Vatios frente a voltios amperios

Question

Lo que yo entiendo:

1. En los circuitos simples de corriente continua, es el producto de la corriente y la tensión, de modo que 1 vatio = 1 amperio x 1 voltio
2. Entiendo que un vatio es una unidad de potencia (cambio de energía por unidad de tiempo) que describe la velocidad a la que se puede realizar un trabajo físico
3. La energía reactiva es la energía por la que fluye la corriente y que no es utilizada por la fuente. Aunque no sea utilizada por el destino, el flujo de corriente intermedio provoca pérdidas de transmisión, por lo que es indeseable. De ahí que exista la corrección del factor de potencia y que las compañías eléctricas facturen a los clientes no residenciales por un factor de potencia bajo.

Lo que no entiendo:

1. ¿Es realmente inutilizable la energía reactiva? Supongamos que tengo una bobina magnética en un circuito ficticio de CA, que es puramente capacitivo reactivo, sin ningún componente resistivo. Se trata de un sistema que presenta puramente flujo de potencia reactiva. ¿No produciría la bobina un campo magnético cambiante, que puedo utilizar para desviar un imán cercano (convirtiendo la energía eléctrica en energía cinética)?
2. ¿Son los vatios y los voltios-amperios dimensionalmente equivalentes, al igual que los km/s y las millas/hora?
   1. Si es así, ¿el uso de vatios para denotar la potencia aparente sería "técnicamente correcto" (y simplemente "erróneo por convención")? Si es así, entiendo que se utiliza VA en lugar de W, porque tiene una finalidad "documentadora", al comentar exactamente cómo se pueden utilizar esos vatios. Pero esto suena extraño, porque entonces parece que "no todos los vatios son iguales".

_{(Sé que esta pregunta se ha formulado antes, pero ninguna de las preguntas y respuestas que encontré respondía a los puntos precisos de confusión que tenía).}

Answer 1

Entiendo que un vatio es una unidad de potencia (cambio de energía por unidad de tiempo) que describe la velocidad a la que se puede realizar un trabajo físico

Sí.

La clave para observar es que la energía puede moverse en ambas direcciones. Puede pasar del "suministro" a la "carga", pero también puede pasar de la "carga" al "suministro".

La potencia en un instante determinado se obtiene multiplicando la corriente en ese instante por la tensión en ese instante. En un sistema de corriente continua nuestra vida es sencilla, la tensión es una constante, la corriente es una constante, por lo que la potencia también es una constante.

Sin embargo, en un sistema de CA, la tensión, la corriente y la potencia varían con el tiempo. Por ello, intentamos utilizar la tensión RMS, la corriente RMS y la potencia media para describir nuestros sistemas de CA.

Sin embargo, hay un problema: si la tensión y la corriente son sinusoidales y están en fase entre sí, la potencia media es igual a la corriente RMS por la tensión RMS. Sin embargo, si están desfasados 90 grados, no hay transferencia neta de energía. En dos de los cuatro cuartos de ciclo, la energía fluye de la fuente a la carga. En los otros dos cuartos de ciclo, la energía fluye de la carga a la fuente. La transferencia neta de energía a lo largo del ciclo es cero.

¿Es realmente inutilizable la energía reactiva? Supongamos que tengo una bobina magnética en un circuito de CA ficticio, que es puramente reactivo capacitivo, sin ningún componente resistivo. Presentaría un flujo de potencia puramente reactiva. ¿No produciría la bobina un campo magnético cambiante,

Sí

que puedo utilizar para desviar un imán cercano (convirtiendo la energía eléctrica en energía cinética)?

Lo que se encontraría es que al introducir el imán y colocarle una carga la corriente en la bobina ya no sería puramente reactiva.

¿Son los vatios y los voltios-amperios dimensionalmente equivalentes, como, por ejemplo, los km/s y las millas/hora?

Sí, son dimensionalmente equivalentes, pero por convención utilizamos los vatios para la potencia "real" (media) y para la potencia instantánea, pero no para la potencia "reactiva" o "aparente".

Si es así, ¿el uso de vatios para denotar la potencia aparente sería "técnicamente correcto" (y simplemente "erróneo por convención")? Si es así, entiendo que se utiliza VA en lugar de W, porque tiene una finalidad "documentadora", al comentar exactamente cómo se pueden utilizar esos vatios. Pero esto suena extraño, porque entonces parece que "no todos los vatios son iguales"

La dimensión no es una especificación completa de lo que significa una cantidad. Por ejemplo, tanto los julios como los newton-metros equivalen a kg⋅m 2 ⋅s -2 pero nadie discutiría que el par motor y la energía son la misma cosa.

Answer 2

Lo que entiendes es básicamente correcto. En cuanto a los circuitos de CC, es importante señalar que 1 vatio = 1 amperio x 1 voltio en condiciones de estado estacionario (largo tiempo) cuando los transitorios han desaparecido. En esas condiciones un condensador ideal parece un circuito abierto (no hay flujo de corriente) y un inductor ideal parece un cortocircuito (no hay tensión en el inductor). La única potencia es la disipada en la resistencia.

¿Es realmente inutilizable la energía reactiva?

No. La potencia reactiva hace que se almacene energía en los componentes del circuito reactivo. En cualquier instante la energía almacenada en el campo eléctrico de un condensador es

$$E_{C}(t)=\frac{CV(t)^2}{2}$$

Y la energía almacenada en el campo magnético de un inductor es

$$E_{L}(t)=\frac{LI(t)^2}{2}$$

Esa energía está disponible para realizar trabajo o generar calor. La energía del campo magnético, por ejemplo, es esencial para el funcionamiento del motor. Tú mismo has señalado que puedes utilizar un campo magnético cambiante para desviar un imán (hacer trabajo).

¿Son los vatios y los voltios-amperios dimensionalmente equivalentes, al igual que los km/s y las millas/hora?

Sí. Ambas son unidades de julios/seg. Un voltio es un julio/culombio y un amperio es un culombio por segundo. Las unidades de vatios, ya sean vatios eléctricos o vatios de trabajo mecánico, son julios/segundo.

Si es así, ¿el uso de vatios para denotar la potencia aparente sería "técnicamente correcto" (y simplemente "erróneo por convención")?

No, no sería técnicamente correcto. Ambos tienen unidades de julios/segundo, pero los voltios-amperios no tienen en cuenta ninguna diferencia de fase entre la tensión y la corriente que se produciría con componentes reactivos (inductores, condensadores) en el circuito. Por otro lado, la potencia instantánea en vatios, viene dada por V(t)I(t)cosθ donde θ es el ángulo entre la tensión y la corriente. El ángulo es cero para los circuitos puramente resistivos, por lo que el cos es 1.

Pero esto suena extraño, porque entonces parece que "no todos los vatios son iguales"

Creo que es más preciso decir que "no todos los voltios-amperios se consideran iguales"

El producto de la tensión y la corriente, sin conocer los elementos del circuito, se llama voltio-amperios y no vatios. Si el circuito es puramente resistivo, el voltio-amperio es lo mismo que el vatio.

Se podría decir que todos los vatios son voltio-amperios, pero no todos los voltio-amperios son vatios.

La mayor parte de esto tiene sentido. Pero lo que me preocupa es la idea de utilizar una unidad diferente sólo por el contexto. "Supongo que se podría decir que todos los vatios son voltio-amperios, pero no todos los voltio-amperios son vatios". esto tiene sentido, pero no explica por qué no usamos universalmente "VA", o usamos universalmente "W", y añadimos la estipulación de que queremos decir "vatios aparentes" o "VA resistivos".

Entiendo que esto pueda ser problemático. En primer lugar, las unidades no son diferentes, sino las mismas, es decir, julios/seg. No hay que pensar que las etiquetas "vatios" y "voltio-amperios" son unidades eléctricas. Sólo que "vatios" connota corriente y tensión en fase y se ha asociado tradicionalmente a las cargas resistivas, mientras que "voltio-amperios" lo deja abierto. Creo que el término "voltio-amperio" se utiliza cuando no se dan detalles sobre la tensión y la corriente que atraviesan determinados elementos del circuito. En caso de duda, siempre utilizo el término voltio-amperios, ya que es el más completo.

Espero que esto ayude.

Answer 3

Supongamos que tengo una bobina magnética en un circuito ficticio de corriente alterna, que es puramente capacitiva, sin ningún componente resistivo. Se mostraría el flujo de energía puramente reactiva. ¿No produciría la bobina un campo magnético cambiante, que puedo utilizar para desviar un imán cercano

La bobina debería tener una impedancia puramente inductiva (no capacitiva), sólo que fuera ideal, como un solenoide infinito sin resistencia. Un solenoide real también podría tener una resistencia despreciable, pero irradiaría, por lo que la impedancia se desviaría de la puramente inductiva. Si pones un imán que se pueda mover, la parte resistiva de la impedancia será aún mayor. Básicamente, la transferencia de energía tiene lugar sólo debido a la parte resistiva de la impedancia.

¿Son los vatios y los voltios-amperios dimensionalmente equivalentes, como, por ejemplo, los km/s y las millas/hora?

Sí. La unidad "mecánica" es el W (definido sólo en términos de kg, m y s). Para obtener V y A se necesita la carga eléctrica, el C. Pero cuando se multiplica V*A el C simplemente se pierde.

Si es así, ¿el uso de vatios para denotar la potencia aparente sería "técnicamente correcto"

Rigurosamente, es correcto. En principio, se puede decir que se tiene un condensador ideal, y conducirlo con una corriente alterna con 1 W de producto entre corriente y tensión, aunque no se transfiera energía. Es sólo una unidad de medida. También es necesario aclarar qué son las corrientes y tensiones indicadas: ¿los valores de pico, los de pico a pico o los de "potencia media"? (este último es el valor que da la potencia media). En cualquier caso, es mejor escribir lo que se informa y no basarse en la unidad de medida.

Answer 4

Todo está ya explicado en profundidad, y sólo quiero intentar decir unas palabras sobre las diferentes unidades de uso cotidiano:

1. El vatio (W) se utiliza para caracterizar la potencia [útil] en el lado del consumidor; el kWh mide la energía real utilizada
2. El voltio x amperio (VA, VAR) se utiliza para caracterizar los efectos de la transmisión; los kVARh miden la energía transferida por las líneas eléctricas (en ambas direcciones). La parte del amperio (corriente) tiene en cuenta las pérdidas.

Answer 5

1. Siempre habrá alguna pérdida de potencia en la transmisión, pero cuanto mayor sea la tensión, menor será la pérdida por resistencia. Por eso las compañías eléctricas utilizan líneas de transmisión de alta tensión (7.200 voltios o 14.400 voltios) con transformadores en los puntos de entrega para reducir a la tensión utilizable requerida, 110 V, 220 V, etc. Esta pérdida de energía por resistencia podría utilizarse teóricamente, y no puede ser destruida, simplemente convertida en calor y magnetismo.

2. Dado que voltios por amperios es igual a vatios, voltios por amperios es igual a vatios, son dos formas de decir lo mismo.