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Potencias en instalaciones monofásicas de corriente alterna




Enviado por Pablo Turmero



    Potencias (energías) en
    instalaciones monofásicas DE C.A.

    Por definición, la potencia y la energía
    se relacionan según la siguiente
    expresión:

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    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

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    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.

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    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.

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    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:

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    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:

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    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:

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    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

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    Del triángulo de potencia se deduce:

    Qc = Q1 – Q2 (1)

    Q1 = P1 . tg

    Q2 = P1 . tg

    Reemplazando en (1)

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    Autor:

    Enviado por:

    Pablo Turmero

     

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