Elaborado por Juan Ramón Camarillo Peñaranda, Ph.D. para Dielco SAS.
La energía eléctrica se ha convertido en un servicio indispensable en el desarrollo de las sociedades modernas. El uso de la energía eléctrica ha impactado directamente el bienestar de las personas, el crecimiento económico y la productividad.
La energía eléctrica hoy en día es indispensable en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, para almacenar alimentos en las casas, para realizar transacciones bancarias y almacenar información, entre muchos otros usos. Por esta razón, es necesario que el servicio de energía eléctrica se preste bajo criterios de seguridad, confiabilidad y eficiencia.
Uno de los factores que afecta la eficiencia del transporte de la energía es la potencia reactiva. En la generación de energía existe una parte que se puede usar, que llamamos potencia activa y una parte que no se puede usar, que llamamos potencia reactiva. La potencia activa es la que usamos para energizar nuestros electrodomésticos y para mover cargas, como es el caso de los trabajos realizados por los motores en los ascensores, bandas de transporte y demás tareas que requieren transformar la energía eléctrica en otra forma de energía, por ejemplo, movimiento, refrigeración o calefacción. La potencia reactiva, aunque no puede ser utilizada, es necesaria para generar los campos electromagnéticos que requieren los equipos para funcionar. Los motores y los compresores son ejemplos de equipos eléctricos que requieren potencia reactiva para funcionar correctamente. Además, la potencia aparente es necesaria para proveer servicios auxiliares al sistema de potencia, como es el soporte de tensión y la estabilidad de tensión [1]. A continuación, haré una breve explicación del significado de cada uno de estos términos y finalizaré introduciendo el concepto de factor de potencia.
Potencia Activa, reactiva y aparente
La potencia eléctrica es el resultado de multiplicar el valor de la tensión por el valor de la corriente. Las tensiones y corrientes generadas en el sistema de potencia tienen la forma de una función seno:
En (1), AM es el valor máximo de la tensión, es la frecuencia angular del sistema en radianes por segundo, t es el tiempo en segundos y V es el ángulo de la tensión en radianes. De la misma forma, en (2) BM es el valor máximo de la corriente y I es el ángulo de la corriente. Por lo tanto, haciendo el producto de (1) y (2) y haciendo algunas manipulaciones trigonométricas, la potencia se describe por medio de la siguiente ecuación:
Donde S es la potencia aparente. La ecuación (3) se puede dividir en dos partes: la primera parte es un valor que no depende del tiempo, al que llamamos potencia activa, y la segunda parte es un valor que varía con el tiempo al doble de la frecuencia del sistema, cuyo valor promedio es cero [2]. El primer término es lo que conocemos como potencia activa y el segundo término es la potencia reactiva:
De (4), P es la potencia activa y de (5) Q es la potencia reactiva. Las potencias activa, reactiva y aparente deben tener las mismas unidades, pero para evitar confusiones se determinó que la potencia activa se mide en unidades de vatios (W), la potencia reactiva se mide en voltamperios reactivos (VAR) y la potencia aparente en voltamperios (VA).
Triángulo de Potencias
La potencia aparente es el resultado de la suma vectorial de las potencias activa y reactiva. Para obtener el valor de la potencia aparente es útil dibujar las potencias en un plano cartesiano. En el eje de las abscisas se representa la potencia activa y en el eje de las ordenadas se representa la potencia reactiva. Este hecho se ilustra en la Figura 1.(a) Potencia reactiva inductiva(b) Potencia reactiva capacitivaFigura 1. Ilustración de las potencia activa, reactiva y aparente.
De la Figura 1 se observa que el valor de la potencia aparente resulta de aplicar el teorema de Pitágoras, donde los catetos son los valores de la potencia activa y reactiva y la hipotenusa en el valor de la potencia aparente.
En (6) las barras indican que se está usando la magnitud de la cantidad. En la Figura 1(a) se observa que la potencia reactiva tiene un valor positivo y en la Figura 1(b) la potencia reactiva tiene un valor negativo. El signo de la potencia reactiva depende del valor del ángulo de la tensión y la corriente. Si el ángulo de la corriente es menor al ángulo de la tensión, la potencia reactiva tendrá un valor positivo. En caso contrario tendrá un valor negativo. Una ilustración de estos dos casos se muestra en la Figura 2.(a) Corriente en atraso(b) Corriente en adelantoFigura 2. Ilustración de corrientes en atraso y en adelanto con respecto a la tensión.
En la Figura 2 la curva blanca representa a la tensión y la curva negra a la corriente. También se tiene que la frecuencia angular del sistema es un radian por segundo, el máximo de la tensión es 1V y el máximo de la corriente es 0.5A. En la Figura 2(a) se observa que el máximo de la corriente ocurre primero en el tiempo que el máximo de la tensión, por lo cual se dice que la corriente está atrasada con respecto a la tensión y el valor de potencia reactiva será positiva. En la Figura 2(b) se presenta el caso contrario, donde la corriente está adelantada con respecto a la tensión y, por tanto, la potencia reactiva será negativa. Cuando la tensión y la corriente tienen el mismo valor de ángulo la potencia reactiva es cero y por lo tanto el sistema solo consume potencia activa.
El ángulo tiene un significado especial. El valor del coseno de este ángulo es lo que se conoce como factor de potencia, y explicaré en la siguiente sección.
Factor de Potencia
El factor de potencia (fp) es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente:
Otra forma de calcular el factor de potencia es calculando el coseno del ángulo del triángulo de potencias:
El factor de potencia no tiene unidades. Su valor máximo es uno, cuando el valor de la potencia reactiva es cero. Este caso se da, por ejemplo, cuando tenemos una resistencia pura. En general el factor de potencia es diferente de uno y puede tener dos direcciones: en atraso o en adelanto. Se dice que el factor de potencia está en atraso cuando el ángulo de la corriente es menor que el ángulo de la tensión, como se mostró en la Figura 2(a). Este caso se da para carga inductivas, como son los reactores y los motores de inducción. Cuando el ángulo de la corriente es mayor que el ángulo de la tensión (como se mostró en la Figura 2(b)) el factor de potencia está en adelanto. Este caso se da cuando las cargas tienen una alta componente capacitiva, como son los bancos de capacitores, generadores operando en sobre excitación y capacitores sincrónicos.
El factor de potencia es, por ende, una medida de la eficiencia de un sistema eléctrico. A mayor factor de potencia, mayor es la cantidad de potencia transmitida que está siendo usada en trabajo útil. A pesar de que la potencia reactiva no genera trabajo útil ocupa capacidad de transporte que podría ser usada para transmitir potencia activa, lo cual hace que el sistema sea más ineficiente. Una de las mejores ilustraciones para comprender el concepto de factor de potencia es un vaso de cerveza como se muestra en la siguiente Figura:
Figura 3. Ilustración de las potencia activa, reactiva y aparente.
Ver articulo: banco de condensadores soluciones para la energía reactiva
De la Figura 3 se ve que a mayor potencia reactiva (y, por ende, menor factor de potencia) el volumen del vaso que se puede usar para verter la cerveza es menor, haciendo que el consumo de cerveza sea ineficiente. Otro efecto negativo de un bajo factor de potencia es que la magnitud de la corriente aumenta, por lo tanto, las pérdidas del sistema también aumentan. Es por esto por lo que las regulaciones establecen valores mínimos para el valor del factor de potencia. En Colombia, el factor de potencia debe ser siempre mayor de 0.9. Las empresas con un valor menor de factor de potencia sufrirán penalidades, por esto es necesario tomar medidas correctivas para aumentar el valor del factor de potencia.
Algunas de las medidas para corregir el factor de potencia serán tratadas en un siguiente escrito.Bibliografía
[1] CREG, “GESTIÓN DEL FLUJO DE POTENCIA REACTIVA. DOCUMENTO CREG – 018, MARZO 8 DE 2005,” 2005.
[2] S. D. Hayt, William; Jack Kemmerly, ANALISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERIA Hyatt,William, Kemmerly,Jack, Durbin,Steven: Books. 2012.
Elaborado por Juan Ramón Camarillo Peñaranda, Ph.D. para Dielco SAS.
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