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Factor de potencia BIEN EXPLICADO | coseno de fi | activa | reactiva | aparente - YouTube
Channel: Pon un ingeniero en tu vida
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El factor de potencia es, muy probablemente,
el concepto tanto de electricidad como de
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electrónica más difícil de entender y que
más problemas genera, además de ser imprescindible
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siempre que alimentamos un circuito en corriente
alterna. Por eso aquí vamos a verlo muy despacio
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y explicándolo de tres formas distintas,
para que al terminar de ver este vídeo todos
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entendamos lo que es.
El factor de potencia relaciona tres tipos
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de potencia: la potencia activa, la potencia
reactiva y la potencia aparente, así que
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lo primero va ha ser entender qué son estas
tres cosas.
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La potencia activa
Cualquier aparato eléctrico, al funcionar,
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consume potencia. Ya sea una bombilla, un
termo, un motor... si está funcionando está
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extrayendo, en cada segundo, una cierta cantidad
de energía, que es la que está utilizando
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para funcionar: consume potencia. Esta potencia
que se extrae del circuito eléctrico es la
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potencia activa. Este apellido que le damos
a la potencia, este "activa" es para diferenciarlo
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del segundo tipo de potencia que vamos a ver
aquí.
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Potencia reactiva
Cuando alimentamos en corriente continua un
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circuito en el que hay bobinas y condensadores
no pasa nada especial con la potencia porque
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en corriente continua una bobina no es más
que un cable largo y un condensador no es
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más que un interruptor abierto, pero en corriente
alterna la cosa cambia, ya que tanto las bobinas
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como los condensadores, cuando se les alimenta
en corriente alterna son capaces de acumular
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energía en su interior. Dicho de otro modo,
hay una cierta cantidad de potencia que está
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moviéndose dentro del circuito pero que no
sale de él. En un circuito alimentado en
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corriente alterna, en el que hay bobinas y
condensadores, hay en su interior una cierta
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cantidad de energía que está viajando desde
las bobinas hasta los condensadores y desde
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los condensadores hasta las bobinas. Este
viaje de la una al otro y del otro a la una
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sucede dos veces por cada ciclo de onda. Es
decir, que si estamos alimentando al circuito
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con una frecuencia de 50 hercios, el viaje
completo de la energía sucede 100 veces por
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segundo. Esta potencia que está viajando
dentro del circuito pero que no sale de él,
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es la llamada potencia reactiva.
Por poner un ejemplo real: todo motor eléctrico
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es una bobina muy gorda, así que un motor
eléctrico funcionando consume potencia activa,
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que es la que está transformando en movimiento,
pero también consume potencia reactiva, ya
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que para funcionar necesita estar absorbiendo
y devolviendo de la red una cierta cantidad
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de energía.
Nosotros decimos que los motores consumen
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potencia activa y también potencia reactiva,
aunque en el caso de la reactiva no hay un
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verdadero consumo, ya que primero extrae energía
de la red y luego la devuelve, pero como este
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fenómeno es un problema usamos la palabra
consumo. El hecho de que lo llamemos consumo
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hace que mucha gente se líe y no entienda
bien de qué trata la energía reactiva, aunque
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tiene bastante sentido que se use la palabra
consumo, no solo con la potencia activa, sino
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también con la potencia reactiva.
Potencia aparente
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Ya sabemos que en los circuitos alimentados
en corriente alterna tenemos una potencia
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activa, que es la que los aparatos eléctricos
extraen del circuito, y una potencia reactiva,
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que no llega a salir del circuito eléctrico
pero que está ahí, viajando de los condensadores
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a las inductancias y de las inductancias a
los condensadores. ¿Qué pasa con los cables
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que unen las bobinas con los condensadores;
cuanta potencia los atraviesa? Pues por los
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cables del circuito eléctrico está pasando
toda la potencia activa y también toda la
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potencia reactiva. Tanto la potencia que se
está usando por los aparatos eléctricos
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como la que está viajando dentro del circuito
atraviesa a los cables, así que los cables
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tienen que ser capaces de soportar las dos
potencias juntas sin quemarse. La potencia
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que están soportando los cables es la llamada
potencia aparente.
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El primer impulso nos pude llevar a pensar
que la potencia aparente será, simplemente,
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la suma aritmética de las potencias activa
y reactiva, pero sorprendentemente no es así.
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No esa así porque todo esto solo sucede en
corriente alterna, donde nuestras magnitudes
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no son números, son ondas. Y cuando las ondas
se suman suceden cosas que no son nada evidentes.
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Entendiendo las ondas
Para que esto quede claro voy a mostraros
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cuatro ejemplos distintos. El primero es una
resistencia alimentada por un voltio a la
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que atraviesa un amperio; pero ojo, que estos
valores son de pico, para poder hacer cálculos
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tenemos que usar los valores eficaces, que
se consiguen después de hacer un cálculo.
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Dejo un enlace al vídeo sobre el valor eficaz.
En esta gráfica la línea azul que representa
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el voltaje no se ve porque es igual que la
onda roja de la corriente y por eso queda
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oculta, pero está ahí. En lo que tenemos
que fijarnos es que como la resistencia no
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acumula energía en su interior, la onda de
corriente va en fase con la onda de tensión.
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Para poder ver la potencia que esa resistencia
transforma en calor usamos la ley de Joule,
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que nos dice, simplemente, que tenemos que
multiplicar la corriente por el voltaje. Yo
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la he dibujado ahí en color blanco.Vemos
que la potencia es una onda sinusoidal del
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doble frecuencia de la alimentación, aunque
esto no nos importa mucho, lo que sí es muy
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importante es que esta onda es en todo momento
positiva. esto significa que la resistencia
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está en todo momento sacando energía del
circuito.
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Veamos ahora esto mismo pero con una bobina.
La bobina sí que es capaz de acumular energía
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en su interior. La manera concreta en que
acumula energía provoca que la corriente
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salga noventa grados retrasada respecto de
la tensión. Cuanto multiplicamos las ondas
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de tensión y corriente, según nos dice la
ley de Joule, obtenemos la onda de potencia
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de esa bobina y vemos que se parece mucho
a lo que pasaba con la resistencia, pero hay
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una diferencia muy importante, y es que la
onda de potencias está ahora más abajo.
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Ya no es todo el rato positiva, ahora está
la mitad del tiempo positiva y la mitad del
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tiempo negativa, y eso significa que la mitad
del tiempo está sacando energía del circuito
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y la mitad del tiempo está metiéndosela.
En concreto cuando la potencia es positiva
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saca energía del circuito, y cuando es negativa
la mete. Cuando la potencia es positiva se
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comporta como un pasivo y cuando la potencia
es negativa se comporta como un activo.
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Vamos con el condensador. Esto se parece mucho
a la bobina porque el condensador también
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acumula energía en su interior. La corriente
también está noventa grados desfasada respecto
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de la tensión, la potencia también sale
la mitad del tiempo positiva y la mitad del
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tiempo negativa. ¿Donde está la diferencia?
Este es un buen momento para que paréis el
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vídeo e intentéis entender la diferencia
de comportamiento mirando las dos gráficas.
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También, si os apetece, podéis explicarlo
en los comentarios, que así se aprende mucho.
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¿Ya está? Lo explico yo. La manera diferente
en que acumula energía el condensador hace
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que la corriente salga 90 grados adelantada
respecto de la tensión. La bobina retrasa
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y el condensador adelanta. Esta diferencia
hace que al multiplicar las ondas de tensión
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y corriente para saber que pasa con la potencia,
los instantes en que el condensador saca potencia
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y mete potencia al circuito sean los opuestos
a los instantes en los que lo hace la bobina.
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Imaginad que tengo una bobina y un condensador
alimentados por la misma fuente de tensión
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en alterna. Justo los momento en los que el
condensador absorbe energía son los momentos
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en que la bobina la inyecta y viceversa. esto
es lo que provoca que haya energía moviéndose
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dentro del circuito y sin salir de él: esto
es lo que provoca la energía reactiva.
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Ahora vamos a ver un caso más habitual: una
carga que es en parte activa y en parte inductiva.
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Esta carga podría representar perfectamente
a un motor. La onda de corriente la he dibujado
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45 grados retrasada respecto de la onda de
tensión. Si fuera una inductancia pura estaría
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noventa grados retrasada pero como es en parte
resistiva y en parte inductiva sale retrasada,
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pero menos de 90º. En este caso vemos como
la potencia también es algunas veces positiva
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y otras veces negativa, pero como sí consume
potencia activa, la cantidad total de potencia
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que saca del circuito es mayor que la que
devuelve.
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para acabar con las ondas quiero que veamos
en la misma gráfica las potencias activa,
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reactiva y aparente. La línea naranja es
la activa, la verde la reactiva y la blanca
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es la suma de las otras dos, es decir la aparente.
O sea que para cada instante de tiempo hay
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un punto blanco que es la suma del punto naranja
con el punto verde. Como es claro y notorio
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la onda blanca tiene la misma frecuencia que
las ondas dos, pero como la potencia activa
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y la reactiva no están en fase, la aparente
no es la suma aritmética de las otras dos;
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es solo un poquito más grande que las otras.
Obviamente cuando hacemos cálculos no usamos
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las ondas, porque es muy complicado, usamos
fasores.
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Entendiendo los fasores
Triángulo de potencias
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La potencia eléctrica se calcula, simplemente,
multiplicando la tensión por la intensidad.
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Cuando multiplicamos los fasores de tensiones
y corrientes para calcular las diferentes
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potencias nos sale un triángulo como el que
tenemos aquí. en el eje el horizontal, nos
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queda el fasor para la potencia activa, que
se mide en vatios; en el eje vertical nos
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queda el fasor para la potencia reactiva,
que se mide en volti-amperios reactivos, y
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la suma de esos dos fasores, que nos queda
en diagonal, es el fasor para la potencia
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aparente, que se mide en volti-amperios. Hay
que recordar que potencia aparente y potencia
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reactiva son cosas distintas y por eso se
miden con unidades distintas; la potencia
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aparente se mide en volti-amperios y la potencia
reactiva en volti-amperios reactivos.
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Pero lo más importante de este triángulo
es el ángulo que forman la potencia activa
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con la aparente: al que llamamos fi. El factor
de potencia es, precisamente, el coseno de
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ese ángulo: el coseno de fí. Si ese ángulo
fuera de cero grados no habría potencia reactiva
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y el coseno de fi sería uno; esto es lo que
nos gustaría que pasara siempre. Si ese ángulo
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fuera de noventa grados no habría potencia
activa y toda sería reactiva. En ese caso
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el coseno de fi sería de cero: esto es lo
que nunca queremos que pase. Así que el factor
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de potencia, también llamado coseno de fi,
es un número entre cero y uno que nos habla
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de la relación entre la potencia activa y
la reactiva. Depende de lo que estemos haciendo,
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pero en general, un coseno de fi inferior
a 0,8 ya decimos que es un factor de potencia
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malo.
Este diagrama fasorial de aquí corresponde
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con una carga inductiva, por eso el fasor
para la potencia reactiva apunta hacia arriba,
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si fuera una carga capacitiva el fasor para
la potencia reactiva apuntaría hacia abajo.
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