Al final, no os preguntarán qué habéis sabido, sino qué habéis hecho (Jean de Gerson)

DISEÑO DE LAS ALARMAS DE UNA CENTRAL

diseño alarmas de un central
En el estudio de la gestión de alarmas, se han centrado multitud de empresas y organizaciones, y se han escrito muchos trabajos y estándares. Este artículo intenta aportar un punto de vista práctico con un ejemplo de “LA CONFIGURACIÓN DE LAS ALARMAS EN UN PROYECTO INDUSTRIAL”.

1. SEÑALES, EVENTO Y ALARMAS
2. LIBRO DE ALARMAS
3. ARQUITECTURA DE CONTROL
4. ESTAMPACIÓN DE TIEMPO
5. GESTIÓN DE LAS ALARMAS


--------------------------------------------


1. SEÑALES, EVENTO Y ALARMAS


Antes de empezar, hay que diferenciar entre “1º señales”, “2º eventos” y “3º alarmas”.


Son tres entidades diferentes que deben estar listadas e identificadas de forma independiente.

1º “Las señales” son las variables que nos permitirán supervisar y controlar la central. Estas variables pueden ser, analógicas (variables que pueden adquirir un rango de valores) o digitales (variables que sólo aceptan dos estados 0 o 1). Las señales también se pueden clasificar cómo: cableadas, comunicadas o internas (con internas queremos decir que son generadas por el propio controlador).

2º “Los eventos”, algunas de las señales (antes mencionadas) se registrarán como eventos.

Por ejemplo, durante la secuencia de arranque de un sistema, podrían arrancar varias bombas o cerrar y abrir algunas válvulas. Estas operaciones, se podrían considerar como eventos. Estos eventos serán registrados, en la página “secuencia de eventos”.


Lo habitual es que todos los eventos sean provocados por la activación o desactivación de una o varias señales. Pero, no todas las señales se consideran de interés como para tener que almacenarlas como eventos.


La secuencia de eventos se puede agrupar en una pantalla independiente del SCADA. Esta pantalla, nos mostraría todos los eventos, indicando el momento exacto en el que suceden, como se muestra en el siguiente dibujo (la pantalla de eventos se ordena según hora y fecha de inicio).

Si se presenta una situación anómala, la secuencia de eventos nos podría ayudar a determinar que ha sucedido. Pero para poder discernir el problema, se necesita tener definido y configurado el sistema de eventos correctamente.


3º “Las alarmas”. Por lo general todas las alarmas se suelen registrar como eventos (por lo que también, se podrán ver en la pantalla de secuencia de eventos) pero no todos los eventos generan alarma.

Las alarmas, además de ser registradas en la página de eventos, se registrarán en otra página específica sólo para alarmas.

Cuando una alarma se activa, normalmente se produce un sonido que alertará al operador.
En el ejemplo que se muestra en el siguiente dibujo, para apagar el sonido habrá que silenciarlo pulsando sobre la bocina. Además en la parte inferior de la pantalla hay un pequeño banner, donde se visualizan continuamente, las tres últimas alarmas.

Nota resumen: Todas las alarmas generan eventos. No todos los eventos son alarma. No todas las señales generan eventos. Para poder configurar: las señales, los eventos y las alarmas correctamente en cualquier proyecto, antes se deberían identificar y definir y listar cada señal, evento y alarma.

2. LIBRO DE ALARMAS

No se puede mejorar los que no está claramente definido en ningún sitio, por lo que, para poder optimizar las alarmas, debemos partir de un listado (que llamaremos libro de alarmas).

Un libro de alarmas no es un listado de señales (en el SCADA, “las señales” y “las alarmas” son dos entidades diferentes con su código y descripción independiente).

En dicho libro entre otras cosas se debería anotar:

- Fecha de modificación. Este listado nunca estará cerrado, las alarmas de una central es un elemento vivo que periódicamente requiere ser revisado y mejorado. Por lo que es conveniente, disponer de un procedimiento para tener un control de cambios de dicho documento.

- Categoría. Las alarmas, se suelen dividir por categorías para poder asignarles distinto nivel de importancia. En este ejemplo, se han definido las siguientes 4 categorías:

   o Alarmas de categoría 1. En este grupo, se podrían agrupar, todas las alarmas que van a indicar una situación de peligro, disparos eléctricos o paradas de emergencia de los sistemas principales de la planta.
   o Alarmas categoría 2. En este grupo, se podrían agrupar, a las alarmas que provocan una parada controlada de la central.
   o Alarmas categoría 3. En este grupo, se podrían agrupar, todas las alarmas que requieren intervención, pero no afectan a la disponibilidad inmediata ni a la seguridad de la central.

   o Alarmas categoría 4. Estas alarmas, señalizarán una situación anómala que no requiere de intervención inmediata.

- Código. Todas las alarmas deben de tener un nombre único que la diferencia del resto. Este código debe estar estandarizado para toda la central y debe ayudar a poder identificarlas.

- Descripción. Establecer una descripción adecuada de cada alarma, es una de las tareas más laboriosas y difíciles. Realmente una descripción adecuada de cada alarma, será la herramienta más útil que pueda ayudar a un operador a afrontar una situación de emergencia. El primer paso, para establecer una adecuada descripción, es conocer el número máximo de caracteres (en minúsculas o en mayúsculas). Por ejemplo, se podría poner la descripción en mayúsculas para alarmas categoría 1 y 2. Esto ayudaría a identificarlas, rápidamente.

- Sistema al que pertenece la alarma.

- Información adicional sobre la señal que provoca dicha alarma. Por ejemplo, el valor que provoca la activación de dicha alarma.

- Acción. Por último, en el libro de alarmas se debe indicar, que acción debería realizar el operador en caso de activación de dicha alarma. Si la alarma no conlleva ninguna acción asociada, quizás deberíamos plantearnos si es realmente necesaria. Uno de los grandes problemas más extendido en las centrales industriales es disponer de un número excesivo de alarmas sin ninguna acción asociada.

Ejemplo de libro de alarmas:


3. ARQUITECTURA DE CONTROL


Para poder tener un buen sistema de alarmas el punto de partida es contar con una arquitectura de control adecuada. Hay cientos de posibilidades. Vamos a poner un ejemplo de como una señal acaba generando una alarma que se mostrará en la pantalla del operador.

- Un detector de bajo caudal (switch de caudal) envía la señal a un PLC.

- El PLC, está supervisando el valor de caudal si este valor se mantiene en cero durante más de 15 segundos el PLC generará la señal comunicada que leerá al servidor principal de la central y será registrada como alarma.

- El servidor principal de la central es un ordenador que registra los datos de interés que circulan por los PLCs. Este servidor cederá parte de estos datos a los ordenadores que hacen de SCADA.

- Los ordenadores que hacen de SCADA son los ordenadores que están viendo los operadores.

En este ejemplo, la señal ha viajado por varios equipos hasta mostrarse en la pantalla del operador: Instrumento --> PLC --> Servidor --> SCADA.


En paralelo a esto suele haber otro ordenador, servidor que ejerce de historizador. Este ordenador registra los eventos registrados en el servidor principal y los valores de las señales analógicas en cada momento. Esto permitirá hacer gráficas o análisis de los eventos sucedidos en cualquier periodo de tiempo.


4. ESTAMPACIÓN DE TIEMPO

Uno de los principales problemas, para poder interpretar adecuadamente las alarmas, es saber con exactitud cuando han sucedido.

Para ello previamente, se deben sincronizar los equipos con la misma referencia temporal. Por ejemplo se pude instalar de un servidor de tiempo GPS y sincronizar los equipos a través de la una red Ethernet TCP/IP, IRG-B...

Una vez los equipos saben que hora es, hay varias opciones de generar la estampación del tiempo.

   1º Hacer la estampación en la tarjeta de entradas.
   2º Hacer la estampación en el PLC.

   3º Hacer la estampación en el servidor.



1º Hacer la estampación en la tarjeta de entradas:



Hay tarjetas especiales capaces de realizar la estampación de tiempo, conocidas como tarjetas SOE (Secuence Of Events). Esto quiere decir que cuando la señal cambia de valor, la propia tarjeta registra el nuevo valor y cuando ha sucedido. Dicha información, será transmitida de la tarjeta al PLC y del PLC al servidor.



Hasta ahora, esta ha sido la forma más precisa de registrar adecuadamente el valor de tiempo (pero estas tarjetas son el triple de caras que las tarjetas normales). En muchos proyectos durante la fase de ingeniería, para las señales de disparo eléctricas se requería instalar tarjetas SOE. Esto permite conocer con precisión la secuencia de disparo de las protecciones eléctricas en caso de fallo, principalmente para poder discernir que elemento actuó primero.



2º- La segunda opción, es realizar la estampación en el PLC:



Los PLC modernos, tienen una pila reservada para registrar eventos. Cuando una señal cambia de estado, si se ha programado un evento asociado, el PLC puede memorizar el nuevo valor con la hora en la que ha sucedido.



El problema es que el PLC realizará esta anotación, cuando le toque dentro de su secuencia de ciclo (mientras que las tarjetas SOE, registran la señal prácticamente al momento, sin esperar a lea todo el programa del PLC).

Por otro lado, los PLCs han evolucionado exponencialmente y los ciclos de lectura cada vez son más rápidos. Actualmente el ciclo de los PLC es tan rápido que resulta difícil justificar si realmente las tarjetas SOE siguen siendo prácticas.

3º- La tercera opción es realizar la estampación en el servidor. El servidor cuando registre el dato puede anotar el momento en el que ha sucedido. En este caso además de depender del ciclo del PLC se sumará el ciclo del servidor (esta filosofía, no sería la más adecuada para interpretar una secuencia de disparos en las protecciones eléctricas).

5. GESTIÓN DE LAS ALARMAS

Una vez se ha configura una correcta sincronización horaria de equipos y una estampación adecuada de cada señal. El servidor cederá este dato al SCADA.

En nuestro ejemplo, en el SCADA, sonará una sirena y se verá el registro de la alarma en la parte inferior de la pantalla, como en el siguiente ejemplo:
En cualquier momento el operador, puede acceder a la pantalla que agrupa todas las alarmas.
En nuestro ejemplo, las alarmas no reconocidas se mostrarían parpadeando. El operador hará doble click encima para reconocer cada alarma, cuando lo considere oportuno.

Si la señal que ha provocado la alarma, permanece activa, la alarma se visualizará en rojo claro (en la parte de la derecha se indica, la fecha y hora cuando se generó dicha alarma).

Si la señal que provoca la alarma se ha desactivado, la alarma se mostrará en rojo oscuro (en este caso, en la parte de la derecha además de indicar, la fecha y hora cuando se generó dicha alarma, se indicará la fecha y hora fin en la que la señal que provoca la alarma se ha desactivado). En este caso decimos que esta alarma ya no está activa.

Las alarmas que no están activas y que ya han sido reconocidas por el operador, desaparecerán automáticamente de esta pantalla general de alarmas. El propósito de esta pantalla, es que la información mostrada, sea la mínima necesaria que se considera relevante para la gestión adecuada de la central. No obstante en la pantalla de eventos se podrá seguir viendo todas las alarmas que se han producido.

Nota: Esto ha sido sólo un ejemplo, de cómo se decidió gestionar y mostrar las alarmas del SCADA en un proyecto concreto.

Actualmente en las centrales industriales, se están instalando nuevas herramientas, aplicaciones y programas capaces de hacer todo lo que podamos imaginar. Sin embargo, muchas de estas herramientas no parecen estar utilizándose de la forma más adecuada.

Uno ejemplo de esto, son los sistemas de gestión de alarmas de las centrales industriales, sistemas que cada vez son más potentes, pero sin una ingeniería adecuada cada vez serán más ineficaces.

A continuación, se indican algunos enlaces de interés, que quizás nos puedan ayudar a adquirir un poquito más de sabiduría sobre este tema, y así poder afrontar mejor un proyecto similar:

https://www.linkedin.com/pulse/el-problema-de-las-alarmas-en-la-industria-víctor-daniel-parra-mateo/

https://www.linkedin.com/pulse/primeros-pasos-en-la-gestión-de-alarmas-midiendo-el-del-parra-mateo/

https://www.linkedin.com/pulse/mejorando-los-kpis-de-alarmas-forma-rápida-y-sencilla-parra-mateo/

https://www.linkedin.com/pulse/errores-que-hacen-fracasar-los-proyectos-de-mejora-del-parra-mateo/




Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com
Julio César Fernández Losa 21/03/2020

INFORME FINAL EN EL SCADA DE UNA PLANTA DE ENERGÍA

En las plantas de energía, se instalan contadores de energía, para totalizar la energía generada y consumida.


totalizador de energía

Normalmente estos equipos son capaces de realizar 6 totalizados:

- Energía activa generada

(Vatios horas --> Wh)

- Energía reactiva generada con potencia activa generada

(Volti-Amperios-Reactivos --> VARh)

- Energía 
 reactiva consumida con potencia activa generada
(Volti-Amperios-Reactivos --> VARh)

- Energía activa consumida
(Vatios horas --> Wh)

- Energía reactiva generada con potencia activa consumida

(Volti-Amperios-Reactivos --> VARh)

- Energía reactiva consumida con potencia activa consumida
(Volti-Amperios-Reactivos --> VARh)

Los valores de estos contadores de energía se envían al sistema de control principal.

En la siguiente imagen vemos un ejemplo de un informe de la energía totalizada, implementado en el SCADA de una planta de generación eléctrica.


totalizado de energía de una planta eléctrica

El SCADA, suele realizar un informe diario mensual y anual, indicando cuantos MWh ha generado en el día en el mes y en el año.


Nota: El "Wh" (vatio hora) no es una unidad que pertenece al sistema internacional. El "Vatio" o en ingles "Watt" son Julio por segundo, por lo que al multiplicarlo por el número de horas, estamos mezclando en un mismo valor distintas unidades d,e tiempo (horas y segundo). No obstante, el "vatio hora" es una unidad pragmática, utilizada para calcular de forma sencilla, la energía que se ha generado.

Por ejemplo si la central ha mantenido una potencia de 80W durante tres horas, el contador tendrá anotado 240Wh.

Si los consumidores finales son mayoritariamente capacitivos, se podrían representar como una resistencia en paralelo a un condensador.

La resistencia consume la energía activa generada por la planta de generación y el condensador aportará energía reactiva al sistema (Retrasando la tensión respecto a la corriente).

generación de una planta de energía

Si los consumidores finales son mayoritariamente inductivos, se podrían representar como una resistencia en serie a una bobina.

La resistencia consume la energía activa generada por la planta de generación y la bobina consume energía reactiva (Retrasando la corriente respecto a la tensión).


Nota: En algunos informes, nos podemos encontrar, que en lugar de indicar "reactiva generada o consumida", nos muestran: energía inductiva o energía capacitiva.

Si se prefiere usar este criterio, se debe tener en cuenta que según el reglamento de IEC61268, se establece designar la energía como, capacitiva o inductiva viéndolo desde el punto de vista del consumidor de energía activa.

-Cuando generemos energía activa si también generamos reactiva estamos generando inductiva.

-Cuando generemos energía activa si consumimos reactiva estamos generando capacitiva.

-Cuando consumimos energía activa si también consumimos reactiva estamos consumiendo inductiva.


-Cuando consumimos energía activa si generamos reactiva estamos consumiendo capacitiva.


Soy consciente de que al leer esta última parte, muchos han pensado, "no sé que narices ha querido decir con esto??". Pero esta pequeña aclaración, podría ser de utilidad, si se quiere comprender los datos del totalizado de una planta de energía.



Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com
Julio César Fernández Losa 25/08/2019

UN SENCILLO EJEMPLO DE CONSUMO DE ENERGÍA

Juan necesita electricidad en su nueva casa. Su amigo Iberdrolo le construye una central eléctrica, que es capaz de generar una potencia aparente de 160 VA.

El estado, queriendo echar una mano a Iberdrolo, permite conectar la central a su red eléctrica.

Paralelamente, Juan contrata a la empresa de distribución eléctrica que opera en su pueblo, para conectar su casa a la red eléctrica, con permiso del estado.


Iberdrolo

“Juan” tiene muchas ganas de querer aprovechar las grandes ventajas de disponer de electricidad, así que se va a una tienda y se compra un ventilador.

El ventilador, como cualquier motor, es un equipo inductivo. Consume energía reactiva y activa, o
 dicho de otra forma, consume energía activa y provoca un retraso de la corriente respecto a la tensión.

Cuando Juan compró el ventilador, preocupado por el posible incremento de su factura eléctrica, se fijo en los datos técnicos del equipo y leyó: “CONSUMO = 80W
 5VAR".

Iberdrolo debe adaptar su producción eléctrica, a la demanda de cada momento. En este ejemplo, como sólo está conectado el ventilador de Juan, debe generar 80W de potencia activa y 5VAR de potencia reactiva.

Decimos que la potencia reactiva no consume energía y en principio parecería que a Iberdrolo no le supone más recursos energéticos generar la potencia reactiva que requiere Juan. Pero en la práctica el desfase entre la tensión y la corriente, provoca que la corriente que circula por la red eléctrica sea mayor de la que se necesita y esto provocará unas mayores perdidas en el transporte de la energía.

Además las secciones necesarias para que los cables no se calienten en exceso, deben ser calculadas, en función del valor de la corriente que está pasando.

En resumen, podemos afirmar que el consumo de potencia reactiva perjudica directamente a la red eléctrica y por ello se penaliza a los grandes consumidores que provocan importantes adelantos o retrasos en la corriente. 

Juan evitaría cualquier penalización, si coloca un condensador que compense el efecto de su ventilador. No obstante, un ventilador de 5VAR, no es suficiente para que le llegue a penalizar en la factura de la luz. Por lo que
 "Juan", solo va a pagar realmente 80W de potencia activa .

Sin embargo, las plantas industriales con altos consumos de reactiva, si pueden llegar a ser penalizadas. Para evitar estos sobre-costes, se instalan "batería de condensadores".


Las baterías de condensadores, compensarán la acción de las bobinas (de los motores), evitando las penalizaciones económicas de alterar el funcionamiento de la red.

Por otro lado, en las centrales de energía y en los consumidores finales, en el punto de interconexión con la red, siempre se dispone de un contador de energía para facturación y medida.




Hay que distinguir entre:

- La potencia que es capaz de generar (por ejemplo 160VA).

- La potencia activa que se está produciendo (por ejemplo 80W)

- La energía activa totalizada que ha generado (por ejemplo si ha estado trabajando durante tres horas a 80W, la energía generada será 80W x 3h = 240Wh)

- La potencia reactiva que se está produciendo (por ejemplo 5VAR)

- La energía reativa totalizada que ha generado (por ejemplo si ha estado trabajando durante tres horas a 5VAR, la energía generada será 5VAR x 3h = 15VARh)




Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com

Julio César Fernández Losa 25/08/2019

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




energía reactiva

--------------


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)


La electricidad

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.

Frecuencia red eléctrica


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.


Desfase eléctrico 90º

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.

energía reactiva

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)


Potencia aparente

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.

Retraso de la corriente

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):


Equipo capacitivo
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.



Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:

InstrumentacionHoy@gmail.com

Julio César Fernández Losa 20/08/2019