Il fattore di potenza negli impianti elettrici

Un basso fattore di potenza causa danni dovuti a sovraccarichi saturando le reti, aumenta le perdite dovute al  surriscaldamento e la potenza apparente prevista dal trasformatore per la stessa potenza attiva utilizzata. Per avere un efficiente impianto elettrico e ricevere un’adeguata qualità del servizio, è molto utile essere informati dell’importanza del fattore di potenza del carico ad esso collegato.

Cos’è il fattore di potenza

È un indicatore del corretto utilizzo dell’energia elettrica. Il fattore di potenza può assumere valori compresi tra 0 e 1, e si indica con cosφ il che vuol dire che:

per  0 < cos φ < 0,95 è molto male, mentre per   0,95 ≤ cos φ  < 1 l’impianto va benissimo.

Per cui, ad esempio, fattore di potenza 0.85 indica che il totale di energia fornita dal distributore solo lo 85 % dell’energia è utilizzata dal cliente mentre il restante 15 % è energia che viene sprecata.

In apparecchi come lampade a incandescenza (faretti), ferri da stiro, scaldacqua e stufe elettriche, in cui  tutta l’energia di cui hanno bisogno per il loro funzionamento viene trasformata in energia luminosa o calorica, il fattore di potenza assume il valore 1 (100% di energia attiva).

In altri prodotti, come lavatrici, frigoriferi, condizionatori, ventilatori e tutti quelli che hanno un motore per il loro funzionamento, così come tubi fluorescenti, tra gli altri, dove parte dell’energia viene trasformata in energia meccanica, freddo, luce o movimento (energia attiva ), e la parte restante in altro tipo di energia, viene chiamata energia reattiva, che è necessaria per il proprio funzionamento.

In questi casi, il fattore di potenza assume valori inferiori a 1. In sintesi, l’energia che viene trasformata in lavoro è chiamata energia attiva, mentre quella utilizzata dal dispositivo elettrico per il proprio funzionamento è chiamata energia reattiva.

Conseguenze del basso fattore di potenza

Se il fattore di potenza è inferiore a 0,95, allora il consumo di energia reattiva è alto rispetto all’energia attiva, producendo una maggiore circolazione di corrente elettrica negli impianti e nelle reti della società di distribuzione, vale a dire:

– Aumento delle perdite nell’impianto per effetto Joule;
– Aumento delle cadute di tensione;
– Sottoutilizzazione della capacità installata (limitazione della capacità dei trasformatori di potenza);
– Sovraccarico dell’apparecchiatura di manovra, riducendo la sua vita utile;
– Aumento della sezione nominale dei conduttori e della capacità dell’apparecchiatura di manovra e protezione, dovuta all’aumento della corrente assorbita;

Spesso quando nell’impianto sia hanno uno di questi problemi quasi mai si pensa al fattore di potenza; infatti nella maggior parte dei casi, quando intervengono interruttori o fusibili, spesso si individua come problema il maggiore assorbimento di corrente da parte del carico ritenendo generalmente di aumentare la potenza del trasformatore senza prima controllare il fattore di potenza.

Il problema si risolve riducendo il consumo eccessivo di energia reattiva attraverso l’uso di condensatori che sono componenti elettrici che quando installati correttamente e con il valore appropriato, (potenza reattiva capacitiva espressa in kVAR) compensano la potenza reattiva necessaria all’impianto, aumentando il fattore di potenza al di sopra dei valori richiesti.

Potenza apparente, attiva e reattiva

La potenza elettrica è il prodotto della tensione per la corrente corrispondente. Possiamo differenziare tre tipi di potenza:

– Potenza apparente (kVA), S = V I (Volt – Amper, VA)
– Potenza attiva (kW), P = V I cos φ (Watt, W,)
– Potenza reattiva (kVAR), Q = V I sen φ (Volt – Amper reattivi, VAr)

La potenza effettiva P si ottiene moltiplicando la potenza apparente S per il “cosφ”, che è chiamato “fattore di potenza”. L’angolo formato nel triangolo di potenza di P e S è uguale alla differenza di fase tra la corrente e la tensione ed è lo stesso angolo dell’impedenza; quindi il cosφ dipende direttamente dallo sfasamento.

Per determinare la potenza reattiva capacitiva (Qc) mancante per compensare il fattore di potenza ai valori richiesti dal distributore, occorre procedere come segue:

– misurare il coseno istantaneo
– misurare la corrente per ogni fase del circuito
– calcolare la massima potenza attiva di alimentazione
– calcolare la potenza reattiva presente nell’impianto
– calcolare la potenza reattiva capacitiva necessaria con la formula Q = P (tan φ iniziale – tan φ finale).

Per esempio se abbiamo un impianto alimentato a 400 V, potenza 40 kW, cosφ_i = 0,72 e vogliamo portare il cos φ_f = 0,95 dobbiamo inserire una batteria di condensatori di potenza reattiva pari a:

Q_c = 40 (0,964 – 0,328) = 25,44 kVAR

Conclusioni

Per un uso razionale dell’energia, è prioritario la correzione del fattore di potenza; infatti la sua sarà a beneficio sia delle industrie  che alle imprese di distribuzione; i vantaggi più rilevanti per le industrie sono:

– riduzione significativa del costo dell’elettricità;
– aumenta l’efficienza energetica dell’industria;
– migliora la qualità della tensione;
– maggiore capacità delle apparecchiature di manovra;
– maggiore durata degli impianti e delle apparecchiature;
– riduzione dell’effetto Joule;
– riduzione della corrente reattiva nella rete elettrica.

I vantaggi più significativi per il distributore sono:

– diminuisce la potenza reattiva che circola nel sistema di trasmissione e di distribuzione;
– diminuiscono le perdite per effetto Joule;
– aumenta la capacità del sistema di trasmissione e di distribuzione di trasportare la potenza attiva;
– aumenta la capacità di generazione in modo da servire più consumatori;
– riduce il costo di generazione.