POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA

Este artículo, es continuación del artículo  "CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD (Pulsar este enlace para acceder) ".

Entre estos dos artículos, se pretende mostrar algo que no podemos ver ni deberíamos tocar, pero que podemos llegar a entender: "qué es realmente la electricidad".

1. REPASO DEL ARTÍCULO ANTERIOR
2. POTENCIA INSTANTÁNEA, POTENCIA ACTIVA, POTENCIA REACTIVA Y POTENCIA APARENTE
3. PORQUÉ SE DESFASA LA TENSIÓN Y LA CORRIENTE

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1. REPASO DEL ARTÍCULO ANTERIOR

En el artículo anterior se expuso:

Primero: Que era la corriente, la tensión y la potencia.

- Corriente = "I" (cantidad de electrones por unidad de tiempo)

- Tensión = "V" (energía por electrón)

- Potencia "P = V x I" (energía eléctrica por unidad de tiempo)

Segundo: Se comentó que había dos formas de transmitir energía eléctrica, continua y alterna.

De forma simplificada, se indicó que en continua, los valores de tensión y corriente, se mantienen más o menos constantes.

En alterna, la tensión y la corriente varían, pasando de valores positivos a negativos, comportándose como una onda senoidal.

Tercero: Por último, se expuso que con la alterna surge el concepto de la frecuencia. 

La frecuencia, es las veces por segundo que se repite la onda senoidal de la tensión y/o de la corriente.

2. POTENCIA INSTANTÁNEA, POTENCIA ACTIVA, POTENCIA REACTIVA Y POTENCIA NETA

Cuando se utiliza energía eléctrica en continúa, como los valores de corriente y tensión son más o menos constantes,  para calcular la potencia, basta con multiplicar, el valor de corriente por el valor de tensión en cualquier momento.

Sin embargo, en alterna, la tensión y la corriente varían, por lo que el producto, también variará.

Debido a esta variación, tenemos que hablar de cuatro nuevos conceptos:

1º- Potencia instantánea

2º- Potencia activa

3º- Potencia reactiva

4º- Potencia aparente

2.1 Potencia Instantánea

Se mide en vatios "W".

Como su propio nombre indica, la potencia instantánea, es la potencia en un instante del tiempo.

Si se selecciona un instante y medimos la corriente y la tensión, al multiplicar ambos valores, obtenemos la curva azul mostrada en la siguiente gráfica.

2.2 Potencia Activa

Se mide en Vatios "W".

La potencia activa es el valor medio de la potencia instantánea.

En este ejemplo P = 325W. 

A continuación se resume el cálculo de la potencia activa

P = Potencia Activa = (Tensión eficaz) x (Corriente eficaz) x (Coseno del desfase)

Tensión eficaz = Tensión máxima divido de raíz de dos
Ve = Vmax / raiz(2) =[ 325V / raiz(2) ] 

Corriente eficaz = Corriente máxima divido de raíz de dos 
Ie= Im / raiz(2) = [ 2A / raiz(2) ] 


Coseno del desfase (En este ejemplo la tensión y corriente están en fase, por lo que φ=0º)
Cos(φ) = Cos(0º) = 1

P = [ 325V / raiz(2) ] x  [ 2A / raiz(2) ] x Cos(0º) = 325W

La potencia activa se suele llamar también potencia "útil" del sistema, ya que es la energía que realmente se puede aprovechar para realizar trabajo. Será la energía que disponemos para mover un motor, encender un bombilla, cargar nuestro móvil, etc.

2.3. Potencia Reactiva

En todas las gráfica mostradas hasta ahora, se han representado la curva de la tensión y la curva de la corriente en fase (como en el siguiente dibujo).

Pero la realidad puede no ser así, podemos encontrar la curva de la tensión y la curva de la corriente desfasadas.

En el siguiente dibujo, se puede ver, como la corriente, ha adelantado un poco a la tensión (podría ser al revés y ser la tensión la que adelante a la corriente).

Esto en otras palabras, quiere decir, que el momento en el que más electrones están pasando por el conductor (más corriente), no coincide con el momento, en el que se aporte el máximo voltage. Con lo cual, no se podrá sacar el máximo provecho, a todos esos electrones.

Además, al estar ambas curvas desfasadas, ahora vemos una zona de la gráfica en la que la corriente tiene signo contrario a la tensión. Por lo que al multiplicar el valor instantáneo de la corriente por la tensión en dicho intervalo de la gráfica, obtenemos una potencia instantánea negativa (como se puede ver en el siguiente dibujo).

Durante el intervalo de tiempo, que la potencia instantánea es negativa, el sistema pasa a trabajar al revés de lo que estaba previsto. Por ejemplo, durante el intervalo de tiempo en el que la potencia instantánea cambia de signo, un generador de energía, pasaría a consumir energía acumulada. Si por el contrario, estamos hablando de un consumidor de energía, durante el intervalo de tiempo que la potencia instantánea cambia de signo, el equipo pasa a aportar energía acumulada.

No obstante, en la gráfica, la media de la potencia instantánea (potencia activa), sigue siendo positiva.

Que la potencia instantánea cambie de signo durante un pequeño intervalo de tiempo, será debido a que ciertos equipos eléctricos, se comportan como bobinas o condensadores, que son capaces de acumular corriente o tensión.

Estas bobinas o condensadores son los causantes de ese cambio de signo en la potencia instánea, pero este rebote, esta especie de eco, en teoría no requiere aportar más energía al sistema, la propia energía que aportan esas bobinas o condensadores, la volverán a consumir más tarde (lo único que logran es retrasar la curva).

En la siguientes gráfica, podemos ver como cuando el desfase entre la curva de la corriente y la curva de la tensión llega a ser +/-90 grados, la potencia activa (la media de la potencia instantánea) pasa a valer cero.

En la gráfica se puede ver como en este caso surgen potencias instantáneas negativas, que hacen que la media total sea cero. 

Un desfase de 90º como el de la gráfica implicaría que el rebote de energía reactiva se podría mantener infinitos ciclos de carga y descarga sin ningún aporte de energía adicional. Sería un condensador o una bobina cargándose y descargándose continuamente. Esto, no sería posible en la práctica porque todo circuito eléctrico, consume un mínimo de potencia activa (la resistencia de los conductores no puede ser cero).

La energía aprovechada por el sistema y el rebote de energía provocado por el desfase, son cuantificadas y reciben el nombre "potencia activa" y "potencia reactiva."

"potencia activa" (potencia útil)

"potencia reactiva" (desfase)

La potencia reactiva, no es energía que se consuma o se aporte al sistema. Es similar a un eco, un rebote de energía residual.

Desde un punto de vista práctico, lo más sencillo es considerar que: "la energía reactiva no es energía". La energía reactiva, es una medida que nos permite cuantificar el desfase de la tensión y de la corriente.

Se mide en: Volti-Amperios-Reactivos "VAR".

Considerando el desfase, la fórmula que nos permitirá calcular la potencia activa será:

P = Potencia Activa = (Tensión eficaz) x (Corriente Eficaz) x (Coseno del ángulo de desfase) 

Nota: Coseno de 90º es igual a cero, por lo que con un desfase de 90º la potencia activa es cero.

La fórmula que nos permitirá calcular la potencia reactiva será:

Q = Potencia Reactiva = (Tensión eficaz) x (Corriente Eficaz) x (Seno del ángulo de desfase)

Nota: Seno de 90º = 1, por lo que con un desfase de 90º la potencia reactiva es máxima.

Aunque la energía reactiva no es energía útil, limitará la potencia activa que puede llegar a pasar por los conductores. Esto es debido a que, al tener la corriente desfasada con la tensión, hay electrones circulando que no producen trabajo útil y cuantos más electrones están circulando, más se calienta el cable y más perdida de energía se producirán en el transporte.

2.4. Potencia Aparente

La potencia aparente, es el producto de tensión eficaz, por la corriente eficaz (la potencia aparente, no considera el desfase).

Se mide " Volti-Amperios" (VA) y se representa con la letra "S".

En el siguiente dibujo podemos ver gráficamente que sería potencia aparente, potencia reactiva y potencia activa.

La espuma de la cerveza representa la energía reactiva. La espuma no es cerveza pero ocupa espacio y limita la cantidad de cerveza en el vaso.

Resumen:

Potencia activa = P = V(eficaz) x I (eficaz) x Cos(φ) --> Unidades Vatios (W)

Potencia reactiva = Q = V(eficaz) x I (eficaz) x Sen(φ) --> Unidades Volti-Amperios Reactivos (VAR)

Potencia aparente = S = V(eficaz) x I (eficaz) --> Unidades Volti-Amperios (VA)

3. PORQUÉ SE DESFASA LA TENSIÓN Y LA CORRIENTE

Puede que todo sería más fácil si la tensión y la corriente no se desfasasen nunca, pero por suerte o por desgracia, muchos de los equipos eléctricos, se comportan almacenando tensión o almacenando corriente y tenemos que convivir con esa realidad.

Que la tensión y la corriente, tengan cierto desfase, es parecido a estar corriendo en una dirección y de repente querer cambiar de sentido. Durante un intervalo de tiempo, la inercia arrastrará al corredor, en la dirección contraria a la que quiere ir, hasta que es capaz de dar la vuelta.

De forma análoga al dibujo anterior, ciertos circuitos eléctricos, presentan inercia al cambio de tensión o al cambio de corriente, debido a la naturaleza de los consumidores de energía y/o a la naturaleza de la propia red eléctrica.

La presencia de equipos eléctricos que se comporten como condensadores o bobinas, van a generar estos desfases entre la tensión y la corriente.

Un condensador acumula tensión. Cuando un equipo eléctrico se comporta como un condensador, tiene lo que se llama capacitancia (equipo capacitivo, capacidad de almacenar tensión) y en este caso decimos que el equipo generará reactiva.

Esto quiere decir, que el equipo de alguna forma acumula tensión, provocando que la tensión tarde más en variar, lo que hace que la corriente se adelante.

El esquema de un equipo capacitivo conectado a la red, se puede resumir en el siguiente dibujo (un condensador en paralelo a una resistencia):

Este equipo, consumirá un cierto valor de potencia activa que consumirá la resistencia y por otro lado el condensador, generará un desfase, retrasando la curva de la tensión, respecto a la curva de la corriente y generando potencia reactiva. (Equipo consume activa y genera reactiva)

El siguiente dibujo es un ejemplo de un equipo inductivo, que consume activa y consume reactiva. Es un bobina, en serie con una resitencia.

Este equipo, consumirá un cierto valor de potencia activa que consumirá la resistencia y por otro lado la bobina, generará un desfase, retrasando la curva de la corriente, respecto a la curva de la tensión y consumiendo potencia reactiva. (Equipo consume activa y consume reactiva)

Cada equipo eléctrico tiene sus características intrínsecas. Por ejemplo, cualquier línea eléctrica de transporte, tiene cierta capacitancia, que depende entre otras cosas, de las características del fluido que hay entre de los conductores. En líneas aéreas, el aire produce un valor muy bajo de capacitancia, pero en líneas submarinas, el agua de mar genera un valor muy alto de capacitancia. Por ello en líneas submarinas, si transportamos la energía en alterna, se provocaría un elevado retraso de la tensión respecto a la corriente y para evitar esto, bajo el mar se transporta la energía en continua.

Otro ejemplo, son los motores eléctricos. Los devanados de un motor, son bobinas y como se había mencionado antes, las bobinas acumulan corriente. Por lo que provocarán un retraso de la corriente respecto a la tensión, consumiendo energía reactiva.

El motor provoca un adelantamiento de la tensión respecto a la corriente (se adelanta la tensión y los electrones van detrás intentando seguirla).

Mover un motor es similar a hacer caminar al burrito del dibujo ambos sistemas tienen implícito un desfase para poder moverse.

...del sol al viento, del viento a las aspas de un molino, de las aspas de un molino a la acción de un campo electromagnético, de un campo electromagnético a los conductores eléctricos y por los conductores eléctricos hasta nuestra casa.

La energía (la capacidad de realizar trabajo), ni se crea ni se destruye, sólo cambia de forma. Una de esas formas es "la energía eléctrica", seguramente la energía más moldeada por el hombre, con el propósito de ser usada a nuestro antojo.

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Julio César Fernández Losa 20/08/2019