12.3: Medición de Potencia

La medición de potencia en los circuitos de CA puede ser bastante más compleja que con los circuitos de CC por la simple razón de que el desplazamiento de fase complica la materia más allá de multiplicar el voltaje por las cifras de corriente obtenidas con medidores. Lo que se necesita es un instrumento capaz de determinar el producto (multiplicación) de voltaje y corriente instantáneos. Afortunadamente, el movimiento común del electrodinamómetro con su bobina estacionaria y móvil hace un buen trabajo de esto.

La medición de potencia trifásica se puede lograr usando dos movimientos de dinamómetro con un eje común que une las dos bobinas móviles entre sí para que un solo puntero registre la potencia en una escala de movimiento de medidor. Esto, obviamente, convierte en un mecanismo de movimiento bastante costoso y complejo, pero es una solución viable.

Un ingenioso método para derivar un medidor electrónico de potencia (uno que genera una señal eléctrica que representa la potencia en el sistema en lugar de simplemente mover un puntero) se basa en el efecto Hall. El efecto Hall es un efecto inusual observado por primera vez por E. H. Hall en 1879, mediante el cual se genera una tensión a lo largo de la anchura de un conductor portador de corriente expuesto a un campo magnético perpendicular: (Figura abajo)

Efecto Hall: El voltaje es proporcional a la corriente e intensidad del campo magnético perpendicular.

El voltaje generado a través del ancho del conductor plano y rectangular es directamente proporcional tanto a la magnitud de la corriente a través de él como a la intensidad del campo magnético. Matemáticamente, es un producto (multiplicación) de estas dos variables. La cantidad de “Voltaje Hall” producido para cualquier conjunto dado de condiciones también depende del tipo de material utilizado para el conductor plano y rectangular. Se ha encontrado que los materiales “semiconductores” especialmente preparados producen un voltaje Hall mayor que los metales, por lo que los modernos dispositivos de Efecto Hall están hechos de estos.

Tiene sentido entonces que si tuviéramos que construir un dispositivo usando un sensor de efecto Hall donde la corriente a través del conductor fuera empujada por voltaje de CA desde un circuito externo y el campo magnético fuera configurado por un par o bobinas de alambre energizadas por la corriente del circuito de alimentación de CA, el voltaje Hall estaría en directo proporción al múltiplo de corriente y voltaje del circuito. Al no tener masa para mover (a diferencia de un movimiento electromecánico), este dispositivo es capaz de proporcionar medición instantánea de potencia: (Figura a continuación)

El sensor de potencia de efecto Hall mide la potencia instantánea.

No solo el voltaje de salida del dispositivo de efecto Hall será la representación de la potencia instantánea en cualquier momento, ¡sino que también será una señal de CC! Esto se debe a que la polaridad del voltaje Hall depende tanto de la polaridad del campo magnético como de la dirección de la corriente a través del conductor. Si tanto la dirección de la corriente como la polaridad del campo magnético revierten, como siempre lo haría en medio ciclo de la alimentación de CA, la polaridad del voltaje de salida seguirá siendo la misma.

Si el voltaje y la corriente en el circuito de alimentación están desfasados 90 ^o (un factor de potencia de cero, lo que significa que no se entrega potencia real a la carga), los picos alternos de la corriente del dispositivo Hall y el campo magnético nunca coincidirán entre sí: cuando uno está en su pico, el otro será cero. En esos momentos, el voltaje de salida Hall será igualmente cero, siendo el producto (multiplicación) de la corriente y la intensidad del campo magnético. Entre esos puntos en el tiempo, el voltaje de salida Hall fluctuará por igual entre positivo y negativo, generando una señal correspondiente a la absorción instantánea y liberación de energía a través de la carga reactiva. El voltaje de salida de CC neto será cero, lo que indica cero potencia verdadera en el circuito.

Cualquier desplazamiento de fase entre voltaje y corriente en el circuito de potencia inferior a 90 ^o dará como resultado un voltaje de salida Hall que oscila entre positivo y negativo, pero pasa más tiempo positivo que negativo. En consecuencia habrá un voltaje de salida de CC neto. Condicionado a través de un circuito de filtro de paso bajo, este voltaje de CC neto se puede separar de la CA mezclada con él, la señal de salida final registrada en un movimiento sensible del medidor de CC.

A menudo es útil tener un medidor para totalizar el uso de energía durante un período de tiempo en lugar de instantáneamente. La salida de dicho medidor se puede establecer en unidades de Julios, o energía total consumida, ya que la potencia es una medida del trabajo que se realiza por unidad de tiempo. O, más comúnmente, la salida del medidor se puede configurar en unidades de vatios-hora.