Es fácil confundir las medidas de vatios y volt-amperios (VA) para energía eléctrica de CA, así como el factor de potencia. En este manual se puede encontrar la explicación de estos términos, el uso de estas cantidades en fuentes de energía de reserva específicos y formulas de conversión.
Potencia: la relación entre el vatio y el VA
En general la energía se define como la capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. La definición de potencia es la frecuencia de trabajo o flujo de energía (que numéricamente son lo mismo): P= Energía/tiempo.
Se puede demostrar que en los circuitos eléctricos la potencia instantánea es p(t)=v(t)×i(t). En esta ecuación v(t) y i(t) son voltaje instantáneo y corriente como funciones de tiempo t. En circuitos de CA todas estas cantidades varían continuamente. El valor de principal interés en industria eléctrica es un valor promedio de p(t) en un ciclo completo de CA.
Esta cantidad se denomina potencia real (activa) y se mide en vatios (símbolo: W):
Vatios=mediana{v(t)×i(t)}
Representa el trabajo que ha hecho una corriente eléctrica o una energía consumida por una carga para dar calor, iluminación o movimiento, por ejemplo. En circunstancias normales, los sistemas eléctricos tienen inductores o condensadores, que se denominan componentes reactivos. Los componentes reactivos ideales no desperdician ningún tipo de energía, pero consumen corriente y ocasionan caídas de tensión, lo cual da la impresión que realmente la desperdician. Esta “potencia imaginaria” se denomina potencia reactiva. No contribuye en la transferencia neta de energía, pero vuelve a circular y fuerza entre la fuente y la carga y sitúa una carga más pesada sobre la utilidad. La potencia reactiva se mide en volt-amperio reactivo (VAR). Al contrario de la potencia que representa un valor promedio, numéricamente VAR representa una amplitud de potencia reactiva instantánea.
Además de las reactancias, los sistemas eléctricos prácticos también contienen componentes no lineales como los rectificadores, que distorsionan las ondas y originan armónicos de corriente. Todos estos armónicos excepto el fundamental, no contribuyen en la transferencia de energía neta. La combinación de potencia real, de distorsión y reactivos son la potencia aparente (o total), medida en volt-amperios (VA):
VA= V×I
En esta fórmula V y I son los valores cuadráticos medios (RMS: root-mean-square) del voltaje y la corriente.
¿Qué es el factor de potencia (FP)?
El FP es la relación entre la potencia real y la aparente:
PF=W / VA
A menudo lo primero que se hace para convertir volt-amperio (VA) en vatios es buscar una calculadora. En realidad, es necesario saber el valor del FP para hacer el cálculo: W=VA×FP, cuando FP contiene decimales. Del mismo modo, se puede convertir vatios en potencia VA usando esta fórmula: VA=W/FP. Desafortunadamente, el valor FP prácticamente nunca aparece en la hoja de especificaciones del aparato. Los ordenadores antiguos acostumbraban a tener FP=0,6-0,65. Los ordenadores modernos normalmente tienen un soporte de potencia PMS con FPC (corrector de factor de potencia) que garantiza una unidad cercana al FP. Los aparatos motorizados (como los refrigeradores y los aires acondicionados) normalmente tienen FP=0,6-0,8. Si no se conoce el FP de un aparato lo mejor es asumir que se trata de 0,6.
Un “triángulo de potencia” en el cual la potencia activa, reactiva y total se representan como vectores, frecuentemente se utiliza para visualizar la relación entre los vatios y los VA en circuitos lineales con señales sinusoidales. Cuando el voltaje y la corriente son sinusoidales, se puede demostrar como FP=cosφ, el ángulo φ entre el voltaje y los fasores de corriente. Para las corrientes no sinusoidales este triángulo no es válido debido a la “potencia de distorsión”, que se niega en muchos manuales de electricidad. El valor FP mide el grado de efectividad de la utilización de electricidad. Gracias a la física sabemos que cuando un objeto se mueve por la fuerza, el trabajo mecánico se lleva a cabo solo por el componente de la fuerza en la dirección del movimiento. En una fuerza dada, se hace el máximo de trabajo cuando la fuerza y el movimiento están en la misma dirección. Si la fuerza es perpendicular a la dirección del movimiento, esta fuerza no transfiere energía. De forma similar, en los circuitos eléctricos, la potencia real la transfieren los componentes de voltaje y corriente que tienen la misma frecuencia. En unos valores dados de voltaje y corriente, la potencia máxima se transfiere cuando están en fase.
Si el voltaje sinusoidal y la corriente tienen un cambio de fase de 90 º, la potencia es zero. En algunas áreas, las empresas ya han instalado medidores de potencia digital (“medidores inteligentes”) a nivel residencial que calculan W, VAR y FP. Quizá se tiene que pagar más para los VAR. No obstante, hasta ahora la mayoría de medidores residenciales de EE.UU todavía son aparatos con disco en movimiento que solo miden vatios reales, por lo tanto el FP de los aparatos no afecta el coste de electricidad. En estas aplicaciones usar aparatos de corrector del factor de potencia (CFP) no reduce las facturas de electricidad. Aún así, el FP de las aplicaciones se tendría que tener en cuenta cuando se mide el sistema de energía de reserva, como el generador doméstico o un UPS.
Además, el FP más bajo causará una corriente más útil y caídas de tensión adicionales en el cableado. En un caso extremo, el voltaje reducido en el sistema eléctrico puede causar sobrecalientamiento y averías prematuras de los motores y otro equipo inductivo. A diferencia de los clientes normales, para los clientes comerciales y eléctricos industriales, una empresa eléctrica determinará una sanción para los factor de potencia demasiado bajos y recogerá una carga adicional cuando el FP sea inferior a 0,95.
Los generadores eléctricos de fase simple para uso doméstico normalmente están pensados para cargas con un FP de 1, por lo tanto, su potencia y valores son los mismos. Como las aplicaciones más frecuentes tienen un FP entre 0,6 y 0,8, su consumo de potencia de VA es de entre un 25 % y 60 % más grande que su potencia. Esto se tiene que tener en cuenta cuando se mide un generador eléctrico de reserva: sus índices de salida tendrían que ser mucho más grandes que la potencia neta de estas cargas motorizadas. Por ejemplo, para un dispositivo de 700 W con un FP de 0,7, se necesitará, como mínimo, un generador eléctrico de 700/0.7=1000 vatios. Actualmente, los aparatos tienen una placa que indica su corriente máxima en vez de su potencia, por lo tanto, no es necesario conocer su FP, solo multiplicar su valor de corriente por el voltaje CA nominal (120 V. en los EE.UU) para saber la VA. Por ejemplo, si tu aparato de fase simple tiene un índice de corriente máxima de 10 A, puede llegar a consumir hasta 120×10=1200 VA. Este valor se tendría que utilizar para medir su generador eléctrico de reserva o UPS para suministrar este aparato.
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Unidades de potencia y energía
El vatio es la unidad básica de potencia real. Se utiliza como unidad derivada en el Sistema Internacional de Unidades (SI). En términos generales, 1 W es igual a 1 joule de energía por segundo. En términos eléctricos, se puede demostrar que la potencia es producida o consumida a una frecuencia de un vatio mientras que un amperio fluye con una diferencia de potencial de un voltio: 1 W = 1 V × 1 A. Como esta unidad es pequeña para la industria eléctrica, frecuentemente se utilizan unidades más grandes. Por ejemplo, el kilovatio (kW) que es igual a mil vatios, a menudo se usa para medir la electricidad del ámbito residencial, que clasifica tanto a los generadores eléctricos como al consumo de herramientas grandes y aparatos: 1 kW=1000 W. Así pues, 1 kVA=1000VA. También se usan a menudo otras unidades derivadas.
La unidad del SI para la energía es el joule (J). El joule se utiliza principalmente en ciencia. Es la suma de energía ejercida con la fuerza de un newton (1 N) para mover un objeto desde una distancia de 1 m en la dirección de la fuerza. Un joule es una unidad relativamente pequeña. La unidad de energía se usa comúnmente para el consumo de electricidad, para las facturas se utiliza el kilovatio-hora (kWh), que mide el flujo de electricidad neto durante un periodo de tiempo dado, como podría ser un mes. Un kilovatio-hora es la suma de energía equivalente a un flujo de constante de 1 kW por hora. Por ejemplo, una bombilla, durante 10 horas utiliza 1 kWh de energía: 1 kWh=3,600,000 J.
