la potencia eléctrica

1. La potencia eléctrica

El motivo principal para medir la potencia eléctrica que está consumiendo un dispositivo es comprobar si efectivamente se cumplen las especificaciones de consumo indicadas en sus características. Otras veces se hace por simple curiosidad o por comprobar el consumo real de un equipo.

La manera más rápida y común de medir la potencia de un equipo es coger un multímetro, medir el voltaje (V) y la intensidad (I) del dispositivo y aplicar la fórmula de la potencia P=VxI. La verdad es que éste método funciona correctamente con bombillas incandescentes y resistencias eléctricas utilizadas para calefacción, pero no en otros dispositivos. El motivo es que la tensión y la intensidad del dispositivo están en fase y la potencia calculada es correcta.

El problema es que cuando tenemos equipos eléctricos conectados a corriente alterna y además estos equipos contienen algún elemento inductivo o capacitivo y como consecuencia el voltaje y la intensidad se desfasan y aparecen tres tipos de potencia, la activa, la reactiva y la aparente. En este caso no se puede utilizar el método de medida anterior puesto que se calculará solamente la potencia aparente. Casi todos los dispositivos tienen una mayor parte inductiva que capacitiva.

Los componentes como motores, reactancias y bobinas, entre otros, producen efectos inductivos, mientras que solo los condensadores producen efectos capacitivos.

La solución a este problema es utilizar un medidor de potencia para corriente alterna que mida a la vez el voltaje, la intensidad y el desfase entre ellos y dé como resultado las potencias de cada tipo que está consumiendo el dispositivo.

A continuación se describen los tres tipos de potencia que se utilizan en corriente alterna:

Potencia aparente (S): Es la potencia que está compuesta por la potencia activa y reactiva sumadas vectorialmente. Contiene una parte real (activa) y otra imaginaria (reactiva). Es la potencia que se obtendría si se multiplicaran el voltaje e intensidad de un dispositivo, medidos con un multímetro de manera independiente y de manera "instantánea". Se utiliza por ejemplo para indicar la potencia que es capaz de manejar un transformador eléctrico o un cable. Se mide en VoltioAmperios (VA). Se representa con la letra S

Potencia activa (P): Es la potencia útil que se obtiene de un equipo en funcionamiento, es decir la parte real. Esta potencia se convertirá en movimiento, luz, calor, sonido, etc y que es útil para realizar una función concreta. Se mide en Vatios (W). Se representa por la letra P. Es la energía que miden los contadores de la compañía eléctrica en los hogares y que se transforma en un gasto económico.

Potencia reactiva (Q): Es una potencia que no tiene utilidad real y que se pierde en los campos eléctricos y magnéticos de los dispositivos, producidos por las bobinas y condensadores que contienen. Se mide en VoltioAmperiosReactivos (VAr). Se representa por la letra Q. Es una potencia que no se factura en los hogares, pero que se factura como penalización en empresas que tienen contratada una potencia superior a los 15kW. Esta potencia, aunque no es útil, si que resta potencia de los equipos de la compañía eléctrica y limita sus capacidades energéticas, por eso penaliza la energía reactiva en estos casos.

Coseno de FI (φ): Matemáticamente es el resultado de la división de la potencia aparente y de la potencia activa (Cateto contiguo / Hipotenusa). Se ha de procurar en las instalaciones que su valor sea lo más cercano a 1, lo que indica que no hay energía reactiva.

Conociendo dos de los elementos del triángulo de potencias se pueden calcular trigonométricamente el resto de elementos. Observar el triángulo de potencias que se muestra en la imagen de más arriba. Se pueden observar todas las definiciones, fórmulas y conceptos explicados.

Medir la energía activa y reactiva

La medición para la facturación eléctrica se hace mediante contadores específicos para cada tipo de energía. La imagen muestra los contadores de energía activa (kWh) y reactiva (KVAr) de una instalación industrial

Para medir la potencia en alterna se utiliza un medidor de potencia específico. El esquema de conexión sería el siguiente (Puede variar con cada dispositivo). En la imagen se ven dos modelos de dispositivos.

En esta imagen se puede ver el modelo de facturación utilizado en la energía reactiva. No existe penalización si el factor de potencia es superior a 0,95, por lo tanto no se tendrá en cuenta en la factura. Entre los valores de 0,80 y 0,95, el precio de la energía reactiva es medio. Para valores inferiores a 0,80 la penalización por energía reactiva es máxima, de 0,062332€/kVAr en este caso.

Compensar el cos φ

Con el objetivo de eliminar el consumo de energía reactiva de la instalación, y sobre todo evitar la facturación de este tipo de energía, se utilizan varios sistemas para corregir el factor de potencia de la instalación.

Instalación de baterías de condensadores: Estos dispositivos miden el factor de potencia de la instalación y añaden condensadores a la red, de manera que compensan la energía reactiva final para que sea lo más cercana a 1 posible.

La consecuencia es que disminuyen los efectos reactivos de una instalación eléctrica al 100%, evitando sorpresas en la factura.

Estos equipos se amortizan rápidamente con los ahorros de facturación. Se instala en el cuadro general de electricidad de la empresa.

2. Ejercicios

1. Calcular las potencias activa, aparente y reactiva de un motor de 10CV de potencia (1CV = 736W) con un FP de 0,75. Calcular el consumo económico de tener en marcha el motor 24 horas, el precio del kWh es de 0,12€ y el del KVArh de 0,06€. ¿Que condensador habría que elegir para eliminar en la factura el gasto por energía reactiva?

2. Tenemos un local que tiene 20 pantallas de 4 fluorescentes de 18W. Midiendo el consumo de un fluorescente se obtienen los siguientes datos: 38W, 80VA y FP de 0,487. El fluorescente funciona con reactancia convencional.

a) Calcular cuanto pagaríamos en la factura de la luz por tener encendido el local 6 horas al día, 5 días a la semana (22 días al mes). El precio del kWh es de 0,12€ y el del kVArh de 0,06€ (Recordar añadir el IVA del 21%).

b) Calcular el condensador necesario para anular el consumo de energía reactiva y el ahorro económico conseguido al mes por dicho cambio.

c) Si se sutituye la reactancia convencional por otra electrónica, indicar el ahorro mensual conseguido. El consumo de cada fluorescente en este caso sería de 20W, 20VA, FP de 1.

d) Calcular el periodo de amortización si la reactancia electrónica cuesta 21€ con IVA incluido.

3. En una fábrica se tiene funcionando en una cadena de montaje un motor de 15kW con un FP de 0,68. El motor funciona a 230V. Si está funcionando 24 horas al día calcular:

a) Calcular cuanto pagaríamos en la factura de la luz si el precio del kWh es de 0,12€ y el del kVArh de 0,06€ (Recordar añadir el IVA del 21%).

b) Calcular el condensador necesario para anular el consumo de energía reactiva y el ahorro económico conseguido al mes por dicho cambio.

c) Calcular la sección del cableado necesario para su alimentación antes y después de la compensación. Suponer que el motor es monofásico y que el cable es una manguera eléctrica sujeta a la pared.

4. En un local se quieren conectar 90 luminarias con tubos fluorecentes de 36W y 230V, con un FP de 0,6. Cada luminaria tiene 4 tubos fluorescentes.

a) Hacer la distribución de las lámparas para una instalación trifásica de 400V.

b) Calcular cuanto pagaríamos en la factura de la luz por tener encendido el local 16 horas al día, 5 días a la semana (22 días al mes). Buscar el precio actual de la energía eléctrica.

c) Calcular el condensador necesario para conseguir un FP de 0,96 y reducir el consumo de energía reactiva (ver penalización en este caso)

d) Calcular el ahorro económico conseguido al mes por dicho cambio.