En esta entrada analizaremos de un punto de vista cualitativo qué es la potencia reactiva, y qué impacto tiene sobre las instalaciones eléctricas.
Repasemos primero los conceptos de potencia y energía.
Si queremos empujar un objeto hacia arriba en una pendiente, debemos aplicarle una fuerza.
El producto de la fuerza por la distancia desplazada es el trabajo que hay que hacer para mover el objeto.
El trabajo es una forma de energía, y se mide en Joules.
La potencia, es la cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo.
Matemáticamente, la potencia es la derivada respecto al tiempo de la energía.
Supongamos el objeto de la figura anterior se mueve a velocidad constante. La distancia crece entonces linealmente y la pendiente de dicha curva será la variación de distancia con el tiempo, que es la velocidad.
Si la fuerza es también constante, entonces la energía gastada también crecerá linealmente y la pendiente de la curva será la variación de trabajo con el tiempo, que es el producto de la fuerza por la velocidad.
Por lo tanto, la potencia mecánica es una medida de qué tan rápido se puede hacer un trabajo.
Mover el mismo objeto, la misma distancia, pero en la mitad de tiempo, requerirá la misma cantidad de energía, pero el doble de potencia.
Supongamos ahora que conectamos una lamparita incandescente en un enchufe:
El enchufe tiene un determinado voltaje (230Vac en Uruguay), y cuando la lamparita se conecta, ésta establece un camino para que circule una corriente eléctrica.
La energía eléctrica que provee el enchufe se convierte en calor y luz.
En este caso la potencia eléctrica es el producto del voltaje por la corriente eléctrica.
Podemos hacer una analogía entre la fuerza y el voltaje, y entre la velocidad y la corriente eléctrica.
Haciendo uso de esta analogía, podemos ver que si tenemos una segunda lamparita que consume el doble de corriente, la potencia eléctrica consumida será el doble que la de la primera lamparita, y si la encendemos la mitad de tiempo que la primera, la energía eléctrica consumida por ambas será la misma.
La potencia eléctrica es la energía eléctrica por unidad de tiempo.
La potencia eléctrica se mide en Watts, y la energía eléctrica se mide normalmente en kWh.
1 kWh, es la energía que gastada por una carga que consume 1000 Watts, durante una hora.
Cuando la tensión y la corriente son alternas, la potencia (que ya sabemos que es el producto de la tensión y la corriente) varía en función de cómo sea el desfasaje de la tensión y la corriente.
Veamos esto de forma gráfica.
En la siguiente figura se muestra la tensión y corriente de una carga, que están en fase (son las curvas roja y azul). La curva verde es el producto, que es la potencia eléctrica.
Como podemos apreciar, la potencia siempre es positiva, y oscila entre cero y un valor de pico.
El valor medio de la potencia, que está graficado en color magenta, es lo que se mide, y es el valor medio de potencia que la fuente le transmite a la carga.
En la siguiente figura, vemos que si la corriente está desfasada de la tensión, la potencia pasa por momentos a ser negativa, lo que significa que en esos intervalos la energía vuelve a la fuente, o sea, la carga (que tiene energía almacenada internamente) le transfiere potencia eléctrica a la red eléctrica.
También podemos apreciar que el valor medio de la potencia es menor que en el caso sin desfasaje, para la misma amplitud de corriente.
Y en la siguiente figura, vemos que, si la corriente está desfasada un cuarto de ciclo, ¡el valor medio de la potencia es cero!, por lo que, pese a que hay una circulación de potencia entre la carga y la fuente, ¡la transferencia neta de potencia es cero!
Observemos que en los 3 casos la amplitud de la oscilación de potencia es la misma, pero varía la potencia media, que es lo que determina el flujo de energía neta.
En resumen, cuando la corriente es alterna y está desfasada de la tensión, parte de la potencia oscila entre la fuente y la carga.
A la parte de la potencia eléctrica que efectivamente se transforma en algo útil (calor, movimiento, luz, etc), se le llama potencia activa.
A la parte de la potencia eléctrica que oscila entre la fuente y la carga y no se convierte en nada útil, se le llama potencia reactiva.
Aquí es importante entender que tanto la potencia activa como la reactiva son definiciones abstractas que nos permiten operar más fácilmente, pero no son magnitudes físicas reales, lo real es la potencia eléctrica instantánea, que es el producto de la tensión y la corriente.
Cuando la tensión y la corriente están en fase, toda la potencia es potencia activa, y la potencia reactiva es cero.
A medida que crece el desfasaje, la potencia activa disminuye y la potencia reactiva crece, cuando el desfasaje llega a ser de un cuarto de ciclo, la potencia es totalmente reactiva y no hay potencia activa.
El ángulo de desfasaje entre la tensión y la corriente de una instalación depende del tipo de cargas que se esté alimentando:
Las cargas resistivas, como pueden ser un calefón o una lamparita incandescente, consumen una corriente en fase con la tensión. Por eso se dice que no consumen ni entregan energía reactiva.
Las cargas inductivas, como bombas, motores, lámparas de descarga, consumen una corriente retrasada respecto de la tensión. Se dice que consumen energía reactiva.
Las cargas capacitivas (condensadores), consumen una corriente adelantada un cuarto de ciclo (90º) respecto a la tensión. Se dice que entregan energía reactiva.
En una instalación eléctrica normalmente se alimentan cargas resistivas o inductivas, por lo que las instalaciones eléctricas siempre consumen energía reactiva.
Cuantas más cargas inductivas tenga la instalación, más desfasada estará la corriente respecto a la tensión, y mayor será el consumo de energía reactiva.
Al coseno del ángulo de desfasaje entre la tensión y la corriente se le llama Factor de Potencia, y es una medida de cuánta energía reactiva consume la instalación respecto a la potencia real (activa).
¿Para qué sirve compensar la potencia reactiva?
Veámoslo con un ejemplo sencillo…
Imaginemos que tenemos una instalación eléctrica que alimenta solamente una carga
Supongamos que la carga es inductiva, que consume una potencia activa de 10.000W, y que tiene un factor de potencia de 0.87.
Si la carga es inductiva, la corriente que consume está retrasada respecto a la tensión un ángulo θ. Como vimos, el coseno de θ es el factor de potencia, que en este caso es 0.87, por lo que en este ejemplo la corriente está retrasada 30º.
En la siguiente figura tenemos la tensión en color azul y la corriente que consume la carga en color rojo.
La potencia activa es el valor medio de la potencia instantánea, y numéricamente es igual al producto de la tensión, la corriente, y el factor de potencia.
Sustituyendo:
Despejando:
El sufijo ef significa que es el valor eficaz, que es lo que miden los instrumentos.
Supongamos ahora que conectamos en la misma instalación, un condensador que consume una corriente de 25A.
La corriente del condensador estará adelantada 90ª respecto de la tensión, y como vimos, no consumirá potencia activa, solamente entregará potencia reactiva.
En la siguiente figura tenemos la corriente de la carga en color rojo, la corriente del condensador en color verde, y la corriente total de la instalación (es la suma de la corriente de la carga y la corriente del condensador) en color negro.
Como podemos apreciar, la corriente total se encuentra en fase con la tensión, y tiene una amplitud menor a la corriente de la carga.
El valor eficaz de la corriente total la podemos calcular sabiendo que el factor de potencia de la instalación entera es 1, ya que la corriente está en fase con la tensión, y que la potencia activa total sigue siendo 10kW.
En resumen, el conjunto consume la misma potencia activa, pero no consume potencia reactiva, y eso hace que se consuma una corriente menor, pues pasamos de 50 a 43.5A.
Bajar la corriente de un circuito trae beneficios económicos y funcionales en la instalación eléctrica.
En Uruguay, UTE exige que el factor de potencia total de una instalación deba ser mayor a 0.92. Si el factor de potencia es menor, UTE penaliza económicamente al cliente cobrándole la potencia reactiva consumida.
En todos los casos, siempre es económicamente rentable instalar bancos de compensación de reactiva cuando se los requiere, dado que el costo de instalación y mantenimiento es menor al costo de la penalización por consumo de reactiva.
La compensación de energía reactiva puede ser centralizada (un banco en el tablero general) o distribuida (varios bancos distribuidos en las cargas).
La elección del sistema de compensación se debe hacer realizando los cálculos de pérdidas y costos de instalación y mantenimiento, y es parte fundamental del diseño de la arquitectura de la instalación eléctrica.
Conclusiones
En resumen, la potencia reactiva es una definición abstracta, o sea, no es una magnitud física real. Conceptualmente mide la cantidad de potencia que oscila entre una fuente y las cargas en una instalación eléctrica.
Si compensamos la potencia reactiva que consumen las cargas, podemos reducir la corriente eléctrica que circula por los cables de la instalación, logrando varios beneficios:
aprovechar mejor las líneas y los transformadores,
bajar la temperatura de los cables (aumentando su vida útil),
ahorrar dinero evitando pagar el consumo de energía reactiva.