Energía eléctrica. El contador

Es por todos conocida la definición de potencia como la energía consumida o producida por unidad de tiempo.

Para el caso que nos ocupa, nos interesa medir el consumo de energía, por lo que la expresión anterior quedará:

Es decir, nos bastará con conocer la potencia que una instalación consume en cada instante y durante cuánto tiempo la consume. Puesto que la potencia activa la medimos en vatios y el tiempo en horas, tendremos W·h como unidad de consumo de energía eléctrica o en su defecto, si las cantidades son elevadas utilizaremos los múltiplos (1 kWh = 10³ Wh).
El aparato que utilizaremos para tal fin es el contador de inducción, cuya constitución puede verse en la imagen inferior.

Imagen 28: Constitución interna de un contador eléctrico inductivo. Fuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons.

Las partes más destacadas son:

1. Bobina voltimétrica. De hilo fino y de muchas vueltas, conectada en paralelo con la carga.
2. Bobina amperimétrica. De hilo grueso, conectada en serie con la carga.
3. Estator. Confina y concentra el campo magnético.
4. Rotor. Disco de aluminio.
5. Freno magnético del rotor.
6. Eje con tornillo sinfín.
7. Relojes contadores.

El funcionamiento del contador es el siguiente:

Las bobinas de tensión e intensidad generan un flujo magnético debido al paso de la corriente que alimenta a la carga y ese flujo magnético genera en el disco unas corrientes de Foucault. Estas corrientes generan a su vez un flujo magnético en el disco, que por definición es opuesto a la causa que lo origina, provocando el giro del disco.

Cuando el disco comienza a girar, y para evitar que se envale, se dispone de un freno magnético que estabiliza su velocidad de rotación. Las vueltas que da el disco se transmiten al eje, y éste a su vez las transmite a un sistema de engranejes donde quedan registradas en un sistema contador totalizador.

Así pues, las vueltas que da el disco son proporcionales al campo magnético que en él se induce, que a su vez depende de la intensidad y tensión que consume la carga.

Existen distintos tipos de contadores que estudiaremos a continuación. 

Los contadores se conectan de manera similar a como lo hace un vatímetro, pues como ellos, posee una bobina amperimétrica y otra voltimétrica. La imagen muestra el esquema interno de un vatímetro.

Imagen 29: Esquema interno de un vatímetro. Fuente: Elaboración propia.

De aquí en adelante mostraremos el esquema simplificado tal y como se ve en la imagen inferior.

Imagen 30: Conexionado de los bornes de un contador monofásico. Fuente: Elaboración propia.

Puede verse como el aparato tiene seis terminales de conexión y sus correspondientes puentes para la bobina voltimétrica.

Si la instalación consumiera una elevada corriente, entonces la alimentación a la bobina amperimétrica se haría a través de un transformador de intensidad.

Imagen 31: Conexionado de contador monofásico con transformador de intensidad. Fuente: Elaboración propia.

Cuando se trate de sistemas trifásicos equilibrados con neutro, se puede recurrir a un contador monofásico conectado entre una fase y neutro y multiplicar por tres el resultado obtenido, es decir W = 3·W_1.

Imagen 32: Contador monofásico para lectura de energía activa en red trifásica equilibrada. Fuente: Elaboración propia.

En el supuesto de no contar con neutro, entonces utilizaremos un contador monofásico con dos bobinas de intensidad, tal y como se indica en la imagen. En este caso la energía consumida por el sistema será W = √‾3·W_1.

Imagen 33: Contador monofásico con doble bobina en red trifásica equilibrada sin neutro. Fuente: Elaboración propia.

Los dispositivos de los que acabamos de hablar nos permiten una lectura de la enrgía de forma indirecta, es decir, a la lectura la tenemos que aplicar un factor según el caso para conocer la total. Pero si lo que queremos es tomar una lectura directa, entonces deberemos recurrir a un contador trifásico, que básicamente es igual al monofásico solo que en su interior cuenta con un dispositivo doble o triple, es decir, cuenta con dos o tres bobinas y discos que actúan en conjunto sobre un eje que contabiliza la energía consumida.

Si nuestro sistema dispone de neutro, entonces el método de conexión es el que se indica en la imagen.

Imagen 34: Contador trifásico en red trifásica con neutro. Fuente: Elaboración propia.

Para el caso en que la red trifásica no cuente con neutro, entonces usaremos un contador que funciona con el principio del método de Aron, tal y como se ve en la imagen inferior.

Imagen 35: Contador trifásico en red trifásica sin neutro. Fuente: Elaboración propia.

Como puedes imaginar, y al igual que en los casos anteriores, si el sistema consume una corriente superior a la admisible del aparato, podemos recurrir a transformadores de intensidad y en ese caso el contador ya viene preparado para tener en cuenta el factor de relación de transformación, de modo que la lectura que muestre sea la real. 

En primer lugar conviene dejar claro la necesidad de cuantificar la energía reactiva aplicada a una instalación. Como sabrás, solo la potencia activa produce trabajo en las máquinas e instalaciones, pero la existencia de autoinducciones y capacidades en los circuitos provoca que la energía que haya que suministrar a esa instalación sea mayor que la que realmente consume, energía ésta, que las empresas eléctricas tienen que producir y transportar por la red eléctrica. Así pues, aunque nuestra instalación no produzca energía con la potencia reactiva la necesita para su correcto funcionamiento y las eléctricas la cobran, y de qué manera, pues la tienen que producir; esto motiva que se trate por todos los medios de conseguir que el factor de potencia de nuestra instalación sea lo más cercano a la unidad (cos φ = 1).

Sirva como ejemplo para ilustrar lo aquí expuesto la siguiente tabla, en la que se ven reflejadas las penalizaciones por energía reactiva que entraron en vigor el 1 de enero de 2010 (BOE de 31 de diciembre de 2009), en comparación con las anteriores, de 1 de julio de 2009; para potencias contratadas superiores a 15 kW.

Cos φ	€ kvar 31/12/09	€ kvar 01/01/10	Incremento
Cos φ < 0,95 hasta 0,9	0,000013	0,041554	319730%
Cos φ < 0,9 hasta 0,85	0,017018	0,041554	144%
Cos φ < 0,85 hasta 0,8	0,034037	0,041554	22%
Cos φ < 0,8	0,051056	0,062332	22%

Ya se comentó en apartados anteriores que el vatímetro de potencia reactiva era igual que el de activa, con la salvedad de que contaba con resistencias calibradas. Pues bien, de igual manera ocurre con el contador de reactiva. En la imagen se puede ver la constitución interna de un contador monofásico de reactiva.

Imagen 36: Contador monofásico de energía reactiva. Fuente: Elaboración propia.

Si la red es trifásica sin neutro, entonces habrá una resistencia por cada bobina de tensión, tal y como indica la imagen inferior.

Imagen 37: Contador trifásico de reactiva. Fuente: Elaboración propia.

Aunque también es posible contabilizar el consumo con un contador de activa si se modifica el conexionado interno del aparato tal y como se indica en la imagen, siempre que se trate de redes equilibradas.

Imagen 38: Medición de energía reactiva con contador de activa en red trifásica equilibrada sin neutro. Fuente: Elaboración propia.

Para el supuesto de redes trifásicas equilibradas con neutro, podemos proceder de forma similar, es decir, podemos usar un contador de activa, pero en ese caso el conexionado es el que se muestra en la imagen inferior.

Imagen 39: Medición de energía reactiva con contador de activa en red trifásica equilibrada con neutro. Fuente: Elaboración propia.

No te descubro nada nuevo si te digo que el consumo eléctrico a lo largo de las 24 horas del día va cambiando. Como es normal, durante los periodos de luz la actividad de las personas y de las industrias es mucho mayor que durante la noche. Como imaginarás las empresas eléctricas tienen que adaptarse a esas necesidades de los consumidores. Esto nos lleva a pensar que habrá centrales que tengan que ponerse en funcionamiento o pararse según las exigencias del momento, o incluso modificar su producción. Esto es más fácil decirlo que hacerlo, pues si bien una central hidroeléctrica puede pararse o ponerse en funcionamiento en apenas quince minutos, no ocurre lo mismo con las centrales térmicas convencionales ni con las nucleares. Así pues, si no pueden parar de producir, ¿qué hacer con ese exceso de electricidad? Hay varias opciones, pero la que a nosotros nos interesa tiene que ver con las ofertas que las eléctricas hacen para fomentar el consumo de los periodos llamados valle, donde la demanda cae notablemente.  

Así pues, si existe la posibilidad de contratar distintos períodos horarios según la tarifa de que se trate, deberemos tener un contador capaz de medir las energías consumidas en cada tramo horario.

La constitución de un contador de tarifa múltiple es similar a la de un contador normal, con la diferencia de tener dos o más totalizadores en su parte visible, donde se van sumando las energías consumidas en cada tramo horario para así aplicarles su correspondiente tarifa. Además, se incorpora un reloj de discriminación horaria que puede ser analógico o digital.

Imagen 41: Contador de doble tarifa. Fuente: Elaboración propia por Jorge de la Encina.

Básicamente, el funcionamiento del contador de tarifa múltiple va a consistir en hacer solidario al eje de giro del contador el disco correspondiente a cada tramo horario y anular los demás, de esta manera en cada totalizador irá sumándose la energía consumida en cada tramo. Para ello, se dispone en el contador de un relé que accionará al disco correspondiente. Eso ocurrirá cuando el reloj programador (en muchos casos es analógico y está activado por un micromotor M) lo active en función de las horas programadas.

Imagen 42: Contador monofásico de doble tarifa. Fuente: Elaboración propia.

De la misma manera, podemos tener contadores de doble tarifa en sistemas trifásicos, siendo la parte correspondiente al reloj y relé igual que en la imagen arriba expuesta.

Y ya para finalizar este tema vamos a hablar de los maxímetros. Existen instalaciones donde puede suceder que en intervalos de tiempo muy breves se esté demandando una potencia mayor que la contratada, si esto sucede, las compañías cobran una cantidad adicional por exceder ese máximo.

Para determinar cuál es la potencia máxima consumida por la instalación, tradicionalmente se han venido utilizando los maxímetros de aguja. Estos dispositivos se construyen formando parte de un contador de activa convencional. Unas ruedas dentadas transmiten el movimiento del disco del contador, por medio de un tornillo sinfín fijado a una aguja de arrastre que se desplaza sobre una escala circular, graduada en kW. Dicha aguja de arrastre empuja a una segunda aguja concéntrica (índice), llamada de lectura, que se mueve libremente en sentido creciente, y que por lo tanto se desplaza siempre hacia valores máximos.
La aguja de arrastre se embraga y desembraga automáticamente cada 15 minutos, tiempo que se conoce como "periodo de integración del maxímetro".
De esta manera, la aguja de arrastre se desplaza hacia valores máximos cada periodo de integración, empujando a la aguja índice, y al final de cada período la aguja queda desembragada, volviendo a la posición cero de la escala. Transcurridos unos segundos, la aguja de arrastre es embragada nuevamente, iniciándose un nuevo período de integración.
Es así como la aguja lectora indica el valor máximo alcanzado durante todos los periodos de integración comprendidos entre dos lecturas. Mensualmente un empleado de la empresa suministradora, anotará el valor máximo registrado, poniendo a cero las agujas lectora y la de arrastre, que quedarán precintadas hasta el mes siguiente.

Imagen 43: Maxímetro. Fuente: Elaboración propia.