Puterea reactivă: de ce 1000 W la cos φ 0,8 încarcă instalația ca 1250 VA

Simptomul: pe plăcuță sunt două puteri diferite

Cumperi un UPS și vezi „1500 VA / 900 W”. Iei un motor în mână și pe plăcuță scrie 1,1 kW și cos φ 0,8. Producătorul invertorului vorbește de putere aparentă, vânzătorul de wați, iar factura de curent de kilowatt-ore.

Nu e o harababură de notații. Sunt trei mărimi diferite. La o sarcină aproape pur rezistivă — o rezistență de încălzire sau un bec clasic cu incandescență — sunt aproape egale. La motor, transformator și lampă cu descărcare, se despart de-a binelea.

Diferența poate fi mare. Un consumator de 1000 W la un cos φ de 0,8 încarcă instalația ca și cum ar avea 1250 VA. Conductorul și invertorul trebuie să poarte acest curent, deși lui nu-i corespunde nicio energie în plus. Protecțiile nu se aleg însă prin aceeași simplă transformare a VA în amperi — decide caracteristica întregului circuit.

Trei puteri, un singur triunghi

Puterea activă în wați este cea care se transformă în mișcare, căldură sau lumină. Pe ea o plătești în tariful casnic și ea stabilește cât ține acumulatorul.

Puterea reactivă în vari nu efectuează lucru mecanic. Circulă între sursă și consumator: într-un sfert de perioadă încarcă câmpul magnetic al motorului, în următorul se întoarce în rețea. Bilanțul pe o perioadă întreagă este zero, dar curentul circulă tot timpul.

Puterea aparentă în voltamperi este produsul dintre tensiune și curent, adică exact ce vede conductorul. Le leagă teorema lui Pitagora:

S² = P² + Q²

Pentru un consumator de 1000 W la cos φ 0,8 rezultă 1250 VA putere aparentă și 750 var putere reactivă. La 230 V, asta înseamnă un curent de 5,43 A în loc de 4,35 A — cu un sfert mai mult în același conductor, pentru același lucru efectuat.

De unde vine curentul pe care nu-l consumă nimeni

Motorul nu transformă curentul în mișcare direct. Mai întâi trebuie să-și construiască un câmp magnetic în înfășurare — iar acest câmp trebuie alimentat, indiferent dacă arborele este sau nu sub sarcină.

Curentul de magnetizare circulă și atunci când motorul merge în gol. De aceea, un motor subîncărcat are cel mai prost cos φ din tot domeniul lui de funcționare: putere activă absoarbe puțin, dar de magnetizat trebuie la fel. Un motor ales „cu rezervă mare” înrăutățește situația în loc s-o îmbunătățească.

Aceeași logică se aplică transformatoarelor, droselelor din corpurile de iluminat cu descărcare și bobinelor contactoarelor. Rezistența de încălzire, becul cu incandescență și fierbătorul nu au ce magnetiza — la ele cos φ este aproape de unu și toate cele trei puteri sunt practic egale. Asta nu e valabil pentru corpurile LED și tuburile fluorescente: acolo între rețea și sursa de lumină stă un circuit electronic și lucrurile arată altfel.

cos φ nu este întotdeauna factorul de putere

Aici începe locul în care greșesc chiar și texte de specialitate.

cos φ descrie defazajul dintre tensiune și curent. Are sens atunci când curentul este o sinusoidă — adică la motoare, transformatoare și alți consumatori liniari.

Factorul de putere este o noțiune mai largă: raportul dintre puterea activă și cea aparentă, indiferent de forma curbei. Sursele în comutație, invertoarele, încărcătoarele și o parte din iluminatul LED absorb un curent deformat — nu o sinusoidă, ci impulsuri scurte la vârful tensiunii. Atunci cos φ singur dă un rezultat prea optimist, fiindcă nu ține cont de armonici.

Concluzia practică: un calcul cu cos φ este corect pentru motor și transformator. Pentru sursa unui calculator sau pentru un convertizor, tratează-l ca pe o estimare dinspre partea optimistă și verifică factorul de putere real în documentația aparatului.

Compensarea: condensatoarele și ce nu rezolvă ele

Puterea reactivă a motorului poate fi produsă pe loc, în loc s-o tragi din rețea. Condensatorul absoarbe putere reactivă de semn contrar, așa că, legat în paralel cu motorul, micșorează ce trece prin conductorul de alimentare.

Un exemplu cu numere. O întreprindere absoarbe 10 kW la cos φ 0,7 și vrea să ajungă la 0,95, la 400 V și 50 Hz. De compensat rămân 6915 var. În conexiune triunghi este nevoie pentru asta de 45,86 µF pe fază, iar în conexiune stea de 137,57 µF — de trei ori mai mult. Cine dă o singură valoare fără să indice conexiunea greșește în două cazuri din trei. Curentul din conductorul de alimentare scade totodată cu 26,3 la sută.

Ce nu îți spune un astfel de rezultat. Nu spune dacă în instalație există armonici — iar la consumatori neliniari o baterie de condensatoare poate intra în rezonanță cu inductivitatea rețelei și poate înrăutăți situația în loc s-o îmbunătățească. Nu înlocuiește alegerea tensiunii de lucru, a clasei condensatoarelor și nici verificarea condițiilor producătorului. Valoarea în microfarazi este un calcul teoretic pentru conexiunea indicată, nu o listă de cumpărături.

Când te privește pe tine

Primul caz este alegerea unui invertor sau a unui UPS. Aceste echipamente au puterea dată în voltamperi tocmai pentru că le limitează curentul, nu energia. Un consumator liniar de 600 W la cos φ 0,45 cere circa 1333 VA. Simpla inscripție „1000 W” de pe invertor nu ajunge deci pentru evaluare: compară puterea lui continuă și pe cea de vârf date în VA, curentul admis și datele consumatorului tău.

Al doilea este taxa pentru energia reactivă. Operatorul sau tariful pot factura excedentul de energie reactivă peste un nivel stabilit. Nu dăm aici praguri și nici tarife, fiindcă depind de țară, de tarif și de contract — verifică-le în contractul tău și pe factură, nu într-un calculator care nu știe unde te afli. Dacă taxa apare deloc și de la ce nivel, reiese din contract și din regulile operatorului pentru racordul respectiv. Un articol general — inclusiv acesta — nu este o bază pentru evaluarea propriei facturi.

Al treilea este secțiunea conductorului. Ea se alege după curent, iar curentul rezultă din puterea aparentă. Același consumator de 1000 W cere un conductor pentru 5,43 A la cos φ 0,8 și pentru 4,35 A la cos φ egal cu 1.

Surse

• Fluke 39/41B — diferența dintre cos φ la frecvența fundamentală și factorul de putere complet, cu armonici
• Fluke — rezonanța armonicii a cincea: când condensatoarele înrăutățesc situația
• Regulament tarifar polonez (Dz.U. 2019 poz. 503) — exemplu de reglementare națională (Polonia) privind facturarea energiei reactive; în România se aplică alte reguli, verifică-le la operatorul tău