Diferencia entre coseno de phi y factor de potencia

 

El coseno de phi o el factor de potencia es uno de los principales indicadores del rendimiento o nivel de eficiencia de nuestra instalación.

Normalmente en la factura eléctrica, si excedemos de cierto nivel el consumo de energía reactiva respecto al consumo de energía activa, podemos tener un recargo o penalización. Si quieres mas información puedes leerlo en este otro artículo (cómo calcular una batería de condensadores).

En el sistema tarifario eléctrico, ese exceso se controla mediante el calculo del factor de potencia. Pero, ¿es ese factor de potencia el factor de potencia real de la instalación?

diferencia coseno phi y factor de potencia

Definición del factor de potencia

Un primer concepto que debemos tener claro es la definición del termino factor de potencia

El factor de potencia muestra la relación entre la potencia activa, o que produce un trabajo útil, respecto a la potencia total demandada a la red eléctrica

Entonces, ¿por qué decimos que el coseno de phi es diferente al factor de potencia?

La diferencia está en la presencia o no de armónicos eléctricos en la instalación.

Diferencia entre coseno de phi y factor de potencia

Cuando no hay presencia de armónicos, o lo que es lo mismo, la forma de onda de la tensión y corriente son totalmente senoidales, y no deformadas,  decimos que el factor de potencia es igual al coseno de phi o factor de potencia de desplazamiento.

Por tanto, solo vamos a tener el consumo de potencia activa (P) y de potencia reactiva (Q). Formando un triangulo de potencias, donde la hipotenusa será la potencia aparente (S) demandada a la red.

triangulo potencias

coseno phi

Pero cuando la forma de onda de la tensión y/o la corriente dejan de ser senoidales, y por tanto existe una presencia de armónicos eléctricos relevante, aparecerá una nueva demanda de potencia debida a los armónicos, la cual denominaremos como potencia reactiva distorsionante (D).

Esa potencia reactiva distorsionante no genera un trabajo útil, pero si que es demandada a la red, con lo que hace aumentar la potencia aparente.

Con la presencia de armónicos debemos dejar de pensar en el triangulo de potencia en dos dimensiones, y debemos pensar en un triangulo de potencias en tres dimensiones.

triangulo potencias armonicos

Gráficamente podemos ver que la potencia aparente ya no será la misma, pasando de tener una potencia aparente sin armónicos (S1) a una potencia aparente (S) que si se ve afectada por la presencia de armónicos.

formula factor potencia

Para obtener la potencia reactiva distorsionante solo tenemos que despejarla

potencia distorsionante

Un detalle que no debemos pasar por alto. Cuando tenemos armónicos la potencia aparente será mayor que cuando no hay (en el gráfico S>S1).

Eso comportara que el factor de potencia cuando hay armónicos será igual o inferior al coseno de phi.

El factor de potencia cuando hay armónicos será igual o inferior al coseno de phi.

Si vemos una diferencia entre los valores que indica por ejemplo un analizador de redes y un regulador de una batería de condensadores u otro analizador de redes, debemos mirar que factor de potencia esta mostrando. Si es el factor de potencia que tiene en cuenta los armónicos o no.

Factor de potencia distorsionante

Otra forma de obtener el factor de potencia es a partir del factor de potencia de desplazamiento y el factor de potencia distorsionante.

El factor de potencia distorsionante se calcula con la expresión

factor potencia distosionante

A la practica, se suele despreciar la parte de distorsión en tensión al ser normalmente niveles bajos y que tienen poca incidencia en el calculo del factor de potencia distorsionante.

Factor de potencia total

Para obtener el factor de potencia total, simplemente debemos multiplicar el coseno de phi o factor de potencia de desplazamiento con el factor de potencia distorsionante

factor potencia total

Vamos a verlo mejor con un ejemplo. Estamos en una instalación donde medimos en cabecera una potencia activa de 400 kW, una potencia reactiva inductiva de 192 kvar y una tasa de distorsión en corriente en esas condiciones del 48%.

ejemplo factor de potencia total

Como podemos comprobar, la presencia de armónicos hace que lo que considerábamos como factor de potencia (coseno de phi igual a 0,9) el factor de potencia real será inferior a dicho valor (factor de potencia total igual a 0,81).

11 comentarios en “Diferencia entre coseno de phi y factor de potencia”

  1. Estimados, estuve haciendo pruebas con una pinza amperometrica-cofimetrica relacionadas al factor de potencia. La pinza mide KW, KVA, cos fi, Amper, Volt, y es true rms.
    Una prueba consistió en medir el consumo y el coseno de fi, de un ventilador de mesa, cuyas características son las siguientes:
    230V, 40W, 50Hz
    Realicé las medidas correspondientes con la pinza, y obtuve los siguientes valores:
    0.034 KW
    233 V
    0.22 A
    0.051 KVA
    Cos fi= 0.66
    Entonces se me ocurrió corregir el coseno de fi, y llevarlo a 0.98 o 0.99. Según mis cálculos para esa potencia, me dio que necesitaba un capacitor de 1.95 µF; como tenia uno de 2 µF, continué con la prueba. Lo puse en paralelo y realicé las medidas correspondientes. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
    0.035 KW
    234V
    0.26 A
    0.061 KVA
    Cos fi= 0.57
    He aquí mi gran signo de pregunta, porque me bajo el cos de fi???? Se supone que estaba corrigiéndolo y en vez de subirlo, se bajó. Pense que la pinza media mal, asi que tome una jarra eléctrica y medi el coseno de fi de la jarra(resistiva pura) y me arrojo un coseno de fi de 0.998, es decir que la pinza mide bien.
    Si me puede orientar en donde está mi error o que hice mal, les estaré agradecido.
    Atte Waldo

    1. Francesc Fornieles

      Hola Waldo

      Puede ser varias cosas:

      – que el cos phi medido fuera capacitivo, y al introducir más capacidad, este bajará
      – error en la relación de transformación en el equipo de medida
      – el error de precisión al trabajar en la parte baja del fondo de escala de la pinza amperímetro a es importante, tanto en ángulo como en amplitud.

  2. Hola Francesc, algún día podrías hacer algún video explicativo de los armónicos tanto de corriente como de tensión. Coma afectan? que limites están permitidos? Como se solucionan?….

    Muchas gracias.

    Francesc

    1. Francesc Fornieles

      Lo tengo en el listado de artículos y videos que tengo pensado hacer, pero voy bastante atareado y no he podido grabar desde hace un par de meses.
      Tomo nota, y seguro que este será uno de los proximos videos.

      Muchas gracias por tus comentarios

      Francesc

  3. Saludos, tengo una pregunta acerca del dimensionamiento correcto de un banco o baterias de condenadores.
    Tengo un trafo de 350kva, 440v, 60hz y un factor de potencia que mide el generador de 0,60. Deseo llevar el factor de potencia hasta 0,96. Para el calculo de la bateria.
    ¿Cual es el valor de la potencia activa P que debo tomar?
    Agradesco de antemano tu valiosa ayuda.

    1. Francesc Fornieles

      Hola Teddy,
      Para poder contestarte correctamente me surgen algunas dudas:
      – ¿Qué tipo de instalación se trata?
      – Dices que tienes un generador el cual mides un FP de 0,6. Si estas midiendo con un analizador, ¿Este no te proporciona las potencias? ya se que es obvio, pero me resulta raro que estes midiendo y no puedas conseguir los valores de potencia.
      – En que punto debes tener el cos phi de 0,96, ¿En la parte de BT o de AT del transformador? Es para tener en cuenta el consumo de reactiva del transformador o no.
      – ¿Que regimen de trabajo tiene este generador? Sin esto no puedes estimar el valor de potencia activa y/o reactiva

      Vamos ha hacer una hipotesis: si el factor de potencia que dices que estas midiendo no esta influenciado por los armonicos y lo podemos considerar como el coseno de phi de la instalación, y la potencia aparente de la misma es del 80% del transformador (suponiendo que no esta totalmente cargado), puedes despejar la potencia activa P=0,6*(80%*350)=168 kW. Sabiendo que la tangente de phi es la potencia reactiva entre la potencia activa, despejas y ya lo tienes, (1,333*168 kW=224 kvar aproximadamente)

      Coomo te he dicho anteriormente, esto es solo una hipotesis. Lo mejor es medir con un analizador de redes eléctricas portatil para ver los valores reales y el comportamiento de la instalación.

      Saludos

      Francesc Fornieles

  4. hola Francesc. no entendí muy bien porque la quinta armónica tiene sentido inverso. se, que eso es un problema para los motores.podrias ser más explícito para este duro de entender? jaja Gracias por tus vídeos.Saludos.

  5. Edgardo Rivera

    En calculo mantienes Q siendo que S cambia con armónicos, los valores son de medición en ambos casos?. Eso significa que P se mantiene y Q1 cambia a Q y Q1 seria distinta al ejemplo sin armoónicos?

    1. Francesc Fornieles

      Hola Edgardo,
      La potencia distorsionaste se considera también como una potencia «reactiva» la cual no aporta trabajo útil.
      Q1 es igual que la Q sin armónicos. De hecho es el mismo triangulo de potencia al que se añade la potencia distorsionante D.
      En el mercado encontraras analizadores de redes que muestran por display y registran valores de cos phi y FP. Con la presencia de armónicos observarías valores diferentes. Si no te indican nada y el equipo solo indica FP, tómalo en realidad como el cos phi.

  6. Humberto Bianchi Villarroel

    Hola Francés te saludo. Que opinas de estos aparatos que se están ofreciendo en Internet llamados VoltsBox y que al instalarlos en la red de tu hogar te hace posible economizar tu factura de gasto de energía. Humberto

    1. Francesc Fornieles

      Son un timo. Es un producto que va cambiando de nombre según quien lo comercialice o lo importe.
      No dejan de ser un condensador, montado de forma mas que discutible, y que tansolo aporta potencia reactiva capacitiva. Como mucho podra compensar la energía reactiva inductiva que pudieras tener en tu hogar (que no es penalizada en España), pero no reduce la potencia activa y por tanto tampoco el consumo de energía activa consumida

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