Potencia eléctrica
La potencia
eléctrica es la relación de
paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energíaentregada
o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema
Internacional de Unidades es
elvatio (watt).
Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier
circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos
convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede
producir mecánica o químicamente por la generación
de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en
las células fotoeléctricas.
Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.
La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide
en vatios-hora (Wh),
o en kilovatios-hora (kWh). Normalmente las empresas que
suministran energía eléctrica a la industria y los hogares, en lugar de
facturar el consumo en vatios-hora, lo hacen en kilovatios-hora (kWh). La
potencia en vatios (W) o kilovatios (kW) de todos los aparatos eléctricos debe
figurar junto con la tensión de alimentación en una placa metálica ubicada,
generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores, esa placa
se halla colocada en uno de sus costados y en el caso de las bombillas de
alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su base.
Índice
Potencia en corriente continua[editar]
Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica
desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el
producto de ladiferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad
de corriente que pasa
a través del dispositivo. Por esta razón la potencia es proporcional a la
corriente y a la tensión. Esto es,
(1)
donde I es el valor instantáneo de la
intensidad de corriente y V es el valor instantáneo del voltaje.
Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios).
Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P.
Cuando el dispositivo es una resistencia de
valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también
puede calcularse como,
(2)
recordando que a mayor corriente, menor voltaje.
Potencia en corriente alterna[editar]
Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de
potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una
función de losvalores eficaces o valores cuadráticos medios, de la
diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente
que pasa a través del dispositivo.
Esto provocará, en el caso de un circuito de carácter
inductivo (caso más común), una corriente desfasada
un ángulo respecto
de la tensión aplicada:
Donde, para el caso puramente resistivo, se puede tomar
el ángulo de desfase como cero.
La potencia instantánea vendrá dada como el producto de
las expresiones anteriores:
Mediante trigonometría, la expresión anterior puede
transformarse en la siguiente:
Y sustituyendo los valores del pico por los eficaces:
Se obtiene así para la potencia un valor constante, y
otro variable con el tiempo, . Al primer valor se le denomina potencia
activa y al segundo potencia fluctuante.
Componentes de la intensidad[editar]
Figura 1.- Componentes activa y reactiva de
la intensidad; supuestos inductivo (izquierda) y capacitivo (derecha).
Consideremos un circuito de C. A. en el que la corriente
y la tensión tienen un desfaseφ. Se define componente activa de la
intensidad, Ia,
a la componente de ésta que está en fase con la tensión, y componente reactiva, Ir, a la que está en
cuadratura con ella (véase Figura 1). Sus valores son:
El producto de la intensidad, I, y las de sus componentes
activa, Ia, y
reactiva, Ir,
por la tensión, V, da como
resultado las potencias aparente (S),
activa (P) y reactiva (Q), respectivamente:
Potencia aparente[editar]
Figura 2.- Relación entre potencia activa,
aparente y reactiva.
La potencia
compleja de un circuito
eléctrico de corriente alterna (cuya magnitud se conoce como potencia aparente y se identifica con la letra S), es la suma (vectorial) de
la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor otrabajo (conocida como potencia promedio, activa o real,
que se designa con la letra P y se mide en vatios (W)) y la potencia utilizada para la
formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes, que fluctuará
entre estos componentes y la fuente de energía (conocida como potencia reactiva, que se
identifica con la letra Q y se mide en voltiamperios reactivos (var)). Esto significa que la potencia
aparente representa la potencia total desarrollada en un circuito con
impedancia Z. La relación entre todas las potencias aludidas es .
Esta potencia
aparente (S) no es
realmente la "útil", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y señala que la red
de alimentación de un circuito no solo ha de satisfacer la energía consumida
por los elementos resistivos,
sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" las
bobinas y condensadores. Se mide envoltiamperios (VA), aunque para aludir a grandes
cantidades de potencia aparente lo más frecuente es utilizar como unidad de
medida el kilovoltiamperio (kVA).
La fórmula de la potencia aparente es:
Potencia activa, Potencia media consumida o
potencia absorbida[editar]
Es la potencia capaz de transformar la energía eléctrica en trabajo. Los diferentes
dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras
formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta
potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los circuitos y, en
consecuencia, cuando se habla de demanda eléctrica, es esta potencia la que se
utiliza para determinar dicha demanda.
Se designa con la letra P y se mide en vatios -watt- (W) o kilovatios -kilowatt- (kW). De acuerdo con su
expresión, la ley de Ohm y
el triángulo de impedancias:
Resultado que indica que la potencia activa se debe a los elementos resistivos.
Potencia Reactiva Inductiva[editar]
Esta potencia no se consume ni se genera en el sentido
estricto (el uso de los términos "potencia reactiva generada" y/o
"potencia reactiva consumida" es una convención) y en circuitos lineales
solo aparece cuando existen bobinas o condensadores. Por ende, es toda aquella
potencia desarrollada en circuitos inductivos. Considérese el caso ideal de que
un circuito pasivo contenga exclusivamente, un elemento inductivo (R
= 0; Xc = 0 y Xl = o) al cual se aplica una tensión senoidal de la forma u(t) =
Umáx * sen w*t. En dicho caso ideal se supone a la bobina como carente de
resistencia y capacidad, de modo que solo opondrá su reactancia inductiva a las
variaciones de la intensidad del circuito. En dicha condición, al aplicar una
tensión alterna a la bobina la onda de la intensidad de corriente
correspondiente resultará con el máximo ángulo de desfasaje (90º). La onda
representativa de dicho circuito es senoidal, de frecuencia doble a la de red,
con su eje de simetría coincidiendo con el de abscisas, y por ende con
alternancias que encierran áreas positivas y negativas de idéntico valor. La
suma algebraica de dichas sumas positivas y negativas da una potencia
resultante nula, fenómeno que se explica conceptualmente considerando que
durante las alternancias positivas el circuito toma energía de la red para
crear el campo magnético en la bobina; mientras en las alternancias negativas
el circuito la devuelve, y a dicha devolución se debe la desaparición
temporaria del campo magnético. Esta energía que va y vuelve de la red
constantemente no produce trabajo y recibe el nombre de "energía
oscilante", correspondiendo a la potencia que varía entre cero y el valor
(Umáx*Imáx)/2 tanto en sentido positivo como en negativo.
Por dicha razón, para la condición indicada resulta que P
= 0 y por existir como único factor de oposición la reactancia inductiva de la
bobina, la intensidad eficaz del circuito vale:
El desfasaje angular de la corriente (I)
respecto de la tensión (U) es de 90º, tal como se puede apreciar en este
diagrama de un circuito inductivo puro. Nótese como la sinusoide
correspondiente a la Potencia (P = U*I) es positiva en las partes en que tanto
I como U son positivas o negativas, y cómo es negativa en las partes en que ya
sea U o I es positiva y la otra negativa.
En circuitos inductivos puros, pese a que no existe
potencia activa alguna igual se manifiesta la denominada "Potencia reactiva"
de carácter inductivo que vale:
Siendo φ = 90º (Dado que la corriente atrasa con respecto
de la tensión)
La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo
que no produce trabajo y se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en voltiamperios reactivos (var) y se designa con la letra Q.
A partir de su expresión,
Lo que reafirma en que esta potencia se debe únicamente a
los elementos reactivos.
Potencia Reactiva Capacitiva[editar]
Es toda aquella potencia desarrollada en un circuito
capacitivo. Considerando el caso ideal de que un circuito pasivo contenga
únicamente un capacitor (R
= 0; Xl = 0; Xc = 0) al que se aplica una tensión senoidal de la forma U(t) =
Umáx*sen w*t, la onda correspondiente a la corriente I, que permanentemente
carga y descarga al capacitor resultará 90º adelantada en relación a la onda de
tensión aplicada. Por dicha razón también en este caso el valor de la potencia
posee como curva representativa a una onda senoidal de valor oscilante entre
los valores cero y (Umáx*Imáx)/2 en sentido positivo y negativo.
Las alternancias de dicha onda encierran áreas positivas
correspondientes a los períodos en que las placas del capacitor reciben la
carga de la red; significando los períodos negativos el momento de descarga del
capacitor, que es cuando se devuelve a la red la totalidad de la energía
recibida. En esta potencia también la suma algebraica de las áreas positivas y
negativas es nula dado que dicha áreas son de igual y opuesto valor. La
potencia activa vale cero, y por existir como único factor de oposición la
reactancia capacitiva del circuito la intensidad eficaz que recorre al mismo
vale:
Siendo φ = 90º (La tensión atrasa respecto de la
corriente)
Diagrama de un circuito puramente
capacitivo en el cual la tensión atrasa 90º respecto de la corriente.
En los circuitos capacitivos puros no existe potencia
activa, pero si existe la potencia reactiva de carácter capacitivo que vale:
Potencia de cargas reactivas e in-reactivas[editar]
Para calcular la potencia de algunos tipos de equipos que
trabajan con corriente alterna, es necesario tener en cuenta también el valor
del factor de potencia o coseno de phi ()
que poseen. En ese caso se encuentran los equipos que trabajan con carga
reactiva o inductiva, es decir, aquellos aparatos que para funcionar utilizan
una o más bobinas o enrollado de alambre de cobre, como ocurre, por ejemplo,
con los motores eléctricos, o también con los aparatos
de aire acondicionado o los tubos fluorescentes.
Las cargas reactivas o inductivas, que poseen los motores
eléctricos, tienen un factor de potencia menor que “1” (generalmente su valor
varía entre 0,85 y 0,98), por lo cual la eficiencia de trabajo del equipo en
cuestión y de la red de suministro eléctrico disminuye cuando el factor se
aleja mucho de la unidad, traduciéndose en un mayor gasto de energía y en un
mayor desembolso económico.
Potencia trifásica[editar]
La representación matemática de la potencia activa en un sistema trifásico equilibrado (las tres tensiones de fase tienen
idéntico valor y las tres intensidades de fase también coinciden) está dada por
la ecuación:
|
Siendo la
intensidad de línea y la
tensión de línea (no deben emplearse para esta ecuación
los valores de fase). Para reactiva y aparente:
|
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