Potencias (energías) en
instalaciones monofásicas DE C.A.
Por definición, la potencia y la energía
se relacionan según la siguiente
expresión:
Dicha expresión puede enunciarse en palabras as:
Potencia es la Energía por unidad de Tiempo .
La potencia puede interpretarse, también, como la
posibilidad de desarrollar trabajo mecánico , de
entregar energía en forma de luz o de calor por parte de
la carga.
En electrotecnia, la Potencia resulta del producto de la
Tensión [V] por la Intensidad de corriente [A], llamando
Watts [W] a su unidad.
Es decir: P [W] = U [V] . I [A] siendo: P =
Potencia
U = Tensión
I = Corriente
Esta expresión se aplica sin problemas en
corriente contínua y en corriente alterna, solamente si la
carga es una resistencia ( ver )como consecuencia que no hay
desfases entre la tensión y la corriente. Por otra parte,
en corriente alterna, tendremos que observar algunas cuestiones
propias de ésta, que no suceden en corriente
contínua.
Considerando un circuito inductivo, sabemos que la
corriente retrasa un cierto ángulo respecto de la
tensión
Componente Activa de la Intensidad de Corriente,
Ia:
Se llama así a la componente de la Intensidad de
Corriente en fase con la tensión.
Ia = I . cos [A]
Componente Reactiva de la Intensidad de Corriente,
Ir:
Se llama así a la componente de la Intensidad de
Corriente desfasada 90º respecto de la
tensión.
Ir = I . sen [A]
Potencia Aparente:
Se llama así al producto de la Tensión por
la Corriente (total).
Se la designa con la letra S y su unidad es el
Volt-ampere, [VA], siendo su múltiplo el kiloVolt-ampere
[kVA].
S [VA] = U [V] x I [A]
Interpretación de la Potencia
Aparente:
Las máquinas (motores, transformadores,
generadores) se construyen para determinados valores de
tensión y de corriente. Por tal motivo se los caracteriza
por la potencia aparente.
Potencia Activa:
Se llama así al producto de la Tensión por
la Componente activa de la Corriente .
Se la designa con letra P y su unidad es el Watt [W],
siendo su múltiplo el kilowatts [kW].
P [W] = U. Ia = U . I . cos
Interpretación de la Potencia Activa:
Es la parte de la potencia aparente que la carga
transformará en trabajo mecánico, energía
calórica, luz, etc. durante el tiempo en que está
en funcionamiento.
Energía Activa:
Resulta de la potencia activa P a lo largo
de un cierto intervalo de tiempo t (se transforma en trabajo
mecánico, calor, iluminación)
EP = P . t [W] , también
[kW]
Potencia Reactiva:
Se llama así al producto de la Tensión por
la Componente reactiva de la Corriente.
Se la designa con la letra Q y su unidad es [Var],
siendo su múltiplo el kiloVolt-Ampere reactivo.
Q [Var] = U . Ir = U . I . sen
Interpretación de la Potencia
Reactiva:
Esta potencia la consumen, en corriente alterna,
aquellas cargas que posean bobinas (motores, transformadores,
tubos fluorescentes, lámparas de descarga de gases, etc.)
y la utilizan para producir el campo magnético que
requieren para funcionar. Esta potencia reactiva no proporciona
ningún tipo de trabajo útil.
Energía Reactiva:
Resulta de la potencia reactiva a lo largo
de un cierto intervalo de tiempo t (se utiliza para la
formación de campos magnéticos).
EQ = Q . t [Var] , también
[kVar]
Triángulo de Potencia:
Las potencias aparente, activa y reactiva
correspondiente a una carga se relacionan entre sí
mediante un triángulo, llamado de potencias.
Factor de Potencia:
Se llama así a la relación entre la
potencia activa y la potencia aparente correspondiente a una
carga.
Observando el triángulo de potencia dicha
relación es el cos . En consecuencia, el factor de
potencia será un número comprendido entre 0 y 1, el
cual será una característica de la
carga.
Caso Particular:
Si la carga es una resistencia pura R , la corriente que
ella absorbe está en fase con la tensión siendo por
lo tanto toda activa, es decir,se cumple que
I = Ia por lo tanto S = P , finalmente el cos =
1.
Se interpreta que la potencia aparente es totalmente
activa y se transformará íntegramente en
calor.
¿ Por qué existe un bajo
factor de potencia?
La potencia reactiva, como dijimos, no
implica en la carga un desarrollo de trabajo mecánico ,
calor, iluminación sino es necesaria para producir el
flujo magnético que requiere para su funcionamiento los
motores, tubos fluorescentes, lámparas de descarga .
Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable los
requerimientos de potencia reactiva también se hacen
significativos, lo cual produce una disminución exagerada
del factor de potencia. Un alto consumo de energía
reactiva puede producirse como consecuencia principalmente
de:
Un gran número de motores
trabajando alejados del punto de plena carga.Un gran número de
lámparas fluorescentes, de vapor de mercurio, de
sodio.
Cargas puramente resistivas, tales como alumbrado
incandescentes , resistencias de calentamiento, etc. no causan
este tipo de problema ya que no necesitan de la corriente
reactiva.
¿Por qué resulta
inconveniente y caro mantener un bajo factor de Potencia?El
hecho de que exista un bajo factor de potencia genera los
siguientes inconvenientes:
Al propietario de la
instalación:
Aumento de la intensidad de corriente,
en consecuencia las pérdidas en los conductores y
caídas de tensión elevadas.La temperatura de los conductores
aumenta y esto disminuye la vida de su
aislamiento.Aumentos en el costo de la
energía por recargos que impone la empresa
distribuidora de energía.
A la empresa distribuidora de
energía:
Mayor inversión en los equipos
de generación, en las líneas y en los
transformadores necesarios para abastecer una cierta
instalación ya que los mismos se determinan por la
potencia aparente a suministrar en KVA.
Como consecuencia, las empresas
distribuidoras de energía solicitan un factor de potencia
superior a 0,90 resultando el costo de la tarifa con recargos si
esto no se cumpliera .
Ejemplo Numérico:
Cotejando ambos resultados, se obtienen las
siguientes conclusiones:
Un f.d.p. bajo comparado con otro alto,
origina, para una misma potencia, una mayor demanda de
corriente, lo que implica la necesidad de utilizar cables de
mayor sección.La potencia aparente es tanto mayor
cuanto más bajo sea el f.d.p., lo que origina una
mayor dimensión de los generadores.
Ambas conclusiones nos llevan a un mayor coste de la
instalación alimentadora. Esto no resulta práctico
para las compañías eléctricas, puesto que el
gasto es mayor para un f.d.p. bajo. Es por ello que las
compañías suministradoras penalizan la existencia
de un f.d.p. bajo, obligando a su mejora o imponiendo costes
adicionales.
Potencias en un circuito capacitivo
puro:
Observación:
En cuanto a la potencia reactiva debemos tener en cuenta
el sentido del vector que la representa
gráficamente.
Si comparamos lo que sucede con el sentido de Q en un
circuito inductivo como se observa en triángulo de
potencias antes realizado (hacia abajo)con el sentido de Qc(hacia
arriba) observamos que tienen sentido distinto.
Dichos sentidos distintos provienen del desfase de la
corriente con respecto a la tensión en cada
caso.
Matemáticamente, a los sentidos distintos de Q le
corresponderán distintos signos: Adoptaremos positivo para
las Q inductivas y negativo para las Q capacitivas.
Resumiendo nos queda:
Cálculo de la Potencia reactiva
capacitiva Qc para la corrección del factor de
potencia:
Se tiene una carga cuyo factor de potencia inicial es
cos , conociéndose también las potencias P1 , Q1 ,
S1.
Se pretende mejorar el factor de potencia
llevándolo a un valor cos (generalmente mayor a
0,90).
Para tal fin, se conectan capacitores en paralelo
con la carga cuya Qc debemos calcular:
Comenzaremos realizando el triángulo de potencia
inicial y final
Del triángulo de potencia se deduce:
Qc = Q1 – Q2 (1)
Q1 = P1 . tg
Q2 = P1 . tg
Reemplazando en (1)
Autor:
Enviado por:
Pablo Turmero