Quienes suelen realizar pruebas de carga simulada saben que los circuitos de CA contienen términos como resistencia, capacitancia o resistencia, inductancia (potencia activa y potencia reactiva). Por lo tanto, para calcular la potencia total consumida, necesitamos conocer la diferencia de fase entre las formas de onda sinusoidales de voltaje y corriente.
En circuitos de CA, las formas de onda de voltaje y corriente son sinusoidales, por lo que sus amplitudes cambian con el tiempo. Como sabemos que la potencia es igual al voltaje multiplicado por la corriente (P = V*I), la potencia máxima se produce cuando las dos formas de onda de voltaje y corriente están alineadas. Es decir, sus picos y cruces por cero ocurren simultáneamente. Cuando esto sucede, se dice que las dos formas de onda están "en fase".
Al definir la impedancia total del circuito, los tres elementos principales en un circuito de CA que pueden afectar la relación entre las formas de onda de voltaje y corriente y su diferencia de fase son resistencias, capacitores e inductores.
La impedancia (Z) de un circuito de CA equivale a la resistencia calculada en un circuito de CC, y se mide en ohmios. En circuitos de CA, la impedancia se define generalmente como la relación entre el fasor de tensión y el fasor de corriente producido por los elementos del circuito. Un fasor es una línea recta trazada de tal manera que la magnitud de la tensión o la corriente se representa por su longitud, y su desfase con respecto a otras líneas fasoriales se representa por su posición angular con respecto a ellas.
Los circuitos de CA contienen resistencia y reactancia que se combinan para proporcionar una impedancia total (Z) que limita el flujo de corriente a través del circuito. Sin embargo, la impedancia de un circuito de CA no es igual a la suma algebraica de los valores óhmicos de la resistencia y la reactancia, ya que la resistencia pura y la reactancia pura están desfasadas 90° entre sí. Podemos usar esta diferencia de fase de 90° como los lados de un triángulo rectángulo, llamado triángulo de impedancia, donde la impedancia es la hipotenusa, determinada por el teorema de Pitágoras.
Esta relación geométrica entre resistencia, reactancia e impedancia se puede representar visualmente utilizando el triángulo de impedancia como se muestra.
Tenga en cuenta que la impedancia es la suma vectorial de la resistencia y la reactancia, y no solo tiene una magnitud (Z), sino también un ángulo de fase (Φ), que representa la diferencia de fase entre la resistencia y la reactancia. Observe también que, al variar la frecuencia, el triángulo cambia de forma debido al cambio en la reactancia (X). Por supuesto, la resistencia (R) siempre se mantendrá constante.
Podemos profundizar en esta idea transformando el triángulo de impedancia en un triángulo de potencia que representa los tres elementos de potencia en un circuito de CA. La Ley de Ohm indica que, en un circuito de CC, la potencia (P) en vatios es igual al cuadrado de la corriente (I₂) por la resistencia (R). Por lo tanto, podemos multiplicar los tres lados del triángulo de impedancia anterior por I₂ para obtener el triángulo de potencia correspondiente:
Potencia activa P = I 2 R Watts, (W)
Potencia reactiva Q = I 2 X voltamperio reactivo, (VAr)
Potencia aparente S = I 2 Z voltio-amperio, (VA)
potencia real en un circuito de CA
La potencia activa (P), también conocida como potencia activa, realiza trabajo real en un circuito. La potencia real (en vatios) define la potencia disipada por la parte resistiva del circuito. Por lo tanto, la potencia real (P) en el circuito de CA es la misma que la potencia P en el circuito de CC. Por lo tanto, al igual que en un circuito de CC, siempre se calcula como I²*R, donde R es la componente resistiva total del circuito.
Dado que la resistencia no crea ninguna diferencia fasorial (desfase) entre las formas de onda de voltaje y corriente, toda la potencia útil se transfiere directamente a la resistencia y se convierte en calor, luz y trabajo. La potencia disipada por la resistencia es la potencia real, básicamente la potencia promedio del circuito.
Para encontrar el valor de potencia activa correspondiente, los valores rms de voltaje y corriente se multiplican por el coseno del ángulo de fase.
Potencia activa P = I 2 R = V * I * cos ( Φ ) Vatios, (W)
Pero como no hay diferencia de fase entre el voltaje y la corriente en un circuito resistivo, el desfase entre las dos formas de onda será cero (0). Entonces:
La potencia real (P) está en vatios, el voltaje (V) está en voltios RMS y la corriente (I) está en amperios RMS.
La potencia real es entonces el elemento resistivo I₂*R medido en vatios, que es lo que se lee en el contador de la compañía eléctrica en vatios (W), kilovatios (kW) y megavatios (MW). Tenga en cuenta que la potencia real P siempre es positiva.
Potencia reactiva en circuitos de CA
La potencia reactiva (Q) (a veces llamada potencia reactiva) es la potencia disipada en un circuito de CA que no realiza trabajo útil, pero tiene un gran efecto en el desfase entre las formas de onda de tensión y corriente. La potencia reactiva está relacionada con la reactancia creada por inductores y condensadores, que pueden contrarrestar los efectos de la potencia activa. En un circuito de CC no hay potencia reactiva.
A diferencia de la potencia activa (P), que hace todo el trabajo, la potencia reactiva (Q) quita potencia al circuito debido a la creación y reducción de campos magnéticos inducidos y campos electrostáticos capacitivos, lo que hace más difícil suministrar potencia activa directamente a un circuito o carga.
La potencia almacenada por un inductor en su campo magnético intenta controlar el flujo de corriente, mientras que la potencia almacenada por el campo electrostático del condensador intenta controlar el voltaje. Como resultado, el condensador produce potencia reactiva y el inductor la consume. Esto significa que ambos consumen energía y la devuelven a la fuente, por lo que no consumen energía real.
Para encontrar la potencia reactiva, los valores rms de voltaje y corriente se multiplican por el seno del ángulo de fase.
Potencia reactiva Q = I 2 X = V*I*sin( Φ ) voltamperio reactivo, (VAr)
Dado que hay una diferencia de fase de 90° entre las formas de onda de voltaje y corriente en reactancia pura (inductiva o capacitiva), al multiplicar V*I por sin( Φ ) se obtiene un componente vertical que está desfasado 90° con cada reactancia uOther , por lo que:
donde la potencia reactiva (Q) está en voltios-amperios reactivos, el voltaje (V) está en voltios rms y la corriente (I) está en amperios rms.
Entonces la potencia reactiva representa el producto de voltios y amperios, desfasados 90 grados entre sí, pero en general, puede haber cualquier ángulo de fase Φ entre el voltaje y la corriente.
Por lo tanto, la potencia reactiva es un elemento reactivo I 2 X , y sus unidades son voltio-amperio reactivo (VAr), kilovoltio-amperio reactivo (kVAr) y megavoltio-amperio reactivo (MVAr).
Potencia aparente en circuitos de CA
Hemos visto anteriormente que la potencia activa se disipa por la resistencia y la potencia reactiva se suministra a la reactancia. Por lo tanto, las formas de onda de corriente y tensión no están en fase debido a la diferencia entre los componentes resistivo y reactivo del circuito.
Existe una relación matemática entre la potencia activa (P) y la potencia reactiva (Q), denominada potencia compleja. El producto del voltaje eficaz V aplicado a un circuito de CA y la corriente eficaz I que fluye en dicho circuito se denomina "producto voltamperio" (VA), símbolo S, y su magnitud suele denominarse potencia aparente.
Esta potencia compleja no es igual a la suma algebraica de las potencias activa y reactiva, sino a la suma vectorial de P y Q, expresada en voltamperios (VA). Es una potencia compleja representada por un triángulo de potencias. El valor eficaz del producto voltamperio se suele denominar potencia aparente, ya que, obviamente, esta es la potencia total disipada por el circuito, aunque la potencia real que realiza el trabajo es mucho menor.
Dado que la potencia aparente consta de dos componentes: la potencia resistiva (potencia en fase o potencia activa en vatios) y la potencia reactiva (potencia desfasada en voltamperios), podemos representar la suma vectorial de estos dos componentes de potencia mediante la forma de un triángulo de potencia. Un triángulo de potencia tiene cuatro partes: P, Q, S y θ.
Los tres elementos que componen una fuente de alimentación en un circuito de CA se pueden representar gráficamente mediante los tres lados de un triángulo rectángulo, similar al triángulo de impedancias anterior. Como se muestra, el lado horizontal (adyacente) del triángulo de potencia representa la potencia activa del circuito (P), el lado vertical (opuesto) representa la potencia reactiva del circuito (Q) y la hipotenusa representa la potencia aparente producida (S).
P es la I 2 * R o potencia real para realizar el trabajo, en vatios, W
Q es I 2 *X o potencia reactiva en voltios-amperios reactivos, VAr
S es I2 * Z o potencia aparente en VA, VA
Φ es el ángulo de fase en grados. Cuanto mayor sea el ángulo de fase, mayor será la potencia reactiva.
Cos( Φ ) = P/S = W/VA = factor de potencia, pf
Sin( Φ ) = Q/S = VAr/VA
Tan( Φ ) = Q/P = VAr/W
El factor de potencia se calcula como la relación entre la potencia real y la potencia aparente, ya que esta relación es igual a cos( Φ ).
El factor de potencia cos(Φ) es un componente importante del circuito de CA y también puede expresarse mediante la impedancia o la potencia del circuito. El factor de potencia se define como la relación entre la potencia real (P) y la potencia aparente (S), generalmente expresada en un valor decimal, como 0,95, o como un porcentaje: 95 %.
El factor de potencia define el ángulo de fase entre las formas de onda de corriente y tensión, donde I y V son las magnitudes de los valores rms de la corriente y la tensión. Tenga en cuenta que no importa si el ángulo de fase es la diferencia entre la corriente y la tensión o si es la diferencia entre la tensión y la corriente. La relación matemática es la siguiente:
Como mencionamos anteriormente, en un circuito puramente resistivo, las formas de onda de corriente y tensión están en fase. Por lo tanto, cuando la diferencia de fase es cero (0 ≤ ), la potencia real disipada es igual a la potencia aparente. Por lo tanto, el factor de potencia es:
Factor de potencia, pf = cos 0 o = 1,0
Es decir, los vatios consumidos son iguales a los voltamperios consumidos, lo que resulta en un factor de potencia de 1,0 o 100 %. En este caso, se denomina factor de potencia unitario.
También dijimos anteriormente que, en un circuito reactivo puro, las formas de onda de corriente y tensión están desfasadas 90° entre sí. Dado que la diferencia de fase es de noventa grados (90°), el factor de potencia será:
Factor de potencia, pf = cos 90 o = 0
Es decir, el consumo de potencia es cero, pero aún hay tensión y corriente que alimentan la carga reactiva. Obviamente, reducir el componente VAr reactivo del triángulo de potencia resultará en una disminución de θ, aumentando así el factor de potencia a 1, es decir, a la unidad. También es deseable tener un factor de potencia alto, ya que esto optimiza el uso del circuito que transporta la corriente a la carga.
Podemos entonces escribir la relación entre potencia activa, potencia aparente y factor de potencia del circuito como:
Se dice que un circuito inductivo cuya corriente "está retrasada" respecto del voltaje (ELI) tiene un factor de potencia retrasado, mientras que se dice que un circuito capacitivo cuya corriente "está adelantada" respecto del voltaje (ICE) tiene un factor de potencia adelantado.
Se conectó una bobina de alambre bobinado con una inductancia de 180 mH y una resistencia de 35 Ω a una fuente de alimentación de 100 V y 50 Hz. Calcule: a) la impedancia de la bobina, b) la corriente, c) el factor de potencia y d) la potencia aparente disipada.
Dibuje también el triángulo de potencia resultante para la bobina de arriba.
Datos dados: R = 35 Ω, L = 180 mH, V = 100 V y ƒ = 50 Hz.
Con un factor de potencia de 0,5263 o 52,63 %, la bobina requiere 150 VA de potencia para producir 79 vatios de trabajo útil. En otras palabras, con un factor de potencia del 52,63 %, la bobina necesita un 89 % más de corriente para realizar la misma función, lo que supone una gran pérdida de corriente.
Agregar un capacitor de corrección del factor de potencia (32,3 uF en este caso) a la bobina para aumentar el factor de potencia por encima de 0,95 o 95 % reducirá en gran medida la potencia reactiva consumida por la bobina, ya que estos capacitores actúan como una máquina de generación de corriente reactiva, reduciendo así la cantidad total de corriente consumida.
Resumen del triángulo de potencia y factor de potencia
Hemos visto aquí que los tres elementos de la potencia eléctrica en un circuito de CA, a saber, la potencia activa, la potencia reactiva y la potencia aparente, se pueden representar mediante los tres lados de un triángulo denominado triángulo de potencia. Dado que estos tres elementos se representan mediante un triángulo rectángulo, su relación se puede definir como: S₂ = P₂ + Q₂, donde: P es la potencia activa en vatios (W) y Q es la potencia activa en vatios (W). La potencia reactiva se expresa en voltamperios (VAr) y S es la potencia aparente en voltamperios (VA).
También vimos que, en un circuito de CA, la cantidad cos(Φ) se denomina factor de potencia. El factor de potencia de un circuito de CA se define como la relación entre la potencia activa (W) consumida por el circuito y la potencia aparente (VA) consumida por el mismo circuito. Esto nos da: Factor de potencia = Potencia real / Potencia aparente, o fp = W/VA.
El coseno del ángulo resultante entre la corriente y el voltaje es el factor de potencia. Generalmente, el factor de potencia se expresa como un porcentaje, como 95%, pero también puede expresarse como un valor decimal, como 0,95.
Cuando el factor de potencia es igual a 1,0 (unidades) o 100 %, es decir, cuando la potencia real disipada es igual a la potencia aparente del circuito, el ángulo de fase entre la corriente y la tensión es 0, ya que: cos -1 (1,0) = 0. Cuando el factor de potencia es cero (0), el ángulo de fase entre la corriente y la tensión será de 90 grados, ya que: cos -1 (0) = 90 grados. En este caso, la potencia real disipada por el circuito de CA es cero, independientemente de la corriente del circuito.
En un circuito de CA real, el factor de potencia puede estar entre 0 y 1,0, dependiendo de los componentes pasivos de la carga conectada. En cargas o circuitos resistivos (el caso más común), el factor de potencia se atrasa. En un circuito capacitivo-resistivo, el factor de potencia se adelanta. Los circuitos de CA pueden definirse como con factor de potencia unitario, atrasado o adelantado.
Un factor de potencia bajo, cercano a cero (0), disipará la energía desperdiciada y, por lo tanto, reducirá la eficiencia del circuito, mientras que un circuito o carga con un factor de potencia cercano a uno (1,0) o a la unidad (100 %) será más eficiente. Esto se debe a que un circuito o carga con un factor de potencia bajo requiere más corriente que el mismo circuito o carga con un factor de potencia cercano a 1,0 (unidades).
