Potencia en Sistemas Eléctricos de Corriente Alterna¶
En los sistemas de corriente alterna (CA), la potencia se descompone en tres componentes fundamentales: activa (P), reactiva (Q) y aparente (S). Esta clasificación aplica tanto para sistemas monofásicos como trifásicos, aunque sus fórmulas varían ligeramente.
La potencia activa es la energía que realmente se convierte en trabajo útil, como luz, calor o movimiento; la potencia reactiva, aunque no realiza trabajo directo, es indispensable para mantener los campos electromagnéticos en equipos inductivos o capacitivos; y la potencia aparente representa la combinación total de la potencia activa y reactiva, reflejando la demanda completa que la fuente debe suministrar para alimentar la carga.
Tipos de potencia¶
A continuación, en la Tabla 1, se presenta un resumen de los distintos tipos de potencia en corriente alterna, junto con sus respectivas unidades de medida.
| Tipo de potencia | Símbolo | Unidad | ¿Para qué sirve? |
|---|---|---|---|
| Activa (Real) | P | Watts (W) | Hace el trabajo útil: iluminación, calor y movimiento. |
| Reactiva | Q | Voltios-Amperios Reactivos (VAR) | No genera trabajo útil directamente, pero es necesaria para crear campos magnéticos en motores, transformadores y bobinas. |
| Aparente | S | Voltios-Amperios (VA) | Representa la combinación total de la potencia activa y reactiva. Se utiliza para dimensionar cables, interruptores, transformadores y otros equipos. |
Tabla 1. Tipos de potencia en sistemas eléctricos de corriente alterna.
Potencia en sistemas monofásicos¶
Los sistemas monofásicos se utilizan principalmente en:
- Hogares y oficinas.
- Pequeños comercios.
- Cargas ligeras.
En un sistema monofásico de corriente alterna, las fórmulas más comunes para calcular las diferentes formas de potencia son las siguientes.
Potencia aparente
La potencia aparente es fundamental en los sistemas eléctricos porque representa la cantidad total de energía eléctrica que la fuente debe suministrar para alimentar una carga, considerando tanto la potencia que se convierte en trabajo útil como la asociada a los componentes reactivos.
$$ S = V \cdot I $$
Donde:
- $S$ = potencia aparente, en VA.
- $V$ = tensión eléctrica, en V.
- $I$ = corriente eléctrica, en A.
Potencia activa¶
La potencia activa, también llamada potencia real o potencia útil, es la potencia que realmente se transforma en trabajo o calor dentro de una carga eléctrica.
$$ P = V \cdot I \cdot \cos(\varphi) $$
Donde:
- $P$ = potencia activa, en W.
- $V$ = tensión eléctrica, en V.
- $I$ = corriente eléctrica, en A.
- $\cos(\varphi)$ = factor de potencia.
Potencia reactiva¶
La potencia reactiva no realiza trabajo útil directamente, pero es fundamental en los sistemas de corriente alterna para mantener el funcionamiento de dispositivos con componentes inductivos o capacitivos, como motores, transformadores y bobinas.
$$ Q = V \cdot I \cdot \sin(\varphi) $$
Donde:
- $Q$ = potencia reactiva, en VAR.
- $V$ = tensión eléctrica, en V.
- $I$ = corriente eléctrica, en A.
- $\sin(\varphi)$ = componente reactiva asociada al ángulo de fase.
Relación entre las tres potencias¶
Las tres formas de potencia se relacionan mediante el triángulo de potencias:
$$ S^2 = P^2 + Q^2 $$
De esta relación también se obtiene:
$$ S = \sqrt{P^2 + Q^2} $$
Esta expresión permite determinar la potencia aparente cuando se conocen la potencia activa y la potencia reactiva.
Potencia en sistemas trifásicos¶
Los sistemas trifásicos se utilizan principalmente en:
- Industrias.
- Máquinas de gran potencia.
- Motores eléctricos grandes.
- Sistemas de distribución y transmisión de energía eléctrica.
En un sistema trifásico balanceado de corriente alterna, las fórmulas más comunes para calcular las diferentes formas de potencia son las siguientes.
Potencia aparente¶
$$ S = \sqrt{3} \cdot V_L \cdot I_L $$
Potencia activa¶
$$ P = \sqrt{3} \cdot V_L \cdot I_L \cdot \cos(\varphi) $$
Potencia reactiva¶
$$ Q = \sqrt{3} \cdot V_L \cdot I_L \cdot \sin(\varphi) $$
Donde:
- $S$ = potencia aparente, en VA.
- $P$ = potencia activa, en W.
- $Q$ = potencia reactiva, en VAR.
- $V_L$ = tensión de línea, en V.
- $I_L$ = corriente de línea, en A.
- $\varphi$ = ángulo de desfase entre la tensión y la corriente.
Relación entre las tres potencias¶
Al igual que en los sistemas monofásicos:
$$ S^2 = P^2 + Q^2 $$
o bien:
$$ S = \sqrt{P^2 + Q^2} $$
¿Por qué aparece la raíz de 3?¶
La presencia de la raíz de 3 ($\sqrt{3}$) en las fórmulas de potencia de los sistemas trifásicos balanceados se debe a la relación existente entre las tensiones de línea y de fase, así como entre las corrientes de línea y de fase, dependiendo de la configuración utilizada.
En una conexión estrella (Y):
$$ V_L = \sqrt{3} \cdot V_F $$
$$ I_L = I_F $$
En una conexión delta (Δ):
$$ V_L = V_F $$
$$ I_L = \sqrt{3} \cdot I_F $$
Por esta razón, cuando las expresiones de potencia se desarrollan utilizando magnitudes de línea, aparece el factor $\sqrt{3}$.
Sistemas trifásicos con conexión estrella (Y)¶
En los sistemas trifásicos con conexión estrella (Y), las tres fases tienen uno de sus extremos conectados a un punto común denominado punto neutro.
Dependiendo de la configuración del sistema, este punto puede estar conectado a un conductor neutro. Por ello, un sistema trifásico en estrella puede operar con tres conductores de línea y, cuando se requiere el neutro, un cuarto conductor.
En esta configuración, la tensión de línea —medida entre dos fases— es diferente de la tensión de fase —medida entre una fase y el neutro—.
La relación entre ambas es:
$$ V_L = \sqrt{3} \cdot V_F $$
En cuanto a la corriente:
$$ I_L = I_F $$
Por lo tanto, en una conexión estrella:
- La tensión de línea es $\sqrt{3}$ veces la tensión de fase.
- La corriente de línea es igual a la corriente de fase.
Sistemas trifásicos con conexión delta (Δ)¶
En los sistemas trifásicos con conexión triángulo o delta (Δ), las tres cargas o impedancias se conectan formando un circuito cerrado.
Generalmente se utilizan tres conductores de línea y no se requiere un conductor neutro para alimentar una carga conectada en delta.
En esta configuración, la tensión de línea es igual a la tensión de fase, debido a que cada elemento de la carga se encuentra conectado directamente entre dos conductores de línea.
Por lo tanto:
$$ V_L = V_F $$
En cuanto a la corriente, la corriente de línea es diferente de la corriente de fase:
$$ I_L = \sqrt{3} \cdot I_F $$
Por lo tanto, en una conexión delta:
- La tensión de línea es igual a la tensión de fase.
- La corriente de línea es $\sqrt{3}$ veces la corriente de fase.