La potencia en un circuito eléctrico es la tasa de flujo de energía que pasa por un punto determinado del circuito. En los circuitos de corriente alterna , los elementos de almacenamiento de energía, como los inductores y los condensadores, pueden dar como resultado inversiones periódicas de la dirección del flujo de energía.
La porción de potencia que, promediada a lo largo de un ciclo completo de la forma de onda de CA , da como resultado una transferencia neta de energía en una dirección se conoce como potencia activa (más comúnmente llamada potencia real para evitar la ambigüedad, especialmente en discusiones de cargas con corrientes no sinusoidales) . La porción de potencia debida a la energía almacenada, que regresa a la fuente en cada ciclo, se conoce como potencia reactiva .
La potencia activa, reactiva y aparente [ editar ]
En un circuito de corriente alterna (CA) simple que consta de una fuente y una carga lineal, tanto la corriente como el voltaje son sinusoidales . Si la carga es puramente resistiva , las dos cantidades invierten su polaridad al mismo tiempo. En cada instante, el producto de voltaje y corriente es positivo o cero, y el resultado es que la dirección del flujo de energía no se invierte. En este caso, solo se transfiere la potencia activa.
Si la carga es puramente reactiva., entonces el voltaje y la corriente están desfasados 90 grados. Para dos trimestres de cada ciclo, el producto de voltaje y corriente es positivo, pero para los otros dos trimestres, el producto es negativo, lo que indica que, en promedio, exactamente la energía fluye hacia la carga a medida que fluye hacia afuera. No hay flujo de energía neta en cada medio ciclo. En este caso, solo fluye la potencia reactiva: no hay transferencia neta de energía a la carga; sin embargo, la energía eléctrica fluye a lo largo de los cables y regresa fluyendo en sentido inverso a lo largo de los mismos cables. La corriente necesaria para este flujo de potencia reactiva disipa la energía en la resistencia de la línea, incluso si el dispositivo de carga ideal no consume energía por sí mismo. Las cargas prácticas tienen tanto resistencia como inductancia o capacitancia, por lo que tanto las potencias activas como las reactivas fluirán hacia las cargas normales.
La potencia aparente es el producto de los valores rms de voltaje y corriente. La potencia aparente se tiene en cuenta al diseñar y operar sistemas de energía, ya que aunque la corriente asociada con la energía reactiva no funciona en la carga, todavía debe ser suministrada por la fuente de energía. Los conductores, transformadores y generadores deben dimensionarse para llevar la corriente total, no solo la corriente que hace el trabajo útil. Si no se proporciona el suministro de suficiente potencia reactiva en las redes eléctricas, se pueden reducir los niveles de voltaje y, en ciertas condiciones de funcionamiento, el colapso completo de la red o el apagón.. Otra consecuencia es que agregar la potencia aparente para dos cargas no dará exactamente la potencia total a menos que tengan la misma diferencia de fase entre la corriente y el voltaje (el mismo factor de potencia ).
Convencionalmente, los condensadores se tratan como si generaran energía reactiva y los inductores como si los consumieran. Si un capacitor y un inductor se colocan en paralelo, entonces las corrientes que fluyen a través del capacitor y el inductor tienden a cancelarse en lugar de agregarse. Este es el mecanismo fundamental para controlar el factor de potencia en la transmisión de energía eléctrica; Los condensadores (o inductores) se insertan en un circuito para compensar parcialmente la potencia reactiva "consumida" ("generada") por la carga. Los circuitos puramente capacitivos suministran energía reactiva con la forma de onda de la corriente que conduce la forma de onda de voltaje en 90 grados, mientras que los circuitos puramente inductivos absorben la energía reactiva con la forma de onda de corriente que retrasa la forma de onda de voltaje en 90 grados. El resultado de esto es que los elementos de los circuitos capacitivos e inductivos tienden a cancelarse entre sí.[1]
Los ingenieros usan los siguientes términos para describir el flujo de energía en un sistema (y asignan a cada uno de ellos una unidad diferente para diferenciarlos):
- Potencia activa , [2] P , o potencia real : [3] vatios (W);
- Potencia reactiva , Q : voltio-amperio reactivo (var);
- Potencia compleja , S : amperio voltio (VA);
- Poder aparente , | S |: la magnitud de la potencia compleja S : volt-amperio (VA);
- Fase de tensión relativa a la corriente , φ : el ángulo de diferencia (en grados) entre la corriente y la tensión;. Voltaje de retraso actual ( vector cuadrante I), voltaje principal actual (vector cuadrante IV).
Todos estos están indicados en el diagrama adyacente (llamado Triángulo de Poder).
En el diagrama, P es la potencia activa, Q es la potencia reactiva (en este caso positiva), S es la potencia compleja y la longitud de S es la potencia aparente. La potencia reactiva no realiza ningún trabajo, por lo que se representa como el eje imaginario del diagrama vectorial. La potencia activa sí funciona, por lo que es el eje real.
La unidad para todas las formas de potencia es el vatio (símbolo: W), pero esta unidad generalmente está reservada para la potencia activa. La potencia aparente se expresa convencionalmente en voltamperios (VA) ya que es el producto de rms de tensión y rms actuales . La unidad para la potencia reactiva se expresa como var, que significa volt-amperio reactivo . Como la potencia reactiva no transfiere energía neta a la carga, a veces se la denomina potencia "sin vatios". Sin embargo, cumple una función importante en las redes eléctricas y su falta se ha citado como un factor importante en el apagón del noreste de 2003 . [4]Comprender la relación entre estas tres cantidades constituye el núcleo de la comprensión de la ingeniería de potencia. La relación matemática entre ellos puede representarse por vectores o expresarse usando números complejos, S = P + j Q (donde j es la unidad imaginaria ).
Cálculos y ecuaciones [ editar ]
,
donde V denota voltaje en forma de fasor, con la amplitud como rms , y I denota corriente en forma de fasor, con la amplitud como rms. También por convención, se utiliza el complejo conjugado de I , que se denota (o ), en lugar de yo mismo. Esto se hace de manera tal que una corriente principal (carga capacitiva, reactancia negativa) dé como resultado una potencia reactiva negativa. [5]
Otras formas de potencia compleja (unidades en voltios-amperios, VA) se derivan de Z , la impedancia de carga (unidades en ohmios, Ω).
.
Consecuentemente, con referencia al triángulo de potencia, la potencia real (unidades en vatios, W) se deriva como:
.
Para una carga puramente resistiva, la potencia real se puede simplificar para:
.
R denota la resistencia (unidades en ohmios, Ω) de la carga.
La potencia reactiva (unidades en voltios-amperios reactivos, var) se deriva como:
.
Para una carga puramente reactiva, la potencia reactiva se puede simplificar para:
,
Combinando, la potencia compleja (unidades en voltios-amperios, VA) se deriva como
,
y la potencia aparente (unidades en voltios-amperios, VA) como
.
Estos se simplifican esquemáticamente por el triángulo de potencia.
Factor de potencia [ editar ]
La relación de potencia activa a potencia aparente en un circuito se denomina factor de potencia . Para dos sistemas que transmiten la misma cantidad de energía activa, el sistema con el factor de potencia más bajo tendrá mayores corrientes de circulación debido a la energía que regresa a la fuente del almacenamiento de energía en la carga. Estas corrientes más altas producen mayores pérdidas y reducen la eficiencia de transmisión general. Un circuito de factor de potencia más bajo tendrá una potencia aparente más alta y pérdidas más altas para la misma cantidad de potencia activa. El factor de potencia es 1.0 cuando el voltaje y la corriente están en fase. Es cero cuando la corriente conduce o retrasa el voltaje en 90 grados. Cuando el voltaje y la corriente están desfasados 180 grados, el factor de potencia es negativo, y la carga está alimentando energía a la fuente (un ejemplo sería un hogar con celdas solares en el techo que alimenta energía a la red eléctrica cuando el el sol está brillando). Los factores de potencia se suelen indicar como "adelantados" o "retrasados" para mostrar el signo del ángulo de fase de la corriente con respecto al voltaje. El voltaje se designa como la base con la que se compara el ángulo de la corriente, lo que significa que la corriente se considera como un voltaje "inicial" o "retrasado". Cuando las formas de onda son puramente sinusoidales, el factor de potencia es el coseno del ángulo de fase () entre las formas de onda sinusoidales de corriente y tensión. Las hojas de datos del equipo y las placas de identificación a menudo abreviarán el factor de potencia como "" por esta razón.
Ejemplo: la potencia activa es de 700 W y el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente es de 45.6 °. El factor de potencia es cos (45.6 °) = 0.700 . La potencia aparente es entonces: 700 W / cos (45.6 °) = 1000 VA . El concepto de disipación de potencia en el circuito de CA se explica e ilustra con el ejemplo.
Por ejemplo, un factor de potencia del 68 por ciento (0.68) significa que solo el 68 por ciento de la corriente total suministrada está haciendo el trabajo; El 32 por ciento restante es reactivo y debe ser compensado por la empresa de servicios públicos. Por lo general, las empresas de servicios públicos no cobran a los consumidores por las pérdidas de energía reactiva, ya que no hacen un trabajo real para el consumidor. Sin embargo, si hay ineficiencias en la fuente de carga del cliente que hacen que el factor de potencia caiga por debajo de cierto nivel, las empresas de servicios públicos pueden cobrar a los clientes para cubrir un aumento en el uso de combustible de su planta de energía y sus peores capacidades de línea y planta.
Potencia reactiva [ editar ]
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En un circuito de corriente continua, la potencia que fluye a la carga es proporcional al producto de la corriente a través de la carga y la caída potencial a través de la carga. La energía fluye en una dirección desde la fuente hasta la carga. En la alimentación de CA, la tensión y la corriente varían aproximadamente sinusoidalmente. Cuando hay inductancia o capacitancia en el circuito, las formas de onda de voltaje y corriente no se alinean perfectamente. El flujo de energía tiene dos componentes: un componente fluye desde la fuente hasta la carga y puede realizar el trabajo en la carga; La otra parte, conocida como "potencia reactiva", se debe al retraso entre la tensión y la corriente, conocido como ángulo de fase, y no puede realizar un trabajo útil en la carga. Se puede considerar como una corriente que llega en el momento equivocado (demasiado tarde o demasiado temprano). Para distinguir la potencia reactiva de la potencia activa,voltios-amperios reactivos ", o var. Estas unidades pueden simplificarse a Watts, pero se dejan como var para indicar que no representan una salida de trabajo real.
La energía almacenada en elementos capacitivos o inductivos de la red da lugar al flujo de potencia reactiva. El flujo de potencia reactiva influye fuertemente en los niveles de voltaje en la red. Los niveles de voltaje y el flujo de potencia reactiva deben controlarse cuidadosamente para permitir que un sistema de energía funcione dentro de límites aceptables. Una técnica conocida como compensación reactiva.se utiliza para reducir el flujo de potencia aparente a una carga al reducir la potencia reactiva suministrada por las líneas de transmisión y proporcionarla localmente. Por ejemplo, para compensar una carga inductiva, se instala un condensador de derivación cerca de la carga en sí. Esto permite que toda la potencia reactiva que necesita la carga sea suministrada por el condensador y no tenga que ser transferida a través de las líneas de transmisión. Esta práctica ahorra energía porque reduce la cantidad de energía que debe ser producida por la empresa de servicios públicos para realizar la misma cantidad de trabajo. Además, permite diseños de líneas de transmisión más eficientes utilizando conductores más pequeños o menos conductores agrupados y optimizando el diseño de torres de transmisión.
Capacitivo vs. cargas inductivas [ editar ]
La energía almacenada en el campo magnético o eléctrico de un dispositivo de carga, como un motor o un condensador, causa un desplazamiento entre la corriente y las formas de onda de voltaje. Un capacitor es un dispositivo de CA que almacena energía en forma de un campo eléctrico. A medida que la corriente pasa a través del capacitor, la acumulación de carga hace que se desarrolle un voltaje opuesto a través del capacitor. Esta tensión aumenta hasta cierto máximo dictado por la estructura del condensador. En una red de CA, el voltaje a través de un capacitor está cambiando constantemente. El condensador se opone a este cambio, causando que la corriente conduzca el voltaje en fase. Se dice que los condensadores "generan" potencia reactiva y, por lo tanto, causan un factor de potencia principal.
Las máquinas de inducción son algunos de los tipos más comunes de cargas en el sistema de energía eléctrica en la actualidad. Estas máquinas utilizan inductores o grandes bobinas de alambre para almacenar energía en forma de un campo magnético. Cuando se coloca inicialmente un voltaje a través de la bobina, el inductor resiste fuertemente este cambio en la corriente y el campo magnético, lo que causa un retraso de tiempo para que la corriente alcance su valor máximo. Esto hace que la corriente se retrase por detrás del voltaje en la fase. Se dice que los inductores "hunden" la potencia reactiva y, por lo tanto, causan un factor de potencia rezagado. Los generadores de inducción pueden generar o reducir la potencia reactiva, y proporcionar una medida de control a los operadores del sistema sobre el flujo de potencia reactiva y, por lo tanto, el voltaje. [6]Debido a que estos dispositivos tienen efectos opuestos en el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente, se pueden usar para "cancelar" los efectos de los demás. Esto usualmente toma la forma de bancos de capacitores que se usan para contrarrestar el factor de potencia de retraso causado por los motores de inducción.
Control de potencia reactiva [ editar ]
Los generadores conectados a la transmisión generalmente se requieren para soportar el flujo de potencia reactiva. Por ejemplo, en el sistema de transmisión del Reino Unido, los Requerimientos del Código de Red requieren que los generadores suministren su potencia nominal entre los límites de 0.85 de factor de potencia desfasados y 0.90 factor de potencia principal en los terminales designados. El operador del sistema realizará acciones de conmutación para mantener un perfil de voltaje seguro y económico al tiempo que mantiene una ecuación de balance de potencia reactiva:
La ' ganancia del sistema ' es una fuente importante de potencia reactiva en la ecuación de balance de potencia anterior, que se genera por la naturaleza capacitiva de la propia red de transmisión. Al realizar acciones de cambio decisivas temprano en la mañana antes de que aumente la demanda, la ganancia del sistema se puede maximizar al principio, lo que ayuda a asegurar el sistema durante todo el día. Para equilibrar la ecuación se requerirá el uso de un generador reactivo previo a la falla. Otras fuentes de energía reactiva que también se utilizarán incluyen condensadores de derivación, reactores de derivación, compensadores de VAR estáticos y circuitos de control de voltaje.
Sistemas polifásicos desequilibrados [ editar ]
Si bien la potencia activa y la potencia reactiva están bien definidas en cualquier sistema, la definición de potencia aparente para sistemas polifásicos desequilibrados se considera uno de los temas más controvertidos en ingeniería de potencia. Originalmente, el poder aparente surgió simplemente como una figura de mérito. Las principales descripciones del concepto se atribuyen a los fenómenos de retraso de Stanley en la bobina de inducción (1888) y a los elementos teóricos de ingeniería de Steinmetz (1915). Sin embargo, con el desarrollo de la distribución de energía trifásica , quedó claro que la definición de potencia aparente y el factor de potencia no se podían aplicar a sistemas polifásicos desequilibrados .. En 1920, un "Comité Conjunto Especial de la AIEE y la Asociación Nacional de Luz Eléctrica" se reunió para resolver el problema. Consideraron dos definiciones.
- ,
es decir, la suma aritmética de las potencias aparentes de la fase; y
- ,
es decir, la magnitud de la potencia total trifásica compleja.
El comité de 1920 no encontró consenso y el tema continuó dominando las discusiones. En 1930, se formó otro comité y una vez más falló en resolver la cuestión. Las transcripciones de sus discusiones son las más largas y controvertidas jamás publicadas por la AIEE. [7] La resolución adicional de este debate no llegó hasta finales de los años noventa.
Alexander Emanuel propuso una nueva definición basada en la teoría de componentes simétricos para la carga lineal no balanceada suministrada con voltajes sinusoidales asimétricos:
- ,
es decir, la raíz de las sumas cuadradas de voltajes de línea multiplicada por la raíz de las sumas cuadradas de las corrientes de línea. denota el poder de secuencia positiva:
denota el phasor de voltaje de secuencia positiva, y Denota la secuencia positiva del fasor actual. [7]
Fórmulas de números reales [ editar ]
Una resistencia perfecta no almacena energía; Así que la corriente y el voltaje están en fase. Por lo tanto, no hay poder reactivo y. Por lo tanto, para una resistencia perfecta.
- .
Para un capacitor o inductor perfecto, no hay transferencia de potencia neta; Así que todo el poder es reactivo. Por lo tanto, para un capacitor o inductor perfecto:
- .
Si X se define como positivo para un inductor y negativo para un capacitor, entonces los signos de módulo se pueden eliminar de S y X y obtener
- .
La potencia instantánea se define como:
- ,
dónde y son las formas de onda de voltaje y corriente que varían con el tiempo.
Esta definición es útil porque se aplica a todas las formas de onda, ya sean sinusoidales o no. Esto es particularmente útil en la electrónica de potencia, donde son comunes las formas de onda no sinusoidales.
En general, los ingenieros están interesados en la potencia activa promediada durante un período de tiempo, ya sea un ciclo de línea de baja frecuencia o un período de conmutación del convertidor de potencia de alta frecuencia. La forma más sencilla de obtener ese resultado es realizar la integral del cálculo instantáneo durante el período deseado:
- .
Este método de cálculo de la potencia promedio proporciona la potencia activa independientemente del contenido armónico de la forma de onda. En aplicaciones prácticas, esto se haría en el dominio digital, donde el cálculo se vuelve trivial cuando se compara con el uso de rms y fase para determinar la potencia activa:
- .
Sistemas de frecuencia múltiple [ editar ]
Dado que un valor RMS se puede calcular para cualquier forma de onda, la potencia aparente se puede calcular a partir de esto. Para la potencia activa, a primera vista parecería que sería necesario calcular muchos términos de productos y promediarlos todos. Sin embargo, observar uno de estos términos de productos con más detalle produce un resultado muy interesante.
Sin embargo, el tiempo promedio de una función de la forma cos (ω t + k ) es cero siempre que ω sea distinto de cero. Por lo tanto, los únicos términos de productos que tienen un promedio distinto de cero son aquellos en los que la frecuencia de voltaje y la corriente coinciden. En otras palabras, es posible calcular la potencia activa (promedio) simplemente tratando cada frecuencia por separado y sumando las respuestas. Además, si se supone que el voltaje de la fuente de alimentación es una sola frecuencia (lo que generalmente es), esto muestra que las corrientes armónicasson una mala cosa Aumentarán la corriente RMS (ya que no se agregarán términos distintos a cero) y, por lo tanto, potencia aparente, pero no tendrán ningún efecto en la potencia activa transferida. Por lo tanto, las corrientes armónicas reducirán el factor de potencia. Las corrientes armónicas se pueden reducir mediante un filtro colocado en la entrada del dispositivo. Por lo general, esto consistirá en un capacitor (que se basa en la resistencia y la inductancia parásitas en el suministro) o en una red de capacitor-inductor. Un circuito activo de corrección del factor de potencia en la entrada generalmente reduciría aún más las corrientes armónicas y mantendría el factor de potencia más cercano a la unidad.
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