Principios de corriente alterna (parte 2)

Principios de corriente alterna (parte 2). Anteriormente hemos visto que el circuito eléctrico es el medio por el cual se manifiesta la energía eléctrica en nuestras instalaciones eléctricas residenciales y nos sirve para canalizarla desde una fuente hasta las salidas conectaremos los diferentes aparatos electrodomésticos.

Principios de corriente alterna en el circuito eléctrico

La fuerza que pone en movimiento a los electrones libres a través de todo el conductor eléctrico del circuito se conoce como voltaje. Es el equivalente a la presión en las instalaciones hidráulicas. También se le conoce con otros nombres como tensión eléctrica o diferencia de potencial. Su unidad de medida es el voltio.

Los circuitos de una vivienda se conectan "en paralelo" con la fuente de energía, y de esa manera el voltaje prácticamente con el mismo valor a todas las salidas de la instalación.

Ver también: 4 componentes de un circuito eléctrico

La intensidad de la corriente eléctrica es el flujo de electrones libres a través del conductor eléctrico; también se le conoce como amperaje, ya que su unidad de medida es el ampere.
La potencia eléctrica es el trabajo que realizan los electrones libres en el interior de los aparatos electrodomésticos, al transformar la energía eléctrica en otras energías útiles al ser humano, como la luz, el calor y el movimiento.

Todos estos parámetros (voltaje, intensidad y potencia) están presentes en todos los circuitos eléctricos y se pueden medir, para que de esa manera, los podamos también controlar.

A continuación, te presento un vídeo que nos habla de los principios de corriente alterna (parte 2). Nos muestra las principales magnitudes eléctricas que se pueden medir en un circuito, y que están presentes en todas nuestras instalaciones eléctricas residenciales.

La energía eléctrica entra a la casa, pasa por el medidor, y luego por el interruptor principal. El voltaje está presente en los contactos instalados, cuya conexión se realiza en paralelo. Esto quiere decir que el mismo voltaje de 120 V ± 10% está presente en cualquiera de ellos. Y su punto de conexión es el mismo. Además, la corriente eléctrica varía de acuerdo a la carga conectada.

Intensidad de la corriente eléctrica

Los electrones libres son partículas pequeñísimas con carga negativa. Al conectar un aparato eléctrico o electrónico a contacto, los electrones libres se desplazan a través de los conductores de cobre (los cables). También en los dispositivos internos de los aparatos, como el motor que mueve las aspas de la licuadora, el compresor de un refrigerador, o el motor de una lavadora. Este flujo de electrones libres también se da cuando un dispositivo electrónico está funcionando gracias a una fuente de alimentación interna, como por ejemplo, una pila.

El flujo de electrones libres viaja en un sentido y luego en el otro, debido a los cambios de voltajes. A este flujo se le conoce como corriente eléctrica. Su intensidad se mide en amperes. El aumenta o disminuye en función del aparato conectado. Calentar una plancha requiere mayor intensidad de corriente que un foco. Un foco demanda menos de un ampere (1 A) de corriente. Mientras que una plancha demanda más de diez amperes (10 A). La plancha y el horno de microondas son los dispositivos domésticos que requieren mayor corriente.

Aplicación de los principios de corriente alterna

Para comprender mejor los principios eléctricos de voltaje y corriente, ejemplificando con una conexión en paralelo, se montan sobre una tabla o acrílico los portalámparas en paralelo. El cable rojo o cable de fase, se conecta al tornillo de la terminal pequeña de una clavija. El apagador debe conectarse en el conductor de fase. El cable blanco (neutro) debe conectarse a la terminal grande de la clavija. Al conectar la carga de unos focos ahorradores y operar el apagador, en el extremo de la conexión en paralelo se cerrará el circuito.

Potencia eléctrica

Otro parámetro que es necesario conocer es el de la potencia eléctrica. Se representa con la letra P y sus unidades son los watts. La potencia se calcula multiplicando el voltaje por la corriente (P = V x I). La mayoría de los aparatos especifican la potencia que requieren. Pero ¿qué corriente consumen? De la fórmula de potencial despejamos la corriente (I = P / V). Y con una simple división podemos determinar la intensidad de corriente que consumen los aparatos eléctricos y electrónicos en nuestra casa.

En el caso de un foco ahorrador de 13 watts, el consumo de corriente es menor a un ampere. Para el de la plancha es de casi 10 amperes. Esto es más de 50 focos ahorradores prendidos al mismo tiempo. Y una televisión consume 1.18 amperes. Esto es aproximadamente igual a lo que consumen 10 focos ahorradores encendidos al mismo tiempo.

Recuerda que la energía utilizada en los equipos de tu casa fue generada a kilómetros de distancia. Y sus parámetros son: voltaje, corriente eléctrica, potencia eléctrica, y frecuencia.

Ahora, ¿te queda alguna duda sobre los principios de corriente alterna (parte 2) presentes en las instalaciones eléctricas residenciales, y su relación con los circuitos en paralelo?

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Por qué la energía eléctrica se transmite a voltajes elevados

¿Por qué la energía eléctrica se transmite a voltajes elevados? Para la transmisión de energía de plantas generadoras, más del 90% de todas las líneas eléctricas de alimentación llevan corriente alterna. En pocas aplicaciones se utiliza corriente directa en sistemas o redes de alimentación y alumbrado. Sin embargo, la corriente directa es importante en los circuitos electrónicos.

Existen muchas ventajas en el uso de corriente alterna pues es capaz de efectuar todo lo que no puede la corriente directa. Además, la transmisión de corriente alterna es más sencilla y económica. El voltaje se puede incrementar o disminuir sin que haya pérdida apreciable de potencia mediante el uso de transformadores.

En las estaciones generadoras de potencia, el voltaje se eleva mediante transformadores de elevación, y se distribuye a través de las líneas de transmisión. Luego, en el extremo opuesto de la línea de transmisión, otro transformador reductor reduce el voltaje a magnitudes que puedan usarse para alumbrado y alimentación.

La potencia transmitida por una línea de transmisión es el producto del voltaje (E) y la corriente (I) (P = EI). Para transmitir la potencia máxima es necesario que E x I sean tan grandes como sea posible.

El calibre del alambre utilizado limita la intensidad de corriente mientras que el aislamiento del alambre limita el voltaje. Es más fácil y económico fabricar una línea de transmisión con un aislamiento adecuado que permita el uso de un voltaje elevado, que fabricar un conductor de alambre capaz de transportar corrientes muy elevadas.

Ver también: Transmisión y distribución de la energía eléctrica

También existe una pérdida de energía en el alambre, la cual es proporcional al cuadrado de la corriente:

P = I²R

en donde P es la pérdida de energía y R es la resistencia del alambre.

¿Por qué la energía eléctrica se transmite a voltajes elevados?

Al utilizar un voltaje elevado se requiere menor cantidad de corriente para transmitir cierta cantidad de energía. La transmisión eficiente de energía demanda el uso de voltajes muy elevados.

Podemos ilustrar y analizar la utilización de transmisión de voltaje elevado y baja corriente por las empresas generadoras de energía eléctrica. Asimismo, podemos obtener un megawatt (un millón de watts) de dos formas, de acuerdo con la fórmula:

P = V x I

En donde V = voltaje

                 I = corriente

10,000 volts x 100 amperes = 1,000,000 watts

100,000 volts x 10 amperes = 1,000,000 watts

Si usamos la fórmula anterior de pérdida de energía P = I²R, podemos obtener lo siguiente, si consideramos una línea de transmisión de 10 ohms.

Para la línea de 10,000 volts y 100 amperes

P= (100)² x 10 ohms = 100,000 watts

Para la línea de 100,000 volts y 10 amperes

P= (10)² x 10 ohms = 1,000 watts

Se puede observar que la línea de transmisión con voltaje elevado tiene menores pérdidas que la de menor voltaje.

Por esta razón la energía eléctrica se transmite a voltajes elevados y baja corriente. Una planta generadora puede generar la energía a 10 KV y 100 A, elevarla por medio de transformadores de elevación a 100 KV y 10 A para transmitirla a lo largo de áreas geográficas y en una subestación disminuirla con transformadores de reducción de nuevo a 10 KV y 100 A, para la distribución en áreas comerciales y residenciales. De nuevo, cerca de la residencia, en el transformador del poste, se reduce a los voltajes conocidos (120, 240, etcétera).

¿Conocías la razón de por qué la energía eléctrica se transmite a voltajes elevados?

El valor rms o eficaz de una onda senoidal

El valor rms o eficaz de una onda senoidal se obtiene fácilmente. Se toma la raíz cuadrada del cuadrado promedio de los valores instantáneos de un ciclo completo.

Cuando circula la corriente directa o la corriente alterna por un resistor, la energía eléctrica se convierte en calor. En el caso de la corriente alterna, la rapidez a la que se convierte la energía y se usa la potencia es menor que en el caso de la corriente directa. Esta corriente varía de forma continua entre valores máximos y cero. Y es menor que la corriente directa estable que tiene un valor igual al valor pico de la corriente alterna.

El método para relacionar la corriente alterna con la corriente directa es comparar el efecto de calentamiento de un resistor cuando circulan ambos tipos y corrientes con un valor máximo o valor pico iguales.

Ver también: Qué es la corriente alterna

Entonces, el aumento de temperatura producido por la corriente alterna en el resistor se compara con el aumento de temperatura producido por la corriente directa. Y a partir de esta relación se puede calcular el valor efectivo y la potencia usada.

El valor eficaz o rms de la corriente alterna

La fórmula para determinar el efecto Joule de calor o potencia que disipa el resistor es:

P = I²R

La pérdida de potencia I²_cd x R, producida por el flujo de 1 A (un ampere) de corriente directa, eleva la temperatura del resistor a 50°C. Mientras que en un circuito de corriente alterna, el calentamiento I²_cd x R, causado por una corriente pico de 1 A, sólo asciende a 25°C. De tal manera que:

I²_ca R = ½I²_cd x R = ½I²_max R

(corriente cd = pico ca)

I²_ca = ½I²_max

I_ca = 1/(2xI_max)^1/2 = 0.707 I_max

O sea, El valor rms o eficaz de una onda senoidal de la corriente alterna sólo es 0.707 veces la pico. La corriente alterna tendrá que aumentar a I_ca x 2^1/2 = (1.414 A) para generar el efecto de calentamiento de 1 ampere de corriente directa. De la misma forma, el voltaje pico es de 1.414 veces el valor eficaz o rms.

Valor rms o valor efectivo

Todos los circuitos eléctricos y electrónicos se construyen de elementos de circuito que incluyen resistores (R), inductores (L) y capacitores (C). A éstos se les llama elementos positivos porque su comportamiento es independiente de la dirección de flujo de la corriente.

¿Qué es el Watt?

Todos los dispositivos de uso cotidiano que utilizan electricidad (computadora, televisión, radio, teléfono, licuadora y demás) lo hace a través de un circuito eléctrico donde se manifiestan la tensión y la intensidad de la corriente eléctrica. Pero seguramente has escuchado que el consumo de energía eléctrica en las instalaciones eléctricas residenciales se mide en watts, importante unidad de medida derivada de las anteriores.

Existe una relación proporcional entre el coulomb (C), el voltio (V) y el joule (J) en la fuerza electromotriz o voltaje, es decir, cuando los electrones libres están en movimiento, que es igual a decir: cuando existe la corriente eléctrica (I). Ahora debemos añadir la dimensión del tiempo para obtener la potencia eléctrica.

Ver también: ¿Cómo podemos ahorrar energía en nuestras casas?

Para comprender correctamente este fenómeno, recordemos que el trabajo en la corriente eléctrica consiste en mover electrones libres a lo largo del circuito, lo cual realiza por medio de la fuerza electromotriz o voltaje: 1 voltio mueve 1 coulomb y aplica 1 joule de trabajo.

Cuando esto ocurre en el lapso de un segundo, el circuito tiene una potencia eléctrica igual a 1 watt. Si incrementamos el voltaje (la fuerza electromotriz) 15 veces, tendremos una capacidad de trabajo de 15 joules y, por lo tanto, una energía igual a 15 watts recorriendo el circuito, lo suficiente para encender un foco ahorrador, pero no uno incandescente.

En resumen: los watts son voltios medidos en el tiempo y se expresan con una sencilla fórmula: 1 watt = 1J/s, porque un joule es el trabajo que requiere de un voltio para mover un coulomb. El watt se representa con la letra doble v mayúscula (W).

El watt es la unidad de medida de la potencia eléctrica, que se representa con la letra p mayúscula (P). A su vez, la potencia eléctrica es el ritmo al que se ejecuta el trabajo. Recuerda que la energía eléctrica se convierte en otro tipo de energía para realizar ciertas tareas utilizando un dispositivo.

Un ejemplo muy claro es un motor eléctrico capaz de desarrollar 1000 revoluciones por minuto, con una potencia de 120 watts. Si reducimos la potencia a 60 watts, el ritmo de trabajo del motor disminuirá a la mitad: 500 revoluciones por minuto. Esta característica resulta de utilidad cuando queremos controlar el trabajo que realiza el dispositivo, como en una licuadora o un ventilador.

Tradicionalmente, el watt se utiliza para medir el consumo de energía de un dispositivo (la energía que utiliza para realizar su trabajo) y el voltio para medir la cantidad de energía que fluye por el circuito, aunque es común que antes términos se intercambien, a causa de la relación 1 a 1 que existe entre ellos: 1 V = 1 W  y 120 V  = 120 W.

Corrección del factor de potencia

Ajustar el factor de potencia de un sistema a un valor muy próximo a la unidad se conoce como: corrección del factor de potencia, el cual se realiza mediante la conexión de conmutadores, en general automáticos, de bancos de capacitores o inductores.

La corrección del factor de potencia debes realizarla de una forma cuidadosa con objeto de mantenerlo lo más alto posible, pero sin llegar nunca a la unidad, ya que en este caso se produce el fenómeno de la resonancia, lo que puede dar lugar a la aparición de tensiones o intensidades peligrosas para la red. En los casos de grandes variaciones en la composición de la carga, es preferible que la corrección la realices por medios automáticos.

Existen diversas formas de seleccionar los capacitores o reactores que te ayudarán a mejorar el factor de potencia. A continuación te presentamos un ejemplo del cálculo de la energía que se ahorra al mejorar el factor de potencia y la selección del banco de capacitores.

Supongamos que se tiene un motor de 100 HP (74.6 kW) a 440 V, operando con un factor de potencia de 0.74. El motor está en servicio 600 horas/mes (2 turnos diarios), alimentado con cable de 250 metros de longitud con una sección de 35 mm2. ¿Cuál es el ahorro anual en kWh cuando el factor de potencia es mejorado a 0.97?

a) Determinación de la corriente de fase:




b) Resistencia del cable (por fase)




c) Cálculo de las pérdidas




d) Reducción de las pérdidas (en %)




e) Cálculo de la energía anual ahorrada

Considerando un costo de $ 0.12209 por kWh, entonces el ahorro equivalente será de $2,476.27 pesos de ahorro.

Ver también: 9 efectos negativos de un bajo factor de potencia

En la práctica, para determinar la potencia reactiva (kVAr) total en capacitores RTC, necesaria para la corrección del factor de potencia, basta con conocer la siguiente información:

1. El promedio de las últimas 3 mediciones de demanda en kW.
   
   
2. El promedio de las 3 últimas mediciones del factor de potencia.
   
   NOTA: Esta información puede ser obtenida de los recibos de la compañía suministradora.
   
   
3. El factor de potencia deseado.
   
   

Tomando los datos del ejemplo anterior: Factor de potencia promedio actual 0.70 (valor supuesto); factor de potencia deseado 0.97; consumo de potencia promedio 775 kW (valor supuesto); voltaje 440 V.

De la tabla para corregir el factor de potencia:

1. Localizar el factor de potencia actual.
   
   
2. Localizar el factor de potencia deseado.
   
   
3. El valor donde intersectan ambos valores de factor de potencia, es el que se multiplica por la potencia promedio para obtener el valor del capacitor adecuado.
   
   

Valor del capacitor o banco de capacitores: 0.770x775=596.75.

Debido a que el valor es muy alto, dividimos entre algún valor, en este caso se elegirá el de 50kVAr para saber el número de capacitores que necesitamos:

No de capacitores: 596.75/50=11.935; por lo tanto necesitaremos 12 capacitores de 50kVAr a 440V.

La forma de conectar los capacitores para corregir el factor de potencia es la siguiente:

Con este ejemplo damos por concluido el tema de factor de potencia y dejaremos para futuras entregas la selección de la protección y su canalización.

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Corrección del factor de potencia con capacitores

Para fines de corrección de Factor de Potencia con capacitores se requiere de la siguiente información que se obtiene del recibo de energía eléctrica de la CFE.

1. Energía consumida, en kWh
   
   
2. Demanda de potencia, en kW
   
   
3. Energía Reactiva consumida, en kVArh
   
   
4. Factor Potencial actual. Que es el resultado de:
   
   
   
   
   
   
5. Tipo de Tarifa contratada
   
   
6. Bonificación por corrección de bajo Factor de Potencia. Este es el rembolso que la compañía suministradora da a las personas que hayan invertido en capacitores, como un premio a la mayor eficiencia
   
   
7. En el caso de usuarios con Factor de Potencia menor a 0.9 aparecerá una partida “Cargo por bajo Factor de Potencia”
   
   

Ver también: El factor de potencia y las 13 tarifas eléctricas en México

El método para calcular el número de capacitores necesarios para corregir el Factor de Potencia resulta ligeramente largo y requiere de conocimientos matemáticos que no hemos tocado en esta sección. Los resultados de estos procedimientos son precisos. Por lo regular, se requieren de capacitores que muy posiblemente no sean comerciales para lo cual es necesario usar lo que existe en el mercado, ya que solicitar la fabricación del capacitor eleva considerablemente el costo, además del tiempo de entrega por parte del fabricante. Las empresas fabricantes de capacitores y bancos de capacitores han generado métodos sencillos de selección para cubrir de buena forma nuestra necesidad de corrección del Factor de Potencia.

El factor de potencia y las 13 tarifas eléctricas en México

El Factor de Potencia es el término usado para describir la relación entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida. Así pues, el triángulo de potencias muestra gráficamente la relación entre la potencia real (kW), la potencia reactiva (kVAr) y la potencia total (kVA).

Las cargas puramente resistivas, tales como calefactores y lámparas incandescentes, no requieren potencia reactiva para su funcionamiento, entonces la potencia real y la potencia total son iguales (FP= 1).

Sin embargo, los equipos eléctricos que requieren para su funcionamiento de la corriente de magnetización para la creación del campo (motores, transformadores, balastros, etcétera) consumen además potencia reactiva (kVAr). Para evitar problemas en la instalación deberá generarse dicha potencia con capacitores.

Las reglamentaciones mexicanas (vigentes desde el 10 de noviembre de 1991) mencionan que los capacitores deben proporcionar, además de la eliminación del cargo por bajo Factor de Potencia, un beneficio económico que puede llegar al 2.5% de bonificación del valor total de la facturación.

Además de este 2.5%, si los capacitores son colocados de acuerdo a las normas generalmente aceptadas para su instalación en los lugares adecuados, pueden proporcionar ahorros adicionales por menores pérdidas de energía (entre el 4 al 7%) lo que a todas luces es una inversión altamente rentable.

Ver también: 9 efectos negativos de un bajo factor de potencia

En México, a partir del 10 de noviembre de 1991, se modificaron por completo las tarifas eléctricas, las cuales describiremos a continuación:

1. Doméstico

2. General hasta 25 kW de demanda

3. General más de 25 kW de demanda. Incluye pequeñas fábricas y comercios que necesitan el servicio trifásico, donde la demanda es más significativa. Estos usuarios requieren de capacitores, ya que se les penaliza por tener un bajo Factor de Potencia (menor a 0.9.) Tienen bonificación por Factor de Potencia superior al 0.9.

4. Molinos de nixtamal y tortillerías. Esta tarifa es para los usuarios cuyo nombre se indica en la misma, pero la tendencia es desaparecerla. La mayoría de ellos se moverán a la tarifa No. 3, donde ya pagarán el bajo Factor de Potencia no incluido en su estructura tarifaria actual.





Máquina para fabricar tortillas en una tortillería mexicana


5. Alumbrado público

6. Bombeo de aguas potables y negras. En esta tarifa sí se paga bajo Factor de Potencia, por lo cual los municipios constituyen un potencial de mercado interesante.

7. Temporal

9. Bombeo para riego agrícola. En esta tarifa se están aplicando incrementos especiales para llevar a un nivel de cobro con relación al costo más real (aún no se incluye el cargo por bajo Factor de Potencia). A pesar de ello, muchos de los usuarios necesitan capacitores dado que las grandes distancias entre los centros de abastecimientos y la localización de los motores para el bombeo, hacen necesario el capacitor para tener un nivel de voltaje adecuado.

Las nuevas tarifas que vienen a sustituir a las que anteriormente se conocían como 8 y 12 son las siguientes:

OM. Para usuarios que reciben el suministro en voltajes de 1,000 a 34,500 Volts y cuya demanda máxima es menor a 1,000 kW. Están sujetos a bonificación por valores superiores a 0.9. Sin embargo no tienen tarifa horaria.

HM. Esta tarifa es para usuarios que reciben el suministro de 1,000 a 34,500 Volts pero cuya demanda es superior a los 1,000 kW. Además de pagar el cargo por bajo Factor de Potencia y tener su bonificación, serán susceptibles a una tarifa horaria de acuerdo a los periodos de consumo de energía.

HS. Son los usuarios que se encuentran en un nivel de voltaje de alimentación superior a los 34,500 Volts, pero menor a los 220,000 Volts. Pagan bajo Factor de Potencia y bonificación por Factor de Potencia superior a 0.9. Además, están sujetos también a tarifa horaria.

HT. Son los usuarios que reciben el suministro de 220,000 Volts en adelante y tal como en la tarifa HS y HM están sujetos a tarifa horaria, cargo por bajo Factor de Potencia y bonificación por Factor de Potencia superior a 0.9.

I30. Esta es una tarifa interrumpible, es decir los usuarios aceptan un cierto número de interrupciones dentro del año con una duración predeterminada por parte de CFE (la cual deberá avisar con media hora de antelación). De esta forma, se disminuyen los cargos.

Es importante señalar que las tarifas de OM hasta la tarifa HT, fueron agregadas posteriormente según el Diario Oficial del 10 de noviembre y son para grandes usuarios de energía eléctrica que obtienen beneficios a cambio de compromisos establecidos con la CFE. La cantidad de estos usuarios en México es sumamente limitada; también presentan cargos estacionales dependiendo del periodo del año en que los consuman, para beneficiar a la carga por aire acondicionado.

El cargo por bajo Factor de Potencia se calcula de acuerdo con la fórmula siguiente:

Es importante señalar que el Factor de Potencia mínimo es el 90% (la tarifa anterior indicaba el 85%).

Uno de los cambios más importantes dentro de la tarifa es que se ofrecen bonificaciones para factores de potencia superiores al 90%, de acuerdo con la siguiente fórmula y logrando un máximo del 2.5%, cuando el Factor de Potencia es unitario.

La demanda máxima tiene una nueva forma de cobro: Se factura el resultado de sumar la demanda máxima medida en el periodo punta, más la quinta parte de la diferencia punta a base. Es importante señalar que en los casos en los que la demanda máxima medida en periodo punta sea superior a la registrada en periodo base, la diferencia será cero.

Como es obvio, para las empresas que se dedican a la fabricación y comercialización de capacitores las tarifas 3, 6, OM, HM, HS, HT, HT-L, HS-L e I30 son las más importantes.

9 efectos negativos de un bajo factor de potencia

Para no generar cargos adicionales al pago de la energía que nos suministra la CFE, se recomienda mantener el factor de potencia en un valor del 90%.

El factor de potencia (cosθ) es un indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. Tiene un gran significado en el campo de la investigación eléctrica. De hecho, se han realizado múltiples estudios para minimizar su efecto. Gráficamente, es el coseno del ángulo que forman las potencias aparente y activa, tal como lo mencionamos en una entrada anterior.

El factor de potencia puede tomar valores entre 0 y 1, lo que significa que:
Por ejemplo, si el factor de potencia es 0.90 (valor mínimo exigido por la CFE) indica que del total de la energía suministrada por la paraestatal sólo el 90% de la energía es utilizada por el cliente, mientras que el 10% se desaprovecha.

En los artefactos tales como las lámparas incandescentes, focos, planchas, calentadores y estufas eléctricas, toda la energía que requieren para su funcionamiento se transforma en energía lumínica o energía calórica, en estos casos el factor de potencia toma valor muy cercano a 1, es decir, prácticamente 100% de energía activa.

La potencia reactiva (la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos) es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento elementos tales como motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros similares. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable, los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución exagerada del factor de potencia.

La variación del factor de potencia se presenta en función de dos fenómenos opuestos: atraso en la corriente por las cargas inductivas muy altas, o bien, corriente adelantada generada por circuitos con características capacitivas.

Ver también: ¿Qué es la potencia eléctrica?

Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

• Un gran número de motores
• Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.
• Una subutilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria
• Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria

El hecho de que exista un factor de potencia bajo afecta al usuario y a la CFE de las siguientes maneras:

Al usuario:

1. Aumento de la intensidad de corriente


2. Pérdidas de energía en los conductores y fuertes caídas de tensión


3. Incrementos de potencia de las plantas y transformadores


4. Reducción de la vida útil y capacidad de los conductores


5. La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida del aislamiento


6. Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad

A la empresa suministradora de energía:

1. Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en kVA debe ser mayor para poder entregar energía reactiva adicional


2. Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva


3. Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica

Una forma de que las empresas de electricidad a nivel nacional e internacional hagan reflexionar, sobre todo a las industrias, acerca de la conveniencia de generar o controlar su consumo de energía reactiva es precisamente penalizar monetariamente por mal uso de la energía, es decir cobrándole por capacidad suministrada en kVA, factor donde se incluye el consumo de los kVAR que se entregan.

Específicamente las alteraciones en las regulaciones de la calidad del suministro (variaciones de tensión) disminuyen el rendimiento y funcionamiento de los artefactos y quita capacidad suficiente de respuesta de los controles de seguridad como son interruptores termomagnéticos, fusibles, etcétera.

En la mayoría de los casos se cree que cuando no existe un cortocircuito y actúan interruptores automáticos o fusibles se debe al incremento de la carga conectada; pocas veces se verifica también el factor de potencia.

Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de carácter reactivo, principalmente por la presencia de equipos de refrigeración, motores, etc. En conjunto, consumen altas cantidades de potencia activa y reactiva.

La corrección del factor de potencia requiere de cierto análisis para determinar la cantidad de potencia reactiva requerida para lograr un mejor aprovechamiento de la energía. En una próxima entrada abordaremos el tema de la corrección del factor de potencia y un pequeño ejemplo.

3 tipos de potencias eléctricas

La potencia eléctrica es la capacidad que tiene un aparato eléctrico para realizar un trabajo o la cantidad de trabajo que el mismo realiza en unidad de tiempo. Se mide en Watts y las notaciones de kilowatt (kW) y megawatt (MW) son usadas principalmente para potencias de suministro o consumo. Sin ir más lejos, la compañía suministradora de energía en nuestro país, es decir CFE, tiene las siguientes potencias o demandas contratadas en baja tensión:

La designación de miliwatts (mW), se usa comúnmente en el área de electrónica, por ejemplo el consumo de un LED de 5mm tipo ultra brillante es de 40 mW (0.04 W) a una tensión de alimentación directa promedio de 3.2 V.

Regresando a nuestro tema, sabemos que existen equipos que funcionan con corriente alterna, basados en el electromagnetismo, como por ejemplo los motores y los transformadores. En este tipo de máquinas dinámicas como el motor y estáticas como el transformador, pueden existir hasta tres tipos diferentes de potencia:

• Potencia activa
• Potencia reactiva
• Potencia aparente

El triángulo de potencias

La investigación de muchos años en el área de la electricidad ha ido explicando de forma matemática estos fenómenos haciendo uso de complejos procedimientos y sintetizando los resultados en una forma geométrica conocida como: El triángulo de potencias. Este triángulo de potencias se forma por la potencia activa, la potencia reactiva y la potencia aparente. Al coseno del ángulo que se genera entre la potencia aparente y la activa se le conoce como: factor de potencia, es decir si a este ángulo lo identificamos con la letra griega ϴ (teta), el coseno de ϴ es el factor de potencia y depende directamente de la potencia reactiva; la relación es simple: a mayor potencia reactiva, mayor será ese ángulo ϴ y menos eficiente será el equipo al que le corresponda. Del fenómeno del factor de potencia hablaremos con mayor detalle en futuras entradas.

El triángulo de potencias se forma por la potencia activa, reactiva y aparente, en ángulo ϴ, varía según la potencia reactiva.

Ver también: ¿Qué es la potencia eléctrica?

A continuación describiremos brevemente cada una de las potencias que mencionamos:

1. La potencia activa es la potencia útil, o dicho de otra forma es la energía que realmente se aprovecha cuando se pone en marcha un equipo eléctrico y realiza un trabajo. Por ejemplo, la energía que entrega el eje de un motor cuando pone en movimiento un mecanismo o maquinaria; la del calor que proporciona la resistencia de un calentador eléctrico; la luz que proporciona una lámpara, etcétera.
   
   Y por otro lado, son los 5 kW que tenemos contratados en nuestros domicilios cuando nuestra acometida es aérea o subterránea, es decir la potencia contratada con CFE y que nos llega a la casa, o bien la potencia contratada por una escuela, empresa, fabrica u oficina y que llega a través de la red de distribución de corriente alterna. La potencia consumida por todos los aparatos eléctricos que utilizamos normalmente es registrada por los medidores o watthorimetros que instala dicha empresa para cobrar el total de la energía eléctrica consumida cada bimestre.
   
   
2. La potencia reactiva es la que consumen los motores, transformadores y todos los dispositivos o aparatos eléctricos que poseen algún tipo de bobina o enrollado para crear un campo electromagnético. Esas bobinas o enrollados que forman parte del circuito eléctrico constituyen cargas para el sistema eléctrico que consumen tanto potencia activa como potencia reactiva, y de su eficiencia de trabajo depende el factor de potencia.
   
   Mientras más bajo sea el factor de potencia, mayor será la potencia reactiva consumida. Además, esta potencia reactiva no produce ningún trabajo útil ni afecta en el proceso de transmisión de la energía a través de las líneas de distribución eléctrica.
   
   Se representa con la letra Q, su unidad de medida es el Volt Ampere reactivo ó VAR; del mismo modo se colocan los prefijos k y M, para indicar kilo (miles) o mega (millones), respectivamente.
   
   
3. La potencia aparente, como lo podemos observar en el triángulo de potencias, es la potencia total, es decir la suma de la potencia activa y la reactiva. Estas dos potencias representan la potencia que se toma de la red de distribución eléctrica, que es igual a toda la potencia que entregan los generadores en las plantas eléctricas. Estas potencias se transmiten a través de las líneas o cables de distribución para hacerla llegar hasta los consumidores que van desde casas, fábricas, restaurantes, centros comerciales, oficinas gubernamentales, industrias, etcétera.
   
   Esta potencia se representa con la letra S y su unidad de medida son los Volt-Ampere ó VA, esta nomenclatura se ve de manera permanente en las capacidades de los transformadores de distribución los cuales viene marcados con kVA.
   
   

Para finalizar con esta parte, haremos un breve análisis: sabemos que cuando proyectamos una instalación eléctrica hacemos básicamente una sumatoria de cargas que representa toda la potencia que se necesita o que se demandará, esa potencia es la potencia activa P, que debe ser considerada para determinar si nuestra instalación debe ser monofásica o trifásica; si tomamos en cuenta la tabla anterior que corresponde a la potencia contratada con CFE, con esta potencia de demanda o activa seleccionamos el tipo de servicio. Ahora bien, la potencia demandada es la que realmente se consume, que puede ser menor, igual o mayor que la contratada.

¿Qué es la potencia eléctrica?

La potencia eléctrica es la velocidad de transformación de la energía. La energía la podemos percibir en muchas partes, además de eléctrica, puede ser hidráulica en caso de los líquidos, eólica en el caso del viento, o calórica en el caso de los combustibles.

Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primero el concepto de “energía”, que no es más que la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo.

Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (FEM), como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombilla de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria.

De acuerdo con la definición de la física, “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento en el caso de un motor, o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado.

La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en Joule y se representa con la letra J.

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/s) y se representa con la letra P. Un J/s equivale a 1 watt, por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

La unidad de medida de la potencia eléctrica es el watt, y se representa con la letra W.

Bien, detengámonos un momento para analizar lo anterior, la potencia como tal está en función de la tensión y la corriente: P=E×I. La corriente está en función de la tensión y la carga conectada al circuito: I=E/R. Por lo tanto concluimos que la potencia depende en mayor medida de la carga, ya que la tensión por lo general se busca que se mantenga en un valor fijo. Entonces, ¿resulta lógico pensar que la potencia es igual para todos los tipos de carga?, es decir ¿la potencia de una plancha es igual a la potencia de un motor? La respuesta para ambas preguntas es: no.

De acuerdo con la Ley de Ohm, para que exista un circuito eléctrico cerrado tiene que existir:

1. Una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de potencial, es decir, una tensión aplicada al circuito.


2. Una intensidad de corriente fluyendo por dicho circuito.


3. Una carga, consumidor o resistencia conectada al mismo. 

Sin embargo, un circuito eléctrico puede contener uno o varios tipos diferentes de resistencias conectadas, entre las que se encuentran: activa, reactiva, capacitiva o combinación de ellas. La resistiva la podemos encontrar en elementos calefactores, tales como planchas, cafeteras, hornos eléctricos; la inductiva en aparatos con motor y la capacitiva en bancos de capacitores, muy usados en subestaciones eléctricas y plantas generadoras.

Describiremos brevemente estos tipos de resistencia.

Resistencia activa (R)
Es la oposición que ofrecen los focos incandescentes y halógenos, los calentadores eléctricos con resistencia de alambre y de carbón al flujo de la corriente eléctrica por un circuito cerrado cualquiera. La resistencia activa representa lo que se denomina como: carga resistiva.

Ver también: 12 lugares para encontrar la potencia eléctrica

Reactancia inductiva (XL)
La reactancia inductiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la corriente por un circuito eléctrico cerrado las bobinas o enrollamientos hechos con alambre de cobre, ampliamente utilizados en motores eléctricos, transformadores y otros dispositivos. Esta reactancia representa una: carga inductiva para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada.

Reactancia capacitiva (XC)
La reactancia capacitiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la corriente eléctrica los capacitores o condensadores. Esta reactancia representa una “carga capacitiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada, se le conoce como: carga capacitiva. Posteriormente explicaremos más a detalle el uso de este tipo de carga en específico como un factor de mejora en el sistema eléctrico.

Capacitores de arranque

Veamos ahora el comportamiento de la corriente y la tensión, para cada caso. La corriente que fluye por un circuito eléctrico de corriente alterna, así como la tensión aplicada al mismo, se puede representar gráficamente por medio de dos formas de onda senoidales, que sirven para mostrar cada una de las magnitudes. Para un circuito cerrado con una carga resistiva conectada al mismo, tanto la forma de onda de corriente (I) como la de tensión (E) aplicado al circuito, coincidirán tanto en fase como en frecuencia.

Cuando la carga conectada en el circuito de corriente alterna es inductiva, como la de los motores y transformadores, por ejemplo; la forma de onda de la corriente (I) se atrasa o desfasa en relación con la tensión (E). Es decir, cuando el voltaje ya ha alcanzado un cierto valor en la sinusoide, superior a 0 V, en ese preciso instante y con cierto retraso la intensidad de la corriente comienza a incrementar su valor, a partir de 0 A.

En un circuito de corriente alterna con carga inductiva, la corriente se atrasa con respecto a la tensión. Tal como se puede observar en las gráficas, cuando la forma de onda del voltaje alcanza su valor máximo de 90º, en ese mismo momento y con 90º de retraso con respecto a este, comienza a crecer el valor de la forma de onda de corriente partiendo de 0º.

Si lo que se conecta al circuito de corriente alterna es una carga capacitiva, como un capacitor o condensador, entonces ocurrirá todo lo contrario al caso anterior, es decir, la corriente se desfasará ahora también, pero en esta ocasión en sentido contrario, (adelantándose a la tensión). Por tanto, en este caso cuando la corriente alcanza un cierto valor superior a 0 A, la tensión comienza a aumentar su valor partiendo de 0 V.

Debido a que la transformación de la energía se realiza principalmente por la carga, y ésta influye en el comportamiento de las magnitudes asociadas a la potencia, entonces para cada tipo de carga existirá un tipo de potencia.

La carga inductiva es la más común de todas, basta con echar una mirada a nuestro alrededor y nos daremos cuenta de la cantidad de equipos y dispositivos eléctricos que funcionan con un transformador o motor: tv, aparatos de sonido, cargadores, computadoras, licuadoras, picadoras, molinos, batidoras, rasuradoras, lavadoras de ropa, etc.

¿Por qué CFE maneja varias tarifas eléctricas?

A lo largo de la evolución del ser humano se han desarrollado diferentes dispositivos y herramientas con la finalidad de facilitar el trabajo, ofrecer confort, diversión y seguridad; gran parte de este desarrollo tecnológico se da gracias a la capacidad de transformar los diferentes tipos de energías, como la mecánica (movimiento originado por caídas de agua, motores de combustión, aire, marejadas), la química y la solar, en electricidad.

La ventaja de la energía eléctrica es que puede ser transportada instantáneamente desde las fuentes de generación hasta los centros de consumo en donde se transforma en energía mecánica, luz, calor, etc. a través de motores, lámparas y resistencias eléctricas.

Con la finalidad de poder entender los parámetros básicos que intervienen en los costos y tamaño de las instalaciones eléctricas ponemos a consideración los siguientes conceptos.

La energía eléctrica básicamente consiste en hacer circular electrones libres a través de conductores, dispositivos y equipos. La fuerza con que estos electrones libres se mueven se les llama tensión eléctrica, comúnmente llamado voltaje (por sus unidades, los volts).

El número de electrones libres que se desplazan por un punto dado en la unidad de tiempo es la corriente eléctrica, cuyas unidades son los amperes: el producto de estos parámetros da la potencia eléctrica, que es la fuerza por la cantidad de electrones, cuyas unidades son los watts.

El tiempo que se usa esta potencia da como resultado la energía eléctrica cuyas unidades son watts-hora. Todo aquel dispositivo o equipo que utiliza energía eléctrica para funcionar se le llama carga (motores, lámparas, electrodomésticos, hornos, etc.) y generalmente tiene indicada la potencia (watts) que utiliza para funcionar satisfactoriamente.

Dado que no es económicamente rentable el almacenar energía eléctrica en grandes cantidades, ésta se debe producir en el mismo momento en que se consume o utiliza, de tal forma que el dimensionamiento de las fuentes de generación y los elementos de la instalación (conductores, protecciones, elementos de seccionamiento, etc.) se diseñan y/o seleccionan en base a la tensión (volts) y la demanda expresada en corriente (amperes) y/o potencia (watts), que tiene que transportar desde la generación hasta los elementos de consumo (cargas).

La energía eléctrica (kWh), conocida comúnmente como consumo, está relacionada directamente con el tiempo que se utiliza un dispositivo, esta energía se traduce en la cantidad de materia prima que requieren las fuentes para poder generarla (m3 de agua, barriles de combustóleo, cantidad de vapor, etc.), de tal forma que en el costo del servicio de energía eléctrica debe de estar reflejado el costo de la energía consumida (kWh), el nivel de tensión (Volts) y demanda (kW).

Ver también: 12 lugares para encontrar la potencia eléctrica

En las tarifas domesticas (1) y las de pequeños comercios o micro empresas (2) se cobra el consumo de energía (kWh), mientras que en las tarifas 3 y OM usadas en pequeños y medianas empresas y comercios además de la energía se cobra la demanda (kW) máxima que se tuvo en el mes (cuadros 1 y 2):

Los costos de energía dependen básicamente de los costos de producción y los costos de la demanda de la infraestructura necesaria para trasportar la energía desde las fuentes de generación hasta el punto de consumo.

De acuerdo con lo anterior, para reducir el costo de facturación de energía eléctrica es necesario disminuir el consumo (kWh) utilizando equipo más eficiente, disminuir las pérdidas a lo largo de los conductores y dispositivos de las instalaciones, desconectar los equipos que no se usen y evitar las fugas a tierra, que se dan por fallas en el aislamiento de las conexiones o del cableado.

En servicios con tarifas 2 y 3 donde se cobra la demanda (kW) es necesario tener una adecuada administración del uso en el tiempo de los equipos y dispositivos disminuyendo la simultaneidad, en la medida de lo posible, de la puesta en servicio de éstos, dado que la medición indica la demanda media en kilowatts durante cualquier intervalo de 15 minutos en el periodo de la facturación.

Una instalación eléctrica debe ser segura para las personas y sus propiedades. Para cuidar este punto, la Secretaría de Energía emitió la NOM-001-SEDE vigente, que tiene como objetivo establecer las especificaciones y lineamientos de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones.

En forma general, la NOM indica el tamaño mínimo de los conductores, la capacidad máxima de las protecciones, conexión de puesta a tierra, tamaño de tuberías o canalizaciones para alojar los conductores, entre otras especificaciones.

Para el ahorro de energía las oportunidades están en utilizar equipos o dispositivos más eficientes (alumbrado, motores, acondicionadores de aire, refrigeración), disminuir la generación de calor al utilizar conductores seguros y económicamente rentables, revisar puntos de uniones o conexiones (tornillos, empalmes o uniones entre conductores) y evitar fugas a tierra. En los servicios que tengan tarifa 3, OM, HM debe cuidarse la demanda máxima que se registra cada mes, para lo cual es necesario llevar una administración adecuada de la hora en que se ponen en servicio los equipo. Lo ideal es que la demanda cada hora sea la misma.