Eléctricas

La energía eléctrica no es producida generalmente en las propios edificios o lugares de consumo. Su generación por medio de grupos electrógenos o motores de combustión suele limitarse al apoyo en caso de falta de suministro.

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Generación de energía eléctrica

El uso de combustibles de origen fósil y la energía nuclear supone el mayor porcentaje de electricidad en el mundo.

Aunque la generación por medio de energías renovables está ganando terreno al estar dentro de una estrategia global para intentar paliar las emisiones de CO2 y aumentar la eficiencia energética en el mundo.

La generación de energía eléctrica para el consumo por parte de los electrodomésticos, aparatos eléctricos e iluminación, se realiza como corriente alterna a una frecuencia de 50 Hz (puede variar según el país).

Su principal ventaja de la corriente alterna (C.A.) sobre la continua es que su voltaje es sencillo de modificar mediante transformadores desde el centro de pro

ducción hasta los puntos de consumo. Su transporte a través de líneas de alta tensión es más eficiente con la corriente alterna.

En la energía solar fotovoltaica la electricidad se produce en corriente continua

La mayor parte de la C.A. se utiliza como electricidad en fase única o monofásica, lo cual significa que el voltaje varía como una sola onda sinusoidal, alcanzando el cero dos veces cada ciclo.

Para la mayoría de equipos eléctricos de uso común esta forma es perfectamente aceptable, pero los motores eléctricos, sobre todos los que necesitan una mayo potencia tienen una eficiencia eléctrica menor cuando se diseñan para funcionar con una sola fase.

Por esta razón existen equipos eléctricos, como los motores, que necesitan ser alimentados con corriente trifásica para proporcionar una corriente más continua y permitir el uso de equipos más eficientes.

Antes de pasar a las lineas eléctricas de los edificios la energía eléctrica reduce su voltaje a través de estaciones eléctricas y transformadores. Para un edificio o un conjunto de edificios se suele instalar un transformador para reducir el voltaje todavía más, antes de introducirse a través de la acometida eléctrica.

El voltaje monofásico en España es de 230 V y el tráfico 400 V (consultar esta web para el resto del mundo)

Instalación eléctrica en un edificio

Acometida

El sistema eléctrico en un edificio es relativamente sencillo. Se introducen 3 hilos de cobre que provienen del circuito de un transformador cercano a través de una acometida o lugar de introducción de la electricidad.

En el caso de una sola vivienda la acometida es monofásica y en el de un edificio con varias viviendas y locales será trifásica.

Para una acometida monofásica existen tres hilos de cobre diferentes:

• Fase o hilo activo.
• Neutro.
• Toma de tierra.

Con una tensión de 230 V.

En el caso de acometida trifásica existen cuatro hilos:

• Tres hilos fases.
• Un hilo neutro.

Con una tensión entre fases de 230/400 V. La tierra estará en la instalación de cada usuario.

En España las instalaciones eléctricas se regulan por el Reglamento de Baja Tensión

Caja general de protección o CGP

Elemento instalado generalmente en la fachada que sirve para contener los elementos de protección entre la línea de la empresa que suministra la electricidad y la línea general de alimentación.

Línea general de alimentación o LGA

Une al caja general de protección con el cuarto de contadores.

En el caso de un grupo de viviendas o locales, en esta línea se encuentran los 3 cables de fase (tráficos), el de toma de tierra y el neutro.

Contadores

Se encarga de medir la energía consumida por el usuario para después facturar la electricidad que le corresponde a cada uno.

En el caso de una sola vivienda o local su instalación se realizará en fachada y para varios suministros, como en el caso de un edificio, se destinará un cuarto de contadores para este fin.

Para una centralización de contadores se distinguen los siguientes elementos:

• Interruptor general de maniobra: Desconecta totalmente de la corriente que viene de la linea general de alimentación
• Embarrado y fusibles: barras metálicas conectadas a los conductores de la LGA y que salen hacia los contadores interponiendo fusibles para una mayor seguridad. Este es el elemento donde se transforma la electricidad de trifásica a monofásica.
• Contadores.
• Derivaciones individuales y embarrado de protección: las líneas que salen de los contadores hacia los usuarios son las derivaciones individuales. La tierra de estas derivaciones se conectan a una barra metálica o embarrado para su protección.

Derivaciones individuales

Lineas eléctricas que llevan esta energía hasta las viviendas o locales de consumo.

Cuadro general de mando y protección o CGMP

Cuadro eléctrico desde donde parten los circuitos interiores. En el se encuentran los dispositivos de seguridad y protección:

• Interruptor de control de potencia (ICP): Limita el consumo de energía del cliente y está instalado por la compañía suministradora para evitar que se consuma más electricidad de la contratada. Se aloja en el cuadro de la vivienda o local.
• Interruptor general (IG): Protege frente a sobrecargas o cortocircuitos de la instalación interior.
• Interruptor diferencial (ID): Protege a los usuarios respecto a contactos con las instalación.
• Pequeños interruptores automáticos (PIAs): interruptores magnetotérmicos para proteger de sobrecargas y cortocircuitos a la instalación interior.

Que es el factor de potencia

El factor de potencia es, muy probablemente, el concepto tanto de electricidad como de electrónica más difícil de entender y que más problemas genera, además de ser imprescindible siempre que alimentamos un circuito en corriente alterna.
El factor de potencia relaciona tres tipos de potencia:
la potencia activa, la potencia reactiva y la potencia aparente,
así que lo primero va ha ser entender qué son estas tres cosas.

La potencia activa

Cualquier aparato eléctrico, al funcionar, consume potencia. Ya sea una bombilla, un termo, un motor… si está funcionando está extrayendo, en cada segundo, una cierta cantidad de energía, que es la que está utilizando
para funcionar, dicho de otra forma: consume potencia.
Esta potencia que se extrae del circuito eléctrico es la potencia activa.

Potencia reactiva

Cuando alimentamos en corriente continua un circuito en el que hay bobinas y condensadores no pasa nada especial con la potencia porque
en corriente continua una bobina no es más que un cable largo y un condensador no es más que un interruptor abierto.

Pero en corriente alterna la cosa cambia, ya que tanto las bobinas como los condensadores, cuando se les alimenta en corriente alterna son capaces de acumular energía en su interior.

hay una cierta cantidad de potencia que está moviéndose dentro del circuito pero que no sale de él

En un circuito alimentado en corriente alterna, en el que hay bobinas y condensadores, hay en su interior una cierta cantidad de energía que está viajando desde las bobinas hasta los condensadores y desde los condensadores hasta las bobinas.
Este viaje de la una al otro y del otro a la una sucede dos veces por cada ciclo de onda.
Si estamos alimentando al circuito con una frecuencia de 50 hercios, el viaje completo de la energía sucede 100 veces por segundo.
Esta potencia que está viajando dentro del circuito pero que no sale de él, es la llamada potencia reactiva.

En ingeniería se dice que los motores consumen potencia activa y también potencia reactiva, aunque en el caso de la reactiva no hay un verdadero consumo, ya que primero extrae energía de la red y luego la devuelve, pero como este fenómeno es un problema usamos la palabra consumo.
El hecho de que lo llamemos consumo hace que mucha gente se líe y no entienda bien de qué trata la energía reactiva, aunque tiene bastante sentido que se use la palabra consumo, no solo con la potencia activa, sino también con la potencia reactiva.

Potencia aparente

Ya sabemos que en los circuitos alimentados en corriente alterna tenemos una potencia activa, que es la que los aparatos eléctricos extraen del circuito, y una potencia reactiva, que no llega a salir del circuito eléctrico pero que está ahí, viajando de los condensadores a las inductancias y de las inductancias a los condensadores.

¿Qué pasa con los cables que unen las bobinas con los condensadores; cuanta potencia los atraviesa?

Pues por los cables del circuito eléctrico está pasando toda la potencia activa y también toda la potencia reactiva.
Tanto la potencia que se está usando por los aparatos eléctricos como la que está viajando dentro del circuito atraviesa a los cables, así que los cables tienen que ser capaces de soportar las dos potencias juntas sin quemarse. La potencia que están soportando los cables es la llamada potencia aparente.
El primer impulso nos pude llevar a pensar que la potencia aparente será, simplemente, la suma aritmética de las potencias activa y reactiva, pero sorprendentemente no es así.

No es así porque todo esto solo sucede en corriente alterna, donde nuestras magnitudes no son números, son ondas. Y cuando las ondas se suman suceden cosas que no son nada evidentes.

Entendiendo las ondas

Para que esto quede claro voy a mostraros cuatro ejemplos distintos.
El primero es una resistencia alimentada por un voltio a la que atraviesa un amperio; pero ojo, que estos valores son de pico, para poder hacer cálculos
tenemos que usar los valores eficaces, que se consiguen después de hacer un cálculo.

En esta gráfica la línea azul que representa el voltaje no se ve porque es igual que la onda roja de la corriente y por eso queda oculta, pero está ahí. En lo que tenemos que fijarnos es que como la resistencia no acumula energía en su interior, la onda de corriente va en fase con la onda de tensión.
Para poder ver la potencia que esa resistencia transforma en calor usamos la ley de Joule, que nos dice, simplemente, que tenemos que multiplicar la corriente por el voltaje (está dibujada de color blanco).

Vemos que la potencia es una onda sinusoidal del doble frecuencia de la alimentación, aunque esto no nos importa mucho, lo que sí es muy importante es que esta onda es en todo momento positiva. esto significa que la resistencia está en todo momento sacando energía del circuito.

Veamos ahora esto mismo pero con una bobina. La bobina sí que es capaz de acumular energía en su interior.

La manera concreta en que acumula energía provoca que la corriente salga noventa grados retrasada respecto de la tensión. Cuanto multiplicamos las ondas de tensión y corriente, según nos dice la ley de Joule, obtenemos la onda de potencia de esa bobina y vemos que se parece mucho a lo que pasaba con la resistencia, pero hay una diferencia muy importante, y es que la onda de potencias está ahora más abajo.
Ya no es todo el rato positiva, ahora está la mitad del tiempo positiva y la mitad del tiempo negativa, y eso significa que la mitad del tiempo está sacando energía del circuito y la mitad del tiempo está metiéndosela.

En concreto cuando la potencia es positiva saca energía del circuito, y cuando es negativa la mete. Cuando la potencia es positiva se comporta como un pasivo y cuando la potencia es negativa se comporta como un activo.
Vamos con el condensador. Esto se parece mucho a la bobina porque el condensador también acumula energía en su interior.

La corriente también está noventa grados desfasada respecto de la tensión, la potencia también sale la mitad del tiempo positiva y la mitad del tiempo negativa.

¿Donde está la diferencia?. La manera diferente en que acumula energía el condensador hace que la corriente salga 90 grados adelantada respecto de la tensión. La bobina retrasa y el condensador adelanta.

Esta diferencia hace que al multiplicar las ondas de tensión y corriente para saber que pasa con la potencia, los instantes en que el condensador saca potencia y mete potencia al circuito sean los opuestos a los instantes en los que lo hace la bobina.

Ahora vamos a ver un caso más habitual: una carga que es en parte activa y en parte inductiva. Esta carga podría representar perfectamente a un motor.

La onda de corriente la he dibujado 45 grados retrasada respecto de la onda de tensión. Si fuera una inductancia pura estaría noventa grados retrasada pero como es en parte resistiva y en parte inductiva sale retrasada, pero menos de 90º.
En este caso vemos como la potencia también es algunas veces positiva y otras veces negativa, pero como sí consume potencia activa, la cantidad total de potencia que saca del circuito es mayor que la que devuelve.
Para acabar con las ondas quiero que veamos en la misma gráfica las potencias activa, reactiva y aparente.

La línea naranja es la activa, la verde la reactiva y la blanca es la suma de las otras dos, es decir la aparente. O sea que para cada instante de tiempo hay un punto blanco que es la suma del punto naranja con el punto verde. Como es claro y notorio la onda blanca tiene la misma frecuencia que las ondas dos, pero como la potencia activa y la reactiva no están en fase, la aparente no es la suma aritmética de las otras dos; es solo un poquito más grande que las otras.

Obviamente cuando hacemos cálculos no usamos las ondas, porque es muy complicado, usamos fasores.

Entendiendo los fasores. Triángulo de potencias

La potencia eléctrica se calcula, simplemente, multiplicando la tensión por la intensidad. Cuando multiplicamos los fasores de tensiones y corrientes para calcular las diferentes potencias nos sale un triángulo como el que tenemos aquí.

En el eje el horizontal, nos queda el fasor para la potencia activa, que se mide en vatios; en el eje vertical nos queda el fasor para la potencia reactiva, que se mide en volti-amperios reactivos, y la suma de esos dos fasores, que nos queda en diagonal, es el fasor para la potencia aparente, que se mide en volti-amperios.

Pero lo más importante de este triángulo es el ángulo que forman la potencia activa con la aparente: al que llamamos fi. El factor de potencia es, precisamente, el coseno de ese ángulo: el coseno de fí. Si ese ángulo fuera de cero grados no habría potencia reactiva y el coseno de fi sería uno; esto es lo que nos gustaría que pasara siempre. Si ese ángulo fuera de noventa grados no habría potencia activa y toda sería reactiva. En ese caso el coseno de fi sería de cero: esto es lo que nunca queremos que pase.

Así que el factor de potencia, también llamado coseno de fi, es un número entre cero y uno que nos habla de la relación entre la potencia activa y la reactiva.

Depende de lo que estemos haciendo,pero en general, un coseno de fi inferior a 0,8 ya decimos que es un factor de potencia malo.
Este diagrama fasorial de aquí corresponde con una carga inductiva, por eso el fasor para la potencia reactiva apunta hacia arriba, si fuera una carga capacitiva el fasor para la potencia reactiva apuntaría hacia abajo.