INGENIERÍA ELECTRICA

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La energía eléctrica se transmite en líneas aéreas como estas, y también en cables subterráneos de alta tensión .

La energía eléctrica es la tasa, por unidad de tiempo, a la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico . La unidad de potencia del SI es el vatio , un julio por segundo .

La energía eléctrica generalmente es producida por generadores eléctricos , pero también puede ser suministrada por fuentes como baterías eléctricas . Por lo general, se suministra a las empresas y hogares (como electricidad de la red doméstica ) por la industria de energía eléctrica a través de una red eléctrica . La energía eléctrica generalmente se vende por kilovatio hora (1 kW · h = 3.6 MJ), que es el producto de la potencia en kilovatios multiplicada por el tiempo de funcionamiento en horas. Las compañías eléctricas miden la energía usando un medidor de electricidad , que mantiene un total de energía eléctrica entregada a un cliente.

La energía eléctrica proporciona una forma de energía altamente ordenada (baja entropía ) y puede transportarse largas distancias y convertirse en otras formas de energía como movimiento , luz o calor con alta eficiencia energética . ^[1] Por lo tanto, se utiliza como un tipo de energía secundaria .

Definición [ editar ]

Energía eléctrica, como la energía mecánica , es la tasa de hacer el trabajo , medida en vatios , y representado por la letra P . El término potencia se usa coloquialmente para significar "energía eléctrica en vatios". La potencia eléctrica en vatios producida por una corriente eléctrica I que consiste en una carga de Q coulombs cada t segundos que pasa a través de una diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) de V es

$${\ displaystyle P = {\ text {trabajo realizado por unidad de tiempo}} = {\ frac {VQ} {t}} = VI \,}

dónde

Q es carga eléctrica en culombios

t es tiempo en segundos

I es corriente eléctrica en amperios

V es potencial eléctrico o voltaje en voltios

Explicación [ editar ]

Animación que muestra carga eléctrica

La energía eléctrica se transforma en otras formas de energía cuando las cargas eléctricas se mueven a través de una diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ), que ocurre en los componentes eléctricos en los circuitos eléctricos. Desde el punto de vista de la energía eléctrica, los componentes en un circuito eléctrico se pueden dividir en dos categorías:

• Dispositivos o cargas pasivas : cuando las cargas eléctricas se mueven a través de una diferencia de potencial de un voltaje más alto a uno más bajo, es decir, cuando la corriente convencional (carga positiva) se mueve del terminal positivo (+) al terminal negativo (-), el trabajo se realiza los cargos en el dispositivo. La energía potencial de las cargas debido al voltaje entre los terminales se convierte en energía cinética en el dispositivo. Estos dispositivos se denominan componentes pasivos o cargas ; ellos 'consumen' energía eléctrica del circuito, convirtiéndola en otras formas de energía como trabajo mecánico , calor, luz, etc. Los ejemplos sonelectrodomésticos , como bombillas , motores eléctricos y calentadores eléctricos . En los circuitos de corriente alterna (CA), la dirección del voltaje se invierte periódicamente, pero la corriente siempre fluye desde el lado de mayor potencial al lado de menor potencial.

Animación que muestra la fuente de energía

• Los dispositivos activos o fuentes de energía : Si los cargos son movidos por una 'fuerza exterior' a través del dispositivo en la dirección del potencial eléctrico inferior a lo superior, (carga se mueve de modo positivo de lo negativo a la terminal positiva), el trabajo se llevará a cabo en las cargas, y la energía se está convirtiendo en energía eléctrica potencial de algún otro tipo de energía, como la energía mecánica o la energía química . Los dispositivos en los que esto ocurre se denominan dispositivos activos o fuentes de energía ; tales como generadores eléctricos y baterías .

Algunos dispositivos pueden ser una fuente o una carga, dependiendo del voltaje y la corriente a través de ellos. Por ejemplo, una batería recargable actúa como una fuente cuando proporciona energía a un circuito, pero como una carga cuando está conectada a un cargador de batería y se está recargando, o un generador como fuente de energía y un motor como carga.

Convención de signos pasivos [ editar ]

Artículo principal: Convención de signos pasivos

Dado que la energía eléctrica puede fluir dentro o fuera de un componente, se necesita una convención para cuya dirección represente un flujo de energía positivo. La energía eléctrica que fluye desde un circuito hacia un componente se define arbitrariamente para tener un signo positivo, mientras que la energía que fluye hacia un circuito desde un componente se define para tener un signo negativo. Por lo tanto, los componentes pasivos tienen un consumo de energía positivo, mientras que las fuentes de energía tienen un consumo de energía negativo. Esto se llama la convención de signos pasivos .

Circuitos resistivos [ editar ]

En el caso de cargas resistivas (óhmicas o lineales), la ley de Joule se puede combinar con la ley de Ohm ( V = I · R ) para producir expresiones alternativas para la cantidad de potencia que se disipa:

$${\ displaystyle P = IV = I ^ {2} R = {\ frac {V ^ {2}} {R}},}

donde R es la resistencia eléctrica .

Corriente alterna [ editar ]

Artículo principal: corriente alterna

En los circuitos de corriente alterna , los elementos de almacenamiento de energía como la inductancia y la capacitancia pueden dar como resultado reversiones periódicas de la dirección del flujo de energía. La parte del flujo de energía que, promediada durante un ciclo completo de la forma de onda de CA, da como resultado la transferencia neta de energía en una dirección se conoce como energía real (también conocida como energía activa). Esa parte del flujo de energía debido a la energía almacenada, que regresa a la fuente en cada ciclo, se conoce como energía reactiva . La potencia real P en vatios consumidos por un dispositivo está dada por

$${\ displaystyle P = {1 \ over 2} V_ {p} I_ {p} \ cos \ theta = V _ {\ rm {rms}} I _ {\ rm {rms}} \ cos \ theta \,}

dónde

V _p es el voltaje máximo en voltios

I _p es el pico de corriente en amperios

V _rms es latensión cuadrática media en voltios

I _rms es lacorriente cuadrática media en amperios

θ es el ángulo de fase entre las ondas sinusoidales de corriente y tensión

Triángulo de potencia: los componentes de la alimentación de CA

La relación entre potencia real, potencia reactiva y potencia aparente puede expresarse representando las cantidades como vectores. La potencia real se representa como un vector horizontal y la potencia reactiva se representa como un vector vertical. El vector de potencia aparente es la hipotenusa de un triángulo rectángulo formado al conectar los vectores de potencia real y reactiva. Esta representación a menudo se llama el triángulo de poder . Usando el teorema de Pitágoras , la relación entre el poder real, reactivo y aparente es:

$${\ displaystyle {\ mbox {(poder aparente)}} ^ {2} = {\ mbox {(poder real)}} ^ {2} + {\ mbox {(poder reactivo)}} ^ {2}}

Las potencias real y reactiva también se pueden calcular directamente a partir de la potencia aparente, cuando la corriente y la tensión son sinusoides con un ángulo de fase conocido θ entre ellas:

$${\ displaystyle {\ mbox {(poder real)}} = {\ mbox {(poder aparente)}} \ cos \ theta}

$${\ displaystyle {\ mbox {(potencia reactiva)}} = {\ mbox {(potencia aparente)}} \ sin \ theta}

La relación entre la potencia real y la potencia aparente se denomina factor de potencia y es un número siempre entre 0 y 1. Cuando las corrientes y los voltajes tienen formas no sinusoidales, el factor de potencia se generaliza para incluir los efectos de la distorsión.

Campos electromagnéticos [ editar ]

Esta sección no cita ninguna fuente . Por favor, ayuda a mejorar esta sección mediante la adición de citas de fuentes confiables . El material sin fuente puede ser cuestionado y eliminado . Encuentre fuentes:  "Energía eléctrica"  -  noticias  · periódicos  · libros  · erudito  · JSTOR ( noviembre de 2012 ) ( Aprenda cómo y cuándo eliminar este mensaje de plantilla )

La energía eléctrica fluye donde los campos eléctricos y magnéticos existen juntos y fluctúan en el mismo lugar. El ejemplo más simple de esto está en los circuitos eléctricos, como lo mostró la sección anterior. Sin embargo, en el caso general, la ecuación simple P = IV debe ser reemplazada por un cálculo más complejo, la integral del producto cruzado de los vectores de campo eléctrico y magnético sobre un área específica, por lo tanto:

$${\ displaystyle P = \ int _ {S} (\ mathbf {E} \ times \ mathbf {H}) \ cdot \ mathbf {dA}. \,}

El resultado es un escalar ya que es la integral de la superficie del vector de Poynting .

Producción [ editar ]

Generación [ editar ]

Artículo principal: Generación de electricidad.

Los principios fundamentales de mucha generación de electricidad fueron descubiertos durante la década de 1820 y principios de 1830 por el científico británico Michael Faraday . Su método básico todavía se usa hoy en día: la electricidad se genera por el movimiento de un bucle de alambre o disco de cobre entre los polos de un imán .

Para las compañías eléctricas , es el primer proceso en la entrega de electricidad a los consumidores. La industria de la energía eléctrica normalmente lleva a cabo los otros procesos, transmisión , distribución y almacenamiento y recuperación de energía eléctrica utilizando métodos de almacenamiento por bombeo .

La electricidad se genera principalmente en una estación de energía mediante generadores electromecánicos , accionados por motores de calor calentados por combustión , energía geotérmica o fisión nuclear . Otros generadores son impulsados ​​por la energía cinética del flujo de agua y viento. Hay muchas otras tecnologías que se utilizan para generar electricidad como fotovoltaicos paneles solares.

Una batería es un dispositivo que consiste en una o más células electroquímicas que convierten la energía química almacenada en energía eléctrica. ^[2] Desde la invención de la primera batería (o " pila voltaica ") en 1800 por Alessandro Volta y especialmente desde la celda Daniell técnicamente mejorada en 1836, las baterías se han convertido en una fuente de energía común para muchas aplicaciones domésticas e industriales. Según una estimación de 2005, la industria mundial de baterías genera ventas por US $ 48 mil millones cada año, ^[3] con un crecimiento anual del 6%. Hay dos tipos de baterías: baterías primarias.(baterías desechables), que están diseñadas para usarse una vez y desecharse, y baterías secundarias (baterías recargables), que están diseñadas para recargarse y usarse varias veces. Las baterías vienen en muchos tamaños, desde celdas en miniatura utilizadas para alimentar audífonos y relojes de pulsera hasta bancos de baterías del tamaño de habitaciones que proporcionan energía de reserva para centrales telefónicas y centros de datos informáticos .

Industria de la energía eléctrica [ editar ]

Artículo principal: industria de energía eléctrica

La industria de la energía eléctrica proporciona la producción y entrega de energía, en cantidades suficientes a las áreas que necesitan electricidad , a través de una conexión a la red . La red distribuye energía eléctrica a los clientes. La energía eléctrica es generada por centrales eléctricas o por generación distribuida . La industria de la energía eléctrica ha ido evolucionando gradualmente hacia la desregulación, con jugadores emergentes que ofrecen a los consumidores competencia a las compañías de servicios públicos tradicionales. ^[4]

Usar [ editar ]

La energía eléctrica, producida a partir de estaciones generadoras centrales y distribuida a través de una red de transmisión eléctrica, se usa ampliamente en aplicaciones industriales, comerciales y de consumo. El consumo de energía eléctrica per cápita de un país se correlaciona con su desarrollo industrial. ^[5] Los motores eléctricos impulsan la maquinaria de fabricación y propulsan los trenes subterráneos y ferroviarios. La iluminación eléctrica es la forma más importante de luz artificial. La energía eléctrica se utiliza directamente en procesos como la extracción de aluminio de sus minerales y en la producción de acero en hornos de arco eléctrico.. La energía eléctrica confiable es esencial para las telecomunicaciones y la radiodifusión. La energía eléctrica se usa para proporcionar aire acondicionado en climas cálidos, y en algunos lugares la energía eléctrica es una fuente de energía económicamente competitiva para la calefacción de espacios de edificios. El uso de energía eléctrica para bombear agua varía desde pozos domésticos individuales hasta proyectos de riego y proyectos de almacenamiento de energía.

de CA suministrada por la red, consulte Electricidad de la red .

El parpadeo de las luces de la ciudad no incandescentes se muestra en esta exposición prolongada con movimiento borroso. La naturaleza AC de la red eléctrica se revela por la apariencia discontinua de las huellas de las luces en movimiento.

La potencia en un circuito eléctrico es la tasa de flujo de energía que pasa por un punto dado del circuito. En los circuitos de corriente alterna , los elementos de almacenamiento de energía, como inductores y condensadores, pueden dar como resultado inversiones periódicas de la dirección del flujo de energía.

La porción de potencia que, promediada durante 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 sobre 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 .

Potencia activa, reactiva y aparente [ editar ]

En un circuito simple de corriente alterna (CA) 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, 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 tanta energía fluye hacia la carga como fluye hacia afuera. No hay flujo neto de energía en cada medio ciclo. En este caso, solo fluye 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 reversa a lo largo de los mismos cables. La corriente requerida para este flujo de potencia reactiva disipa energía en la resistencia de la línea, incluso si el dispositivo de carga ideal no consume energía por sí mismo. Las cargas prácticas tienen resistencia, así como inductancia o capacitancia, por lo que las potencias activa y reactiva fluirán a las cargas normales.

La potencia aparente es el producto de los valores rms de voltaje y corriente. La energía aparente se tiene en cuenta al diseñar y operar sistemas de energía, porque aunque la corriente asociada con la energía reactiva no funciona en la carga, aún debe ser suministrada por la fuente de energía. Los conductores, transformadores y generadores deben dimensionarse para transportar la corriente total, no solo la corriente que hace un trabajo útil. Si no se proporciona el suministro de potencia reactiva suficiente en las redes eléctricas, se pueden reducir los niveles de voltaje y, bajo 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 con precisión la potencia total a menos que tengan la misma diferencia de fase entre corriente y voltaje (el mismo factor de potencia ).

Convencionalmente, los condensadores se tratan como si generaran potencia reactiva e inductores como si la consumieran. Si un condensador y un inductor se colocan en paralelo, entonces las corrientes que fluyen a través del condensador y el inductor tienden a cancelar en lugar de sumar. 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 potencia reactiva con la forma de onda de corriente que conduce la forma de onda de voltaje en 90 grados, mientras que los circuitos puramente inductivos absorben la potencia reactiva con la forma de onda de corriente retrasada la forma de onda de voltaje en 90 grados. El resultado de esto es que los elementos de circuito capacitivo e inductivo tienden a cancelarse entre sí.^[1]

El triángulo de potencia
La potencia compleja es la suma vectorial de potencia activa y reactiva. El poder aparente es la magnitud del poder complejo.
  Potencia activa , P
  Potencia reactiva , Q
  Potencia compleja , S
  Potencia aparente , | S |
  Fase de tensión relativa a la corriente ,$${\ displaystyle \ varphi}

Los ingenieros usan los siguientes términos para describir el flujo de energía en un sistema (y asignar a cada uno de ellos una unidad diferente para diferenciarlos):

• Potencia activa , ^[2] P o potencia real : ^[3] vatios (W);
• Potencia reactiva , Q : volt-ampere reactivo (var);
• Potencia compleja , S : volt-amperio (VA);
• Poder aparente , | S |: la magnitud de la potencia compleja S : voltio-amperio (VA);
• Fase de voltaje relativo a la corriente , φ : el ángulo de diferencia (en grados) entre corriente y voltaje;$${\ displaystyle \ varphi = \ arg (V) - \ arg (I)}. Tensión de retardo de corriente ( vector del cuadrante I), tensión de entrada de corriente (vector del cuadrante IV).

Todos estos se denotan en el diagrama adyacente (llamado Triángulo de potencia).

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 funciona, por lo que se representa como el eje imaginario del diagrama vectorial. El poder activo sí funciona, por lo que es el eje real.

La unidad de potencia es el vatio (símbolo: W). La potencia aparente se expresa a menudo en voltamperios (VA) ya que es el producto de rms de tensión y rms actual . La unidad de potencia reactiva es var, que significa voltio-amperio reactivo . Dado que 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 ha sido citada como un factor importante en el apagón del noreste de 2003 . ^[4]Comprender la relación entre estas tres cantidades se encuentra en el corazón de la comprensión de la ingeniería de potencia. La relación matemática entre ellos puede representarse mediante vectores o expresarse usando números complejos, S  =  P  +  j Q (donde j es la unidad imaginaria ).

Cálculos y ecuaciones [ editar ]

La fórmula para la potencia compleja (unidades: VA) en forma fasorial es:

$${\ displaystyle S = VI ^ {*} = | S | \ angle \ varphi},

donde V denota voltaje en forma fasorial, con la amplitud como rms , e I denota corriente en forma fasorial, con la amplitud como rms. También por convención, se usa el complejo conjugado de I , que se denota$${\ displaystyle I ^ {*}} (o $${\ displaystyle {\ overline {I}}}), en lugar de yo mismo. Esto se hace de modo 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).

$${\ displaystyle S = | I | ^ {2} Z = {\ frac {| V | ^ {2}} {Z ^ {*}}}}.

Consecuentemente, con referencia al triángulo de potencia, la potencia real (unidades en vatios, W) se deriva como:

$${\ displaystyle P = | S | \ cos {\ varphi} = | I | ^ {2} R = {\ frac {| V | ^ {2}} {| Z | ^ {2}}} \ veces {R }}.

Para una carga puramente resistiva, la potencia real se puede simplificar para:

$${\ displaystyle P = {\ frac {| V | ^ {2}} {R}}}.

R denota resistencia (unidades en ohmios, Ω) de la carga.

La potencia reactiva (unidades en voltios-amperios-reactivos, var) se deriva como:

$${\ displaystyle Q = | S | \ sin {\ varphi} = | I | ^ {2} X = {\ frac {| V | ^ {2}} {| Z | ^ {2}}} \ veces {X }}.

Para una carga puramente reactiva, la potencia reactiva se puede simplificar para:

$${\ displaystyle Q = {\ frac {| V | ^ {2}} {X}}},

donde X denota reactancia (unidades en ohmios, Ω) de la carga.

Combinando, la potencia compleja (unidades en voltios-amperios, VA) se revierte como

$${\ displaystyle S = P + jQ},

y la potencia aparente (unidades en voltios-amperios, VA) como

$${\ displaystyle | S | = {\ sqrt {P ^ {2} + Q ^ {2}}}}.

Estos se simplifican esquemáticamente por el triángulo de potencia.

Factor de potencia [ editar ]

Artículo principal: Factor de potencia

La relación de potencia activa a potencia aparente en un circuito se llama factor de potencia . Para dos sistemas que transmiten la misma cantidad de potencia activa, el sistema con el factor de potencia más bajo tendrá corrientes circulantes más altas debido a la energía que regresa a la fuente desde el almacenamiento de energía en la carga. Estas corrientes más altas producen pérdidas más altas y reducen la eficiencia general de la transmisión. Un circuito de factor de potencia más bajo tendrá una potencia aparente más alta y mayores pérdidas por 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 adelanta o retrasa el voltaje 90 grados. Cuando el voltaje y la corriente están desfasados ​​180 grados, el factor de potencia es negativo y la carga alimenta energía a la fuente (un ejemplo sería un hogar con células solares en el techo que alimentan la red eléctrica cuando el sol está brillando). Los factores de potencia generalmente se expresan 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 cual se compara el ángulo de corriente, lo que significa que la corriente se considera como voltaje "adelantado" o "rezagado". Cuando las formas de onda son puramente sinusoidales, el factor de potencia es el coseno del ángulo de fase ($${\ displaystyle \ varphi}) entre las formas de onda sinusoidales de corriente y tensión. Las hojas de datos del equipo y las placas de identificación a menudo abrevian el factor de potencia como "$${\ displaystyle \ cos \ phi}" 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 realmente está funcionando; el 32 por ciento restante es reactivo y debe ser compuesto por la empresa de servicios públicos. Por lo general, las empresas de servicios públicos no cobran a los consumidores por las pérdidas de potencia reactiva, ya que no realizan 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.

Poder reactivo [ editar ]

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En un circuito de corriente continua, la potencia que fluye hacia 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, el voltaje 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 el voltaje y la corriente, conocido como ángulo de fase, y no puede realizar un trabajo útil en la carga. Puede considerarse como una corriente que llega en el momento equivocado (demasiado tarde o demasiado temprano). Para distinguir la potencia reactiva de la potencia activa,volt-amperes reactive ", o var. Estas unidades pueden simplificarse a vatios, pero se dejan como var para indicar que no representan 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 potencia funcione dentro de límites aceptables. Una técnica se conoce 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 misma. Esto permite que toda la potencia reactiva que necesita la carga sea suministrada por el condensador y no tenga que transferirse a través de las líneas de transmisión. Esta práctica ahorra energía porque reduce la cantidad de energía que la empresa de servicios públicos debe producir para realizar la misma cantidad de trabajo. Además, permite diseños de línea de transmisión más eficientes utilizando conductores más pequeños o menos conductores agrupados y optimizando el diseño de torres de transmisión.

Cargas capacitivas versus inductivas [ editar ]

La energía almacenada en el campo magnético o eléctrico de un dispositivo de carga, como un motor o condensador, causa un desplazamiento entre las formas de onda de corriente y voltaje. Un condensador es un dispositivo de CA que almacena energía en forma de campo eléctrico. A medida que la corriente pasa a través del condensador, la acumulación de carga hace que se desarrolle un voltaje opuesto a través del condensador. Este voltaje aumenta hasta cierto máximo dictado por la estructura del capacitor. En una red de CA, el voltaje a través de un condensador cambia constantemente. El condensador se opone a este cambio, haciendo que la corriente conduzca el voltaje en fase. Se dice que los condensadores "originan" energía reactiva y, por lo tanto, causan un factor de potencia principal.

Las máquinas de inducción son algunos de los tipos de cargas más comunes en el sistema de energía eléctrica en la actualidad. Estas máquinas usan inductores , o grandes bobinas de alambre para almacenar energía en forma de campo magnético. Cuando se coloca inicialmente un voltaje a través de la bobina, el inductor resiste fuertemente este cambio en un campo magnético y de corriente, lo que provoca un retraso de tiempo para que la corriente alcance su valor máximo. Esto hace que la corriente se quede atrás del voltaje en 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 absorber energía reactiva y proporcionar una medida de control a los operadores del sistema sobre el flujo de energía 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, pueden usarse para "cancelar" los efectos de cada uno. Esto generalmente toma la forma de bancos de condensadores que se utilizan para contrarrestar el factor de potencia rezagado 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 requisitos del código de red requieren que los generadores suministren su potencia nominal entre los límites de retraso del factor de potencia de 0.85 y factor de potencia de 0.90 en los terminales designados. El operador del sistema realizará acciones de conmutación para mantener un perfil de voltaje seguro y económico mientras mantiene una ecuación de equilibrio de potencia reactiva:

$${\ displaystyle \ mathrm {Generator \ MVARs + System \ gain + Shunt \ capacitors = MVAR \ Demand + Reactive \ loss + Shunt \ reactors}}

La ' ganancia del sistema ' es una fuente importante de potencia reactiva en la ecuación de equilibrio de potencia anterior, que se genera por la naturaleza capacitiva de la red de transmisión en sí. Al realizar acciones de cambio decisivas temprano en la mañana antes de que aumente la demanda, la ganancia del sistema se puede maximizar desde el 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 potencia reactiva que también se utilizarán incluyen condensadores de derivación, reactores de derivación, compensadores 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 la ingeniería de potencia. Originalmente, el poder aparente surgió simplemente como una figura de mérito. Las principales delineaciones del concepto se atribuyen a los fenómenos de retardo de Stanley en la bobina de inducción (1888) y los elementos teóricos de ingeniería de Steinmetz (1915). Sin embargo, con el desarrollo de la distribución de potencia trifásica , quedó claro que la definición de potencia aparente y el factor de potencia no podían aplicarse a sistemas polifásicos desequilibrados .. En 1920, un "Comité Conjunto Especial de la AIEE y la Asociación Nacional de Luz Eléctrica" ​​se reunieron para resolver el problema. Consideraron dos definiciones.

$${\ displaystyle S_ {A} = | S _ {\ mathrm {a}} | + | S _ {\ mathrm {b}} | + | S _ {\ mathrm {c}} |}

$${\ displaystyle \ mathrm {pf} _ {A} = {P _ {\ mathrm {a}} + P _ {\ mathrm {b}} + P _ {\ mathrm {c}} \ over S_ {A}}},

es decir, la suma aritmética de las potencias aparentes de fase; y

$${\ displaystyle S_ {V} = | P _ {\ mathrm {a}} + P _ {\ mathrm {b}} + P _ {\ mathrm {c}} + j (Q _ {\ mathrm {a}} + Q _ {\ \ mathrm {b}} + Q _ {\ mathrm {c}}) |}

$${\ displaystyle \ mathrm {pf} _ {V} = {P _ {\ mathrm {a}} + P _ {\ mathrm {b}} + P _ {\ mathrm {c}} \ over S_ {V}}},

es decir, la magnitud del poder complejo trifásico total.

El comité de 1920 no encontró consenso y el tema continuó dominando las discusiones. En 1930, se formó otro comité y una vez más no pudo resolver la cuestión. Las transcripciones de sus debates son las más largas y controvertidas jamás publicadas por la AIEE. ^[7] La resolución adicional de este debate no llegó hasta finales de la década de 1990.

Alexander Emanuel propuso en 1993 una nueva definición basada en la teoría de componentes simétricos para la carga lineal desequilibrada suministrada con voltajes sinusoidales asimétricos:

$${\ displaystyle S = {\ sqrt {\ left (| V _ {\ mathrm {a}} ^ {2} | + | V _ {\ mathrm {b}} ^ {2} | + | V _ {\ mathrm {c} } ^ {2} | \ right) \ left (| I _ {\ mathrm {a}} ^ {2} | + | I _ {\ mathrm {b}} ^ {2} | + | I _ {\ mathrm {c} } ^ {2} | \ right)}}}

$${\ displaystyle \ mathrm {pf} = {P ^ {+} \ over S}},

es decir, la raíz de sumas cuadradas de voltajes de línea multiplicada por la raíz de sumas cuadradas de corrientes de línea. $${\ displaystyle P ^ {+}} denota la potencia de secuencia positiva:

$${\ displaystyle P ^ {+} = 3 | V ^ {+} || I ^ {+} | cos (arg (V ^ {+}) - arg (I ^ {+}))}

$${\ displaystyle V ^ {+}} denota el fasor de voltaje de secuencia positiva, y $${\ displaystyle I ^ {+}}denota la secuencia positiva actual fasor. ^[7]

Fórmulas de números reales [ editar ]

Una resistencia perfecta no almacena energía; entonces la corriente y el voltaje están en fase. Por lo tanto, no hay potencia reactiva y$${\ displaystyle P = S}. Por lo tanto, para una resistencia perfecta

$${\ displaystyle P = S = V _ {\ mathrm {RMS}} I _ {\ mathrm {RMS}} = I _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2} R = {\ frac {V _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2}} {R}} \, \!}.

Para un condensador o inductor perfecto, no hay transferencia de potencia neta; entonces todo el poder es reactivo. Por lo tanto, para un condensador o inductor perfecto:

{\ displaystyle {\ begin {alineado} P & = 0 \\ Q & = | S | = V _ {\ mathrm {RMS}} I _ {\ mathrm {RMS}} = I _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2} | X | = {\ frac {V _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2}} {| X |}} \ end {alineado}}}.

donde X es la reactancia del condensador o inductor.

Si X se define como positivo para un inductor y negativo para un condensador, entonces los signos de módulo se pueden eliminar de S y X y obtener

$${\ displaystyle Q = I _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2} X = {\ frac {V _ {\ mathrm {RMS}} ^ {2}} {X}}}.

La potencia instantánea se define como:

$${\ displaystyle P _ {\ text {inst}} (t) = V (t) \ cdot I (t)},

dónde$${\ displaystyle V (t)} y $${\ displaystyle I (t)} son las formas de onda de voltaje y corriente que varían en 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 electrónica de potencia, donde las formas de onda no sinusoidales son comunes.

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 tomar la integral del cálculo instantáneo durante el período deseado:

$${\ displaystyle P _ {\ text {avg}} = {\ frac {1} {t_ {2} -t_ {1}}} \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} V (t) I (t) \, \ operatorname {d} t}.

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 en comparación con el uso de rms y fase para determinar la potencia activa:

$${\ displaystyle P _ {\ text {avg}} = {\ frac {1} {n}} \ sum _ {k = 1} ^ {n} V [k] I [k]}.

Sistemas de frecuencia múltiple [ editar ]

Como se puede calcular un valor RMS para cualquier forma de onda, se puede calcular la potencia aparente a partir de esto. Para la potencia activa, al principio parecería que sería necesario calcular muchos términos de productos y promediarlos todos. Sin embargo, mirar uno de estos términos de producto con más detalle produce un resultado muy interesante.

${\displaystyle {\begin{aligned}&A\cos(\omega _{1}t+k_{1})\cos(\omega _{2}t+k_{2})\\={}&{\frac {A}{2}}\cos \left[\left(\omega _{1}t+k_{1}\right)+\left(\omega _{2}t+k_{2}\right)\right]+{\frac {A}{2}}\cos \left[\left(\omega _{1}t+k_{1}\right)-\left(\omega _{2}t+k_{2}\right)\right]\\={}&{\frac {A}{2}}\cos \left[\left(\omega _{1}+\omega _{2}\right)t+k_{1}+k_{2}\right]+{\frac {A}{2}}\cos \left[\left(\omega _{1}-\omega _{2}\right)t+k_{1}-k_{2}\right]\end{aligned}}}$

Sin embargo, el promedio de tiempo de una función de la forma cos ( ωt + k ) es cero siempre que ω sea ​​distinto de cero. Por lo tanto, los únicos términos de producto que tienen un promedio distinto de cero son aquellos en los que la frecuencia de voltaje y 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 frecuencia única (que generalmente es), esto muestra que las corrientes armónicasson algo malo Aumentarán la corriente RMS (ya que se agregarán términos distintos de cero) y, por lo tanto, la potencia aparente, pero no tendrán efecto sobre 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 condensador (que depende de la resistencia parásita y la inductancia en el suministro) o una red capacitor-inductor. Un circuito de corrección del factor de potencia activo en la entrada generalmente reduciría aún más las corrientes armónicas y mantendría el factor de potencia más cerca de la unidad.