Potencia nominal

En ingeniería eléctrica e ingeniería mecánica, la potencia nominal de un equipo es la entrada de energía más alta que se permite que fluya a través de un equipo particular. Según la disciplina particular, el término potencia puede referirse a energía eléctrica o mecánica. Una potencia nominal también puede incluir potencia media y máxima, que pueden variar según el tipo de equipo y su aplicación.

Los límites de potencia generalmente los establecen los fabricantes como guía, protegiendo el equipo y simplificando el diseño de sistemas más grandes, al proporcionar un nivel de operación bajo el cual el equipo no se dañará y al mismo tiempo permite un cierto margen de seguridad.

Tipos de equipos

Equipos disipativos

En el equipo que disipa principalmente la energía eléctrica o la convierte en potencia mecánica, como los resistores y los altavoces, la calificación de potencia dada es generalmente la potencia máxima que puede ser disipada con seguridad por el equipo. La razón habitual de este límite es el calor, aunque en ciertos dispositivos electromecánicos, en particular los altavoces, es prevenir daños mecánicos. Cuando el calor es el factor limitante, la calificación de potencia se calcula fácilmente. Primero, la cantidad de calor que puede ser disipada con seguridad por el dispositivo, ${displaystyle P_{D,max}$, debe ser calculado. Esto está relacionado con la temperatura de funcionamiento máxima segura, la temperatura ambiente o el rango de temperatura en el que se operará el dispositivo y el método de enfriamiento. Si ${displaystyle T_{D,max}$ es la temperatura de funcionamiento máxima segura del dispositivo, ${displaystyle T_{A}$ es la temperatura ambiente y ${displaystyle theta _{DA}$ es la resistencia térmica total entre el dispositivo y el ambiente, entonces la disipación máxima del calor es dada por

${displaystyle P_{D,max}={frac {T_{D,max}-T_{A}{theta - Sí.$

Si toda la energía de un dispositivo se disipa en forma de calor, esta también es la potencia nominal.

Equipos mecánicos

Los equipos generalmente se clasifican según la potencia que entregarán, por ejemplo, en el eje de un motor eléctrico o hidráulico. La entrada de energía al equipo será mayor debido a que el dispositivo tiene menos del 100% de eficiencia. La eficiencia de un dispositivo a menudo se define como la relación entre la potencia de salida y la suma de la potencia de salida y las pérdidas. En algunos tipos de equipos es posible medir o calcular las pérdidas directamente. Esto permite calcular la eficiencia con mayor precisión que el cociente entre la potencia de entrada y la potencia de salida, donde una incertidumbre de medición relativamente pequeña afectará en gran medida la eficiencia calculada resultante.

Equipos de conversión de energía

En dispositivos que principalmente convierten entre diferentes formas de energía eléctrica, como transformadores, o la transportan de un lugar a otro, como líneas de transmisión, la potencia nominal casi siempre se refiere al flujo máximo de energía a través del dispositivo, no a la disipación. dentro de ella. La razón habitual para el límite es el calor, y la disipación máxima de calor se calcula como se indica arriba.

Las potencias nominales generalmente se dan en vatios para potencia real y voltamperios para potencia aparente, aunque para dispositivos destinados a ser utilizados en grandes sistemas de energía, ambos pueden darse en un sistema por unidad. Los cables generalmente se clasifican según su voltaje máximo y su ampacidad. Como la potencia nominal depende del método de refrigeración, se pueden especificar diferentes clasificaciones para refrigeración por aire, refrigeración por agua, etc.

Promedio versus máximo

Para dispositivos que funcionan con CA (por ejemplo, cable coaxial, altavoces), puede haber incluso dos clasificaciones de potencia, una clasificación de potencia máxima (pico) y una clasificación de potencia promedio. Para tales dispositivos, la potencia nominal máxima generalmente especifica la baja frecuencia o energía de pulso, mientras que la potencia nominal promedio limita el funcionamiento de alta frecuencia. La clasificación de cálculo de potencia promedio depende de algunas suposiciones sobre cómo se utilizará el dispositivo. Por ejemplo, el método de clasificación EIA para altavoces utiliza una señal de ruido conformada que simula la música y permite una excursión máxima de 6 dB, por lo que una clasificación EIA de 50 vatios corresponde a una clasificación máxima de 200 vatios.

Calificación continua máxima

Clasificación continua máxima (MCR) se define como la potencia máxima (MW) que una central generadora de energía eléctrica es capaz de producir de forma continua en condiciones normales durante un año. En condiciones ideales, la producción real podría ser mayor que el MCR.

Dentro del transporte marítimo, los barcos suelen operar con la calificación continua nominal (NCR), que es el 85 % del 90 % de MCR. El MCR del 90% suele ser la producción contractual para la que está diseñada la hélice. Por tanto, la producción habitual con la que operan los buques oscila entre el 75% y el 77% del MCR.

Otras definiciones

En algunos campos de la ingeniería, se utiliza incluso un conjunto más complejo de potencias nominales. Por ejemplo, los motores de los helicópteros están clasificados para potencia continua (que no tiene restricción de tiempo), potencia nominal de despegue y vuelo estacionario (definida como operación de media a una hora), potencia máxima de contingencia (que puede mantenerse durante dos o tres minutos), y potencia nominal de emergencia (medio minuto).

Para los motores eléctricos, un tipo de información similar se transmite mediante el factor de servicio, que es un multiplicador que, cuando se aplica a la potencia de salida nominal, proporciona el nivel de potencia que un motor puede mantener durante períodos de tiempo más cortos.. El factor de servicio suele estar en el rango de 1,15 a 1,4, siendo la cifra más baja para los motores de mayor potencia. Por cada hora de funcionamiento a la potencia nominal ajustada por el factor de servicio, un motor pierde de dos a tres horas de vida útil a potencia nominal, es decir, su vida útil se reduce a menos de la mitad para un funcionamiento continuo a este nivel. El factor de servicio se define en la norma ANSI/NEMA MG 1 y se utiliza generalmente en los Estados Unidos. No existe una norma IEC para el factor de servicio.

Exceder la potencia nominal de un dispositivo por más del margen de seguridad establecido por el fabricante generalmente daña el dispositivo al hacer que su temperatura de funcionamiento exceda los niveles seguros. En los semiconductores pueden producirse daños irreparables muy rápidamente. Superar la potencia nominal de la mayoría de dispositivos durante un periodo de tiempo muy corto no es perjudicial, aunque hacerlo de forma regular en ocasiones puede provocar daños acumulativos.

Las clasificaciones de potencia para aparatos eléctricos y líneas de transmisión son función de la duración de la carga propuesta y la temperatura ambiente; una línea de transmisión o un transformador, por ejemplo, pueden soportar una carga significativamente mayor en climas fríos que en climas cálidos. Las sobrecargas momentáneas, que provocan altas temperaturas y deterioro del aislamiento, pueden considerarse una compensación aceptable en situaciones de emergencia. La potencia nominal de los dispositivos de conmutación varía según el voltaje del circuito y la corriente. En determinadas aplicaciones aeroespaciales o militares, un dispositivo puede tener una calificación mucho más alta que la que se aceptaría en dispositivos destinados a funcionar durante una vida útil prolongada.

Ejemplos

Amplificadores de audio

Las clasificaciones de potencia de los amplificadores de audio generalmente se establecen llevando el dispositivo bajo prueba hasta el inicio del recorte, a un nivel de distorsión predeterminado, variable según el fabricante o por línea de producto. Llevar un amplificador a niveles de distorsión del 1% producirá una clasificación más alta que llevarlo a niveles de distorsión del 0,01%. De manera similar, probar un amplificador en una sola frecuencia de rango medio, o probar solo un canal de un amplificador de dos canales, producirá una calificación más alta que si se prueba en todo el rango de frecuencia previsto con ambos canales funcionando. Los fabricantes pueden utilizar estos métodos para comercializar amplificadores cuya potencia máxima publicada incluye cierta cantidad de recorte para mostrar números más altos.

Por ejemplo, la Comisión Federal de Comercio (FTC) estableció un sistema de clasificación de amplificadores en el que el dispositivo se prueba con ambos canales activados en todo su rango de frecuencia anunciado, sin superar su nivel de distorsión publicado. Sin embargo, el sistema de clasificación de la Asociación de Industrias Electrónicas (EIA) determina la potencia del amplificador midiendo un solo canal a 1000 Hz, con un nivel de distorsión del 1% (1% de recorte). El uso del método EIA califica un amplificador entre un 10 y un 20% más que el método FTC.

Módulos fotovoltaicos

La potencia nominal de un módulo fotovoltaico se determina midiendo la corriente y el voltaje mientras se varía la resistencia bajo una iluminación definida. Las condiciones están especificadas en normas como IEC 61215, IEC 61646 y UL 1703; En concreto, la intensidad de la luz es de 1000 W/m², con un espectro similar al de la luz solar que incide sobre la superficie terrestre en la latitud 35° N en verano (masa de aire 1,5) y la temperatura de las células. a 25°C. La potencia se mide mientras se varía la carga resistiva en el módulo entre circuito abierto y cerrado.

La potencia máxima medida es la potencia nominal del módulo en Watts. Coloquialmente, esto también se escribe como "W_p"; este formato es coloquial ya que se sale del estándar al agregar sufijos a las unidades estandarizadas. La potencia nominal dividida por la potencia lumínica que incide sobre el módulo (área x 1000 W/m²) es la eficiencia.