ud6. Circuito de CA y Potencia

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

A I C N A T S I D A L A N O I S E F O R P N ‡ I C A M R O F

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Circuitos de C.A. Potencia y Energía

MÓDULO Electrotecnia

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Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: ELECTROTECNIA Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Romualdo Pérez Fernández

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Sofía Ardura Gancedo Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: ISBN: 84-690-1473-0 Depósito Legal: Legal: AS-0593-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”.















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Sumario general

Objetivos Objetivos ................................. .................................................. .................................. .................................. ......................... ........

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Conocimien Conocimientos tos ................................... .................................................... .................................. ................................. ................

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Introducció Introducciónn ................................... .................................................... .................................. .................................. ................... ..

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Contenido Contenidoss generales generales ................................. .................................................. .................................. ......................... ........

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Potencia Potencia y energía energía en A.C. ............................... ................................................ ................................. ................

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Aplicación práctica en las instalaciones eléctricas ............ ... ................... ................. ....... 20 Medida de la potencia y la energía activa ........................ ............... .................. .................. ......... 33 Ideas sobre facturación eléctrica ................. ........ .................. .................. ................... ................... ........... 40 Resumen Resumen de contenidos...................... contenidos....................................... .................................. ................................. ................ 47 Autoevalua Autoevaluación ción .................................. ................................................... .................................. ................................. ................ 49 Respuestas Respuestas de activid actividades ades . .................................. ................................................... ................................. ................ 51 Respuestas de autoevaluación .................. ........ ................... .................. .................. ................... ................. ....... 55















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ódulo: Electrotecnia ódulo: Electrotecnia

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Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de: r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M

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Distinguir entre potencia y energía. energía.

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Diferenciar entre potencias potencias activa, reactiva y aparente.



Comprender e interpretar el concepto concepto de factor de potencia.



Realizar con precisión y seguridad el conexionado de un sistema de medida básico.

 Valorar

la previsión de potencia de una instalación o circuito eléctrico, a partir de los receptores instalados.



Distinguir potencia instalada, nominal y contratada. contratada.



Entender la estructura de una factura eléctrica.















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Conocimientos que deberías adquirir aCONCEPTOS S • Potencia y energía. • Potencias activa, reactiva y aparente. aparente. • Factor de potencia. • Compensación del factor factor de potencia. potencia. • Valores nominales nominales de la aparamenta eléctrica. • Potencias instalada y nominal. • Factores de simultaneidad y utilización. utilización. • Bobinas amperimétrica amperimétrica y voltimétrica voltimétrica de los aparatos de medida.. • Términos de potencia potencia y de energía. energía.

ITUACIONESS PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS

• Realizar con precisión y seguridad el conexionado de un sistema de de medida básico. • Determinar la potencia y corriente nominales de un circuito o instalación, a partir partir de los receptores instalados. • Determinar la sección de un circuito o instalación. instalación. • Interpretar una una factura factura eléctrica en BT. BT.

ACTITUDES S • Cumplir los procedimientos procedimientos y normas de seguridad de los laboratorios laboratorios y talleres donde se realizan los ensayos. • Respetar la legislación vigente en lo referente referente a facturación facturación eléctrica.















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Introducción En la unidad anterior nos introducimos en el mundo de los circuitos e instalaciones de corriente alterna, que son de forma general los predominantes en la actualidad. En ella estudiamos las características fundamentales y los diversos tipos de receptores eléctricos que existen, analizando detalladamente los desfases tensión-corriente y la forma de calcular intensidades, siendo la resistencia, la reactancia y la impedancia los puntos de partida. r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M

En realidad esta forma de análisis no es práctica, es muy teórica y no responde al método de valoración y diseño de instalaciones que realmente se utiliza. La verdadera referencia nominativa, tanto de un receptor como de una instalación, es la potencia consumida (kilowatios) y atendiendo a ella diferenciamos unos receptores de otros. Ten en cuenta que si necesitas una bombilla, te preguntas cuál ha de ser su potencia (60 W, 100 W, etc.); pero no te preguntas cuál ha de ser su impedancia. La potencia es por tanto, el punto de partida para valorar y diseñar todo lo relacionado con instalaciones eléctricas.

Contenidos generales

En esta unidad estudiaremos los distintos tipos de potencia en las instalaciones eléctricas en AC. Además valorando estas potencias veremos cómo diseñar los conductores de alimentación, cómo conseguir que las instalaciones industriales sean económicamente más rentables, cómo realizar mediciones de potencia y de energía y finalmente, cómo están estructuradas las facturas eléctricas en BT.

















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Potencia y energía en AC Hasta ahora hemos estudiado la potencia y la energía de forma genérica y visto su aplicación en los circuitos de corriente continua (CC). En ellos, al circular intensidad de corriente por una resistencia, ésta transforma la energía que absorbe de la fuente del circuito en calor y lo disipa al ambiente. Este fenómeno recibe el nombre de ≈Efecto Joule∆ y tiene muchas aplicaciones prácticas. Sin embargo en los circuitos de corriente alterna, la energía y las transformaciones energéticas no son tan sencillas. Conviven aquí más tipos de energía y de potencia, siendo su análisis más complejo. Vamos a ver en esta sección los diferentes tipos de energía y potencia presentes en los circuitos de alterna (AC), así como sus aplicaciones.

Relación general entre energía y potencia Como ya sabes, todos los dispositivos y procesos de cualquier tipo necesitan consumir energía para poder funcionar. Unos se diferencian de otros en la forma de obtener dicha energía; un motor de gasolina la obtiene de la combustión de este hidrocarburo; un motor eléctrico la obtiene gracias a la coexistencia de la tensión-

















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ésta aumenta a cada segundo. Sería mucho más eficiente cuantificar la cantidad de energía generada en un intervalo de tiempo, es decir la energía por unidad de tiempo. De esta idea nace la definición de potencia: DONDE

W potencia = ⇒ P= ⇒ W =P⋅t tiempo t energía

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e

→ [ J] = [W ⋅ s]

P: Potencia en watios (W) W: Energía en Julio (J) T: Tiempo en segundos (s)

Cuando se comparan dos procesos, el que consume o genera más energía por unidad de tiempo, es el más potente. Por ejemplo, un Fórmula 1 es más potente que un Seat Panda, porque el motor transmite al eje de giro mucha más energía de movimiento (trabajo) por segundo. De una forma alternativa también podemos definir la potencia como el ritmo r itmo al que fluye y se transforma la energía.

Cuando se comparan varios procesos, aquél que consume o genera más energía por segundo, es el más potente.

La potencia y la energía activa Los receptores eléctricos son elementos capaces de aportar energía a su entorno. Esta energía es fundamentalmente de tres tipos: 

Energía de movimiento (trabajo).

















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Esta energía y potencia activas son las que ya estudiaste en los circuitos de CC. ∂Te has fijado en cuál es la unidad de energía activa? El kWh es la unidad de energía activa. Si analizas un recibo de la luz comprobarás que la cantidad de kWh consumidos es realmente por lo que pagamos.

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Un instalación eléctrica presenta una potencia activa de 10 kW. ∂Cuánta energía activa consume en un día? Si el kWh cuesta 8 céntimos de euro, ∂cuánto se pagaría al mes por su consumo energético?

















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Los elementos de los circuitos que consumen potencia activa son las resistencias. Toda la energía activa eléctrica que absorben de la red, la transforman en energía calorífica por ≈Efecto Joule∆.

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e

Fig. 1: Las resistencias consumen energía y potencia activa.

Este fenómeno se emplea habitualmente en cocinas eléctricas, vitrocerámicas convencionales, hornos, ventiladores de aire caliente, sistemas de desescarche, etc. (Fig.1).

La potencia activa es la potencia eléctrica capaz de transformarse en movimiento o en calor, y es por tanto una potencia útil. La potencia activa se consume en las resistencias.

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Para hornear una pizza se necesitan 20 minutos según las instrucción de cocción indicadas en el envase. Si disponemos de un horno de 2 kW de potencia, ∂cuántas kcal absorberá la

















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La potencia y la energía reactiva En unidades didácticas anteriores hemos visto que las bobinas eléctricas crean un campo magnético que evidentemente necesita energía para existir. La energía reactiva es la que absorben las bobinas para mantener sus campos magnéticos y no se puede transformar ni en movimiento ni en calor. ∂Sabrías ahora diferenciar entre energía activa y energía reactiva? La cuantificación de energía reactiva por unidad de tiempo es la potencia react reactiiva. iva. Esta potencia por convenio se mide en voltioamperios reactivos (VAr). La fórmula que relaciona las dos magnitudes es la l a siguiente: DONDE

WQ ⇒ WQ = Q ⋅ t Q= t

Q: Potencia reactiva en voltiamperios reactivos (VAr) o en kilovoltioamperios reactivos (kVAr) t: Tiempo en horas (h) WQ: energía reactiva en voltiamperios reactivos • hora (VArh) o en kilovoltioamperios reactivos • hora (kVArh)

Las bobinas consumen, pues, energía-potencia reactiva pero ∂existe algún elemento que la genere? La respuesta es sí, los condensadores son capaces de generar energía-potencia energía-potencia reactiva y entregarla a la red eléctrica, o bien a las bobinas de la instalación. Fíjate en el esquema representado en la figura 2.



















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El consumo de potencia reactiva es perjudicial para las instalaciones eléctricas; piensa que esto implica una intensidad de corriente mayor y por lo tanto mayores caídas de tensión a la vez que elevados calentamientos en los conductores. Sin embargo, recuerda que el mundo electrotécnico es inductivo (motores, transformadores, líneas, etc.) lo que supone consumos de potencia reactiva importantes que se deben atenuar de alguna forma, como veremos más adelante.

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m

La bobinas consumen potencia reactiva para mantener el campo magnético. Esta energía no se puede transformar ni en movimiento ni en calor.

La potencia total o aparente Un receptor inductivo se representa por un circuito equivalente formado por una resistencia y una bobina. Tal y como hemos visto en los apartados anteriores el receptor consume potencia activa (P) en la resistencia y potencia



















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Evidentemente podemos establecer ahora las relaciones trigonométricas inmediatas de los triángulos rectángulos con lo que ya tendremos relacionadas las potencias. S = P2 + Q2 P cos ϕ = ⇒ P = S ⋅ cosϕ S Q ⇒ Q = S ⋅ senϕ sen ϕ = S Q tgϕ = P

Relación entre las potencias, la tensión y la corriente En los circuitos de corriente alterna, AC, la potencia total absorbida (aparente) es el producto del valor eficaz de la tensión (V) por el valor eficaz de la intensidad de corriente (I). S = V ⋅I Si utilizamos las expresiones trigonométricas que hemos obtenido en el apartado anterior



















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a r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m


Determina las potencias consumidas por un receptor cuyo diagrama fasorial es el siguiente:

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o Resistencia En el caso de una resistencia el ángulo característico es φ = 0≥, puesto que I se encuentra en fase con V. P = S ⋅ cosϕ = V ⋅ I ⋅ cos 0º = V ⋅ I [W ] Q = S ⋅ senϕ = V ⋅ I ⋅ sen 0º = 0 [VAr ] Como puedes observar una resistencia no consume potencia reactiva (Q = 0), luego toda la potencia consumida es potencia activa, por lo que S = P. Por lo tanto el factor de potencia, como ya habrás adivinado es igual a 1. fdp = cosϕ =

P P = =1 S P

o Bobina ideal Una bobina ideal es aquélla cuyo ángulo característico es φ = 90≥, es decir que I retrasa 90≥ con V. P = S ⋅ cos ϕ = V ⋅ I ⋅ cos 90º = 0 [W ] Q = S ⋅ sen ϕ = V ⋅ I ⋅ sen 90º = V ⋅ I [VAr ]



















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o Receptor inductivo Sea un receptor en el que I retrasa φ≥ con V. El elemento consume en este caso tanto potencia activa como reactiva, luego: fdp = cosϕ =

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m

P S

⇒

0 < cos ϕ < 1

El cosφ está comprendido entre 0 y 1. ∂De qué elemento receptor se trataría si el factor de potencia fuese igual a 1? ∂Y si fuese igual a 0? Si fdp fuese igual a 1, se trataría de una resistencia y si fuese igual a 0 sería una bobina ideal.

El fdp mide, en tanto por 1, la parte de potencia que se aprovecha en las instalaciones eléctricas. El fdp ideal es 1, porque supone que toda la potencia absorbida se puede aprovechar para transformarla en movimiento o calor.

En la Tabla 1, podemos ver un resumen de lo visto hasta ahora.





















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Un receptor presenta las siguientes características en su placa: 5 kW 230 V cos ϕ = 0,70 Determina la intensidad que consume, las potencias que absorbe y su diagrama vectorial.





















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Una electroválvula o válvula solenoide está formada, como ya sabes, por una bobina similar a la l a de un contactor. En un catálogo de válvulas podemos ver las siguientes características:

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Interpretación del factor de potencia El fdp es una magnitud fundamental y muy vigilada en las instalaciones eléctricas. Como ya vimos el fdp ideal es 1, porque supone que toda la potencia absorbida será potencia activa. Además el fdp = 1, presenta otra gran ventaja. Vamos a comparar dos instalaciones de igual potencia activa, pero con distinto fdp.

Instalación 1

INSTALACIONES DE IGUAL POTENCIA ACTIVA Y DISTINTO ISTINTO FDP 230 V La corriente consumida es: 4,6 kW P 4.600 W I = = = 40 A cos ϕ = 0,5 V ⋅ cosϕ 230 V ⋅ 0,5





















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Aplicación práctica en las instalaciones eléctricas

r o l a C e

Cuando te acercas a una tienda para comprar una bombilla no pides una bombilla de 500 Ω de resistencia, ya que lo más probable es que no entiendan lo que quieres, la pides de 60, 100 o 200 W; es decir, la pides por su potencia activa. La característica técnica fundamental de cualquier dispositivo eléctrico y piedra angular del diseño electrotécnico es la potencia, principalmente la activa.





















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Determina el factor de potencia (fdp) del compresor anterior, cuando éste trabaja en el punto nominal

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Determinación de la potencia nominal de una instalación En una instalación eléctrica los receptores se agrupan formando circuitos, de tal forma que los receptores que pertenecen a un mismo circuito tengan una característica en común.























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En la Tabla 3, extraída del REBT, puedes ver los valores de estos factores, la potencia prevista por toma y la sección mínima de los conductores, que se deben aplicar en viviendas.























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Ejemplo

Una vivienda presenta 12 enchufes de uso general formando el circuito C2. De-























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Determina la potencia y la intensidad nominal de un circuito de vivienda tipo C4, para alimentar a la lavadora y al lavavajillas.

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