Factor de potencia y Coseno de phi

¡Descubre hoy todo lo que necesitas saber sobre el factor de potencia en diversos tipos de cargas eléctricas!

Antes de examinar cómo se comporta y se calcula el factor de potencia, vamos a comprender primero lo básico.

Tipos de potencias

Para comprender el factor de potencia primero vamos a revisar los siguientes tipos de potencia:

Potencia Activa
Potencia Reactiva
Potencia Aparente

Triángulo de potencias eléctricas

En la siguiente figura se ilustra los diferentes tipos de potencias eléctricas.

De la figura anterior se resume la siguiente ecuación:

S = \sqrt{P^{2} + Q^{2}}

Cos (ϕ) = \frac{P}{S} y Tan (ϕ) = \frac{Q}{P}

¿Qué es el factor de potencia (FP)?

El factor de potencia (FP o Cosφ) es la relación entre la potencia activa (kW), y la potencia aparente (kVA).

Describe como la relación entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida.

El FP está definido por la siguiente ecuación:

F P = \frac{P}{S} = Cosφ

Donde:

FP: factor de potencia

Cosφ: coseno de phi

FP vs Cosφ

Es importante distinguir la diferencia entre los términos factor de potencia y Coseno de phi, ya que no son exactamente lo mismo. El Cosφ y el FP únicamente serán iguales en cargas lineales. Sin embargo, en cargas no lineales son distintos.

Cosφ: Sólo depende de las Potencias Activa (P) y Reactiva (Q).
FP: Depende de las Potencias Activa (P), Reactiva (Q) y de las Distorsiones (D).

En el caso de que el flujo eléctrico sea perfecto y no haya distorsiones (D=0) ambos coincidirán.

FP en motores eléctricos

Tomemos como ejemplo a un motor electico, esto aplica para muchos aparatos eléctricos como: En energía luminosa, en calorífica, en motriz, mecánica ó en sonora.

Entonces podemos decir que el factor de potencia de un dispositivo eléctrico o electrónico es la relación entre la energía que se extrae de la red y la energía útil que obtenemos en su funcionamiento.

El tiempo es despejado en la fórmula final ya que está arriba y abajo en la fracción y para el factor de potencia no es necesario.

F P = \frac{P(absorbida)}{P(útil)}

La fórmula final nos quedaría como la relación entre las dos potencias. Ahora ya puedes entender por qué se llama Factor de Potencia. El factor de potencia es una medida que no tiene unidades, solo numérica.

¿Cómo se utiliza el FP?

El factor de potencia se usa como indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. Puede toma valores entre 0.01 a 1.0

FP = 1.0 Un factor de potencia perfecto (mejor aprovechamiento de energía)

FP < 0.95 Un factor de potencia deficiente (los equipos consumen energía reactiva. Esto provoca un incremento en la corriente eléctrica).

FP en Instalaciones eléctricas

Las cargas inductivas cómo motores, balastros, transformadores, etc, son el origen del bajo factor de potencia, ya que en este tipo de equipos el consumo de corriente se desfasa con relación al voltaje.

Cuando el factor de potencia disminuye demasiado, los exceso de corriente pueden provocar daños en las instalaciones eléctricas por efecto de sobrecargas y alteraciones en la regulación de la tensión.

Tabla de Contenidos

¿Qué es el factor de potencia (FP)?
- FP vs Cosφ
FP en motores eléctricos
- ¿Cómo se utiliza el FP?
FP en Instalaciones eléctricas

El factor de potencia es básicamente un grado de eficiencia eléctrica y, en un circuito AC, la relación entre la potencia útil kW (potencia real necesaria para realizar una tarea) y la potencia aparente kVA (una combinación de potencia verdadera y potencia reactiva: potencia consumida además de energía útil pero no contribuye a la tarea).

La potencia reactiva existe en un circuito AC cuando la corriente y el voltaje no están en fase; algunos equipos eléctricos, como motores y máquinas utilizados en edificios industriales y comerciales, requieren un grado de «potencia reactiva» además de la potencia real para funcionar de manera efectiva.

El factor de potencia también puede denominarse retrasado o adelantado; un factor de potencia retrasado significa que la carga es inductiva y necesita corrección mediante la introducción de condensadores, mientras que un factor de potencia adelantado significa que hay demasiada capacitancia en el circuito. Existe una metodología general entre los operadores de red para aplicar sanciones en forma de un cargo de energía reactiva a los usuarios cuyo factor de potencia cae por debajo de 0,95 pf, ya sea en retraso o en avance.

Cálculos con el factor de potencia

Ahora que ya sabemos qué es el factor de potencia, podemos también entender cómo manipularlo. En un diagrama, dejando la cerveza de lado, las potencias se representan de la siguiente manera:

Siguiendo el teorema de Pitágoras, podemos entender que la fórmula para sacar factor de potencia es el ángulo que une la potencia activa con la potencia aparente. Éste se representa con la letra griega “θ”.

P . F . = \frac{P o t e n c i a_A c t i v a (k W)}{P o t e n c i a_A p a r e n t e (k V A)}

P F = \frac{k W}{k V A}

Del triángulo de potencias anterior, y mediante el uso de la trigonometría y el teorema de Pitágoras, surgen las siguientes fórmulas:

P o t e n c i a_A c t i v a (k W) = P o t e n c i a_A p a r e n t e (k V A) \times c o s c o s θ

P o t e n c i a_R e a c t i v a (k V A r) = P o t e n c i a_A p a r e n t e (k V A) \times s i n s i n θ

P o t e n c i a_A p a r e n t e (k V A) = \sqrt{P o t e n c i a_A c t i v a (k W)^{2} + P o t e n c i a_R e a c t i v a (k V A r)^{2}}

P o w e r_F a c t o r = c o s c o s θ = \frac{P o t e n c i a_A c t i v a (k W)}{P o t e n c i a_A p a r e n t e (k V A)}

Veamos el ejemplo práctico de lo que sucede al comparar dos motores diferentes con diferentes factores de potencia.

Motor 1

Potencia = 20kW

Alimentación suministrada = 415V

Factor de potencia = 0,89

Solución

P o t e n c i a_A p a r e n t e_R e q u e r i d a = \frac{P o t e n c i a_A c t i v a}{P F}

= \frac{20}{0.89} = 22.47 k V A

P o t e n c i a_R e a c t i v a (k V A r) = \sqrt{k V A^{2} - k W^{2}}

= \sqrt{{22.47}^{2} - 20^{2} = 10.24 k V A r}

Motor 2

Potencia = 20kW

Alimentación suministrada = 415V

Factor de potencia = 0,98

Solución

P o t e n c i a_A p a r e n t e_R e q u e r i d a = \frac{P o t e n c i a_A c t i v a}{P F}

= \frac{20}{0.98} = 20.41 k V A

P o t e n c i a_R e a c t i v a (k V A r) = \sqrt{k V A^{2} - k W^{2}}

= \sqrt{{20.41}^{2} - 20^{2} = 4.07 k V A r}