¿Qué es la Factor de potencia? Información clave sobre el factor de potencia de la iluminación LED

Introducción

El factor de potencia es la relación entre la potencia útil (es decir, el producto de la tensión y la corriente) y la potencia aparente, y su valor oscila entre 0 y 1. Normalmente, el factor de potencia de la iluminación LED puede alcanzar 0,95, o incluso entre 0,97 y 0,99, por lo que no recibe tanta atención en la industria como otros parámetros (por ejemplo, la eficacia luminosa, la potencia, las lentes, etc.).

Sin embargo, todavía hay algunas lámparas tradicionales en el mercado, así como algunas lámparas LED con bajo factor de potencia. Estas luminarias someten a la red a una mayor carga de corriente, lo que exige el uso de cables de cobre más gruesos para reducir el calentamiento por sobrecarga de la línea y los problemas de caída de tensión, lo que conlleva mayores costes de construcción municipal. A pesar de que algunos países y regiones cobran un suplemento por la potencia reactiva, creemos que es necesario mejorar el factor de potencia de las fuentes de alimentación.

Antes de eso, tenemos que entender qué es el factor de potencia y su importancia. También necesitamos saber en qué circunstancias los LED rinden mejor en términos de factor de potencia, ya que las luminarias LED no siempre tienen un factor de potencia elevado.

¿Qué es el factor de potencia?

El factor de potencia es la relación entre la potencia activa (es decir, el producto de la tensión y la corriente) y la potencia aparente en un circuito de corriente alterna. Es un parámetro importante para medir la eficiencia de los equipos eléctricos y la calidad del sistema eléctrico. La potencia activa es la potencia del sistema que se utiliza realmente para realizar un trabajo, mientras que la potencia aparente es la potencia total del sistema, incluida la potencia activa y la potencia reactiva (potencia causada por la diferencia de fase entre la corriente y la tensión, que normalmente no realiza un trabajo útil).

Con la fórmula del factor de potencia (factor de potencia = potencia activa / potencia aparente), sabemos que el valor del factor de potencia se sitúa entre 0 y 1, lo que incluye también el factor de potencia de la iluminación LED.

Para una carga puramente resistiva, el factor de potencia es igual a 1, lo que significa que la tensión y la corriente están en fase. Esto significa que toda la corriente se utiliza para realizar un trabajo útil y no hay desperdicio. Sin embargo, para cargas inductivas (por ejemplo, motores, transformadores, etc.) y cargas capacitivas (por ejemplo, condensadores, etc.), la corriente va por detrás o por encima de la tensión, lo que provoca que parte de la potencia no se utilice de forma efectiva, y el factor de potencia será inferior a 1. Un factor de potencia bajo significa que hay una gran cantidad de potencia reactiva en el circuito, lo que aumentará las pérdidas de alimentación en la línea y reducirá la utilización del equipo.

Por lo tanto, mejorar el factor de potencia ayuda a reducir el consumo de energía de la red y a mejorar la eficiencia de los equipos y la calidad del suministro eléctrico. En la práctica, el factor de potencia puede mejorarse mediante la compensación de la potencia reactiva, la optimización del modo de funcionamiento de los equipos y otras medidas.

Factor de potencia de la iluminación LED: potencia activa y reactiva

¿Por qué nos preocupa el factor de potencia?

El factor de potencia es de vital importancia en los sistemas de potencia. En nuestra opinión, su importancia se refleja principalmente en los siguientes aspectos:

1. Mayor aprovechamiento de la energía:

Con un factor de potencia no corregido (es decir, demasiado bajo), se produce una gran pérdida de potencia reactiva en el sistema eléctrico. Esta potencia inútil no se convierte directamente en energía mecánica o térmica útil cuando circula por el circuito, pero genera corriente extra en el equipo eléctrico. Esta corriente extra calienta las resistencias del interior del equipo, aumentando así el consumo energético del mismo. Por el contrario, la mejora del factor de potencia reduce las pérdidas de potencia reactiva y aumenta así la utilización de la energía.

2. Reducir la carga de la red:

Mejorar el factor de potencia de la iluminación LED reduce la potencia reactiva en la red, reduciendo así la carga de la red. Esto es esencial para el funcionamiento estable del sistema eléctrico y ayuda a evitar problemas como la sobrecarga y los fallos en la red. Por el contrario, un factor de potencia bajo puede provocar una corriente excesiva en la red, lo que a su vez afecta a la estabilidad del sistema eléctrico.

3. Afecta al rendimiento del equipo:

Un factor de potencia alto alarga la vida de los equipos eléctricos y reduce el derroche de energía. Cuando el factor de potencia es demasiado bajo, se genera una gran cantidad de trabajo inútil en el circuito, lo que provoca un fuerte calentamiento de los equipos eléctricos. Tanto a los equipos de red como a los que utilizan energía no les gustan los entornos con altas temperaturas. Una temperatura excesiva acelera el envejecimiento de los componentes, lo que provoca una degradación del rendimiento o incluso daños. En otras palabras, un factor de potencia bajo no sólo desperdicia energía, sino que también provoca daños en los equipos.

Factor de potencia bajo debido a diferentes cargas

El bajo factor de potencia se debe principalmente al uso de componentes inductivos y capacitivos. Los equipos pueden clasificarse en cargas inductivas y capacitivas en función del número de elementos inductivos y capacitivos. Los equipos con más componentes inductivos son cargas inductivas, mientras que los equipos con más componentes capacitivos son cargas capacitivas.

Cargas puramente resistivas

Además de las cargas inductivas y capacitivas, hay una serie de dispositivos, aparatos y lámparas que son puramente resistivos (es decir, cargas óhmicas puras). Se trata de cargas en las que el circuito sólo contiene componentes resistivos. Cuando se energiza, el circuito sólo produce calor y energía luminosa y no convierte la energía eléctrica en otras formas de energía. En una carga puramente resistiva, la corriente y la tensión cambian de forma sincrónica, es decir, están en fase. Esto significa que no hay diferencia de fase entre la corriente y la tensión y, por tanto, el factor de potencia es igual a 1.

Un ejemplo típico de carga puramente resistiva es una lámpara incandescente. Cuando una lámpara incandescente está encendida, la energía eléctrica se convierte principalmente en calor y luz, donde el calor se genera debido al paso de la corriente a través de un cable de resistencia. Como las lámparas incandescentes son cargas puramente resistivas, su factor de potencia es cercano a 1, lo que significa que las lámparas incandescentes son capaces de utilizar eficientemente la energía eléctrica y convertirla en luz/calor sin generar mucha potencia reactiva. Por supuesto, esto no significa que las lámparas incandescentes tengan la mayor eficiencia luminosa.

carga inductiva

Las cargas inductivas son cargas que contienen un gran número de componentes inductivos en el circuito y son una de las principales causas del bajo factor de potencia en los equipos. Las cargas inductivas incluyen motores, transformadores e inductores, etc., que generan un campo magnético durante su funcionamiento que hace que la corriente vaya por detrás de la tensión. Este desfase provoca una diferencia de fase entre la corriente y la tensión, lo que reduce el factor de potencia. Un ejemplo típico de carga inductiva son las lámparas HID, cuyos balastos electromagnéticos son intrínsecamente inductivos, lo que da lugar a un factor de potencia que suele rondar el 0,7 o incluso estar por debajo del 0,5. Las lámparas LED también entran en esta categoría, ya que su factor de potencia es muy bajo. Las lámparas LED también entran en esta categoría, aunque la iluminación LED puede tener un factor de potencia de 0,97.

Cargas inductivas y capacitivas

carga capacitiva

Las cargas capacitivas son cargas con un gran número de elementos capacitivos en el circuito. A diferencia de las cargas inductivas, las cargas capacitivas (como los condensadores) hacen que la corriente sobrepase a la tensión, mejorando así el factor de potencia. Sin embargo, si la reactancia capacitiva es demasiado grande, de modo que es mayor que la reactancia inductiva, entonces la corriente sobrepasará la tensión por un gran ángulo de fase, lo que de nuevo resulta en una caída del factor de potencia. A menudo, se añaden condensadores a dispositivos como los controladores LED para compensar la potencia reactiva y mejorar el factor de potencia de la iluminación LED.

Fundamentos del factor de potencia

En las dos secciones anteriores hemos aprendido que la presencia de componentes inductivos y capacitivos en los equipos puede provocar una reducción del factor de potencia de los mismos, pero ¿cuáles son las razones concretas? A continuación explicamos los conceptos básicos de forma más generalizada.

Cuando en un dispositivo hay cargas inductivas (es decir, componentes que generan campos magnéticos, como motores, transformadores e inductores), la corriente que pasa por estos dispositivos genera un campo magnético para almacenar energía. Si imaginamos el campo magnético como un cubo y la corriente como agua, cuando abrimos el grifo, el agua empieza a fluir hacia el cubo, pero éste no se llena inmediatamente.

Esto se debe a que el agua tarda un tiempo en fluir y llenar un cubo. Del mismo modo, cuando una corriente fluye a través de una carga inductiva, crea un campo magnético dentro de la carga, pero este campo tarda en crearse. Esta corriente debida al establecimiento del campo magnético se denomina “corriente inductiva reactiva”.

En realidad, esta corriente no se convierte en energía útil para la carga, sino que se almacena en el campo magnético. Existe un desfase entre esta corriente y la tensión, es decir, la tensión ha empezado a cambiar, pero la corriente aún no ha alcanzado la magnitud del cambio de tensión.

En las cargas inductivas, estos componentes (por ejemplo, los motores eléctricos) pueden provocar un aumento del consumo de energía en la red, aunque el motor en sí no consuma tanta energía. Esto se debe a que las cargas inductivas consumen potencia reactiva además de potencia activa. La potencia reactiva no se utiliza directamente para realizar trabajo, sino para mantener el campo magnético dentro del dispositivo.

Debido a la presencia de cargas inductivas, la corriente circula por el sistema, haciendo que aumente la energía total (potencia aparente) del sistema. Dado que las cargas inductivas consumen potencia reactiva, la red necesita suministrar más corriente para satisfacer las necesidades del equipo. Esto provoca un aumento del consumo de energía de la red, aunque el motor en sí no consuma tanta energía.

Por lo tanto, es necesario tener en cuenta el impacto de la potencia reactiva a la hora de diseñar y operar cargas inductivas para mejorar la eficiencia de los equipos y reducir el consumo de energía de la red.

Factores que afectan al factor de potencia en la iluminación LED

En los dos apartados anteriores hemos descrito qué es el factor de potencia, por qué es importante y cómo afectan a la red las diferencias de factor de potencia. En este apartado, explicamos qué factores afectan al factor de potencia de las luminarias LED.

Uso de fuentes de alimentación de menor calidad

Como componente principal de la luminaria, la fuente de alimentación LED tiene un impacto significativo en el factor de potencia de la lámpara LED. Esto se debe al hecho de que hay más componentes inductivos en la fuente de alimentación que en cualquier otra parte de la luminaria. Sin embargo, los controladores LED de los distintos fabricantes de fuentes de alimentación varían enormemente en su rendimiento del factor de potencia.

Por ejemplo, el factor de potencia de las fuentes de alimentación de la serie Infinity EUM puede alcanzar 0,97 o incluso más, mientras que el factor de potencia de las fuentes de alimentación de la serie MOSO MXG sólo puede llegar a 0,95. Las distintas series de controladores LED del mismo fabricante también varían mucho en cuanto a su rendimiento del factor de potencia. Por ejemplo, la fuente de alimentación D4i de Igor EBS-080S105BT2 puede alcanzar un FP de 0,98.

Fuente de alimentación mal configurada

El factor de potencia de una misma fuente de alimentación varía mucho según la configuración de la luminaria. En este caso, la configuración de la luminaria depende principalmente del grado de adaptación entre la carga de la luminaria y el controlador LED. De la tabla siguiente se desprende que cuanto menor es la carga de la luminaria, peor es el valor del FP. Tomando EUM-075S105DG como ejemplo, cuando la carga de la luminaria es de 72 W (la potencia total de la luminaria es de 80 W), el FP puede llegar a 0,97. Si la carga de la luminaria se reduce a 0,97 W, el FP puede llegar a 0,97 W. Si la carga de la luminaria se reduce a 60W, el FP se reducirá a 0,96, y si se sigue reduciendo a 50W, el FP se reducirá a 0,95 o incluso menos. En este punto, lo correcto es utilizar la fuente de alimentación EUM-050 para controlar el módulo LED correspondiente y obtener un mejor valor de PF.

Factor de potencia del controlador LED

Uso de la función de atenuación

La función de atenuación en las luminarias LED está muy extendida. Aunque la atenuación puede ahorrar energía, también hay que prestar atención a su efecto sobre el factor de potencia (FP). En la iluminación de carreteras, las farolas LED reducirán la potencia para minimizar la sobreiluminación cuando el tráfico disminuya después de medianoche. Otro ejemplo es la iluminación de almacenes, donde las luces industriales LED ajustan su potencia en función de la ocupación del espacio (ocupado o desocupado) para reducir la iluminación innecesaria.

Normalmente, cuando la demanda de iluminación es baja, las luminarias LED reducirán la potencia cambiando la salida del controlador LED para ahorrar energía, es decir, reduciendo la potencia de salida del controlador LED. Del segundo punto se desprende que, en este caso, puede reducirse el factor de potencia de las lámparas LED. Se recomienda que, en este caso, la reducción de potencia no sea superior a 50%. Si la reducción de potencia es superior a 50%, se requiere un equilibrio entre el ahorro de energía y el valor del factor de potencia.

Resuma

El factor de potencia es un parámetro importante para limitar la potencia reactiva en los equipos eléctricos, es un indicador de la comparación entre la potencia real, aparente y reactiva en el equipo. Los controladores LED obtienen mejores resultados en términos de factor de potencia gracias al uso de un corrector interno del factor de potencia (PFC).

Los distintos proveedores de controladores LED tienen capacidades diferentes en este ámbito, por lo que se recomienda a los fabricantes de luminarias LED que las investiguen. Al mismo tiempo, hay que intentar evitar un factor de potencia bajo debido a una configuración poco razonable de las luminarias (carga demasiado baja).

Además, los valores del factor de potencia de las luminarias LED a plena carga y en sistemas de regulación varían considerablemente. Sin embargo, creemos que un factor de potencia de iluminación LED más bajo no es un problema durante la regulación en relación con la corriente de entrada consumida.