, il progetto potrebbe comprendere condensatori a valore fisso installati nei punti di carico induttivo o banchi di condensatori di correzione automatica installati sulle sbarre dei pannelli di distribuzione per una correzione centralizzata che di solito è più conveniente nei grandi sistemi.

L'uso di condensatori di correzione del fattore di potenza nelle configurazioni ha i suoi svantaggi, soprattutto quando non vengono utilizzati i condensatori giusti o il sistema non è progettato correttamente. L'utilizzo dei condensatori potrebbe produrre un breve periodo di “sovratensione”, all'accensione, che potrebbe compromettere il corretto funzionamento di apparecchiature come gli azionamenti a velocità variabile, provocandone lo spegnimento intermittente o la rottura dei fusibili su alcuni condensatori. Tuttavia, potrebbe essere risolto tentando di regolare la sequenza di controllo della commutazione, nel caso dei variatori di velocità o eliminando le correnti armoniche nel caso dei fusibili.

Unity Power Factor e perché non è pratico

Quando il valore del tuo fattore di potenza è uguale a 1, il fattore di potenza è detto fattore di potenza unitario. Si potrebbe essere tentati di ottenere il fattore di potenza ottimale di 1, ma è quasi impossibile ottenerlo perché nessun sistema è veramente ideale. Nel senso che nessun carico è puramente resistivo, capacitivo o induttivo. Ogni carico comprende alcuni degli elementi dell'altro, non importa quanto piccolo, poiché tale intervallo di fattore di potenza realizzabile tipico è solitamente fino a 0,9 / 0,95. Abbiamo già imparato a conoscere queste proprietà parassite degli elementi RLC nei nostri articoli ESR ed ESL con condensatori.

Il fattore di potenza è un fattore determinante del modo in cui stai utilizzando l'energia e quanto paghi in bollette elettriche (soprattutto per le industrie). Per estensione, è un importante contributo ai costi operativi e potrebbe essere quel fattore alla base dei margini di profitto ridotti a cui non hai prestato attenzione. Migliorare il fattore di potenza del sistema elettrico potrebbe aiutare a ridurre le bollette elettriche e garantire la massimizzazione delle prestazioni.