Conversor voltios a watts AC/DC: fórmula para monofásico, trifásico y con FP

Este artículo detalla fórmulas para convertir voltios a vatios en AC y DC monofásico trifásico.

Incluye ejemplos prácticos, tablas y referencias normativas para aplicaciones industriales y residenciales monofásicas trifásicas confiables

Fundamentos eléctricos: relación entre voltaje, corriente y potencia

La conversión entre voltios (V) y vatios (W) no es directa: requiere conocer la corriente (I) y, en AC, el factor de potencia (cos φ).

Explicar las fórmulas y variables permite dimensionar conductores, protecciones y equipos con precisión normativa.

Conceptos básicos

• Voltaje (V): diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, medida en voltios.
• Corriente (I): flujo de carga eléctrica, medida en amperios (A).
• Potencia aparente (S): en AC, S = V × I (VA), representa la combinación de potencia activa y reactiva.
• Potencia activa (P): potencia útil convertida en trabajo o calor, medida en vatios (W).
• Potencia reactiva (Q): componente que no realiza trabajo pero afecta el circuito, medida en VAr.
• Factor de potencia (cos φ): coseno del ángulo entre tensión y corriente, 0 ≤ cos φ ≤ 1 para cargas típicas.

Fórmulas fundamentales para conversión Voltios ↔ Vatios

Presento las fórmulas esenciales según el tipo de corriente y configuración.

Corriente continua (DC)

En DC la relación es directa:

P = V × I

Variables:

• P: potencia en vatios (W).
• V: tensión en voltios (V).
• I: corriente en amperios (A).

Valores típicos: baterías de 12 V, 24 V, 48 V; corrientes desde miliamperios hasta cientos de amperios.

Alterna monofásica (AC monofásica)

Para AC monofásica con factor de potencia conocido:

P = V × I × cos φ

Variables:

• P: potencia activa (W).
• V: tensión eficaz entre fases o fase-neutro según circuito (V).
• I: corriente eficaz (A).
• cos φ: factor de potencia (adimensional).

Valores típicos: tensión residencial 230 V, corrientes desde 0.1 A hasta decenas de amperios, cos φ entre 0.6 y 1 según carga.

Alterna trifásica (AC trifásica equilibrada)

Para sistemas trifásicos equilibrados en tensión de línea (V_L) e intensidad de línea (I_L):

S = √3 × V_L × I_L (potencia aparente en VA)

P = √3 × V_L × I_L × cos φ (potencia activa en W)

Variables:

• S: potencia aparente (VA).
• P: potencia activa (W).
• V_L: tensión de línea a línea (V).
• I_L: corriente de línea (A).
• cos φ: factor de potencia.

Valores típicos: sistemas industriales 400 V/690 V (línea), corrientes desde unidades hasta miles de amperios.

Formularios inversos: calcular corriente o tensión a partir de potencia

Para diseño es habitual conocer la potencia y calcular la corriente o la tensión necesaria.

Calcular corriente en DC

I = P / V

Calcular corriente en AC monofásica

I = P / (V × cos φ)

Calcular corriente en AC trifásica

I_L = P / (√3 × V_L × cos φ)

Tablas de valores comunes

Análisis del factor de potencia y su influencia

El factor de potencia afecta directamente la corriente requerida para una potencia dada y, por tanto, el dimensionamiento de cables y protecciones.

Implicaciones prácticas

• Para una misma potencia activa P, una disminución del cos φ provoca aumento de I.
• Un bajo cos φ incrementa las pérdidas en conductores (I²R) y la carga de transformadores.
• Compensación con bancos de condensadores reduce Q y mejora cos φ, optimizando capacidad instalada.

Ejemplos prácticos desarrollados (casos completos)

Se presentan ejemplos con desarrollo paso a paso, validando normas y unidades.

Ejemplo 1: circuito DC — fuente 48 V, carga 10 A

Datos:

• V = 48 V (DC)
• I = 10 A
• 求P = ?

Cálculo:

P = V × I = 48 × 10

Resultado:

P = 480 W

Interpretación y verificación:

• La potencia activa consumida por la carga es 480 W.
• Si el sistema dispone de batería de 48 V y 100 Ah: energía disponible ≈ 48 × 100 = 4800 Wh, por tanto autonomía teórica ≈ 10 horas a 480 W (sin considerar pérdidas).
• Normativa y seguridad: dimensionar conductores según IEC/UNE o normativa local (por ejemplo, REBT en España) verificando I ≤ capacidad admisible del conductor.

Ejemplo 2: monofásico AC — electrodoméstico 230 V, potencia nominal 2 kW, cos φ 0.95

Datos:

• P = 2000 W
• V = 230 V (eficaz)
• cos φ = 0.95
• 求I = ?

Cálculo de corriente:

I = P / (V × cos φ) = 2000 / (230 × 0.95)

Operación numérica:

Denominador = 230 × 0.95 = 218.5
I = 2000 / 218.5 ≈ 9.157 A

Resultados y consideraciones:

• Corriente eficaz aproximada I ≈ 9.16 A.
• Seleccionar protección (interruptor automático) normalmente superior a la corriente nominal, p. ej. 16 A, teniendo en cuenta condiciones de arranque.
• Comprobar caída de tensión en la línea: para longitudes significativas calcular V_drop = I × R_line y verificar límites normativos.

Ejemplo 3: trifásico AC equilibrado — motor 15 kW, V_L = 400 V, cos φ = 0.85

Datos:

• P = 15 000 W
• V_L = 400 V (línea a línea)
• cos φ = 0.85
• 求I_L = ?

Cálculo:

I_L = P / (√3 × V_L × cos φ)

Números:

√3 ≈ 1.732
Denominador = 1.732 × 400 × 0.85 = 1.732 × 340 = 588.88 (aprox)
I_L = 15000 / 588.88 ≈ 25.48 A

Resultados y recomendaciones:

• Corriente de línea I_L ≈ 25.5 A.
• Seleccionar cable y protección: por ejemplo, conductor con capacidad ≥ 32 A según tablas de norma, considerar temperatura ambiente y agrupamiento.
• Si el motor tiene corriente de arranque elevada, verificar que el transformador y la red soportan la inrush current y que el relé/contactor sea adecuado.

Ejemplo 4: cálculo inverso — dimensionar tensión necesaria para una carga trifásica

Escenario:

• Necesitamos alimentar P = 50 kW con corriente máxima I_L ≤ 80 A y cos φ = 0.9.
• 求V_L mínimo que cumpla I_L ≤ 80 A.

Partimos de:

V_L = P / (√3 × I_L × cos φ)

Sustituyendo:

V_L = 50000 / (1.732 × 80 × 0.9)
Denominador = 1.732 × 72 = 124.704
V_L ≈ 50000 / 124.704 ≈ 401.0 V

Interpretación:

• Se requiere ≈ 400 V línea a línea. Un sistema trifásico estándar de 400 V cumple.
• Si la tensión disponible fuera 230 V (monofásica), la corriente sería mucho mayor y poco viable.

Verificación normativa y seguridad

Las fórmulas permiten el cálculo, pero deben aplicarse respetando reglamentos de instalación y normas de dimensionamiento.

Normas y documentos de referencia

• IEC 60364 — Instalaciones eléctricas de edificios: principios generales de diseño y seguridad. (https://www.iec.ch)
• NFPA 70 (NEC) — National Electrical Code: reglas para instalaciones eléctricas en EE. UU. (https://www.nfpa.org/nec)
• IEEE Std 141 — Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants. (https://www.ieee.org)
• REBT (Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión) — España: normas sobre diseño e instalaciones. (https://www.boe.es)
• IEC 60909 — Cortocircuito en sistemas de potencia: para cálculos de arranque, selectividad y protecciones. (https://www.iec.ch)

Además de las normas internacionales, siempre se deberán respetar las normas locales y requisitos del operador de red.

Buenas prácticas en cálculos y dimensionado

1. Usar valores eficaces (RMS) para tensiones y corrientes en AC.
2. Incluir factor de seguridad: pérdidas, variaciones de tensión y temperatura ambiente.
3. Considerar condiciones de arranque de motores y cargas no lineales (variadores, fuentes con rectificación).
4. Evaluar armonías: equipos con electrónica pueden aumentar corriente total y distorsionar cos φ aparente.
5. Realizar comprobación de caída de tensión y compatibilidad electromagnética.

Notas sobre medición y equipos de campo

Para validar cálculos en obra o mantenimiento se emplean instrumentos calibrados.

• Multímetros de true-RMS para mediciones de tensión y corriente en presencia de señales no sinusoidales.
• Pinzas amperimétricas y analizadores de redes para medir P, S, Q y cos φ.
• Registradores y osciloscopios para analizar transitorios y armónicos.

Errores comunes y cómo evitarlos

• Olvidar el cos φ en AC: provoca subestimación de la corriente necesaria.
• Confundir V fase y V línea en trifásicos: usar la fórmula adecuada para V_L o V_ph.
• No considerar pérdidas del sistema ni temperatura conductor para selección de sección.
• Usar valores pico en lugar de RMS en cálculos de potencia en AC.

Checklist rápido para convertir voltios a vatios correctamente

1. Determinar si la instalación es DC, AC monofásica o AC trifásica.
2. Obtener P, V, I o cos φ según datos disponibles.
3. Aplicar la fórmula apropiada: P = V·I (DC), P = V·I·cos φ (AC monofásica), P = √3·V_L·I_L·cos φ (trifásica).
4. Verificar unidades: V en voltios, I en amperios, P en vatios.
5. Corroborar con tablas normativas y seleccionar protecciones y conductores.

Recursos online y referencias adicionales

• IEC — International Electrotechnical Commission: https://www.iec.ch
• IEEE Xplore para publicaciones técnicas en motores y factor de potencia: https://ieeexplore.ieee.org
• NFPA (NEC) para normativa de instalación en EE. UU.: https://www.nfpa.org/nec
• Boletines y textos del REBT (BOE): https://www.boe.es
• Guías de fabricantes de transformadores y motores (ej. ABB, Siemens, Schneider) para curvas de arranque y cos φ típicos.

Resumen operativo (para instaladores e ingenieros)

Calcular vatios a partir de voltios exige conocer corriente y factor de potencia; en trifásica aplicar factor √3.

Compruebe siempre con instrumentos y ajuste diseño según normas vigentes y condiciones reales de instalación.