Potencia reactiva

En un circuito de CC, el producto de «voltios x amperios» da la potencia consumida en vatios por el circuito. Sin embargo, si bien esta fórmula también es válida para circuitos de CA puramente resistivos, la situación es un poco más compleja en circuitos de CA que contienen componentes reactivos, ya que este producto de voltio-amperio puede cambiar con la frecuencia.

En un circuito de CA, el producto de la tensión y la corriente se expresa como voltamperios (VA) o kilo voltios-amperios (kVA) y se conoce como potencia aparente y su símbolo es S.En un circuito puramente resistivo no inductivo como calentadores, planchas, hervidores y bombillas de filamento, etc. Su reactancia es prácticamente cero, por lo que la impedancia del circuito se compone casi en su totalidad de solo resistencia.

Para un circuito resistivo de CA, la corriente y el voltaje están en fase y la potencia en cualquier instante se puede encontrar multiplicando el voltaje por la corriente en ese instante, y debido a esta relación «en fase», los valores rms pueden ser se utiliza para encontrar la potencia de CC equivalente o el efecto de calentamiento.

Sin embargo, si el circuito contiene componentes reactivos, las formas de onda de voltaje y corriente estarán «desfasadas» en cierta cantidad determinada por el ángulo de fase del circuito. Si el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente está en su máximo de 90°, el producto voltio-amperio tendrá valores positivos y negativos iguales.

En otras palabras, el circuito reactivo devuelve tanta energía al suministro como consume, lo que hace que la energía promedio consumida por el circuito sea cero, ya que la misma cantidad de energía sigue fluyendo alternativamente de la fuente a la carga y de regreso de la carga a la fuente.

Dado que tenemos un voltaje y una corriente, pero no hay potencia disipada, la expresión de P = IV (rms) ya no es válida y, por lo tanto, se deduce que el producto voltio-amperio en un circuito de CA no necesariamente da la potencia consumida. Luego, para determinar la «potencia real», también llamada potencia activa, símbolo P consumido por un circuito de CA, debemos tener en cuenta no solo el producto de voltio-amperio, sino también la diferencia del ángulo de fase entre el voltaje y las formas de onda de corriente dadas. por la ecuación: VI.cosΦ.

Entonces podemos escribir la relación entre el poder aparente y el poder activo o real como:

Ten en cuenta que el factor de potencia (PF) se define como la relación entre la potencia activa en vatios y la potencia aparente en voltios-amperios e indica la eficacia con la que se utiliza la energía eléctrica. En un circuito de CA resistivo no inductivo, la potencia activa será igual a la potencia aparente cuando la fracción de P / S se vuelve igual a uno o la unidad. El factor de potencia de un circuito se puede expresar como un valor decimal o como un porcentaje.

Pero además de las potencias activa y aparente en los circuitos de CA, también hay otro componente de potencia que está presente siempre que hay un ángulo de fase. Este componente se denomina potencia reactiva (a veces denominado potencia imaginaria) y se expresa en una unidad denominada “voltios-amperios reactivos”, (VAr), símbolo Q y viene dada por la ecuación: VI.sinΦ.

El poder reactivo, o VAr, no es realmente potencia, pero representa el producto de voltios y amperios que están desfasados ​​entre sí. El poder reactivo es la porción de electricidad que ayuda a establecer y mantener los campos eléctricos y magnéticos requeridos por los equipos de corriente alterna. La cantidad de potencia reactiva presente en un circuito de CA dependerá del cambio de fase o del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente y, al igual que la potencia activa, la potencia reactiva es positiva cuando se «suministra» y negativa cuando se «consume».

La potencia reactiva es utilizada por la mayoría de los tipos de equipos eléctricos que utilizan un campo magnético, como motores, generadores y transformadores. También se requiere para suplir las pérdidas reactivas en las líneas aéreas de transmisión de energía.

La relación de los tres elementos de potencia, potencia activa, (vatios) potencia aparente, (VA) y potencia reactiva, (VAr) en un circuito de CA se puede representar mediante los tres lados de un triángulo rectángulo. Esta representación se llama un triángulo de potencia como se muestra:

Potencia en un circuito de CA

En el triángulo de potencia anterior podemos ver que los circuitos de CA suministran o consumen dos tipos de energía: potencia activa y potencia reactiva. Además, la potencia activa nunca es negativa, mientras que la potencia reactiva puede tener un valor positivo o negativo, por lo que siempre es ventajoso reducir la potencia reactiva para mejorar la eficiencia del sistema.

La principal ventaja de usar la distribución de energía eléctrica de CA es que el nivel de voltaje de suministro se puede cambiar usando transformadores, pero los transformadores y motores de inducción de electrodomésticos, acondicionadores de aire y equipos industriales consumen energía reactiva que ocupa espacio en las líneas de transmisión ya que los conductores más grandes y se requieren transformadores para manejar las corrientes más grandes por las que debe pagar.

Analogía de la potencia reactiva con una jarra de cerveza.

En muchos sentidos, la potencia reactiva se puede considerar como la espuma en una pinta o un vaso de cerveza. Pagas al camarero por un vaso de cerveza lleno, pero solo bebes la cerveza líquida que, en muchas ocasiones, es siempre menos que un vaso lleno.

Esto se debe a que la cabeza (o espuma) de la cerveza ocupa un espacio adicional desperdiciado en el vaso, lo que deja menos espacio para la cerveza líquida real que consume, y la misma idea es cierta en muchos sentidos para el poder reactivo.

Pero para muchas aplicaciones de energía industrial, la energía reactiva a menudo es útil para un circuito eléctrico. Si bien la potencia real o activa es la energía suministrada para hacer funcionar un motor, calentar una casa o iluminar una bombilla eléctrica, la potencia reactiva proporciona la función importante de regular el voltaje, lo que ayuda a mover la energía de manera efectiva a través de la red pública y las líneas de transmisión para donde lo requiera la carga.

Si bien es bueno reducir la potencia reactiva para ayudar a mejorar el factor de potencia y la eficiencia del sistema, una de las desventajas de la potencia reactiva es que se requiere una cantidad suficiente para controlar el voltaje y superar las pérdidas en una red de transmisión. Esto se debe a que si el voltaje de la red eléctrica no es lo suficientemente alto, no se puede suministrar energía activa. Pero tener demasiada potencia reactiva fluyendo en la red puede causar un calentamiento excesivo (I2* R pérdidas) y caídas de voltaje no deseadas y pérdida de energía a lo largo de las líneas de transmisión.

Corrección del factor de potencia de la potencia reactiva

Una forma de evitar cargas de potencia reactiva es instalar condensadores de corrección del factor de potencia. Normalmente, a los clientes residenciales se les cobra solo por la potencia activa consumida en kilovatios hora (kWh) porque casi todos los valores del factor de potencia residencial y monofásico son esencialmente los mismos debido a que el fabricante incorpora condensadores de corrección del factor de potencia en la mayoría de los electrodomésticos.

Los clientes industriales, por otro lado, que utilizan suministros trifásicos tienen factores de potencia muy diferentes y, por esta razón, la empresa eléctrica puede tener que tomar en cuenta los factores de potencia de estos clientes industriales pagando una penalización si su factor de potencia cae por debajo un valor prescrito porque a las empresas de servicios públicos les cuesta más abastecer a los clientes industriales, ya que se requieren conductores más grandes, transformadores más grandes, aparamenta más grande, etc, para manejar las corrientes más grandes.

Generalmente, para una carga con un factor de potencia de menos de 0,95 se requiere más potencia reactiva. Para una carga con un valor de factor de potencia superior a 0,95 se considera buena ya que la potencia se consume de forma más eficaz, y una carga con un factor de potencia de 1,0 o la unidad se considera perfecta y no utiliza potencia reactiva.

Luego hemos visto que la «potencia aparente» es una combinación de «potencia reactiva» y «potencia activa». La potencia activa o real es el resultado de un circuito que contiene solo componentes resistivos, mientras que la potencia reactiva es el resultado de un circuito que contiene componentes capacitivos e inductivos. Casi todos los circuitos de CA contendrán una combinación de estos componentes R, L y C. 

Dado que la potencia reactiva quita la potencia activa, debe tenerse en cuenta en un sistema eléctrico para garantizar que la potencia aparente suministrada sea suficiente para alimentar la carga. Este es un aspecto crítico para entender las fuentes de energía de CA porque la fuente de energía debe ser capaz de suministrar la energía de voltio-amperio (VA) necesaria para cualquier carga dada.