Fattore di potenza: cos’è e qual è il suo valore ideale?

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Il fattore di potenza è un coefficiente indicativo dell’efficienza energetica dell’impianto elettrico. Scopri come si calcola e come ottenere il valore ideale.

Il fattore di potenza ci aiuta a capire se il nostro impianto elettrico utilizza bene l’energia elettrica in arrivo o se al contrario genera energia reattiva e quindi inquinamento elettrico. Il fattore di potenza è quindi un coefficiente la cui valutazione è molto importante se non si vuole incorrere in aumento di perdite nell’impianto elettrico, sottoutilizzi o sovraccarichi. Vediamo allora insieme come di calcola questo fattore, qual è il suo valore ideale e come migliorarlo qualora fosse troppo basso.

Cos’è e come si calcola il fattore di potenza?

Il fattore di potenza (Power Factor o PF), chiamato e indicato anche con il simbolo Cos-Fi e più avanti ne spiegheremo il motivo, è un coefficiente indicativo dell’efficienza energetica e dunque del più o meno corretto utilizzo dell’energia elettrica. Questo importante fattore permette di ottenere la potenza effettivamente utilizzabile dal carico (potenza attiva) a partire dalla potenza totale prodotta dal generatore (potenza apparente, data dalla somma tra potenza attiva e reattiva) rilevando così quanta energia viene “sprecata” e reindirizzata nella rete elettrica.

Ma in termici pratici, come si calcola il fattore di potenza? Abbiamo anticipato che la potenza totale prodotta dal generatore è così espressa:

Potenza Apparente (kVA) = Potenza Attiva (kW) + Potenza Reattiva (kVAR)

Esso sarà dunque dato dal rapporto tra Potenza Attiva (kW) e Potenza Apparente (kVA). Da questa espressione è poi possibile calcolare la potenza attiva (quindi quella effettivamente utilizzata dal dispositivo) che sarà data dal prodotto tra fattore di potenza e potenza apparente.

Dicevamo che il fattore di potenza viene anche detto Cos-Fi, il motivo è che si ottiene calcolando il coseno dell’angolo di sfasamento (Fi) tra il vettore tensione e vettore corrente.  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.

Il fattore di potenza (cosφ) è, dunque, il coseno dell’angolo φ di sfasamento tra la corrente e la tensione in un sistema elettrico in corrente alternata.

In base al tipo di sistema si potranno presentare diversi casi:

• in un sistema puramente resistivo, detto anche ohmico, lo sfasamento è nullo, per cui si ha cosφ = 1;
• in un sistema di tipo induttivo reale, ovvero con componente resistiva (es. un motore elettrico, un alimentatore per lampada fluorescente), l’angolo di sfasamento è in ritardo;
• in un sistema con componente capacitiva lo sfasamento è in anticipo. In entrambi i casi b e c, il valore di cosφ si abbassa da 1 fino a raggiungere teoricamente il valore zero.

Fattore di potenza: esiste un valore ideale?

Il valore del fattore di potenza, come anticipato nel paragrafo precedente, può assumere valori nell’intervallo che va da 0 a 1. Più alto è il fattore di potenza più efficiente è l’apparecchiatura.

Un valore basso, infatti, implica che non si sta utilizzando in modo efficiente l’energia elettrica che arriva al dispositivo perché la potenza apparente risulta superiore a quella attiva e dunque parte della potenza viene rinviata nella rete elettrica, generando così corrente reattiva, che è una delle cause principali dell’inquinamento di rete.

Ad esempio, se un’apparecchiatura ha un fattore di potenza 0.75 vuol dire che del totale di energia fornita dal distributore solo il 75% è utilizzata dal cliente mentre il restante 25 % è energia che viene sprecata.

In altre parole, a fattori di potenza inferiori, è richiesta una potenza apparente (kVA) maggiore per produrre la potenza di lavoro (kW). Dunque, un’apparecchiatura con fattore di potenza maggiore risulta più efficiente di una con cosφ più basso, perché utilizza l’energia in modo più efficace.

Gli apparecchi luminosi con un wattaggio alto e una qualità certificata spesso possiedono un ottimo fattore di potenza, compreso tra 0,9 e 1. In questo caso la quantità di inquinamento della rete risulta irrisoria. Al contrario, i prodotti illuminanti LED con una potenza inferiore a 25W tendono a produrre più corrente reattiva.

Un valore di riferimento ideale potrebbe dunque essere del 95%.

Va specificato che le sorgenti luminose non sono gli unici apparecchi elettronici a produrre corrente reattiva. Qualsiasi apparecchio con un fattore di potenza può generare inquinamento elettrico. Per questo motivo è importante valutare anche questo fattore quando si progetta un impianto elettrico e si individuano i prodotti da inserire nell’impianto.

Quali sono le conseguenze di un basso fattore di potenza?

Abbiamo detto che il valore ottimale del fattore di potenza è di 0.95, al di sotto di questo valore il consumo di energia reattiva è più alto rispetto a quello di energia attiva e aumenta quindi l’inquinamento elettrico. Questo fenomeno comporta una maggiore circolazione di corrente elettrica negli impianti e nelle reti della società di distribuzione che può indurre a conseguenze come:

• aumento delle perdite nell’impianto elettrico per effetto Joule;
• aumento delle cadute di tensione;
• sottoutilizzo della capacità di potenza installata;
• sovraccarico e conseguente riduzione della vita utile dell’apparecchiatura di manovra;
• aumento della sezione nominale dei conduttori e della capacità dell’apparecchiatura di manovra e protezione, dovuta all’aumento della corrente assorbita.

Come migliorare un basso valore del fattore di potenza?

Il primo passo per ridurre i costi indiretti causati da un basso valore del fattore è quello di selezionare apparecchi luminosi ed elettronici che abbiano un fattore di potenza di almeno 0.7 (valore appurabile dalla scheda tecnica oppure attraverso un codice EAN utilizzabile per la lettura dei dati forniti dal produttore).

Quando l’impianto è di tipo commerciale, il numero di corpi luminosi è sicuramente maggiore. In questi casi è consigliabile scegliere apparecchiature con il valore di fattore di potenza più alto possibile. Come dicevamo il fattore di potenza ideale è di 0.95, in questa ipotesi tutta l’energia assorbita è trasformata in energia luminosa visibile.

Se queste scelte iniziali non basteranno, bisognerà indagare e individuare quali cause portano ad avere un fattore di potenza insoddisfacente. A questo punto possiamo trovarci dinanzi a differenti scenari che conducono ad altrettante soluzioni:

• presenza di corrente induttiva: in questo caso è efficace l’inserimento di condensatori di correzione del fattore di potenza. I condensatori sono infatti dispositivi di immagazzinamento dell’energia che compensano la potenza reattiva necessaria all’impianto, aumentando il fattore di potenza al di sopra dei valori richiesti. È utile sottolineare che i condensatori di correzione richiedono un’ispezione regolare e una manutenzione preventiva;
• presenza di corrente armonica: in questo caso non è adeguato l’inserimento di un condensatore di correzione che si comporrebbe come un cortocircuito. A causa infatti della resistenza interna, il condensatore si riscalda, l’elettrolito interno vaporizza e il condensatore avrebbe una durata molto inferiore. La soluzione invece è un economico filtraggio passivo di tipo LC (induttore-condensatore);
• situazioni più complesse: in casi più complessi dei precedenti sarà necessario un filtraggio di tipo attivo che compensa le correnti reattive, le correnti armoniche e le correnti sbilanciate.

 

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