Triángulos de voltajes, resistencias y potencias
Cualquiera que tenga una idea de los diagramas vectoriales notará fácilmente que en ellos se puede distinguir muy claramente un triángulo de voltaje en ángulo recto, cada lado del cual refleja: el voltaje total del circuito, el voltaje de la resistencia activa y el voltaje en la reactancia.
De acuerdo con el teorema de Pitágoras, la relación entre estos voltajes (entre el voltaje total del circuito y el voltaje de sus secciones) se verá así:
Si el siguiente paso es dividir los valores de estos voltajes por la corriente (la corriente fluye por todas las secciones del circuito en serie por igual), entonces por Ley de Ohm obtenemos los valores de resistencia, es decir, ahora podemos hablar de un triángulo rectángulo de resistencias:
De forma similar (como en el caso de las tensiones), utilizando el teorema de Pitágoras, es posible establecer una relación entre la impedancia del circuito y las reactancias. La relación se expresará mediante la siguiente fórmula:
Luego multiplicamos los valores de resistencia por la corriente, de hecho aumentaremos cada lado del triángulo rectángulo una cierta cantidad de veces. Como resultado, obtenemos un triángulo rectángulo con capacidades:
La potencia activa liberada en la resistencia activa del circuito asociada a la conversión irreversible de energía eléctrica (en calor, en la realización de un trabajo en la instalación) estará claramente relacionada con la potencia reactiva implicada en la conversión reversible de energía (la creación de campos magnéticos y eléctricos en bobinas y condensadores) y con plena potencia suministrada a la instalación eléctrica.
La potencia activa se mide en vatios (W), la potencia reactiva — en varis (VAR — voltio-amperio reactivo), total — en VA (voltio-amperio).
De acuerdo con el teorema de Pitágoras, tenemos derecho a escribir:
Ahora prestemos atención al hecho de que en el triángulo de potencia hay un ángulo phi, cuyo coseno es fácil de determinar principalmente por la potencia activa y la potencia aparente. El coseno de este ángulo (cos phi) llamado factor de potencia. Muestra qué parte de la potencia total se contabiliza cuando se realiza un trabajo útil en una instalación eléctrica y no se devuelve a la red.
Obviamente, un factor de potencia mayor (máximo uno) indica una mayor eficiencia de conversión de la energía entregada a la planta para su operación. Si el factor de potencia es 1, entonces toda la energía suministrada se usa para hacer trabajo.
Los ratios obtenidos permiten expresar el consumo de corriente de la instalación en términos de factor de potencia, potencia activa y tensión de red:
Por lo tanto, cuanto más pequeño es el coseno phi, más corriente requiere la red para realizar un determinado trabajo. En la práctica, este factor (corriente máxima de red) limita la capacidad de transmisión de la línea de transmisión y por lo tanto, cuanto menor sea el factor de potencia, mayor será la carga de la línea y menor el ancho de banda útil (el bajo coseno phi conduce a la restricción). Las pérdidas de julios en líneas eléctricas con coseno phi decreciente se pueden ver a partir de la siguiente fórmula:
En la resistencia activa R de la línea de transmisión, las pérdidas aumentan cuanto mayor sea la corriente I, aunque sea reactiva a la carga. Por lo tanto, podemos decir que con un factor de potencia bajo, el costo de transmisión de electricidad simplemente aumenta. Esto significa que aumentar el coseno phi es una importante tarea económica nacional.
Es deseable que la componente reactiva de la potencia total se aproxime a cero, para ello sería bueno utilizar siempre los motores y transformadores eléctricos a plena carga y apagarlos al final de su uso para que no queden en ralentí. Sin carga, los motores y transformadores tienen un factor de potencia muy bajo. Una forma de aumentar el coseno phi en los usuarios es usar bancos de condensadores y compensadores síncronos.