Energía y potencia
En primer lugar debemos recordar qué significa energía: «La energía es la capacidad para realizar un trabajo«. En el caso de la energía eléctrica ese trabajo es el que debe hacer el campo eléctrico para desplazar las cargas (electrones) dentro de los conductores. La energía, en unidades del Sistema Internacional, se mide en un Joules, pero por razones prácticas la energía eléctrica se usa frecuentemente el kWh (kilowatt hora) que es el que se ve en las boletas de luz. Ahora bien, para que los aparatos eléctricos que usamos a diario  funcionen correctamente, deben consumir una cierta cantidad de energía por segundo, que la absorben de la línea eléctrica (o sea del tomacorrientes). Ese flujo de energía, es decir esa cantidad de energía consumida cada segundo se denomina potencia eléctrica. La potencia eléctrica se mide en Watts y éste es el número que vemos en todos los aparatos eléctricos, por ejemplo: una lámpara inacandescente de 60W, una estufa 2500W, un televisor 100W. Es decir, la potencia (los watts) nos dan una idea del consumo de energía; si multiplicamos la potencia por el tiempo que tenemos encendido ese aparato obtenemos la energía consumida. Dicho de otra forma, la energía eléctrica consumida E es igual al producto de la potencia activa P y el tiempo t.

 Así, una lámpara de 100W encendida durante 270 horas al mes consume una energía de:

Con lo antes explicado, vemos claramente que cada aparato consume la potencia indicada (nominal) para funcionar con normalidad. Si, por ejemplo, a una lámpara le aportamos menos potencia (reduciendo la tensión) veremos que enciende de forma tenue, con poco brillo o que directamente no enciende. No podemos pretender que con menor potencia ilumine igual que antes. Por lo tanto, para que un aparato producza un trabajo determinado debe consumir una cierta cantidad fija de energía eléctrica. No hay otra. No hay forma de modificar externamente el consumo de un aparato, porque no hay forma de modificar sus requerimientos de energía para poder hacer un trabajo. En resumen: si buscamos que a los electrodomésticos se les suministre menos energía,  lo único se consigue es un mal funcionamiento. Los requerimientos de potencia de los aparatos eléctricos son fijos.

Triángulo de potencias

Los dispositivos eléctricos de corriente alterna (la que llega a nuestros hogares) utilizan la energía de un modo particular:

• Una parte de esa energía es realmente consumida por el aparato para realizar un trabajo, por ejemplo para que el motor de una bomba eleve el agua hasta el tanque, o para calentar el filamento de una lamparita. Esa potencia se conoce como potencia activa, se mide en Watts y se la designa con la letra P.

• Otra parte de la energía tomada de la red no es «gastada» por los aparatos électricos, sino que la fuente (compañia eléctrica) entrega esa energía y el dispositivo la almacena momentáneamente y luego se la devuelve a la fuente.  De esta manera se produce un intercambio de energía entre la fuente y el dispositivo, que en promedio resulta ser cero, por lo que no produce trabajo útil. Esta forma de potencia se conoce como potencia reactiva sólo aparece cuando existen componentes reactivos en el circuito (bobinas o condensadores) y es el flujo de energía almacenada temporalmente en forma de campo eléctrico o magnético en dichos elementos. La potencia reactiva se mide en voltamperes reactivos (VAr) y se designa con la letra Q.

Triángulo de potencias.

Lo dicho hasta aquí se puede visualizar en el triángulo de potencias. Si graficamos a la potencia activa P como el cateto horizontal y a la reactiva Q como el cateto vertical, se obtiene la composición de ambas: la hipotenusa S o potencia aparente, que es un número complejo, y se mide en voltamperes (VA).

El ángulo φ del triángulo nos dice cuánta potencia reactiva «pide» una instalación eléctrica o un dispositivo en particular. A mayor φ, mayor Q. El coseno del ángulo φ se denomina factor de potencia  y por trigonometría podemos ver que es relación entre el cateto adyacente (la potencia activa P) y la hipotenusa (la magnitud de la potencia aparente S) :

El factor de potencia es un indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. Es      una magnitud adimensional y puede tomar valores entre cero y uno (0 ≤ fdp ≤ 1). Nos da una medida de cuánta de la energía absorbida va a ser convertida en trabajo.  Si una carga (se llama carga a un dispositivo conectado a la red eléctrica) tiene Q nulo o muy pequeño, entonces el ángulo φ se aproxima a 0º y el  factor de potencia se acerca a uno (porque el cos(0º)=1). Estas cargas con fdp≈1 utilizan mejor la potencia entregada. Por ejemplo, un factor de potencia de 0,95 nos indica que, del total de la energía abastecida por la empresa distribuidora, sólo el 95% de la energía es utilizada por el usuario, mientras que el 5% restante es energía que se desaprovecha. Las cargas con fdp bajos consumen mucha Q, (el ángulo φ es grande) y se dice que la carga es reactiva. Estos tipos de cargas desaprovechan mucho la energía eléctrica.

En la industria y en el hogar, tenemos todo tipo de aparatos eléctricos que consumen de los dos tipos de potencia P y Q, cada uno aportaría lo propio alargando uno y otro cateto. Así, una lámpara incandescente, un calentador de agua o una estufa, sólo consumen potencia activa P (son resistivos puros) y sólo modifican el largo de P (en rojo);  mientras que los tubos fluorescentes, los aparatos con motor como ventiladores, acondicionadores, bombas de agua, al poseer bobinas, además de consumir potencia activa P consumen potencia reactiva Q, por lo tanto alargan un poco el lado Q y otro tanto al lado P. Es decir que los motores y tubos fluorescentes, empeoran el factor de potencia, alejándolo cada vez más del valor ideal de uno.

Afortunadamente, a los clientes hogareños las empresas de energía nos cobran únicamente la energía activa (asociada con P) y no la energía reactiva (asociada con Q). A los clientes industriales se les cobran las dos energías y se les exige que mantengan un factor de potencia por encima de 0,96. Esto es así porque con un fdp bajo, por los cables circulan corrientes muy grandes y esto representa pérdidas de energía y de dinero para la empresa. Pero, ¿cómo hace la industria para corregir el factor de potencia a los valores exigidos?

Bueno, hay algo que no contamos todavía. La potencia reactiva Q puede tomar valores positivos o negativos, dependiendo del tipo de carga. Suena raro que una potencia sea negativa y parece no tener significado físico, pero debemos recordar que dijimos que la potencia aparente S es un número complejo. Las cargas inductivas como los motores requieren potencia reactiva Q positiva, mientras que las cargas capacitivas requieren potencia reactiva negativa. Otra forma de decirlo sería que las cargas inductivas «piden» potencia reactiva y las cargas capacitivas «aportan» potencia reactiva. Esto es la base de la corrección del factor de potencia. En instalaciones donde hay muchos motores, la potencia reactiva Q es grande, lo que empeora el factor de potencia. Si se conecta una cierta cantidad de capacitores en esa instalación, éstos podrían aportar potencia reactiva de signo opuesto, contrarrestándola.



Veamos esto en el triángulo de potencias. En una instalación con motores funcionando se tiene una gran potencia reactiva +Q que, como dijimos, aumenta el ángulo φ, y achica al factor de potencia, lo cual no es querido, pues provoca los problemas antes mencionados.




Para corregir esos inconvenientes se colocan uno o varios capacitores en paralelo en la instalación de manera de que su «consumo negativo» de potencia reactiva (o aporte) produzca una reducción neta de la potencia reactiva Q total. En azul se ve la potencia reactiva +Q que consume la instalación. En violeta, la potencia reactiva del capacitor, que es de signo opuesto a la de la instalación.                         

Al restarse una con la otra, se produce como resultado la línea de color marrón, la resultante y como vemos es de menor valor que la potencia reactiva Q original.

                             

Hay que dejar en claro que en ningún momento ningún dispositivo consume menos potencia reactiva. La potencia reactiva que necesita un motor o un electrodoméstico es la que es y no puede modificarse. Cada dispositivo conectado sigue absorbiendo la misma cantidad de potencia reactiva, pero, como luego conectamos un banco de capacitores, éstos contrarrestan el efecto de esos dispositivos ya que suman potencia reactiva negativa. Así, que lo que estamos modificando es la potencia reactiva que «ve»  la empresa de energía que le estamos pidiendo. Compensando la potencia reactiva estamos reduciendo el ángulo φ y hacemos al fdp de la instalación más cercano a la unidad.

Dijimos que una gran potencia reactiva es perjudicial para las instalaciones. Veamos por qué. Si bien, la potencia reactiva Q no representa trabajo realizado, el problema con ella es que hace que se necesite una corriente mayor por los conductores. Es importante que factor de potencia sea muy cercano a la unidad, para que Q sea chica, de lo contrario se producen algunos problemas que tienen que ver con la instalación eléctrica. La potencia aparente S aumenta con Q, según el teorema de Pitágoras: 

Pero, la potencia aparente S se puede calcular como el producto de la tensión V y la corriente I:

Si reemplazamos S en la expresión del factor de potencia:

Nos queda:

Pero, como el voltaje V es fijo en 220V, podemos despejar el valor de la corriente I:

Es decir, la corriente de una instalación depende de forma inversamente proporcional al factor de potencia. Con el máximo factor de potencia (fdp=1) se tendría la corriente mínima por los cables, pero si el factor de potencia es cada vez menor (0<fdp<1) la corriente se haría cada vez mayor. Las corrientes grandes son indeseables porque los cables de las líneas de transmisión deben soportar esa gran a corriente y para ello deberían ser de gran diámetro, lo cual encarecería su costo por tener más cobre. Pero eso no es todo, los generadores y transformadores de la compañía eléctrica también deben sobredimensionarse para aportar la potencia aparente S necesaria. Y el peor de los problemas son las pérdidas por efecto Joule, donde parte de la energía generada se termina disipando como calor en los conductores y a mayores corrientes mucho mayores son las pérdidas.

Tan sólo un condensador ..

Pues, volviendo al tema en cuestión, con lo dicho anteriormente dejamos claro que estos ahorradores no pueden reducir los requerimientos de energía de nuestros electrodomésticos. En cuanto a lo de producir un ahorro, hay testimonios de personas y organizaciones de defensa del consumidor que han probado los dispositivos ahorradores de energía y no han notado ningún ahorro. ¿Entonces qué es lo que hacen estos aparatos? El despiece de uno de estos dispositivos nos devela el «misterioso mecanismo» que permite los mágicos ahorros en el hogar.

Interior de un «ahorrador» de energía.

En el interior del supuesto ahorrador nos encontramos con una plaqueta cuya única funciónes alimentar dos leds que quedan siempre encendidos haciendo las veces de luz piloto en el frente  y que no cumplen otra función que mostrar que el aparato está enchufado. La cajita de negro con inscripciones en blanco de la parte superior es un condesador  de 12μF. Eso es todo. Los fabricantes venden un simple capacitor como innovador dispositivo de ahorro de energía. No hay ninguna tecnología digital, ni funcionamiento inteligente, ni nada novedoso ahí adentro. Además, ese condensador  se puede comprar por un precio menor de 1€ en cualquier tienda de componetes eléctronicos, pero  no por los 40 € o más que piden por internet.  ¡Menos aún por lo que cuesta en las teletiendas! 

La idea detrás de colocar un condensador en la instalación eléctrica, viene de la técnica de corrección del factor de potencia de cargas reactivas. El factor de potencia es un indicador del aprovechamiento de la energía eléctrica. Es un número entre cero y uno (0 ≤ fdp ≤ 1) y  nos da una medida de cuánta de la energía absorbida va a ser convertida en trabajo. Las cargas con bobinas, como los motores y tubos fluorescentes, tienden a desaprovechar la energía, es decir empeoran el factor de potencia (lo hacen más pequeño).  Por ejemplo, si una fábrica trabajara con factor de potencia de 0,70 nos indica que, del total de la energía suministrada por la distribuidora, sólo el 70% de la energía es utilizada, mientras que el 30% restante es energía que se desaprovecha. Por este motivo las compañías eléctricas exigen que el factor sea lo más cercano posible a uno.

Las empresas eléctricas les cobran a todos los usuarios la energía activa, que es la que realmente consumen. Pero, a los clientes industriales, además les cobran la energía reactiva. Las distribuidoras de energía miden el factor de potencia de las instalaciones industriales y si ese valor es bajo les aplican multas o sobrecargos. Para evitar esos inconvenientes, las empresas deben corregir el factor de potencia de su instalación mediante grandes bancos de condensadores que actúan automáticamente, conectando el número de condensadores que sean necesarios en cada momento para producir la compensación. Dicho esto, un simple condensador de bajo valor no produciría una corrección apreciable, descartando el uso de estos «ahorradores» a nivel industrial. A nivel domiciliario, las distribuidoras sólo facturan la energía activa consumida (los kWh), no tienen en cuenta el factor de potencia en los hogares, por lo tanto no es necesario corregirlo en los domicilios. Los condensadores aportan parte de la potencia reactiva que necesitan las bobinas (de un motor, por ejemplo). Tener un condensador conectado todo todo el tiempo podría corregir el factor de potencia cuando hay un ventilador o un aire acondicionado en marcha, pero lo empeoraría en los momentos en que no haya ningún motor conectado, volviéndose contraproducente. Por eso, tampoco sería útil en una casa una compensación fija como la que hacen estos «ahorradores», en todo caso debería ser controlada como en la industria, según sea lo que tengamos enchufado en cada instante. 

Muchas de las empresas que comercializan estos «ahorradores» grabaron vídeos demostrativos donde  enseñan cómo su producto logra el supuesto ahorro de energía. A continuación, un par de videos, donde quieren mostrar que el «ahorrador» funciona midiendo las corrientes en la línea antes de conectar el ahorrador y después. 

Lo que muestran los videos es cierto, no hay ningún truco, lo que si hay son intenciones de engañar a la gente. Como vimos, los ahorradores no son ni más ni menos que un condensador dentro de una linda caja. El condensador sirve para corregir el factor de potencia. No es casualidad que hicieran la demostración con un motor o con una heladera (que también es un motor) ya que los motores poseen bobinas que, empeoran el factor de potencia. Al conectar el ahorrador/condensador..  voilà… se reduce la corriente por la línea. Otros equipos eléctricos como estufas o lámparas incandescentes, al ser resistivos puros, tienen un factor de potencia de 1. Si la demostración la hubiesen hecho con una lamparita ¡hubiesen medido una corriente mayor después de conectar el condensador! Vamos a demostrar que la compensación hace justamente eso: modifica la corriente por la línea, pero que eso no significa ningún ahorro de billetes. Ya habíamos explicado antes que la corriente es inversamente proporcional al factor de potencia:

En el primer video, con el «ahorrador» desconectado, el vendedor mide la corriente de línea, que es igual a la del motor porque no hay otra cosa conectada y le da 13A. 

Hagamos unos números a modo de ejemplo. Supongamos que el motor del vídeo tiene un factor de potencia de fdp=0,62 y una potencia P=1750W a tensión de línea de U=220V. La corriente por la línea I, resulta:

Luego, conecta el «ahorrador» (condensador para los amigos) y mide una corriente de 9,4A (la mide antes  del condensador). Luego mide la corriente por el motor (después del condensador), pero esta sigue siendo de 13A. Entonces, la adición de un simple capacitor logró una reducción de la corriente en la línea, pero no en el motor (si así fuera, el motor no funcionaría como corresponde).

En realidad, al conectarle el condensador, el factor de potencia del conjunto motor-capacitor, se  hace más cercano a uno, digamos que pasa de valer 0,62 a  0,85. Entonces, ahora tendremos:

Después de conectar el «ahorrador» (es decir el condensador), la corriente medida en la línea se redujo, porque la potencia reactiva del condensadoraporta esa diferencia, pero la corriente del motor sigue siendo la misma. Una reducción de corriente en la línea es muy importante porque, como ya comentamos, reduce la pérdidas en los cables. Pero eso afecta más a la empresa de energía que al usuario residencial. La compensación produce beneficios, pero no a los usuarios domiciliarios, a los que no se les cobra energía reactiva. En este caso el vendedor, al darle el nombre de «ahorrador» a lo que en realidad es un compensador, pretende mostrar algo habitual como es la corrección del factor de potencia, como un invento que nos reportará un ahorro de energía en nuestros hogares, cuando en verdad no es así. 

• Apague por completo los dispositivos que no utiliza. No los deje en stand by( pues esto incrementará su consumo fantasma ).En este sentido puede ser muy útil los  alargadores con un interruptor de corte o simplemente unos simples adaptadores  para un solo enchufe que llevan un interruptor. 
• Sustituya focos comunes y fluorescentes por lámparas ahorradoras de bajo consumo o  mucho mejor de leds  smd. Estos darán el mismo nivel de iluminación, duran 10 veces más y consumen 4 veces menos energía que los comunes.
• Coloque el frigorífico  lejos de fuentes de calor como estufas, calentadores, ventanas al sol, etc. Abra la puerta lo menos posible. Revise los burletes de goma y la correcta posición del termostato.
• En lavadora , no lave pequeñas cantidades o de a una prenda, júntelas y cargue su lavadora con el máximo posible .
• En el lavavajillas  , no lave pequeñas cantidades de vajilla  y cubiertos , júntelas y cargue su lavavajillas  con el máximo posible .
• Planche la mayor cantidad de ropa cada vez. No deje la plancha conectada innecesariamente.
• Mantenga el termostato del aire acondicionado en 25ºC. Cierre puertas y ventanas cuando use el acondicionador de aire. Limpie los filtros por lo menos una vez al mes. Cuando salga de la habitación apáguelo.
• Si tiene un calentador eléctrico dótelo de un cronostato o conectelo solo cuando prevee qeu lo va a nacesitar

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