¿Cuáles son los usos de la impedancia, el factor de potencia y el ángulo de fase en corriente alterna? ¿Cuál es la relación entre estos factores?

El papel y la relación de la impedancia, el factor de potencia y el ángulo de fase en la corriente alterna

En el análisis de circuitos de CA, la impedancia, el factor de potencia y el ángulo de fase son tres conceptos básicos, cada uno de los cuales tiene un propósito específico y una estrecha relación entre sí.

Impedancia

La impedancia es un parámetro integral que describe la resistencia, inductancia y capacitancia del circuito de CA para obstaculizar el flujo de corriente. Se compone de resistencia (R), reactancia inductiva (XL) y reactancia capacitiva (XC), pero no se suman simplemente, sino que su suma vectorial es en 2. La unidad de impedancia es ohmio (Ω), y el tamaño de la impedancia está relacionado con la frecuencia en el circuito, cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la reactancia capacitiva, mayor será la reactancia inductiva; y viceversa. El valor de la impedancia cambia con la frecuencia, lo cual es crucial para entender y diseñar circuitos de CA.

Factor de potencia

El factor de potencia es la relación entre la potencia activa (P) y la potencia aparente (S) en un circuito de CA, generalmente expresado como cosφ. El factor de potencia refleja la proporción de la potencia real consumida en un circuito a la máxima potencia que el circuito puede proporcionar. Idealmente, el factor de potencia es 1, lo que indica que el circuito está perfectamente emparejado y no hay pérdida de potencia reactiva. Cuando el valor es inferior a 1, indica la pérdida de potencia reactiva y reduce la eficiencia de la red. El ángulo de factor de potencia (φ) es la tangente inversa del factor de potencia cosφ, generalmente entre -90 grados y +90 grados, indicando la diferencia de fase entre corriente y voltaje.

Ángulo de fase

El ángulo de fase es la diferencia de fase entre las formas de onda de voltaje y corriente, generalmente denotado por θ. En un circuito de CA, tanto el voltaje como la corriente son formas de onda sinusoidales, y la diferencia de fase determina el flujo de energía en el circuito. Cuando el voltaje y la corriente están en fase, la diferencia de fase es 0 grados, y la potencia es máxima. Cuando el voltaje lleva a la corriente por 90 grados o se retrasa por 90 grados, corresponde a la potencia reactiva y a la carga inductiva o capacitiva, respectivamente. El ángulo de impedancia (φ) es en realidad el ángulo de factor de potencia, que es la diferencia de ángulo entre el voltaje y el fasor de corriente, y para los componentes de impedancia (como resistencias, inductores y capacitores), el ángulo de impedancia es igual al ángulo de factor de potencia.

Resumen de la relación

Existen las siguientes relaciones entre la impedancia, el factor de potencia y el ángulo de fase:

La impedancia (Z) es la cantidad compleja de voltaje y corriente en el circuito, incluyendo la suma vectorial de resistencia, reactancia inductiva y reactancia capacitiva, reflejando la obstrucción total del circuito a la corriente.

El factor de potencia (cosφ) es el valor coseno del ángulo de impedancia, indicando la relación de la potencia activa a la potencia aparente, reflejando la eficiencia del circuito.

El ángulo de fase (θ o φ) es la diferencia de fase entre las formas de onda de voltaje y corriente, que determina el flujo de energía del circuito y es la encarnación específica del ángulo de factor de potencia.

Comprender estos conceptos ayuda a analizar y optimizar el diseño de circuitos de CA, mejorar la eficiencia energética y reducir la pérdida de potencia reactiva.