El cos fi o el factor de potencia es uno de los principales indicadores del rendimiento o nivel de eficiencia en el consumo de energía de una instalación eléctrica.

Normalmente cuando se habla de compensación de energía reactiva se utiliza de forma indiferente lo términos “coseno de fi” y factor de potencia (FP) sin considerar que no son lo mismo y sólo en casos particulares se los puede usar indistintamente.

Definición de cos fi

El cos fi se define como el desplazamiento angular existente entre la onda de corriente de una carga y su onda de tensión. Fasorialmente se definiría como el ángulo formado entre la potencia activa (P) y la potencia aparente (S) de una carga.

Por lo tanto, se puede considerar que:

Definición de Factor de Potencia

Por su lado el factor de potencia define la relación entre la potencia activa (P), o que produce un trabajo útil, respecto a la potencia total demandada a la red, la potencia aparente (S). Expresado en fórmula se tendría la siguiente relación:

Tanto matemática como conceptualmente se desprende que el factor de potencia posee el mismo valor que el cos fi.

Entonces, ¿por qué se dice que el cos fi es diferente al factor de potencia?

La diferencia está en la presencia o no de armónicos eléctricos en la instalación. El factor de potencia y el cos fi tendrán el mismo valor cuando las cargas del sistema son lineales.

Cuando se trabaja con cargas no lineales, aparece una componente de corrientes no senoidales (armónicas) que provocan que no exista una relación matemática lineal entre la corriente y la tensión.

Armónicos y su influencia en el factor de potencia

Cuando no hay presencia de armónicos, es decir, la forma de onda de la tensión y corriente son totalmente senoidales, se dice que el factor de potencia es igual al cos fi.

Para este caso, el triángulo de potencias formado será el de la Figura 1 y el factor de potencia se define como:

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 se denomina como potencia reactiva distorsionante (D).

La potencia reactiva distorsionante no genera un trabajo útil, pero sí es demandada a la red, con lo que incide directamente en la potencia aparente de la carga y por tanto debe tenerse en cuenta a la hora de calcularla.

A nivel fasorial se obtendría un gráfico dónde D es el vector producido por las corrientes armónicas de la carga.

A nivel de fórmulas la potencia aparente (S) pasa a ser:

Por lo tanto el factor de potencia será:

Así, para cargas no lineales el cos fi no coincide con el factor de potencia, sino que éste último siempre será inferior al primero a causa de las corrientes armónicas.

El factor de potencia siempre tendrá un valor igual o menor al cos fi.

Efecto de los armónicos en el factor de potencia

La principal consecuencia que deriva de la presencia de armónicos en la red, es que en estos casos el factor de potencia no se puede compensar completamente utilizando capacitores.

Por ejemplo, con una tasa de distorsión armónica de corriente del 35%, valor común en algunas cargas no lineales, es imposible lograr un factor de potencia superior a 0,94. Con lo cual, si la distribuidora eléctrica exige un factor de potencia superior a 0,95, nunca se podría cumplir con dicho requisito. Para estos casos se debe indefectiblemente considerar el uso de filtros activos para mitigar el efecto de los armónicos.

Si hay armónicos los capacitores no se puede compensar completamente el factor de potencia.

Cargas no lineales más comunes

Con el mayor uso de equipos electrónicos en la industria, la presencia de armónicos en las redes y sus consecuencias se fue incrementando. Hoy en día las principales cargas no lineales que se pueden encontrar están representadas por UPS, variadores de frecuencia, computadoras y los equipos de iluminación led.

Como consecuencia de los armónicos se debe entender claramente la diferencia entre los conceptos de cos fi y factor de potencia para, a partir de esto, poder analizar no sólo el estado actual de la red eléctrica y realizar las correcciones necesarias, sino también considerar los efectos que podría generar la instalación de nuevas cargas no lineales.

Conocer y gestionar adecuadamente el factor de potencia de una instalación eléctrica, permite optimizarla técnica y económicamente

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Fuentes: Schneider Electric, publicación técnica web, 2020.