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El análisis de potencia en régimen permanente sinusoidal es muy importante en el suministro de electricidad y en sistemas electrónicos y de comunicación: dichos sistemas implican la transmisión de potencia de uno a otro punto. En este artículo se pondrá atención en la potencia en redes de corriente alterna, pues en ellos hay consideraciones extra que no se presentan en circuitos de corriente directa.
En los circuitos de corriente alterna también se encuentra la potencia real y activa que se presenta en corriente directa, pero en aquellos que contienen inductancia o capacitancia existe la denominada potencia reactiva, la cual representa la energía que oscila de ida y vuelta por todo el sistema. Para un circuito que contiene elementos tanto reactivos como resistivos, parte de la energía se disipa, mientras que el resto se traslada de ida y de regreso entre los elementos reactivos, como ya se describió antes. Por ello, están presentes ambos componentes de la potencia: los activos y los reactivos. Precisamente, se le denomina potencia aparente a esta combinación de potencia real y reactiva.
Potencia instantánea, activa y reactiva
En cualquier instante, la potencia en una carga es igual al producto del voltaje por la corriente, lo que quiere decir que, si el voltaje y la corriente varían en el tiempo, la potencia también variará, a esta se le conoce como potencia instantánea y se simboliza mediante p. Para corriente alterna sinusoidal, ocurre que el voltaje y la corriente son positivos durante su ciclo y negativos en otros, es por ello que la potencia instantánea, también, puede ser positiva en algunos instantes de tiempo y negativa en otros.
Al respecto, Robbins y Miller aportan señalando que “durante las partes positivas del ciclo de potencia, esta fluye de la fuente a la carga, mientras que durante las partes negativas fluye hacia afuera de la carga de regreso al circuito.” [1 p.544]. La potencia activa o real es el valor promedio de la potencia instantánea a lo largo de un período de tiempo. Cuando una potencia fluye hacia la carga, su promedio será la potencia promedio (P) hacia la carga.
Si este promedio tiene un valor positivo, más potencia fluye hacia la carga, que la que retorna de ella y representa a la potencia que en realidad es disipada por la carga. Si la potencia promedio es cero, quiere decir que toda la potencia que ha sido enviada a la carga ha retornado. La potencia instantánea es variable en el tiempo, para hallar su valor, necesariamente debe tenerse v(t) e i(t) en el dominio del tiempo. Por otro lado, la potencia promedio (P) no depende del tiempo y puede calcularse cuando la tensión y la corriente se expresan en el dominio temporal o cuando se expresan en el dominio frecuencial.
Potencia aparente y factor de potencia
En relación con la potencia aparente, Boylestad expone que “aun cuando el producto del voltaje por la corriente no siempre es la potencia suministrada, es una capacidad de potencia de utilidad significativa en la descripción y análisis de redes de ca senoidales y en la capacidad máxima de varios componentes y sistemas eléctricos. Se le denomina potencia aparente y se representa simbólicamente por una S.”
En corriente alterna, la potencia que se consume aparentemente es VI y se mide en voltampere. Sin embargo, solamente la potencia activa es la que puede dar resultados notorios, ya que representa la potencia promedio que se consume en realidad. Dicha potencia activa es menor que la potencia aparente y es debida a la presencia del llamado factor de potencia. El valor de factor de potencia puede variar entre 0 y 1.
Para hacer énfasis en lo anterior, Jesús Fraile Mora tiene por decir que: El factor de potencia aparte de expresar el cociente entre la potencia activa y aparente, representa el coseno del ángulo que forma la tensión y la corriente de un circuito, y que además si se trata de un circuito pasivo (por ejemplo, una impedancia) el ángulo se identifica con el argumento que tiene la impedancia compleja.
De este modo, el ángulo θ es básico para calcular la potencia activa que realmente se desarrolla en una impedancia. Para un circuito inductivo, la corriente se retrasa a la tensión y, por ello, se dice que el factor de potencia va en retraso. Al contrario, en un circuito capacitivo la corriente se adelanta a la tensión y por ello se dice que el factor de potencia está en adelanto. De este modo, el determinante que se añade al factor de potencia (abreviadamente f.d.p.) indica la posición relativa entre la tensión y la corriente.
Potencia hacia una carga resistiva
Para un circuito resistivo puro, la corriente y la tensión están en la misma fase. Para una carga resistiva, la potencia fluye únicamente desde la fuente hacia la carga. Nunca existe devolución o retorno, es decir, toda la potencia que la fuente suministra es absorbida por la carga. Es por ello que se afirma que, la potencia hacia una resistencia pura consiste solo de potencia activa.
Para el resistor la potencia aparente coincide con la potencia promedio y, en este caso, el factor de potencia es 1. Para una carga resistiva las relaciones de la potencia activa son las mismas para corriente alterna que para corriente directa. La potencia activa coincide con la potencia aparente y su magnitud figura la potencia disipada en calor. Así, se encuentra que “la potencia reactiva es nula. Se dice, entonces, que una resistencia consume una potencia activa P=RI2, pero no consume potencia reactiva.” [4 p.197].
Potencia hacia una carga inductiva
Para una carga inductiva pura, la corriente se atrasa en relación con el voltaje por noventa grados. En el intervalo en que la potencia instantánea es positiva, el generador entrega energía a la inductancia. Dicha energía se almacena en forma de campo magnético mientras que en los intervalos en que la potencia instantánea es negativa. La energía almacenada en la bobina es devuelta al generador.
Esta potencia oscilante entre el generador y la inductancia es denominada potencia reactiva. El valor medio de potencia es cero y no existe disipación de energía sino intercambio de la misma. La potencia reactiva representa, en cierto modo, una energía que oscilando va de ida y vuelta, y no realiza trabajo útil. En una inductancia coinciden las potencias reactiva y aparente. El valor correspondiente es igual a la amplitud máxima de la potencia instantánea y la potencia activa es nula. En otras palabras, una inductancia absorbe una potencia reactiva positiva y no consume potencia activa.
Potencia hacia una carga capacitiva
Para una carga puramente capacitiva, se conoce que la corriente se adelanta al voltaje por noventa grados. Esto quiere decir que, a lo largo de un ciclo, la potencia que la capacitancia devuelve al circuito es igual a la que le entrega la fuente. La potencia promedio hacia una capacitancia en un ciclo completo es cero, en otras palabras, no hay pérdidas de potencia asociadas con una capacitancia pura.
Para el capacitor ocurre lo mismo que se vio para el inductor. En cuanto a que la potencia suministrada por la fuente al capacitor es exactamente igual a la que el capacitor devuelve a la fuente. Durante el intervalo de tiempo en que es positiva la potencia instantánea, la fuente entrega energía al capacitor. Esta energía se almacena en forma de campo eléctrico. Por otro lado, durante los intervalos en los que la potencia instantánea es negativa, la energía almacenada en el capacitor es devuelta a la fuente. La potencia reactiva QC es esta potencia que oscila entre la capacidad y el generador.
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