Potencia en Circuitos de CA, Capítulo 17

Aquí están las notas de estudio detalladas en español:

• El Capítulo 17 trata sobre la potencia en circuitos de corriente alterna (CA), que presenta consideraciones adicionales no presentes en los circuitos de corriente continua (CD).

Potencia en Circuitos de CA

• En circuitos de CD, la potencia se calcula como P = VI vatios ó P = I²R ó P = V²/R.
• Esta potencia se conoce como potencia real o activa, realizando trabajo útil como iluminar una lámpara o accionar un motor.
• En circuitos de CA, además de la potencia activa, existe la potencia reactiva, que representa la energía que oscila de ida y vuelta por todo el sistema.
• La energía fluye hacia y desde la inductancia o capacitancia.
• La potencia reactiva no contribuye al flujo promedio de energía de la fuente a la carga.
• La potencia reactiva a veces se denomina potencia sin vatios.
• Para circuitos con elementos reactivos y resistivos, la energía se disipa y también se traslada entre los reactivos.
• La combinación de potencia real y reactiva constituye la potencia aparente.
• En el capítulo se busca explicar los tres componentes de la potencia, el concepto de factor de potencia, el triángulo de potencia, la medición de potencia y la resistencia efectiva.

Introducción

• La potencia en una carga es el producto del voltaje y la corriente en cualquier instante.
• Si el voltaje y la corriente varían con el tiempo, también lo hace potencia.
• La potencia instantánea se simboliza como p(t) o simplemente p.
• La potencia instantánea puede ser positiva o negativa.
• La potencia positiva indica flujo de la fuente a la carga.
• La potencia negativa indica flujo de la carga de regreso al circuito.
• La potencia real tiene una forma de onda que puede describirse en términos de potencia activa, reactiva y aparente.

Potencia Activa

• La potencia promedio hacia la carga, denotada con la letra P.
• Si P es positivo, más potencia fluye hacia la carga que la que retorna.
• Si P es positivo, representa la potencia que se disipa por la carga.
• P se conoce como potencia real o activa.
• La potencia activa es el valor promedio de la potencia instantánea.

Potencia Reactiva

• Durante un instante, la potencia es negativa indica retorno de potencia desde la carga, lo que ocurre si la carga contiene elementos reactivos (L o C).
• La potencia fluye primero hacia la carga y luego regresa, lo que se conoce como potencia reactiva.
• El valor promedio de la potencia reactiva es cero y no contribuye a la potencia promedio hacia la carga.
• La potencia reactiva requiere corriente adicional que debe ser suministrada por la fuente.
• Los equipos utilizados deben ser más grandes para soportar la corriente adicional.

Potencia Hacia Una Carga Resistiva

• La corriente está en fase con el voltaje en una carga puramente resistiva.
• La potencia fluye sólo de la fuente a la carga.
• La potencia hacia una resistencia pura consiste sólo de potencia activa.
• La frecuencia de la forma de onda de la potencia es el doble que las de voltaje y corriente.
• La potencia promedio es P = VI, donde V e I son los valores rms de voltaje y corriente respectivamente.

Potencia Hacia Una Carga Inductiva

• Para una carga inductiva, la corriente se atrasa 90° respecto al voltaje.
• Durante el primer cuarto de ciclo la potencia fluye hacia la inductancia.
• Durante el segundo cuarto de ciclo, la potencia regresa de la inductancia.
• La potencia promedio hacia una inductancia durante un ciclo completo es cero.
• La potencia fluye hacia la inductancia y fuera de ella es sólo reactiva.
• Esa potencia reactiva se denota como QL y su unidad es el VAR (volt-ampere reactivo).
• Por convención, QL se considera positiva.

Potencia Hacia Una Carga Capacitiva

• La corriente se adelanta 90° respecto al voltaje en una carga capacitiva.
• La capacitancia retorna al circuito la misma energía que le suministra la fuente, por lo que la potencia promedio es cero.
• La potencia que fluye en el circuito es la potencia reactiva Qc.
• Se utiliza el VAR como unidad de Q, que es el producto de voltaje por corriente Qc = VI.
• Por convención es definida negativa.

Potencia en Circuitos Más Complejos

• Las relaciones desarrolladas son válidas sin importar la complejidad de los circuitos o cómo estén interconectados sus componentes.
• La potencia real total es la suma de la potencia real de todos los elementos.
• La potencia reactiva total es la suma de la potencia reactiva (considerando la inductiva positiva y la capacitiva negativa).

Potencia Aparente

• En una carga con voltaje V y corriente I, la potencia que parece fluir es VI.
• Si la carga contiene resistencia y reactancia, este producto no representa ni potencia real ni reactiva.
• VI se conoce como potencia aparente, se simboliza como S y su unidad son los volt-ampere (VA).
• Para equipos grandes, se utilizan los kVA (kilovolt-ampere).
• En los aparatos eléctricos se menciona tanto el voltaje como la VA.

La Relación Entre P, Q y S

• Las potencias real, reactiva y aparente están relacionadas a través del triángulo de potencias.
• El triángulo de voltajes se dibuja reemplazando las magnitudes de voltaje por IR e IX.
• Estas representan P, Q y S respectivamente, lo cual se llama triángulo de potencias.
• A partir de este triángulo, S = √(P² + Q²).
• Si el circuito es capacitivo en lugar de inductivo, S = P - jQc.
• Nota - Consultar el capítulo 16, sección 16.1, para una discusión de complejos conjugados.

Factor de Potencia

• El factor de potencia (Fp) se define como el coseno del ángulo entre el voltaje y la corriente: Fp = cos θ.
• El factor de potencia se calcula como la razón entre potencia real y aparente: cos θ = P/S.
• Se expresa como un número o porcentaje y no puede exceder 1.0.
• θ es el ángulo del factor de potencia.
• Para un circuito inductivo tiene un factor de potencia en atraso.
• Para un circuito capacitivo tiene un factor de potencia en adelanto.
• Una carga con mal factor de potencia puede demandar un exceso de corriente.
• El equipo se especifica en términos de VA en lugar de vatios debido a la capacidad para conducir corriente es más crítica que la potencia.

Corrección Del Factor De Potencia

• Se puede cancelar componentes reactivos agregando reactancia opuesta.
• Con la corrección del factor de potencia unitario , el ángulo del factor de potencia es 0º y el Fp = 1.
• La mayoría de las cargas son inductivas, por los que la corrección del factor de potencia consiste en agregar un capacitor en paralelo con la carga.
• A los clientes residenciales no se les cobra directamente en VAR.
• A clientes industriales se les cobra distintos precios por supervisar los VAR o su Fp.

Medición de Potencia de CA

• Para medir la medir potencia en un Circuito de CA puede requerirse un instrumento que evalué la Corriente Y EL voltaje, y la partir de estos valores Determine La potencia.
• La mayoría de las unidades modernas son instrumentos digitales.

Potencia de carga instantánea

• es el producto del voltaje de la carga multiplicado por su corriente de carga, y la potencia promedio sería el promedio de este producto.