1

CORRIENTE ALTERNA

Existen máquinas y electrodomésticos que funcionan con corriente alterna, y

otros con continua. La razón de que la distribución de energía eléctrica se haga en

alterna es que se puede generar y distribuir con bastante eficiencia, y además se puede

convertir de una manera muy sencilla corriente alterna en continua.

1. CONCEPTO DE ONDA O SEÑAL ALTERNA

Estrictamente, se debe considerar onda o señal alterna toda diferencia de

potencial o corriente eléctrica que cambie de sentido de manera periódica con el tiempo.

Según la forma que tenga su representación cartesiana, se podrá hablar por lo

menos, de los siguientes tipos de señal:

Sinusoidal: si responde a

una función seno o coseno.

No sinusoidal: triangular,

rectangular, escalonada, etc.

Los generadores de corriente alterna suministran tensiones y corriente que

prácticamente responden al primer tipo. Así, cuando se habla de corriente alterna, por lo

general nos estamos refiriendo a una señal sinusoidal.

2. MAGNITUDES DE UNA SEÑAL ALTERNA.

En corriente alterna, la intensidad de corriente y la tensión son funciones

senoidales y tienen las siguientes expresiones:

i = im sen (ωt)

v = vm sen (ωt)

En una señal alterna se definen las siguientes magnitudes:

Ciclo: Un conjunto completo de valores instantáneos, positivos y negativos, de

la señal. Abarca un ángulo de 2π y un tiempo T.

Período (T): Tiempo que tarda en producirse un ciclo.

Frecuencia (f): Número de ciclos que se producen en la unidad de tiempo. En

consecuencia, su valor es inverso al del período: f = 1 / T, y se mide en hertzios

(Hz).

Pulsación (ω): En la velocidad de giro del generador eléctrico que produce la

corriente alterna. Equivale a: ω = 2πf , y se mide en rad/s.

Valor máximo (im y vm): Es el mayor de los valores instantáneos (i y v) que toma

la señal durante un ciclo completo.

2

Valor eficaz (Ie y Ve): Se define como el valor de una señal continua que

produjese la misma cantidad de calor por efecto Joule en una resistencia,

actuando durante el mismo tiempo. Su valor corresponde a:

Ie = im /√2 Ve = vm /√2

Las instalaciones eléctricas en España y en el resto de Europa están alimentadas

con tensiones cuya frecuencia es de 50 Hz (menos en Reino Unido que es 60 Hz). Los

valores de tensión eficaz en nuestro país, dependiendo del tipo de aplicación son

principalmente 230 V (monofásica) y 400 V (trifásica).

Es posible que dos señales de igual frecuencia (i y v) que existan

simultáneamente no alcancen sus valores máximos al mismo tiempo; se dice entonces

que están desfasadas, y el menor ángulo que separa los dos valores máximos recibe el

nombre de ángulo de desfase (φ). En caso contrario, se diría que están en fase (φ=0).

Cuando la onda de la intensidad está desfasada con respecto a la de la tensión,

tendremos las siguientes expresiones:

v = vm sen (ωt) i = im sen (ωt + φ)

3. IMPEDANCIA.

En corriente alterna, la relación que existe entre la Tensión (máxima o eficaz) y

la Intensidad (máxima o eficaz), se define como impedancia del circuito y se representa

por la letra Z y su unidad son los ohmios (Ω).

Z = vm / im Z = Ve / Ie

Hay que resaltar que Z tienen el mismo papel en el circuito de corriente alterna

que R en el de corriente continua, esto es, ofrecer una oposición al paso de la corriente

alterna.

La impedancia Z depende de los valores de la frecuencia de la señal eléctrica y

de los componentes del circuito: resistencia R, capacidad C y autoinducción L,

siguiendo la expresión:

Z = R + X (R y X formarán siempre un ángulo recto)

Entonces, tendremos que

4. ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN CORRIENTE ALTERNA.

Ahora vamos a analizar los cuatro tipos de circuitos que podemos tener, según el

tipo de componentes que los formen.

3

CIRCUITO RESISTIVO PURO (R)

En este tipo de circuitos, en la impedancia Z, la X = 0, por lo que solamente

tiene componente resistivo. Esto quiere decir que la señal de tensión (v) y la señal de

intensidad (i) están en fase (φ=0), y que Z = R.

Estas ecuaciones entre otras cosas, nos indican lo siguiente:

La potencia instantánea (p) es proporcional al sen2(ωt), por lo que sólo tendrá

valores positivos.

Al estar la tensión (v) y la intensidad (i) en fase, sus valores máximos y mínimos

coinciden en el tiempo, por lo que los valores máximos y mínimos de potencia

(p) coincidirán en el mismo instante.

TRIÁNGULO DE POTENCIAS

Al no ser un circuito resistivo puro, es decir, al tener cargas inductivas o

capacitivas, encontramos tres tipos diferentes de potencias que entran ahora en juego:

Potencia aparente (S): Es el producto de los valores eficaces de tensión e

intensidad, es decir, el valor que se supone que debería tener la potencia efectiva

de la carga si pensásemos con mentalidad de corriente continua. Se mide en

voltiamperios (VA).

Potencia activa (P): Es el valor medio de la potencia a lo largo de un ciclo

completo de la tensión de alimentación, es decir, el valor que al multiplicarlo por

el tiempo da idea de la cantidad de energía que efectivamente consume la parte

resistiva pura (R) de la impedancia Z. Se mide en vatios (W).

Al factor cosφ se le conoce como factor de potencia de la carga. Indica qué parte

de la potencia aparente se transforma en potencia activa en el circuito.

Potencia reactiva (Q): Es el valor que al multiplicarlo con el tiempo da idea de la

cantidad de energía que consumiría hipotéticamente la reactancia (X) de la

impedancia Z. Este valor da idea de la cantidad de energía no consumida que

anda fluctuando entre el campo magnético de la reactancia y el generador. Se

mide en voltiamperios reactivos (VAr).

Al ser un triángulo rectángulo, se cumple también el teorema de Pitágoras:

4

En un circuito de corriente alterna con

una carga de impedancia Z, que posea resistencia

y reactancia, lo que se desprende de estas

ecuaciones es que se consume realmente menos

potencia que la que corresponde a los valores

eficaces de tensión e intensidad. Hay un

coeficiente de reducción, el factor de potencia,

que es precisamente el coseno del ángulo de

desfase de la impedancia Z.

CIRCUITO INDUCTIVO (RL)

En todo circuito de carácter inductivo la corriente está retrasada con respecto a la

tensión un ángulo φ, se dice que el desfase es positivo φ>0, además la impedancia Z

está formada por una resistencia R y una reactancia inductiva XL, entonces tendremos:

i = im sen (ωt) v = vm sen (ωt+φ)

(esta potencia reactiva inductiva será siempre positiva)

CIRCUITO CAPACITIVO (RC)

En todo circuito de carácter capacitivo la corriente está adelantada con respecto a

la tensión un ángulo φ, se dice que el desfase es negativo φ<0, además la impedancia Z

está formada por una resistencia R y una reactancia capacitiva XC, entonces tendremos:

i = im sen (ωt) v = vm sen (ωt-φ)

(esta potencia reactiva capacitiva será siempre negativa)

CIRCUITO MIXTO (RLC)

En un circuito con resistencia, bobina y condensador conectados en serie, la

impedancia resultante poseerá una magnitud Z y un ángulo de desfase φ, tales que:

5

Como puede observarse, el efecto de la bobina y el del condensador en un

circuito RLC son opuestos. Según domine uno u otro, el circuito podrá ser

predominantemente inductivo o capacitivo. Si los efectos se equilibran, el circuito se

comporta como si solo tuviese resistencia.

5. CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA.

Generalmente, las cargas en las instalaciones son debidas a elementos resistivos

(lámparas, calefactores) y a elementos inductivos (motores, tubos fluorescentes) que

crean en la instalación una reactancia inductiva no deseable, ya que hacen que los

conductores soporten mayores intensidades, con el consiguiente riesgo de deterioro, y

producen energía reactiva inductiva que hace perder efectividad a la corriente. Debido a

estas causas es necesario realizar una corrección del factor de potencia a partir de unos

valores. El cosφ es el factor que se toma para conocer la efectividad de una instalación.

Si sólo existieran elementos resistivos en el circuito el factor de potencia sería 1,

pero al existir cargas inductivas, su valor disminuye y por consiguiente la intensidad

que circulará por el circuito será superior a la que circularía en el caso de impedancia

puramente resistiva, sobrecargando los conductores.

El factor de potencia puede corregirse añadiendo condensadores al circuito que

contrarresten el efecto de las cargas inductivas. En la mayor parte de las instalaciones

no se corrige el factor de potencia hasta que alcanza el valor 1, sino que es suficiente

una corrección de 0,9 a 0,95, de esta manera se evitan los fenómenos de resonancia que

puedan aparecer.

Nosotros sólo veremos cómo corregir el factor de potencia hasta la unidad. Con

el fin de calcular el condensador adecuado, se parte de la potencia reactiva. Debido a

que la potencia reactiva inductiva QL se debe compensar con la potencia reactiva

capacitiva QC, entonces despejamos C:

L

C

L