(7) Potencia activa, reactiva y aparente

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jeopardize
Vaca Forera
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#1 (7) Potencia activa, reactiva y aparente

Mensaje por jeopardize » 23 Ene 2019, 22:23

Dando por sentado que dominamos los conceptos de tensión, corriente y el producto de ambos que es la potencia, vamos a intentar explicar las “variantes” de la potencia: activa, reactiva y aparente. Estos conceptos sólo se pueden dar en corriente alterna; en continua no tienen sentido.
Hay tres tipos de cargas puras: resistiva (por ejemplo una bombilla o una estufa), capacitivas (un condensador) y inductivas (un motor; una bobina). Son precisamente estos tres tipos de cargas los que darán lugar a las “variantes” de la potencia.
Un aspecto interesante: Para la corriente contínua, la resistencia de un condensador es infinita, y la de una bobina, cero (bueno, los ohmios del hilo)

Carga resistiva:
Toda la energía eléctrica se convierte en calorífica. La tensión y la corriente de un circuito resistivo vistas con un osciloscopio están en fase, es decir, cambian de magnitud totalmente sinconizados, al unisono. Se dice que el desfase entre tensión e intensidad es de 0° (cero grados):

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Carga capacitiva:
La corriente adelanta a la tensión 90º; el condensador se carga tomando energía de la fuente y se descarga en el siguiente semiciclo retornándola sin consumirla (despreciando pérdidas).

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Carga Inductiva:
La corriente está retrasada 90º con respecto a la tensión. La energía que toma la carga en el primer semiciclo de la fuente de corriente alterna, la convierte en campo magnético variable que, de acuerdo con las leyes de Faraday y Lenz, producen una tensión en la bobina que se opone a la fuente que la produce. De tal forma que en el siguiente medio ciclo regresa la potencia a la fuente. Al igual que en el capacitor, la inductancia (bobina) toma potencia de la fuente, la usa y posteriormente la regresa y no la consume, siempre obviando las pérdidas.

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En cualquier instalación del mundo real (doméstica, industrial…) las cargas son una combinación de los tres tipos descritos, siendo por tanto su producto (potencia) un valor de fase con respecto a la tensión variable en función de la naturaleza del circuito.
Entonces, ¿qué es el factor de potencia?. Se define factor de potencia, f.d.p. (PF Power Factor en inglés) de un circuito de corriente alterna, como la relación entre la potencia activa, P, y la potencia aparente, S, o bien como el coseno del ángulo que forman los fasores de la intensidad y el voltaje, designándose en este caso como cosφ, siendo φ el valor de dicho ángulo. De acuerdo con el siguiente triángulo de potencias:

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Potencia activa (P), que es la que se aprovecha como potencia útil; es la que realmente hace “el trabajo”. También se llama potencia media, real o verdadera y es debida a las componentes resistivas. Su unidad de medida en el vatio (W). Sería la resultante de hacer funcionar por ej. una estufa.
Potencia reactiva (Q), que es la potencia que necesitan las bobinas y los condensadores para generar campos magnéticos o eléctricos, pero que no se transforma en trabajo efectivo, sino que fluctúa por la red entre el generador y los receptores.
Su unidad de medida es el voltamperio reactivo (VAr).
Potencia aparente(S), es la potencia total consumida por la carga y es el producto de los valores eficaces de tensión e intensidad. Se obtiene como la suma vectorial de las potencias activa y reactiva. Su unidad de medida es el voltamperio (VA).
Intuitivamente, se ve muy bien con el conocido símil de la jarra de cerveza:

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En la jarra tenemos a toda la cerveza (P aparente), pero hay una parte “no aprovechable” que es la espuma, que por decirlo así, no sirve de nada (P reactiva) y lo que realmente aprovechamos es el líquido (P activa).
El valor del PF viene determinado por el tipo de cargas conectadas en una instalación. De acuerdo con su definición, el factor de potencia es adimensional y solamente puede tomar valores entre 0 y 1. En un circuito resistivo puro recorrido por una corriente alterna, la intensidad y la tensión están en fase (φ=0), esto es, cambian de polaridad en el mismo instante en cada ciclo, siendo por lo tanto el factor de potencia la unidad. Por otro lado, en un circuito reactivo puro, la intensidad y la tensión están en cuadratura (φ=90º) siendo nulo el valor del PF.
Un PF bajo comparado con otro alto, origina, para una misma potencia, una mayor demanda de intensidad, lo que implica la necesidad de utilizar cables de mayor sección. En la siguiente tabla vemos el factor multiplicador (para unas mismas pérdidas) de la sección de cable en función del cosφ:
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Para una potencia activa dada, la potencia aparente es tanto mayor cuanto más bajo sea el PF, lo que origina una mayor dimensión de los generadores y de las líneas (cables, protecciones etc.)
Ambas conclusiones nos llevan a un mayor coste de la instalación suministradora. Esto no resulta práctico para las compañías eléctricas, puesto que el gasto es mayor para un PF bajo. Es por ello que las compañías suministradoras penalizan la existencia de un PF bajo, obligando a su mejora, imponiendo costes adicionales o instalando un contador eléctrico especial que tarifa independientemente la energía reactiva.
Como medidas potencialmente correctoras del PF en una instalación, se contemplan los bancos de condensadores (en el caso que tengamos un circuito fuertemente inductivo) o bobinas para el caso contrario. Supongo que el lector habrá observado la presencia de un condensador en paralelo a la entrada de un fluorescente clásico; este condensador cumple la misión de compensar o mitigar la parte inductiva del balasto de encendido, a la par que suprime interferencias en el momento del encendido.
Otro ejemplo son las bombillas con led; las hay con un convertidor sencillo que exhibe PF cercanos a 0,5 (las baratas) y los más elaborados se acercan a 0,9; por tanto, en el primer caso el led estará consumiendo mucho más que en el segundo.
Una vez más, recurrimos al símil cervecero:

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En toda la exposición, se ha asumido que el cosφ es igual al PF a efectos de simplificación. Esto es cierto siempre y que las formas de onda no estén fuertemente distorsionadas. Una sencilla explicación la tenemos en:

https://quintoarmonico.es/2008/07/17/di ... -potencia/


Es por tanto deseable intentar conseguir factores de potencia cercanos a “1” (PF1).

Para profundizar más:
https://es.wikipedia.org/wiki/Factor_de_potencia
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