¿Qué es la energía reactiva?


energia reactiva

Si estás interesado por el ahorro y la eficiencia energética con total seguridad habrás oído hablar de la energía reactiva. Habréis oído que reduce la eficiencia de las instalaciones, que es mala para la red eléctrica y, sobre todo, que si consumes energía reactiva tienes una penalización en tu factura eléctrica. Pero ¿Qué es exactamente la energía reactiva?

Explicar el concepto de energía reactiva es algo complicado. Si lo miráis en un libro os llenarán de ecuaciones de números complejos, álgebra de fasores y relaciones trigonométricas. El problema es que con tantas matemáticas se corre el riesgo de olvidar el significado físico. Porque después de todo, ¿que narices significa que un dipolo absorba una potencia compleja?

Así que, haciendo honor al subtitulo de este blog, voy a explicar lo que es la energía reactiva sin usar ni una ecuación. Es más, os la voy a mostrar y voy a dejar que juguéis con ella. Al final de esta entrada tenéis una aplicación completa con la que experimentar. Pero no nos adelantamos, y vayamos por partes.

Un repaso a la electricidad alterna

Cómo es sabido, la red eléctrica que empleamos es en realidad una fuente de tensión alterna. En España esta tensión alterna tiene valores nominales de 230V entre fase y neutro y 50 Hz. Esto significa que la tensión en nuestro enchufe alterna su sentido (pasa de positivo a negativo, y otra vez a positivo) 50 veces cada segundo, y que realiza un trabajo equivalente al que realizaría una fuente te tensión continua de 230V. En esta entrada tomaremos estos valores, aunque los resultados y conclusiones son válidos para cualquier otro valor de la red.

Vamos a graficar esta tensión respecto del tiempo, medido en grados eléctricos (360º grados eléctricos serán 1/50Hz = 0.02s),

Cuando conectamos a tensión alterna una carga eléctrica, comienza a pasar por ella una cierta cantidad de intensidad eléctrica. Lógicamente, esta intensidad es también una función alterna. Esto significa que la electricidad cambia el sentido en el que atraviesa la carga, de positivo a negativo y otra vez positivo, 50 veces por segundo.

La intensidad eléctrica que fluye está determinada únicamente por las características de la carga conectada. La cantidad de electricidad, la amplitud de la onda de intensidad, está fijada por la impedancia de la carga. Pero (y aquí viene la parte interesante para la energía reactiva) la carga también introduce un desfase entre intensidad y tensión. Esto significa que la onda de intensidad adelantará o retrasará en el tiempo respecto a la de tensión. Este desfase, que mediremos en grados eléctricos, es el que origina la energía reactiva.

Pero, ¿Qué causa que las ondas de tensión e intensidad desfasen entre ellas? Para explicar esto tenemos que explicar brevemente los tipos de cargas existentes.

Tipos de cargas en electricidad

En electricidad (no confundir con electrónica) existen tres tipos de cargas. Resistencias, bobinas y condensadores. Vamos a ver las características de cada una de ellas.

  • Resistencias (cargas resistivas): Todo elemento a través del cual fluye una electricidad ofrece cierta resistencia a ser atravesado por la corriente. Al ser atravesadas por la corriente las resistencia disipan energía. Como ejemplo de grandes resistencias podemos citar las resistencias térmicas que se emplean para generar calor, pero se hace notar que toda carga conectada (líneas eléctricas, luminarias, motores…) presenta una resistencia.
  • Bobinas (cargas inductivas): Una bobina está formada por un conductor eléctrico arrollado en un núcleo de material ferromagnético. Al circular una corriente por ella, genera un campo magnético en su interior. Este campo magnético almacena energía, y se opone a cambios en el valor de la intensidad eléctrica. Las bobinas constituyen una parte fundamentan en múltiples máquinas, por ejemplo en motores, transformadores, equipos de fluorescencia.
  • Condensadores (cargas capacitivas): Un condensador está formado por dos conductores separados por medio de un material aislante. Al circular corriente por él, genera un campo eléctrico en su interior. Este campo eléctrico almacena energía, y se opone a cambios en el valor de tensión. A diferencia de las bobinas, los condensadores de gran tamaño tienen poca aplicación en electricidad. Su uso principal es en baterías para compensar, precisamente, los efectos reactivos producidos por las bobinas.

Las resistencias son elementos pasivos que no generan desfase en la corriente. Sin embargo, bobinas y condensadores son elementos reactivos que generan campos, respectivamente, magnéticos y eléctricos. Estos campos presentan una cierta “inercia” a ser creados o destruidos, y es esta “inercia” la que introduce desfases en la corriente. Ambos elementos producen efectos contrarios en la corriente, las bobinas introducen desfases negativos, y los condensadores positivos.

Sin embargo, las cargas reales nunca son “puras” si no que presentan un comportamiento intermedio entre cargas pasivas y reactivas. Para caracterizar las cargas reales empleamos el ángulo de desfase que introducen entre tensión y corriente. Una resistencia pura es una carga de 0º, una bobina 90º, y un condensador -90º. Los comportamientos mixtos presentan valores de desfase intermedios entre estos límites.

En la siguiente gráfica podéis desplazar la barra, modificando el comportamiento de la carga, y observando el desfase introducido en la corriente eléctrica.

Cuestión de potencia

¿Por qué es importante este desfase y como puede ser la causa de la energía reactiva? Para ver el efecto que produce en la carga vamos a calcular la potencia consumida por una carga, que obtenemos simplemente multiplicando la tensión y la intensidad en cada instante de tiempo. El resultado, S(t), que llamaremos potencia aparente, se muestra en la siguiente gráfica.

Se observa que la potencia aparente es una onda del doble de la frecuencia de la tensión. Es decir, si conectamos una lámpara (un elemento resistivo, ángulo 0º) esta se enciende y apaga 100 veces por segundo. Esto comportamiento fluctuante en la potencia se cumple siempre, para cualquier tipo de carga conectada. El valor de potencia efectivo a lo largo del tiempo es el promedio de esta potencia, que se muestra con la línea Smed.

Ahora variar el ángulo de la carga y observar como la onda de potencia S(t) pasa a tener instantes en los que toma valores negativos. Efectivamente, la carga absorbe potencia durante una parte del tiempo y devuelve a la red en otra. Por su parte, la potencia promedio Smed disminuye. En los valores extremos de 90º o -90º, correspondientes con cargas inductivas o capacitivas puras, el valor Smed cero. En estos casos puros, la carga absorbe energía durante medio periodo y devuelve exactamente la misma energía durante el siguiente semi período.

Solo resta usar un pequeño “truco matemático” para descomponer esta potencia aparente S(t) en la suma de dos componentes puramente activos y reactivos. En todo momento, la suma de ambos componentes es la potencia S(t), que es la que realmente absorbe la carga.

  • La potencia real P(t) es la parte de la potencia que pulsa en fase con la tensión. Esta potencia, originada por los elementos resistivos de la carga, es la que realiza realmente trabajo útil.
  • La potencia reactiva Q(t) es la componente de potencia que pulsa a 90 o -90º. Está originada por los elementos reactivos de la carga, y no genera trabajo útil a lo largo del tiempo.

La cantidad de cada componente está marcada por el desfase entre tensión e intensidad. En concreto, la relación entre la potencia activa y la potencia aparente es el coseno del ángulo formado por tensión e intensidad. A esta relación se le llama de forma habitual factor de potencia de la instalación.

La siguiente gráfica muestra el reparto de potencia entre los dos componentes en función del ángulo.

Conclusión

Hemos visto que los elementos reactivos de una carga eléctrica introducen desfases entre tensión e intensidad. Este desfase se origina por la “inercia” de la carga ante la creación y destrucción de campos magnéticos y eléctricos. La existencia de este desfase provoca que la potencia absorbida por la carga, S(t), adquiera valores negativos, por lo que la carga cede potencia durante parte del tiempo.

La potencia reactiva es la componente de la potencia que pulsa a 90º con la tensión. El trabajo neto que realiza a lo largo del tiempo es nulo. La energía absorbida en un semiperiodo se almacena dentro de la carga en forma de campo magnético o eléctrico, y se cede íntegramente en el siguiente semiperiodo. En oposición, la potencia activa es la componente que pulsa a 0º con la tensión, y es la que realiza trabajo efectivo a lo largo del tiempo.

En una próxima entrada veremos los efectos negativos de la potencia reactiva en una red eléctrica, y trataremos ciertos mitos y verdades relativos a la energía reactiva en el campo de la eficiencia energética.

Para terminar os dejo la gráfica completa con todas las magnitudes vistas en la entrada. Podéis apagar y encender las funciones que deseéis pulsando sobre su nombre en la leyenda.

Previous Saturación del mercado de eficiencia energética
Next Eliminar la última actualización de Twitter en Android
  • Hruot

    Te felicito, muy buena explicación. Simplemente aclarar que el coseno de phi coincide con el factor de potencia solo en el caso de que no existan distorsiones armónicas.

    Un saludo.

  • Rafael

    Muy buen artículo. Solo una anotación, hablas de cargas “pasivas y reactivas”, creo que sería más conveniente hablar de cargas “resistivas y reactivas” ya que tanto condensadores, bobinas y resistencias son considerados elementos pasivos, mientras que diodos, transistores, etc.. son componentes activos, lo que puede llevar a confusión.

    Saludos.

  • Pepe

    Todo lo que explicas en el artículo es correcto y las gráficas interactivas la verdad es que ayudan a entender el tema. Ahora bien, no cuentas por qué la potencia reactiva penaliza o es indeseable a la hora de consumir y generar electricidad. Supongamos el caso ideal de un circuito que sólo consume potencia reactiva, bien, sabemos que en términos netos no estamos consumiendo potencia, pero no por ello deja de circular corriente en el circuito, y para que esa corriente no funda los cables ni genere cortocircuitos, los cables y su aislamiento deben estar debidamente dimensionados. Así, tenemos un circuito que aunque no consume potencia, tiene que tener unos cables de determinadas características (y precio). Esto es un caso ideal, no existen cargas puramente reactivas, pero en un circuito real, se producirán picos de corriente mayores de los esperados si la carga fuera puramente resistiva, y ya estamos, hay que dimensionar. Si hablamos de una lamparita de casa, pues no pasa nada, pero si se trata de líneas de kilómetros de longitud, la factura de los cables sube. Otra razón es que los generadores síncronos de las centrales eléctricas, son capaces de generar potencia activa y reactiva, pero mientras la activa se genera gracias a la fuerza de las turbinas (que es para lo que las centrales se diseñan), la reactiva hay que generarla con baterías, lo cual no es nada deseable, ni barato, teniendo en cuenta una vez más, que la potencia reactiva no sirve para nada, no es una potencia real, no genera trabajo. En la práctica todos los circuitos que consumen mucha potencia, son motores y resistencias para generar calor, es decir, bobinas y resistencias, por lo que todas las cargas importantes de la red son resistivas-inductivas en mayor o menor medida, y para compensar esa inclinación al lado inductivo, se colocan condensadores, que aunque no sirven para nada, hacen que la carga sea lo más resistiva posible.

    • Pablim

      Soy operador en una antigua central térmica convencional de 120 MW y no recurrimos a ninguna batería para generar potencia reactiva. Lo que hacemos es aumentar la corriente (cc) de excitación (que en mi caso proviene de una dinamo de unos 700 KW acoplada en tandem al alternador). Como consecuencia de esto veo como aumenta la tensión en bornes del alternador, y lógicamente se incrementa también la corriente, manteniendo la potencia activa constante.

      • luisllamas

        Efectivamente, los generadores síncronos pueden ceder o absorber energía reactiva en función de que estén sobreexcitados o subexcitados, lo que se regula a través de la corriente de excitación. Esta es la forma habitual de equilibrar la energía reactiva en la red de distrubición

  • Freddy

    Muy bueno el articulo….

  • manuelink64

    Ojala hubiesen existido herramientas (gráficas) así cuando estudiaba en la Universidad, que excelente artículo, muy bien explicado.

  • Miguel Fernando Romero

    Excelentes herramientas. Es la mejor explicación que he encontrado en internet, además está muy bien ilustrada.

  • Yurika Roque Sarmiento

    Like!

  • Rafa Espuny

    Muy buena explicación, muchas gracias por tu conocimiento y trabajo, me ha servido de ayuda para una asignatura de tercero de Ingeniería de Telecomunicaciones.

  • Julian Alvarez Traver

    gracias por el articulo, me ha servido para la carrera

  • MIGUEL ANGEL

    Un excelente articulo. Me ha encantado, sobre todo la parte gráfica. Yo habría añadido el circulo trigonométrico (si supiera como hacerlo, claro), lo cual le quita valor a este comentario.
    También hubiera estado bien desde el punto de vista más práctico y económico analizar el por qué la presencia de corriente reactiva es penalizada (ponen un recargo o cobran más cara la energía suministrada) por las empresas suministradoras de electricidad cuando el coseno de phi creo que … inferior a 0,95.
    Desde el punto de vista más técnico cuál sería tratar de cuantificar la relación entre aumento de sección del conductor y aumento/disminución de corriente reactiva.
    Un gran apunte el del último comentario, el de las distorsiones por ondas de alta frecuencia, los armónicos.

    Como podéis ver sólo he planteado cuestiones pues aún no estoy preparado para, ni siquiera, intentar darles respuesta.

    Un gran blog.

    • luisllamas

      Hola Miguel Angel. Tenía pensado ponerlo en una segunda entrada, en la que entráramos en fórmulas, y analizáramos el efecto eléctrico y económico de la energía reactiva, tanto para el usuario como para la red.
      ¡Pero aún no he sacado tiempo! ( o mejor dicho, otras entradas se han “colado antes”)
      En cualquier caso gracias por tu comentario, y me apunto que tengo que terminar la segunda parte de esta entrada.
      Un saludo!

  • Jose Sanchez Sulub

    Buenas Tardes. Excelente articulo. Estoy esperando con ansias el segundo donde vas a tratar de los efectos electricos y economicos de no compensar la energia reactiva.
    Respecto a por que se penaliza la descompensacion es muy facil, o por lo menos aqui en Mexico se trabaja de esta manera. La compañia suminstradora, o Comision Federal de Electricidad, en sus contratos de suministro electrico, se compromete a entregar, en la acometida o toma de servicio del usuario los voltajes que se especifiquen en el contrato y un factor de potencia de 0.95. Esto se consigue a traves de gigantescos bancos de capacitores automaticos en las subestaciones. Cuando los usuasrios estan usando sus cargas (la cual la mayoria es inductiva) es cuando se activan estos capacitores. Hay que tener en cuenta que los bancos de capacitores se calculan de acuerdo a lo que se contrata con el usuario, de tal manera que, si el usuario sobrepasa lo contratado, es cuando se penaliza por sobrepasar la demanda o por tener muy bajo el factor de potencia. Se te cobra el activar esta infraestructura para garantizar que los demas usuarios reciban 0.95 de factor de potencia en su acometida, aunque tu lo tengas bajo.
    Saludos desde Merida, Yucatan, Mexico.

    SLPS
    Jose A. Sanchez Sulub

    • luisllamas

      Si, veremos todo eso en una próxima entrada… si algún día saco tiempo y ganas (además es de las largas!). Respecto a tu comentario solo indicarte, como comentamos un poco más arriba, que los capacitores (condensadores) sólo se emplean a nivel de consumidor. A nivel de red la energía reactiva se genera sobreexcitando los generadores síncronos. Un saludo!

  • Pingback: P – Q – S | Corrent Altern()