Che cosa è Fattore di potenza? Fattore di potenza dell'illuminazione a LED Informazioni chiave

Introduzione

Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza utile (cioè il prodotto di tensione e corrente) e la potenza apparente, e il suo valore varia da 0 a 1. In genere, il fattore di potenza dell'illuminazione a LED può raggiungere 0,95, o addirittura 0,97-0,99, per cui nel settore non riceve la stessa attenzione di altri parametri (ad esempio, efficacia luminosa, potenza, lenti, ecc.).

Tuttavia, sono ancora presenti sul mercato alcune lampade tradizionali e alcune lampade a LED con basso fattore di potenza. Questi apparecchi comportano un maggiore carico di corrente sulla rete, richiedendo l'uso di fili di rame più spessi per ridurre il riscaldamento da sovraccarico della linea e i problemi di caduta di tensione, con conseguenti maggiori costi di costruzione delle municipalità. Nonostante il fatto che alcuni Paesi e regioni facciano pagare un extra per la potenza reattiva, riteniamo che sia necessario migliorare il fattore di potenza delle alimentazioni.

Prima di tutto è necessario capire cos'è il fattore di potenza e la sua importanza. Dobbiamo anche sapere in quali circostanze i LED sono più performanti in termini di fattore di potenza, poiché gli apparecchi LED non sempre hanno un fattore di potenza elevato.

Che cos'è il fattore di potenza?

Il fattore di potenza è il rapporto tra la potenza attiva (cioè il prodotto di tensione e corrente) e la potenza apparente in un circuito CA. È un parametro importante per misurare l'efficienza delle apparecchiature elettriche e la qualità del sistema elettrico. La potenza attiva è la potenza del sistema che viene effettivamente utilizzata per svolgere un lavoro, mentre la potenza apparente è la potenza totale del sistema, compresa la potenza attiva e la potenza reattiva (potenza causata dalla differenza di fase tra corrente e tensione, che di solito non svolge un lavoro utile).

Con la formula del fattore di potenza (fattore di potenza = potenza attiva / potenza apparente), sappiamo che il valore del fattore di potenza è compreso tra 0 e 1, il che include anche il fattore di potenza dell'illuminazione a LED.

Per un carico puramente resistivo, il fattore di potenza è pari a 1, il che significa che la tensione e la corrente sono in fase. Ciò significa che tutta la corrente viene utilizzata per compiere un lavoro utile e non vi sono sprechi. Tuttavia, per i carichi induttivi (ad esempio, motori, trasformatori, ecc.) e capacitivi (ad esempio, condensatori, ecc.), la corrente ritarda o supera la tensione, il che fa sì che una parte della potenza non venga effettivamente utilizzata e il fattore di potenza sarà inferiore a 1. Un fattore di potenza basso significa che nel circuito è presente una grande quantità di potenza reattiva, che aumenterà le perdite di alimentazione nella linea e ridurrà l'utilizzo delle apparecchiature.

Pertanto, il miglioramento del fattore di potenza contribuisce a ridurre il consumo di energia della rete e a migliorare l'efficienza delle apparecchiature e la qualità dell'alimentazione. In pratica, il fattore di potenza può essere migliorato attraverso la compensazione della potenza reattiva, l'ottimizzazione della modalità di funzionamento delle apparecchiature e altre misure.

Fattore di potenza dell'illuminazione a LED - potenza attiva e reattiva

Perché ci preoccupiamo del fattore di potenza?

Il fattore di potenza è di vitale importanza nei sistemi di alimentazione. A nostro avviso, la sua importanza si riflette principalmente nei seguenti aspetti:

1. Maggiore utilizzo dell'energia:

Con un fattore di potenza non corretto (cioè troppo basso), si verifica una grande perdita di potenza reattiva nel sistema elettrico. Questa potenza inutile non viene convertita direttamente in energia meccanica o termica utile quando scorre nel circuito, ma genera corrente supplementare nelle apparecchiature elettriche. Questa corrente extra riscalda le resistenze all'interno dell'apparecchiatura, aumentando così il consumo energetico dell'apparecchiatura. Al contrario, il miglioramento del fattore di potenza riduce le perdite di potenza reattiva e quindi aumenta l'utilizzo dell'energia.

2. Ridurre il carico sulla rete:

Il miglioramento del fattore di potenza dell'illuminazione a LED riduce la potenza reattiva nella rete, riducendo così il carico sulla rete. Ciò è essenziale per il funzionamento stabile del sistema elettrico e aiuta a evitare problemi come il sovraccarico e i guasti nella rete. Al contrario, un basso fattore di potenza può portare a una corrente eccessiva nella rete, che a sua volta influisce sulla stabilità del sistema elettrico.

3. Influenza le prestazioni dell'apparecchiatura:

Un fattore di potenza elevato prolunga la vita delle apparecchiature elettriche e riduce gli sprechi di energia. Quando il fattore di potenza è troppo basso, nel circuito si genera una grande quantità di lavoro inutile, che porta a un forte riscaldamento delle apparecchiature elettriche. Sia le apparecchiature di rete che quelle che utilizzano l'energia non amano gli ambienti ad alta temperatura. Una temperatura eccessiva accelera l'invecchiamento dei componenti, con conseguente degrado delle prestazioni o addirittura danni. In altre parole, un basso fattore di potenza non solo spreca energia, ma causa anche danni alle apparecchiature.

Basso fattore di potenza dovuto a carichi diversi

Il basso fattore di potenza è dovuto principalmente all'uso di componenti induttivi e capacitivi. Le apparecchiature possono essere classificate in carichi induttivi e capacitivi a seconda del numero di elementi induttivi e capacitivi. Le apparecchiature con più componenti induttivi sono carichi induttivi, mentre quelle con più componenti capacitivi sono carichi capacitivi.

Carichi puramente resistivi

Oltre ai carichi induttivi e capacitivi, esistono numerosi dispositivi, apparecchi e lampade che sono puramente resistivi (cioè carichi ohmici puri). Si tratta di carichi in cui il circuito contiene solo componenti resistivi. Quando è sotto tensione, il circuito produce solo calore ed energia luminosa e non converte l'energia elettrica in altre forme di energia. In un carico puramente resistivo, la corrente e la tensione cambiano in modo sincrono, cioè sono in fase. Ciò significa che non c'è alcuna differenza di fase tra la corrente e la tensione e quindi il fattore di potenza è pari a 1.

Un esempio tipico di carico puramente resistivo è una lampada a incandescenza. Quando una lampada a incandescenza è accesa, l'energia elettrica viene convertita principalmente in calore e luce, dove il calore è generato dal passaggio della corrente attraverso un filo di resistenza. Poiché le lampade a incandescenza sono carichi puramente resistivi, il loro fattore di potenza è prossimo a 1, il che significa che le lampade a incandescenza sono in grado di utilizzare in modo efficiente l'energia elettrica e di convertirla in luce/calore senza generare molta potenza reattiva. Naturalmente, questo non significa che le lampade a incandescenza abbiano la massima efficienza luminosa.

carico induttivo

I carichi induttivi sono carichi che contengono un gran numero di componenti induttivi nel circuito e sono una delle cause principali del basso fattore di potenza nelle apparecchiature. I carichi induttivi comprendono motori, trasformatori, induttori, ecc. che durante il funzionamento generano un campo magnetico che fa sì che la corrente sia in ritardo rispetto alla tensione. Questo ritardo causa una differenza di fase tra la corrente e la tensione, che riduce il fattore di potenza. Un esempio tipico di carico induttivo è rappresentato dalle lampade HID, i cui reattori elettromagnetici sono intrinsecamente induttivi, con un conseguente fattore di potenza che di solito si aggira intorno a 0,7 o addirittura inferiore a 0,5. Anche le lampade a LED rientrano in questa categoria, anche se l'illuminazione a LED può avere un fattore di potenza di 0,97.

Carichi induttivi e capacitivi

carico capacitivo

I carichi capacitivi sono carichi con un gran numero di elementi capacitivi nel circuito. A differenza dei carichi induttivi, i carichi capacitivi (come i condensatori) fanno sì che la corrente superi la tensione, migliorando così il fattore di potenza. Tuttavia, se la reattanza capacitiva è troppo grande, in modo da essere maggiore della reattanza induttiva, la corrente supera la tensione di un ampio angolo di fase, il che si traduce nuovamente in un calo del fattore di potenza. Spesso i condensatori vengono aggiunti a dispositivi come i regolatori di LED per compensare la potenza reattiva e migliorare il fattore di potenza dell'illuminazione a LED.

Fondamenti del fattore di potenza

Nelle due sezioni precedenti abbiamo appreso che la presenza di componenti induttivi e capacitivi nelle apparecchiature può portare a una riduzione del fattore di potenza dell'apparecchiatura, ma quali sono le ragioni specifiche? Di seguito spieghiamo i concetti di base in modo più generalizzato.

Quando in un dispositivo sono presenti carichi induttivi (cioè componenti che generano campi magnetici, come motori, trasformatori e induttori), la corrente che li attraversa genera un campo magnetico che immagazzina energia. Se immaginiamo il campo magnetico come un secchio e la corrente come l'acqua, quando apriamo il rubinetto l'acqua inizia a scorrere nel secchio, ma il secchio non si riempie immediatamente.

Questo perché l'acqua impiega un po“ di tempo per scorrere e riempire un secchio. Allo stesso modo, quando una corrente scorre attraverso un carico induttivo, crea un campo magnetico all'interno del carico, ma questo campo richiede del tempo per formarsi. La corrente dovuta alla creazione del campo magnetico è chiamata ”corrente reattiva induttiva".

Questa corrente non viene effettivamente convertita in energia utile per il carico, ma viene immagazzinata nel campo magnetico. Esiste una differenza di fase tra questa corrente e la tensione, vale a dire che la tensione ha iniziato a cambiare, ma la corrente non ha ancora raggiunto l'entità della variazione di tensione.

Nei carichi induttivi, questi componenti (ad esempio, i motori elettrici) possono determinare un aumento del consumo di energia sulla rete, anche se il motore stesso non consuma molta energia. Questo perché i carichi induttivi consumano potenza reattiva oltre a quella attiva. La potenza reattiva non viene utilizzata direttamente per compiere un lavoro, ma per mantenere il campo magnetico all'interno del dispositivo.

A causa della presenza di carichi induttivi, la corrente circola nel sistema, facendo aumentare l'energia totale (potenza apparente) del sistema. Poiché i carichi induttivi consumano potenza reattiva, la rete deve fornire più corrente per soddisfare le esigenze dell'apparecchiatura. Ciò comporta un aumento del consumo energetico della rete, anche se il motore stesso non consuma molta energia.

Pertanto, l'impatto della potenza reattiva deve essere considerato nella progettazione e nel funzionamento dei carichi induttivi per migliorare l'efficienza delle apparecchiature e ridurre il consumo energetico della rete.

Fattori che influenzano il fattore di potenza nell'illuminazione a LED

Nelle due sezioni precedenti abbiamo descritto cos'è il fattore di potenza, perché è importante e come le differenze di fattore di potenza influiscono sulla rete. In questa sezione spieghiamo quali fattori influenzano il fattore di potenza degli apparecchi LED.

Utilizzo di alimentatori di qualità inferiore

In quanto componente principale dell'apparecchio, l'alimentatore LED ha un impatto significativo sul fattore di potenza della lampada LED. Ciò è dovuto al fatto che l'alimentatore contiene più componenti induttivi di qualsiasi altra parte dell'apparecchio. Tuttavia, i regolatori LED di diversi produttori di alimentatori variano notevolmente nelle prestazioni del fattore di potenza.

Ad esempio, il fattore di potenza degli alimentatori della serie Infinity EUM può raggiungere 0,97 o anche più, mentre il fattore di potenza degli alimentatori della serie MOSO MXG può arrivare solo a 0,95. Anche le diverse serie di regolatori LED dello stesso produttore variano notevolmente in termini di prestazioni del fattore di potenza. Ad esempio, l'alimentatore D4i di Igor EBS-080S105BT2 può raggiungere un fattore di potenza di 0,98.

Alimentazione mal configurata

Il fattore di potenza di uno stesso alimentatore varia notevolmente in diverse configurazioni di apparecchi. In questo caso, la configurazione dell'apparecchio dipende principalmente dal grado di adattamento tra il carico dell'apparecchio e il controller dei LED. Dalla tabella seguente si evince che più piccolo è il carico dell'apparecchio, peggiore è il valore di PF. Prendendo come esempio EUM-075S105DG, quando il carico dell'apparecchio è di 72W (la potenza totale dell'apparecchio è di 80W), il PF può raggiungere 0,97. Se il carico dell'apparecchio viene ridotto a 60W, il PF si riduce a 0,96 e se continua a ridursi a 50W, il PF si riduce a 0,95 o addirittura a un valore inferiore. La cosa giusta da fare a questo punto è utilizzare l'alimentatore EUM-050 per controllare il modulo LED corrispondente e ottenere un valore di PF migliore.

Fattore di potenza del controllore LED

Utilizzo della funzione di regolazione della luminosità

La funzione di dimmerazione negli apparecchi LED è ampiamente utilizzata. Sebbene la dimmerazione consenta di risparmiare energia, è necessario prestare attenzione al suo effetto sul fattore di potenza (PF). Nell'illuminazione stradale, i lampioni a LED riducono la potenza per minimizzare la sovrailluminazione quando il traffico diminuisce dopo la mezzanotte. Un altro esempio è l'illuminazione dei magazzini, dove le luci industriali a LED regolano la loro potenza in base all'occupazione dello spazio (occupato o non occupato) per ridurre l'illuminazione non necessaria.

Di solito, quando la domanda di illuminazione è bassa, gli apparecchi LED riducono la potenza modificando l'uscita del controller LED per risparmiare energia, cioè riducendo la potenza di uscita del controller LED. Dal secondo punto si capisce che in questo caso il fattore di potenza delle lampade LED può ridursi. Si raccomanda che in questo caso la riduzione di potenza non superi i 50%. Se la riduzione di potenza è superiore a 50%, è necessario un equilibrio tra il risparmio energetico e il valore del fattore di potenza.

Riassumere

Il fattore di potenza è un parametro importante per limitare la potenza reattiva nelle apparecchiature elettriche; è un indicatore del confronto tra potenza reale, apparente e reattiva nell'apparecchiatura. I regolatori LED hanno prestazioni migliori in termini di fattore di potenza grazie all'uso di un correttore di fattore di potenza interno (PFC).

I diversi fornitori di controller LED hanno capacità diverse in questo campo e si consiglia ai produttori di apparecchi di illuminazione LED di indagare su di essi. Allo stesso tempo, dovremmo cercare di evitare un basso fattore di potenza dovuto a una configurazione irragionevole dell'apparecchio (carico troppo basso).

Inoltre, i valori del fattore di potenza degli apparecchi LED a pieno carico e con sistemi di dimmerazione variano notevolmente. Tuttavia, riteniamo che un fattore di potenza più basso dell'illuminazione a LED non sia un problema durante il dimming rispetto alla corrente di ingresso consumata.