Che cos’è la correzione del fattore di potenza?

Il fattore di potenza è una misura che descrive l’efficienza con la quale un sistema elettrico a corrente alternata (CA) converte l’energia elettrica in lavoro utile. La correzione del fattore di potenza è il processo di miglioramento del fattore di potenza di un sistema di alimentazione elettrica al fine di renderlo più efficiente.

Il fattore di potenza di un circuito CA è il rapporto tra la potenza reale istantanea utilizzata da un carico elettrico e la potenza apparente che scorre nel circuito. È una misura dell’efficacia con cui la potenza viene trasmessa e utilizzata dai carichi collegati a una rete elettrica, in quanto evidenzia la relazione tra la potenza reale che esegue lavoro effettivo e la potenza apparente che viene fornita al circuito.

\[Fattore di \; potenza = cosθ = \frac{Potenza \; reale \; (kW)}{Potenza \; apparente \; (kVA)}\]

Il fattore di potenza è rappresentato da \(cosθ\), dove \(θ\) è l’angolo tra la potenza reale e la potenza apparente nel triangolo delle potenze vettoriali qui sotto.

Il fattore di potenza è espresso come un valore numerico tra 0 e 1 (o come percentuale), dove un valore di 1 (o 100%) indica l’efficienza massima. Un fattore di potenza inferiore a 1 indica uno sfasamento tra corrente e tensione in un circuito CA.

Tecniche di correzione del fattore di potenza

Le tecniche di correzione del fattore di potenza sono strategie e metodi impiegati per migliorare il fattore di potenza di un sistema di alimentazione elettrica per avvicinarlo a 1, con l’obiettivo di renderlo più efficiente. Per ottenere la correzione del fattore di potenza vengono utilizzate diverse tecniche.

Compensatori sincroni

Un compensatore sincrono, che sostanzialmente è un motore sincrono che funziona senza carico meccanico, può essere regolato per fornire volt-ampere reattivi (VAR) in anticipo o in ritardo secondo necessità. Questo approccio aiuta a bilanciare dinamicamente il fattore di potenza in condizioni di carico variabili.

Ad esempio, un grande parco eolico utilizza un compensatore sincrono vicino al punto di connessione alla rete elettrica per contrastare il fattore di potenza variabile causato dalle variazioni della velocità del vento e dai carichi induttivi del trasformatore. Questo compensatore esegue regolazioni in modo dinamico, fornendo o assorbendo potenza reattiva secondo necessità, stabilizzando la tensione di rete, garantendo una trasmissione di potenza efficiente e minimizzando le perdite, consentendo così un’alimentazione affidabile ed efficiente nonostante la variabilità del vento.

Rifasatori

Utilizzati principalmente con i motori a induzione, i rifasatori sono dispositivi che forniscono la corrente in anticipo necessaria al rotore, riducendo in tal modo i VAR in ritardo prelevati dall’alimentazione. Questa tecnica migliora il fattore di potenza del motore stesso e dell’intero sistema. 

Correzione del fattore di potenza attiva

La correzione del fattore di potenza attiva è una tecnica utilizzata nei circuiti e dispositivi elettronici, che impiega l’elettronica di potenza per modificare la forma d’onda della corrente prelevata dal carico per migliorare il fattore di potenza. Questo metodo è particolarmente efficace per carichi non lineari, come quelli presenti negli alimentatori a commutazione.

Gli alimentatori a commutazione utilizzati nei computer, essendo carichi non lineari, possono introdurre una quantità significativa di distorsione armonica nel sistema di alimentazione e registrare uno scarso fattore di potenza se non vengono corretti. Per affrontare questo problema, molti alimentatori di computer integrano un circuito PFC attivo.

Correzione del fattore di potenza passiva

La correzione del fattore di potenza passiva prevede l’utilizzo di elementi passivi quali condensatori e induttori per migliorare il fattore di potenza. Questo metodo è più semplice e meno costoso rispetto alla correzione del fattore di potenza attiva, ma è in genere meno efficace nella correzione del fattore di potenza per carichi non lineari.

Ad esempio, le luci fluorescenti negli edifici commerciali, che sono carichi induttivi, possono causare un fattore di potenza in ritardo, il che comporta un aumento degli oneri di domanda da parte dell’azienda elettrica e una riduzione dell’efficienza del sistema elettrico. Per correggere questo problema vengono installati condensatori in parallelo al circuito di illuminazione. Questi condensatori forniscono potenza reattiva in anticipo, controbilanciando la potenza reattiva in ritardo prelevata dalle luci, migliorando così il fattore di potenza.

In conclusione, il miglioramento del fattore di potenza attraverso queste tecniche può comportare notevoli vantaggi, tra cui minori costi energetici, maggiore capacità del sistema e migliore regolazione della tensione, che contribuiscono a rendere il sistema di alimentazione più efficiente e affidabile.

È possibile utilizzare MATLAB^®, Simulink^® e Simscape Electrical™ per progettare, simulare e analizzare convertitori di potenza, motori CA, stabilità dei sistemi di alimentazione, flusso di carico e armoniche nel sistema utilizzando librerie integrate che contengono modelli di svariati componenti e sistemi. Questo approccio consente di eseguire un’analisi dettagliata delle prestazioni di questi sistemi in diverse condizioni e delle modalità per ottimizzarle. Utilizzando Embedded Coder^® è possibile generare codice di produzione per il controller ed eseguire test Hardware-In-the-Loop (HIL) per valutare le prestazioni del controller in varie condizioni operative. Questo processo aiuta a mitigare i rischi e ottimizzare le prestazioni del sistema di elettronica di potenza utilizzato per il miglioramento della qualità della potenza.