Circuitos de CA. Parte 7: El Factor de Potencia

En un artículo anterior de esta serie, cuando definí el cos φ te dije que a veces también se le llama Factor de potencia, pero que esto no es del todo correcto. En este último artículo vamos a ver porque es así.

Introducción

En artículos anteriores vimos que es el cos φ y los inconvenientes que produce si su valor es demasiado bajo.

Analizamos el origen de este problema y vimos que se debe a la diferencia de fase entre la tensión y la corriente, diferencia que se origina por la presencia de cargas inductivas o capacitivas (sobre todo de las primeras) que producen energía reactiva.

Vamos a ver ahora un concepto mas amplio, el de Factor de potencia, que incluye al de cos φ.

La distorsión

Antes de seguir, es necesario dejar en claro el concepto de distorsión.

En los artículos anteriores de esta serie analizamos el comportamiento de circuitos resistivos, inductivos y capacitivos para ver como variaban la tensión y la corriente y llegamos a la conclusión de que se producían diferencias de fase entre ellas.

Estos elementos, resistencias, inductores y capacitores tienen algo en común: son lineales.

Elementos lineales

Un elemento se denomina lineal cuando a incrementos de la excitación proporcionales, corresponden respuestas igualmente proporcionales. Esto que suena un poco complicado se entiende facilmente con una resistencia.

Digamos que sobre una resistencia aplicamos una tensión de 6V y al medir comprobamos que se produce una corriente de 2 Amperes.

Luego, duplicamos la tensión a 12V y volvemos a medir la corriente y observamos que ahora es de 4 Amperes.

Es decir, se duplicó la tensión y eso produjo que se duplicara la corriente. Eso significa que la resistencia es lineal.

Si se grafica la relación entre la tensión y la corriente de elemento lineal como una resistencia, el gráfico será… una linea recta:

Fig. 1. Tensión y corriente en una resistencia

Elementos no lineales

Hay elementos que no son lineales (o alineales). Por ejemplo el diodo.

La gráfica que muestra la relación entre la tensión y la corriente en un diodo se puede ver mas abajo y no es una línea recta.

Fig. 2. Tensión y corriente en un diodo

En la curva del diodo podemos ver que para una tensión de 400 mV la corriente es muy baja, casi cero pero que si duplicamos la tensión a 800 mV la corriente se dispara a mucho mas que el doble.

En un diodo no se cumple que al duplicar la tensión se duplique la corriente, así que concluimos que el diodo no es lineal.

Formas de onda

Cuando a un elemento lineal le aplicamos una tensión que tiene una forma senoidal, la corriente que fluirá a través de él tendrá también una forma senoidal. Puede que esté desfasada, pero seguirá siendo senoidal.

Cuando a un elemento no lineal le aplicamos una tensión senoidal, la corriente no será senoidal, tendrá otra forma y decimos que está distorsionada, o que el elemento no lineal introdujo distorsión.

A veces también se dice que la distorsión introduce armónicos, o que hay distorsión armónica, aunque dejaré la explicación para otra oportunidad.

Problemas con la distorsión

La distorsión es mas común de lo que creemos, y puede ser un problema.

En un sistema de audio, la distorsión produce música de mala calidad, porque las formas de onda originales no se reproducen fielmente.

En la distribución de energía eléctrica, la distorsión puede producir malos funcionamientos en equipos como los motores o fallos en equipos electrónicos.

Hay muchos dispositivos que introducen distorsión a la red eléctrica.

Las fuentes conmutadas de las computadoras, por ejemplo, o los driver de las lámparas led, que no son otra cosa que pequeñas fuentes que convierten la CA de la red eléctrica en CC para los leds, sobre todo si son lámparas de baja calidad.

Las máquinas de soldadura o los variadores de frecuencia empleados en la industria también son fuente de distorsión.

Fig. 3. Driver de una lámpara led (Fuente: Sunpower)

El factor de potencia

Ahora que ya comprendiste el concepto de distorsión podemos volver al inicio y definir el factor de potencia.

Matemáticamente se lo define de la siguiente forma:

FP = cos \varphi \cdot FD

Donde:

FP es el Factor de potencia

FD es el Factor de distorsión

El cos φ ya lo conoces y mide la diferencia de fase entre tensión y corriente. El FD es otro factor y mide la distorsión.

Es decir que el Factor de Potencia es un indicador mas general y por eso no debe usarse como si fuera lo mismo que el cos φ, salvo en casos donde estemos seguros que no hay distorsión o cuando hacemos un análisis teorico de los circuitos con resistencia, inductancia y capacidad que, como ya vimos, son elementos lineales.

El valor ideal de cualquiera de los tres factores es 1 y mientras mas bajos sean, peor será la situación.

Por ejemplo, observa la siguientes formas de onda de tensión y corriente:

Fig. 4. Tensión y corriente en un driver de lámpara led (Fuente: Editores)

Estas formas de onda están en fase, así que el cos φ es 1, pero la corriente está distorsionada, así que el Factor de distorsión será menor a 1, igual que el Factor de potencia.

Conclusión

El factor de potencia es importante en sistemas eléctricos por varias razones, ya que afecta tanto la eficiencia como la calidad de la energía eléctrica. Al tener en cuenta tanto la diferencia de fase (a través del coseno de φ) como la distorsión, el factor de potencia ofrece una visión completa de cómo se está utilizando la energía.

En lo que hace a la eficiencia, un factor de potencia bajo significa que una parte significativa de la energía suministrada por la red eléctrica no se está utilizando para realizar trabajo útil (hay mucha energía reactiva).

Y en relación a la calidad, las distorsiones que reducen el factor de potencia pueden afectar negativamente la calidad de la energía, causando problemas como sobrecalentamiento en equipos eléctricos y malfuncionamiento.

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