CURSO BSICO DE ELECTRICIDAD INDUSTRIALTEMARIO

1.- PARA QU HA SERVIDO LA ELECTRICIDAD?12.- DEFINICIN DE ELECTRICIDAD2* Cmo se manifiesta la electricidad? Se manifiesta de tres formas fundamentalmente:3VALORES Y CARACTERSTICAS DE LA SOLENOIDE3* Qu efectos puede tener la corriente elctrica? Los efectos de la corriente elctrica se pueden clasificar en:43.- COMO SE GENERA LA ELECTRICIDAD4Qu es lo que se pretende al generar la electricidad?5* Mtodos habituales de generar electricidad.5A) DINAMO (BICICLETA) O ALTERNADOR (AUTOMVIL)5B) PILAS O BATERAS6C) CENTRALES ELCTRICAS, TURBINAS Y GENERADORES.74.-COMO SE TRANSMITE LA ELECTRICIDAD95.- COMPONENTES GENERALES DE LOS CIRCUITOS ELCTRICOS.106.- CONDUCTOR ELCTRICO Y ELEMENTOS DE CONEXIN:11

1.- PARA QU HA SERVIDO LA ELECTRICIDAD?

La electricidad es la forma de energa ms utilizada, debido a que puede transmitirse a gran distancia, se puede almacenar, y sobre todo, se puede transformar en otras energas y viceversa. Todo esto ha influido en la mejora de nuestra calidad de vida con avances tecnolgicos como son: iluminacin de viviendas, la TV., ordenadores, mviles, relojes, coches, industrias, y multitud de factores de nuestra vida que se pueden saber simplemente comparndolo con el modo de vida de hace 100 aos.

La materia est constituida de tomos, y stos a su vez de electrones (-), protones (+) y neutrones (neutro), establecindose diversos tipos de cargas en los cuerpos: negativas (ms electrones que protones), cargas positivas (menos electrones que protones), y sin carga (mismo n de electrones que de protones), por lo que los tomos se atraen (diferente carga) o repelen (misma carga) entre s. Los nicos que se mueven en un tomo son los electrones, y el flujo de estos electrones de un tomo a otro, es la electricidad.

FIG. 1 CONFIGURACIN DE UN ATOMOCuando podemos extraer los electrones y transportarlo de un lado a otro por medio de un conductor (cable elctrico) se produce la corriente elctrica, siendo los electrones atrados por un cuerpo cargado positivamente o neutro, establecindose una diferencia de potencial o voltaje (V) entre las cargas (Ej.: 115 voltios), es decir, el poder de atraccin entre las cargas, que junto a la resistencia (R) que tenga el conductor, as ser la intensidad (I) con la que circule los electrones, es decir la corriente elctrica. Tres magnitudes elctricas a tener muy en cuenta V, R e I.

Sabas que, que ciertos elementos llamados semimetales, como el silicio, germanio, boro, etc., se utilizan en la electrnica porque son semiconductores de la electricidad, es decir, que conducen electricidad pero slo bajo ciertas condiciones (fros no conducen, calientes s). (Son utilizados en diodos, transistores, etc.)2.- DEFINICIN DE ELECTRICIDAD* Definicin: Forma de energa basada en que la materia posee cargas positivas (protones) y cargas negativas (electrones), que puede manifestarse en reposo, como electricidad esttica, o en movimiento, como corriente elctrica, y que da lugar a la luz, el calor, los campos magnticos, los movimientos y aplicaciones qumicas.* Cmo se manifiesta la electricidad? Se manifiesta de tres formas fundamentalmente: Electrosttica: cuando un cuerpo posee carga positiva o negativa, pero no se traslada a ningn sitio. Por ejemplo frotar un bolgrafo de plstico con una tela para atraer trozos de papel.

Corriente continua (CC): Cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, del polo negativo al positivo. Las pilas, las bateras de telfonos mviles y de los coches producen CC, y tambin la utilizan pero transformada de CA a CC, los televisores, ordenadores, aparatos electrnicos, etc.

Corriente alterna (CA): No es una corriente verdadera, porque los electrones no circulan en un sentido nico, sino alterno, es decir cambiando de sentido unas 60 veces por segundo, por lo que ms bien oscilan, y por eso se produce un cambio de polos en el enchufe. Este tipo de corriente es la utilizada en viviendas, industrias, etc., por ser ms fcil de transportar.

VALORES Y CARACTERSTICAS DE LA SOLENOIDEToda solenoide tiene dos alternancia: (figura 19) una positiva y otra negativa.Dos alternancia seguidas, una positiva y otra negativa, constituye un ciclo.

Figura 19 DOS ALTERNANCIAS SEGUIDAS CONSTITUYEN UN CICLO

El tiempo que tarda en completarse un ciclo se llama perodo (figura 20)

Figura 20 CUATRO PERODOS POR SEGUNDO

Al nmero

de perodos por segundo se llama frecuencia.En Espaa la frecuencia de la corriente alterna sinodal, es de 50 hercios o lo que esigual, de 50 perodos por segundo. En Amrica Latina la frecuencia es de 60 Hz.

Ejemplos de utilizacin de los tipos de corrientes: Hay elementos como las bombillas de casa, motor elctrico de la lavadora, etc., que funcionan directamente con la corriente alterna (CA). Las bombillas de casa en realidad no iluminan constantemente sino que se encienden y apagan 50 (60 en EEUU) veces en un segundo debido a la alternancia de la polaridad, solo que nuestros ojos no lo perciben. En cambio las bombillas de una linterna iluminan constantemente al ser alimentada por unas pilas de corriente continua (CC), o como los aparatos electrnicos como la televisin, ordenadores, que aunque se conecten a CA, transforman esa corriente a CC, mediante un transformador o fuente de alimentacin para funcionar. Cuando se cargan los telfonos mviles tambin se utiliza un transformador (voltaje) + rectificador (polaridad) para pasar la CA a CC.

* Qu efectos puede tener la corriente elctrica? Los efectos de la corriente elctrica se pueden clasificar en:- Luminosos // - Calorficos // - Magnticos // - Dinmicos // - Qumicos.

Los efectos luminosos y calorficos suelen aparecer relacionados entre s. Por ejemplo: una lmpara desprende luz y tambin calor, y un calefactor elctrico desprende calor y tambin luz.

El efecto magntico Cmo se puede conseguir un imn? Enrollando un conductor a una barra metlica, y haciendo circular una corriente elctrica, es decir, un electroimn.

El efecto dinmico consiste en la produccin de movimiento, como ocurre con un motor elctrico.

El efecto qumico es el que da lugar a la carga y descarga de las bateras elctricas. Tambin se emplea en los recubrimientos metlicos, cromados, dorados, etc., mediante la electrolisis.

Sabas que, la eficiencia de una bombilla es del 15 % aproximadamente, porque el resto se pierde en forma de calor. Compara los datos: La eficiencia del motor de un coche es alrededor de un 15 %, de una locomotora elctrica de un 35 %, de una central hidroelctrica de un 80 %, y de una bicicleta un 90 %.3.- COMO SE GENERA LA ELECTRICIDADLa electricidad es una energa, y lo nico que hacemos es transformar una energa mecnica (pedalear en una bici / cada de agua de unas cataratas) mediante un dispositivo (dinamo / turbina-generador) en energa elctrica, o transformar energa qumica (compuestos qumicos de una pila que reaccionan transfiriendo electrones de un polo a otro) a energa elctrica. Tambin hay otros sistemas de generacin de energa elctrica como son: energa solar mediante paneles fotovoltaicos, energa elica mediante aerogeneradores, etc.

Qu es lo que se pretende al generar la electricidad?

Lo que se pretende es expulsar a los electrones de las rbitas que estn alrededor del ncleo de un tomo. Para expulsar esos electrones se requiere cierta energa, y se pueden emplear 6 clases de energa:

Frotamiento: Electricidad obtenida frotando dos materiales.

Presin: Electricidad obtenida producida aplicando presin a un cristal (Ej.: cuarzo).

Calor: Electricidad producida por calentamiento en materiales.

Luz: Electricidad producida por la luz que incide en materiales fotosensibles.

Magnetismo: Electricidad producida por el movimiento de un imn y un conductor.

Qumica: Electricidad producida por reaccin qumica de ciertos materiales.

En la prctica solamente se utilizan dos de ellas: la qumica (pila) y el magnetismo (alternador). Las otras formas de producir electricidad se utilizan pero en casos especficos.

* MTODOS HABITUALES DE GENERAR ELECTRICIDAD.

A) Dinamo y alternador

Hay tres mtodos habituales para generar electricidad: B) Pilas y bateras C) Central elctrica (turbina-generador)

A) DINAMO (BICICLETA) O ALTERNADOR (AUTOMVIL)

Estas mquinas estn compuestas por una parte mvil que gira, llamada rotor y una fija o esttica llamada estator. El rotor se compone de unas bobinas de hilo de cobre que giran con el eje. El estator es un imn o electroimn que est fijo y que rodea al rotor.Al girar el eje de la mquina, el imn crea sobre estas bobinas un campo magntico variable induciendo una tensin en los terminales de las bobinas. Esta tensin se saca fuera de la mquina por medio de unas escobillas o anillos rozantes.Tambin puede encontrarse una construccin inversa, es decir, el imn en el eje o rotor y la bobina en el estator. Esta tensin generada en la mquina puede ser continua o alterna, segn la construccin o el montaje de los anillos rozantes.

Qu es y cmo funciona una DNAMO?

Es un Generador elctrico formado por una bobina de cable de cobre barnizado (porqu barnizado?) arrollada en un ncleo de hierro dulce ( no de acero) que gira dentro de un campo magntico producido por un imn situado alrededor de ella y que cuando gira transforma la energa cintica que recibe en energa elctrica continua.

Fig. 2. Dnamo elementalPor ejemplo: un dinamo es lo que nosotros llevamos en las bicicletas y que cuando lo ponemos en contacto con la rueda cuando se est moviendo y tiene energa cintica, sta hace girar el eje en torno al cual est arrollado el bobinado de cobre formando un electroimn que gira dentro del campo magntico del imn de la dinamo, transformando as la energa cintica de la rueda de la bicicleta en la energa elctrica necesaria para que las lmparas de nuestra "bici" se enciendan.Qu es un ALTERNADOR?

Es un generador elctrico parecido a la dinamo pero con mejores ventajas, debido a que es ms robusta y duradera. Produce corriente elctrica alterna al cambiar la polaridad cada media vuelta, por lo que hay que rectificarla para convertirla en CC, si se quiere emplear para ciertas aplicaciones que lo requieran. (Por ejemplo el alternador del coche aprovecha el movimiento rotatorio del motor para recargar la batera, pero tiene que rectificarla antes de que vaya a la batera, al ser sta de CC). En las centrales hidroelctricas se emplean tambin gigantescos alternadores que generan corriente alterna trifsica.

B) PILAS O BATERAS Cmo funcionan las pilas? Una pila o batera es esencialmente una lata llena de productos qumicos que producen electrones. Las reacciones qumicas son capaces de producir electrones y este fenmeno es llamado reaccin electroqumica, y la velocidad de la produccin de electrones hecha por esta reaccin controla cuntos electrones pueden pasar por los terminales (en las pilas) o bornes (en las bateras).

Qu es una batera?Es un Generador elctrico que funciona como la pila y que est formado por varias pilas unidas en serie, polo positivo con polo negativo, consiguiendo as un voltaje mayor en el circuito.Las bateras modernas utilizan una variedad de qumicos para realizar sus reacciones. La qumica de las bateras comunes incluye:

Bateras de Cinc. Tambin conocidas como bateras estndar de carbn. La qumica de cinc-carbn es utilizada en cualquier batera AA, o afn. Los electrodos son de cinc y carbn, con una unin cida entre ellas como electrolito.

Bateras alcalinas. Los electrodos son de cinc y xido de manganeso con un electrolito alcalino.

Batera de nquel-cadmio. Utiliza el hidrxido de nquel y electrodos de cadmio con hidrxido de potasio como electrolito. Es recargable.

Hidruro de nquel-metal. Recargable. Reemplaz rpido al nquel-cadmio porque no sufre de los problemas del efecto memoria que tiene la anterior.

Ion-litio. Recargable. Muy buen rendimiento, se utiliza en los ltimos PC's porttiles y telfonos mviles.

Plata-cinc. Utilizada en aplicaciones aeronuticas porque el rendimiento es bueno.

Normalmente las bateras se agrupan en serie para obtener altos voltajes o en paralelo para altas corrientes.

Fig. 3. Partes de una pila: dos electrodos + y - ; y un lquido conductorLlamado electrolitoSabas que, los fabricantes de aparatos elctricos recomiendan para sus aparatos no mezclar las pilas nuevas con las viejas. Por qu?, porque la corriente que nos dara sera la de la ms gastada, pudiendo estropear algn componente, al no funcionar correctamente.

C) CENTRALES ELCTRICAS, TURBINAS Y GENERADORES.

La electricidad que consumimos, es transportada por una red de cables, que se produce bsicamente al transformar la energa cintica en energa elctrica. Para ello, utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son enormes ruedas con alabes y engranajes que rotan sobre s mismos una y otra vez, impulsados por una energa externa. Los generadores son aparatos que transforman la energa cintica -de movimiento- de una turbina, en energa elctrica (parecido a un alternador muy grande).

Existen dos tipos principales de centrales generadoras de electricidad: hidroelctricas y termoelctricas (trmicas a vapor, trmicas a gas y de ciclo combinado).

- Centrales hidroelctricas: utilizan la fuerza y velocidad del agua para hacer girar las turbinas. Las hay de dos tipos: de pasada (que aprovechan la energa cintica natural del agua de los ros) y de embalse (el agua se acumula mediante presas, y luego se libera con mayor presin hacia la central elctrica).

Transformador, Para elevar el voltaje generado

Flecha de la turbina

Turbina

Generador

Presa

Fig. 4. Central Hidroelctrica

- Centrales termoelctricas: usan el calor para producir electricidad. Calientan una sustancia, que puede ser agua o gas, los cuales al calentarse salen a presin y mueven turbinas y entonces el movimiento se transforma. Como ya hemos visto, para alimentar una central termoelctrica se pueden usar muchas fuentes energticas: carbn, petrleo, gas natural, energa solar, geotrmica o nuclear, biomasa... Estas son las utilizadas principalmente:

1. Centrales trmicas a vapor. En este caso, se utiliza agua en un ciclo cerrado (siempre es la misma agua). El agua se calienta en grandes calderas, usando como combustible el carbn, gas, biomasa, etc. La turbina se mueve debido a la presin del vapor de agua, y su energa cintica es transformada en electricidad por un generador.

2. Centrales trmicas a gas. En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petrleo o diesel). El resultado de esta combustin es que gases a altas temperaturas movilizan a la turbina, y su energa cintica es transformada en electricidad. (Hay una en Huelva, y utiliza gas natural)

Fig. 5. Central Termoelctrica

3. Centrales de ciclo combinado. Utilizan dos turbinas, una a gas y otra a vapor. El gas calentado moviliza a una turbina y luego calienta agua, la que se transforma en vapor y moviliza, a su vez, a una segunda turbina.

Nota.- Hay muchos tipos de centrales elctricas que no se han nombrado y que se emplean en la actualidad. Ej.:

- Central elica con aerogeneradores (los alabes de los aerogeneradores actan de turbina)

- Central solar con paneles solares y fotovoltaicos (los paneles solares slo calientan agua u otro lquido, y los fotovoltaicos recogen la radiacin del sol en forma de fotones creando una diferencia de potencial en placas de Silicio u otras, acumulando la electricidad generada en bateras.)

- Central nuclear (que a partir de la fisin (rotura) de un tomo de istopo de Uranio u otro, crea energa en forma de calor y radiaciones, que calientan agua hasta la evaporacin para as mover los alabes de las turbinas y ese movimiento lo aprovecha el generador para generar la electricidad).

- Otras: Mareomotriz, Biomasa, Geotrmica, Nucleoelctrica

4.-COMO SE TRANSMITE LA ELECTRICIDAD

Fig. 6. Ruta de la Electricidad

Sabas que, que la electricidad se transporta a una tensin muy alta y una intensidad muy baja, porque as se calientan menos los cables y por tanto hay menos prdidas de energa en su recorrido.

5.- COMPONENTES GENERALES DE LOS CIRCUITOS ELCTRICOS.Para la realizacin de circuitos elctricos se disponen de una gran variedad de elementos o componentes que se diferencian por sus caractersticas (tensin de funcionamiento, potencia consumo, tipo de corriente, etc.) y su FUNCIN en un circuito (GENERADOR, CONDUCTOR, CONTROL Y RECEPTOR).

Fig. 7. Analoga entre un sistema Hidrulico y un sistema Elctrico

Todo circuito elctrico o electrnico puede ser comparado con un circuito hidrulico o neumtico, de hecho la mayora de sus caractersticas y logstica son muy parecidas.

6.- CONDUCTOR ELCTRICO Y ELEMENTOS DE CONEXIN:

Son elementos que transportan la corriente. Cuntos tipos de conductores hay? Segn la tensin que transporten:

- Conductores de alta tensin: Son cables de aluminio (porque se reduce peso, al haber grandes distancias) - Conductores de baja tensin: Son cables de cobre con un aislante exterior de plstico (viviendas).

Los cables de las viviendas modernas llevan tres cables de cobre, diferenciados en su color:Marrn, negro o gris: Fase (Con tensin. Es de donde viene la electricidad)Azul: Neutro (Sin tensin. Es por donde vuelve parte de la electricidad una vez hecho el consumo)Amarillo y verde (a rayas): Tierra (Sin tensin. Es un cable de proteccin, que actuara de neutro)

Neutro

Fase

Fig. 8. Principios de la proteccin con puesta a tierra

La electricidad no es tonta, eso significa que cuando la corriente circula encontrando dos caminos por donde ir y en uno de ellos hay ms resistencia que en el otro, la corriente circular por donde haya menos resistencia. Por tanto como nuestro cuerpo tiene ms resistencia que la Tierra ya sabes! Qu grosor deben tener los cables? Las secciones de los cables a utilizar debern ser adecuadas, desde el punto de vista de seguridad, para evitar calentamientos o cadas de tensin excesivas. Las secciones mnimas de los cables a utilizar ser: (de todas formas a ms seccin mejor circulacin)

Alumbrado: 1.5 mm2 Fuerza o Tomas de corriente en viviendas: 2.5 mm2 Electrodomsticos de cocina: 4 mm2 Vitro, Calefaccin elctrica y aire acondicionado: 6 mm2

Sabas que, los metales son buenos conductores de la electricidad porque los electrones de sus capas externas estn pocos sujetos y se pueden mover, es decir tienen electrones libres. En cambio la madera y el plstico no son buenos conductores, al no tener electrones libres, y actan como aislantes de la electricidad.7.- CONTROL ELCTRICO: Son elementos de proteccin y maniobra, que se ocupan del cierre y apertura de circuitos. Una maniobra: enciende la luz, una proteccin de circuitos o personas: salt el automtico o se dispar el Breaker.

6.1.- CONTROL DE MANIOBRA O DE MANDO:

- Interruptor (ITM): Operador elctrico que sirve para abrir (apagar) o cerrar (encender) un circuito elctrico. Es decir, como su nombre indica (interruptor), sirve para interrumpir el paso de corriente elctrica a todo el circuito (fuerza y control).

- Pulsador: Operador elctrico que sirve para conectar el circuito (encender) mientras se pulsa.

- Conmutador: Operador elctrico similar al interruptor pero que al abrir conecta con un contacto y al cerrar conecta con otro contacto. Puede poseer varios contactos utilizndose para ello dos grupos:

I.- RELEVADORES: Instantneos y de tiempo

II.- SWITCHS: Existen diferentes tipos para cada aplicacin, son la parte censora del circuito

-Transformador: Elemento de control del voltaje. Consiste en dos bobinas enrolladas sobre un ncleo de hierro de forma cuadrada. Para elevar el voltaje la bobina de entrada o primaria lleva menos espiras que la bobina de salida o secundaria, y viceversa para reducir el voltaje. (Ej.: de 440 V a 110 V, en el caso de que la alimentacin de fuerza al motor sea a 440 V.)

6.2.- CONTROL DE PROTECCIN:

La energa elctrica tiene dos riesgos fundamentales:a) Incendio por calentamiento de conductores o receptores, debido a consumo excesivo o cortocircuito.

b) Electrocucin o descarga elctrica en personas por un contacto indirecto o derivacin.

Para evitar estos riesgos se han dispuesto esta serie de dispositivos:

- Para evitar cortocircuitos se emplea: Fusibles y Magneto trmicos (PIA).- Para evitar consumos excesivos: Limitador de potencia, elementos trmicos o relevadores de sobrecargas - Para evitar las descargas elctricas o electrocucin se emplea: Diferencial y puesta a tierra.

c) Fusible: Operador elctrico que cuando sube en exceso la intensidad de un circuito, se calienta y se funde antes de que lo haga el circuito, cortando as el flujo de corriente que circula por l y protegiendo la instalacin de un posible incendio, como ocurre en una subida de tensin en el circuito o de un cortocircuito provocado en l.

CIRCUITOS DE CONTROL.

Si se arranca un motor conectndolo directamente al interruptor principal y a plena tensin de la red, podemos sufrir graves accidentes fsicos, en caso de que el interruptor se dae por alguna avera en el motor o por alguna sobrecarga, sobre todo cuando se trate de motores grandes.

Para ello es importante que el sistema elctrico cuente con una serie de dispositivos capaces de energizar el motor a una distancia considerable, fuera del alcance de algn arco elctrico. Como elemento bsico est el CONTACTOR. Es un simple interruptor que conecta el motor directamente a la red. El contactor dispone de dos pulsadores, uno para el arranque y otro para el paro del motor. Al oprimir el primero, los contactos interiores del contactor se cierran y el motor queda conectado a la red; al oprimir el segundo, los contactos se vuelven a abrir e interrumpen la alimentacin del motor.

4Ing. Csar Silva Jos