Potencia Activa y Potencia Reactiva

Hola a todos. Soy ingeniero y vamos a estar hablando sobre el factor de potencia, vamos a comenzar de manera sencilla con algunas analogías simples para ayudarnos a comprender los conceptos básicos y luego iremos avanzando en términos de ingeniería eléctrica con algunos ejemplos de trabajo. Veremos también, que es el factor de potencia. Y que es un factor de potencia bueno y malo. Que causa, el factor de potencia malo y cómo solucionar dicho factor de potencia. Entonces primero, que es el factor de potencia. El factor de potencia es un número sin unidad que utiliza circuitos de corriente alterna. Se puede usar para referirse a una sola pieza de equipo, como un motor de inducción o al consumo de electricidad de todo un edificio. En cualquier caso representa la relación entre la potencia real y la potencia aparente. 

La fórmula  es:  FP = kW / kWA  = Factor de Potencia igual a kilovatios (kW) dividido por kilovoltiamperios o (kVA). Entonces, que significa eso, mi analogía favorita para explicar esto es usar la analogía de la cerveza, pagamos la cerveza por vaso pero dentro del vaso hay cerveza y espuma, cuanta más cerveza tengamos menos espuma habrá, por lo que obtendremos una muy buena relación calidad-precio, si hay mucha espuma, entonces no hay mucha cerveza por lo que no obtenemos una buena relación de calidad-precio. La cerveza representa nuestra verdadera potencia o kW, nuestros kilovatios. Este es el material útil que deseamos tener o el que se necesita, es lo que realmente hace el trabajo, la espuma representa nuestra potencia reactiva o nuestros kVAr kilovoltiamperios reactivos, estas son las cosas inútiles, siempre habrá algunas, tenemos que pagar por ellas, no podemos usarlas. Así que realmente no queremos mucho de ellas, en realidad tiene un uso y un propósito pero veremos por qué más adelante. 

La combinación de estos kW son kilovatios y los kVAr son kilovoltiamperios reactivos. Es nuestra potencia aparente o nuestros kVA, es decir, los kilovoltiamperios, por lo tanto, el factor de potencia es la relación entre la potencia útil o la potencia real en kilovatios kW dividida por lo que nos cobran en  kVA kilovoltiamperios. Así que nos está diciendo, cuento valor por dinero estamos obteniendo por la energía que consumimos. Si tocamos brevemente la ingeniería eléctrica y seré breve en esta parte, entonces, podríamos ver esto como un triángulo de potencia en este caso lo dibujaré como factor de potencia principal ya que es más fácil de visualizar la cerveza o el verdadero poder es la línea adyacente, luego tenemos la espuma que es la potencia reactiva a la parte contraria. Entonces, para el lado de la hipotenusa, que es el lado más largo, tenemos la potencia aparente. Esto está en un ángulo del verdadero poder, el ángulo se conoce como Zeta. 

Verá que a medida que aumenta la potencia reactiva o la espuma, también lo hace la potencia aparente de los kVA. Entonces, podríamos usar la trigonometría para calcular este triángulo, no lo haré, ya que solo estoy cubriendo los conceptos básicos, así que solo veremos las fórmulas que necesitamos, pero haremos algunos cálculos y ejemplos resueltos, más adelante. Si observamos una factura de electricidad residencial típica normalmente veremos solo una tarifa por la cantidad de kilovatios hora utilizados, porque el factor de potencia y el consumo de electricidad serán muy bajos. Entonces, las compañías eléctricas tienden a no preocuparse por esto. Sin embargo, en las facturas de electricidad comerciales e industriales especialmente en edificios con medidores de electricidad inteligente o de intervalo es probable que veamos cargos e información sobre la cantidad de kilovatios, kilovatios hora. kilovoltiamperios y kilovoltiamperios reactivos utilizados. 

Los edificios grandes en particular y a menudo verán cargas de energía reactiva allí, pero esto depende del proveedor de electricidad y del acuerdo que tenga con el cosumidor, la razón por la que cobran una multa por esto es porque cuando los grandes consumidores tienen malos factores de potencia aumentan el flujo de corriente a través de la red eléctrica y provocan caídas de voltaje, lo que reduce la capacidad de  distribución del proveedor y tiene un efecto en cadena para otros clientes. Los cables están clasificados para manejar una cantidad de corriente que fluye por ellos. Entonces, si muchos grandes consumidores se conectan con un mal factor de potencia, los cables podrían sobrecargarse también podría tener dificultades para cumplir con las demandas y los acuerdos de capacidad y luego ningún cliente nuevo podrá conectarse hasta que reemplacen los cables o instalen cables adicionales. 

Las cargas de potencia reactiva se producen cuando el factor de potencia de un edificio cae por debajo de un cierto nivel, este nivel lo define el proveedor de electricidad pero generalmente comienza alrededor de 0,95 o menos, un factor de potencia perfecto sería 1, sin embargo, en realidad esto es casi imposible de lograr, volveremos a esta parte más adelante. En grandes edificios comerciales es probable que el factor de potencia general se sitúe en las siguientes categorías. Un buen factor de potencia generalmente está entre 1 y 0, un factor de potencia está entre 0.95 y 0,85, un mal factor de potencia es cualquier cosa por debajo de 0,85. Los edificios de oficinas comerciales suelen estar entre 0,98 y 0,92. Los edificios  industriales podrían ser tan bajos como 0.7, veremos que causa esto en breve. 

Primero echemos un vistazo a un ejemplo: 

Si comparamos dos motores de inducción que ambos tienen una potencia de 10 kilovatios y están conectados a un suministro trifásico de 415 voltios y 50 hertzios, uno tiene un factor de potencia de 0,87, y el otro con un factor de potencia de 0,92, ambos motores entregarán 10 kilovatios de trabajo, pero el primer motor tiene un factor de potencia más bajo en comparación con el segundo, lo que significa que no estamos obteniendo tanto valor por el dinero. El primer motor necesitará extraer 11,49 KVA de la red eléctrica para proporcionar los 10 kilovatios de energía de la red eléctrica para proporcionar los mismos 10 kilovatios de energía. El segundo motor necesitará extraer solo 10,87 kVA de la red eléctrica para proporcionar los mismos 10 kilovatios de energía, esto significa que el primer motor tiene 5,67 kVAr y el segundo motor tiene solo 4,26 kVAr, recuerde que nuestros kilovatios son la cerveza y eso es lo útil, los kVAr son la espuma, eso es lo que no es tan útil. Los kVA es lo que vamos a pagar y son los kilovatios kW y los kVAr combinados. 

¿Cómo calculé eso? 

Para kVA uso kilovatios divididos por el factor de potencia por lo que 10 dividido por 0,87 para obtener 11,5 kVA. Para calcular la potencia reactiva o los kVAr digo que es igual a la potencia aparente o kVA por el seno del ángulo pero primero debo determinar el seno del ángulo. Este se obtiene diciendo que el factor de potencia o el PF es igual al coseno del ángulo, como ya sabemos el valor del factor de potencia es de 0.87, al sustituirlo en la fórmula nos queda de esta manera. Entonces, decimos que 0.87 es igual al coseno del ángulo, necesitamos despejar el ángulo por lo que ahora nos queda la fórmula de la siguiente manera, ángulo es igual al coseno inverso o coseno elevado a la menos uno por 0.87. Esto nos da como resultado un ángulo de 29.54, ahora sí podemos calcular la potencia reactiva o los kVAr, decimos que esta es igual a 11,49 por el seno del ángulo, el cual obtuvimos que es 29.54, obtenemos como resultado los 5,67 kVAr que habíamos visto en el ejemplo del primer motor. 

Entonces, qué causa el bajo factor de potencia, en la mayoría de los casos, el factor de potencia se ve afectado por cargas inductivas. Si tenemos una carga puramente resistiva como un calentador resistivo eléctrico, entonces, las formas de onda de voltaje y corriente estarían sincronizadas o muy cerca, ambos pasarían por su punto máximo y mínimo y luego pasarían por el eje cero al mismo tiempo. El factor de potencia en este caso es uno que es perfecto. Si dibujáramos un diagrama de fase, entonces el voltaje y la corriente serían paralelos, entonces toda la energía extraída del suministro de electricidad se dedica a hacer trabajo, en este caso creando calor, pero si tomamos una carga inductiva como un motor de inducción, entonces, el campo magnético de la bobina retiene la corriente y da como resultado el cambio de fase donde las formas de onda, de voltaje y de corriente no están sincronizadas entre si, por lo que la corriente pasa a través del punto cero después de la tensión, esto se conoce como un factor de potencia retrasado.

 Anteriormente  dije que la espuma o los kVAr son inútiles, eso no es exactamente cierto, en realidad necesita algo de potencia reactiva para crear y mantener el campo magnético que hace girar el motor. La potencia reactiva se desperdicia en el sentido de que no obtenemos trabajo de ella, pero todavía tenemos que pagarlo aunque lo necesitamos para poder hacer el trabajo en primer lugar. Si dibujaramos un diagrama de fase para una carga puramente inductiva, entonces, la corriente estaría en un ángulo por debajo de la línea de voltaje, lo que significa que no toda la electricidad consumida está haciendo trabajo. Si tomamos una carga puramente capacitiva entonces sucede lo contrario que con la carga inductiva, el voltaje y la corriente están desfasados, excepto que esta vez el voltaje se retiene. Esto provoca un factor de potencia adelantado nuevamente, esto significará que no toda la electricidad que se usa, se usa para hacer trabajo. 

Pero todavía tenemos que pagar por ello independientemente. Bien colegas, espero que hayan aprendido de manera general cómo trabajar con el factor de potencia y realizar su cálculo. Eso es todo.