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)
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Enviado por:
Pablo Turmero