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Tema 1

LA CORRIENTE ALTERNAActualización de conocimientos

Índice 1. Inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Formas de crear corriente por inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3. Fuerza electromotriz (f.e.m.) Dinámica y estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4. Fuerza electromotriz generada en un conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5. Sentido de la f.e.m. inducida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6. Bobina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7. Pérdidas en el hierro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8. Producción de una f.e.m. alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9. Valores y características de la senoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1210. Senoides en fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1311. Sistemas polifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1412. Conexión trifásica en estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1613. Conexión trifásica en triángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714. Potencia de un sistema trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1815. Factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816. Corriente de una sola fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Curso Virtual: Electricidad Industrial

Módulo 3: Tema 1 La Corriente Alterna Página 1 de 19

Tema 1

LA CORRIENTE ALTERNA

Actualización de conocimientos1. INDUCCIÓN

Si se coloca un conductor dentro de un campo magnético y se le aplica en susextremos un aparato de medida, se observa que dicho aparato no marca voltaje alguno;sin embargo, cuando se produce una variación del valor del flujo de las líneas defuerza del campo magnético; se observa que la aguja del aparato de medida acusaesta variación; es decir, se genera en el conductor una fuerza electromotrizinducida.

Cuando este conductor forma parte de un circuito eléctrico cerrado, este será recorridopor una corriente eléctrica que asimismo recibe el nombre de corriente inducida.

A este fenómeno, por el cual se produce una fuerza electromotriz en un conductor alvariar el flujo a que está sometido, se le da el nombre de inducción.

2. FORMAS DE CREAR CORRIENTE POR INDUCCIÓN

Existen varias formas de producir fuerzas electromotrices inducidas; los tresprocedimientos más usuales son:

a). Corrientes inducidas creadas por imanes permanentes: En una bobina(figura 1) conectada en serie con un amperímetro se puede observar; que:cuando se acerca el imán permanente a la bobina, la aguja del amperímetrose mueve, debido, sin duda, a que se ha generado una corriente inducida.

Cuando se efectúa el movimiento inverso, y alejando el imán permanente dela bobina, la corriente inducida continúa moviendo el amperímetro; aunqueahora lo hace en sentido contrario, es decir, continúa generando corriente en elsentido inverso al anterior.

En cambio; cuando se mantiene fijos tanto la bobina como el imán permanente,la aguja del amperímetro no acusa variación, aunque la bobina continúe dentrodel campo de magnético.



Resultados similares se obtiene si se mueve la bobina y se deja fijo el imán;cuando la bobina se aleje se apreciarán variaciones en la aguja del amperímetro,y cuando se acerque también; pero en sentido contrario al anterior.

Figura 1 INDUCCIÓN MAGNÉTICA

Se demuestra entonces que, únicamente se produce f. e. m. inducida, cuandoexiste variación del flujo magnético sobre la bobina.

Las máquinas eléctricas, en las que se crean f. e. m., debido a la acción deimanes permanentes, son máquinas magnetoeléctricas, comúnmentellamadas magnetos.

Figura 2 MAGNETO PARA UNA MOTO



b). Corrientes inducidas creadas por imanes artificiales: Si en la figura 1 esreemplazado el imán permanente por una segunda bobina se obtiene unconjunto similar al de la figura 3, en el que las espiras de la bobina B sonatravesadas por el flujo magnético del electroimán E, cuando sus espiras sonrecorridas por una corriente eléctrica.

Si se repiten los experimentos anteriores, y se desplazan las bobinas, seobtienen resultados exactamente iguales; y cada vez que cese el movimiento,desaparecerá la corriente en la bobina inducida B. La bobina destinada a crearel campo magnético inductor, se llama bobina excitadora; y la bobina donde secrea la corriente inducido.

Las máquinas eléctricas en las cuales la f. e. m. inducida, son originadas por otrabobina, son máquinas dinamoeléctricas;

Figura 3 INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Si lo que se obtiene de estas máquinas, es corriente continua, entonces sellaman Dinamos; y si es corriente alterna, se las denominan Alternadores.

Figura 4 DINAMO DE PEQUEÑA POTENCIA



c). Corriente inducida sin que exista movimiento en ninguna de las bobinas:Existe la posibilidad de dejar las dos bobinas de la figura 3, fijas, sin ningunaclase de movimiento; y hacer la variación del campo magnético abriendo ycerrando el interruptor I, con lo cual se interrumpe la corriente y el flujomagnético variará hasta desaparecer, y al cerrar el interruptor I el flujo magnéticovariará desde cero a un máximo.

Puede observarse que la aguja del amperímetro también se desvía en unsentido al abrir el circuito y en sentido contrario al cerrar el circuito.

Este tercer experimento, en los que no existe movimiento mecánico de la bobinainductora ni de la bobina inducida, para que exista variación del flujo magnético;es el fundamento de los transformadores.

Figura 5 VISTA DE UN TRANSFORMADOR DE GRAN POTENCIA

3. FUERZA ELECTROMOTRIZ, DINÁMICA Y ESTÁTICA

Teniendo en cuanta la manera de conseguir la variación del flujo a que está sometidoel conductor, se distinguen dos clases distintas de fuerzas electromotrices inducidas:dinámicas y estáticas.

Cada vez que la variación del flujo se obtiene a base del movimiento del conductordentro del campo magnético de valor constante. Entonces denominados a la fuerzaelectromotriz producida dinámica.

Como ejemplo de fuerzas electromotrices dinámicas están los alternadores y lasdinamos, en las cuales la bobina del inducido se mueve con respecto al flujo magnéticocreado por los polos.



En otros casos, la variación del flujo en la bobina inducida se hace creando un campomagnético de intensidad variable sin que existan desplazamientos en los conductores,la fuerza electromotriz se denomina ahora estática.

La f. e. m. creada por los bobinados de los transformadores son fuerzaselectromotrices estáticas.

4. FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA EN UN CONDUCTOR

Se ha observado que, cuando un conductor, se desplaza dentro de un campomagnético (figura 6), de manera que en su movimiento corte las líneas de fuerza delcampo, entre sus extremos aparece una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducidadurante todo el tiempo que dure este desplazamiento.

Se puede observar que, cada vez que se mueva el conductor AC, de la posición delobservador hacia el fondo, o del fondo hacia el observador, la aguja del Voltímetroindica que existe tensión; la polaridad de esta tensión cambia cada vez que semodifique el sentido del desplazamiento dentro del campo magnético.

Figura 6 CREACIÓN DE CORRIENTE CON EL MOVIMIENTO DE UN CONDUCTOR

En el aparato de medida no se apreciará ninguna variación de la aguja indicadora,cada vez que cese el movimiento del conductor dentro del campo magnético.Tampoco se detectará ninguna corriente cada vez que el conductor se salga delespacio ocupado por el campo magnético.

Experimentado con distintas posiciones dentro de un campo magnético, se observaque: el valor de la f.e.m. inducida en el conductor, depende mucho de la posición delconductor, con respecto a la cantidad de líneas de fuerza que corta en sudesplazamiento dentro del campo. (Figuras 7 a 10).



En el movimiento de abajo arriba o de arriba hacia abajo; la mayor f. e. m. aparececuando el conductor pasa por el eje central del campo de fuerza siendo de menorintensidad, tanto en los extremos del campo superior como en el inferior. Cuandocambia el sentido del movimiento del conductor la corriente también cambia elsentido de circulación.

Figura 7 MOVIMIENTO DEL CONDUCTOR ARRIBA Y ABAJO DEL CAMPO MAGNÉTICO

Si el movimiento del conductor se efectúa con una inclinación respecto al campomagnético de manera que corte un mínimo de líneas de fuerza, la f.e.m. que se producees también mínima. Al cambiar el sentido ascendente con el descendente, cambia elsentido de la corriente.

Figura 8 MOVIMIENTO DE TRAVÉS, CORTANDO UN MÍNIMO DE LÍNEAS DE FUERZA

Cuando el movimiento del conductor en su desplazamiento por el campomagnético es del fondo al frente o del observador hacia el fondo la f. e. m. generadaen el conductor es máxima al pasar por el centro del eje del campo, y mínima enlos extremos de este, cambiando el sentido de la corriente generada, al cambiar eldesplazamiento.



Figura 9 MOVIMIENTO DEL FONDO AL FRENTE

NOTA DE INTERÉS

La naturaleza del conductor no influye en el valor de la f. e. m. inducida; el mismo valor se obtiene conplata, cobre, hierro o aluminio; en todos los casos, se obtiene idénticos resultados; aunque generalmentese elija el cobre o el aluminio, por ser más económicos y buenos conductores de la electricidad.

5. SENTIDO DE LA FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA.

En realización de las experiencias anteriores se ve, en todos los casos, que cuandocambia el sentido del movimiento, dentro el campo magnético, también se invierte elsentido de la corriente. Una detallada observación de dicha experiencia permite hallarun método que determine el sentido de la fuerza electromotriz inducida en elconductor.

Figura 10 REGLA DE LOS TRES DEDOS DE LA MANO DERECHA



El método ideado es la regla de los tres dedos de la mano derecha.- Se disponen losdedos pulgar, índice y medio de la mano derecha de manera que formen ángulos restosentre sí; el dedo índice se coloca en el sentido del flujo del campo (Figura 10), el dedopulgar en la dirección del movimiento relativo del conductor respecto al sistema polar;la dirección indicada por el dedo medio señala el sentido de la fuerza electromotrizinducida en el conductor.

6. BOBINA

En la práctica, las máquinas y los receptores eléctricos disponen de un elevado númerode conductores reunidos en bobinas, (figura 11) que se alojan en ranuras (figura 12);la fuerza que actúa sobre cada una de las espiras se suma y así se consigue multiplicala potencia de la máquina.

Figura 11 UNA DE LAS BOBINAS DEL MOTOR

Figura 12 DISPOSICIÓN DE LAS BOBINAS EN EL ESTATOR DEL MOTOR

7. PÉRDIDAS EN EL HIERRO

La fuerza electromotriz inducida se produce en todo material que esté en movimientodentro del campo magnético; por tanto, también se originará fuerzas electromotricesen los núcleos magnéticos de las máquinas.



Esto materiales magnéticos originan corrientes de circulación, (figura 13) las cualesproducen efectos perjudiciales, que reciben el nombre de corrientes parásitas ocorrientes de Foucault.

Figura 13 CIRCULACIÓN DE LAS CORRIENTES DE FOUCAULT

Estos efectos perjudiciales se transforman en calor y originan pérdidas de potencia.Los inconvenientes originados en los núcleos magnéticos se reducen haciendo que losnúcleos de hierro no sean macizos, sino que estén construidos apilados en chapasdelgadas de menos de un milímetro de grueso, y al mismo tiempo que estén aisladasentre sí (figura 14). De esta manera, las corrientes parásitas encuentran interrumpidosu camino y su valor se reduce, evitándose así las pérdidas originadas por lascorrientes de Foucault.

Figura 14 DETALLE DE UN ROTOR PARA EVITAR LAS CORRIENTES PARÁSITAS

8. PRODUCCIÓN DE UNA FUERZA ELECTROMOTRIZ ALTERNA

Construyendo el conductor que se ha de mover dentro del campo magnético, de laforma que se muestra en la figura 15; y haciendo mover al conductor, girando sobresu eje; al conectar un voltímetro, en que el cero corresponda a la posición central, seobserva que desde la posición de 0º a la posición 360, el voltaje experimentavariaciones tanto de voltaje, como de sentido.



Figura 15 CONDUCTOR GIRANDO DENTRO DE UN CAMPO MAGNÉTICO

Examinando las distintas posiciones que va ocupando la espira en su giro, yrepresentando gráficamente las f. e. ms. correspondientes se obtiene: En la líneahorizontal las posiciones correspondientes al ángulo por los que pasa el conductor ysobre cada posición marcamos los voltajes en ese instante; de esta forma,obtendremos una serie de puntos como los de la figura 16.

Figura 16 DISTINTOS VALORES DE LA ESPIRA EN SU GIRO DE 360º

Unidos todos estos puntos podemos obtener el voltaje entre una posición y otra y lafigura final obtenida será la 17.



Figura 17 VALORES INTERMEDIOS OBTENIDOS EN EL MOVIMIENTO DEL CONDUCTOR DENTRO DELCAMPO MAGNÉTICO

Asombrosamente de puede comprobar que esta figura es, exactamente igual, a lacurva de una senoide, es decir, al valor del seno de un ángulo (figura 18).

Figura 18 REPRESENTACIÓN DE LOS VALORES DEL SENO (SENOIDE)



9. VALORES Y CARACTERÍSTICAS DE LA SENOIDE

Toda senoide 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 período (figura 20)

Figura 20 CUATRO PERÍODOS POR SEGUNDO

Al número de períodos por segundo se llama frecuencia.

En España la frecuencia de la corriente alterna senoidal, es de 50 hercios o lo que esigual, de 50 períodos por segundo. En américa la frecuencia es de 60 Hz.



Figura 21 FRECUENCÍMETRO DE LENGÜETAS

El instrumento que se utiliza para medir la frecuencia se llama frecuencímetro, el máscomún de todos, está compuesto de lengüetas que vibran a la frecuencia aplicada cuyaforma puede verse en la figura 21

10. SENOIDES EN FASE

Dos senoides están en fase cuando:

Tienen igual frecuencia y coinciden sus alternancias positivas y negativas (figura 22) ylos valores máximos y cero

Figura 22 DOS SENOIDES DE DISTINTO VALOR Y EN FASE

Dos senoides están desfasadas cuando:

Tienen igual frecuencia y no coinciden sus alternancias positivas y negativas(figura 23) con los valores máximos y cero.



Figura 23 DOS SENOIDES DE IGUAL VALOR Y DESFASADAS 90º

Al adelanto, o retraso, conque las ondas comienzan o terminan sus alternancias, sellama ángulo de desfase. En la figura 23, el desfase es de 90 grados eléctricos.

11. SISTEMAS POLIFÁSICOS

Hasta ahora, el estudio de la corriente se ha referido a una sola corriente alterna, esdecir, a lo que se llama corriente alterna monofásica.

Pero, en la práctica, se emplean simultáneamente varias corrientes alternasmonofásicas; de igual valor eficaz, e igual frecuencia; pero de distinta fase,formando un sistema polifásico de corrientes.

El desfase que existe entre cada conductor activo es igual a 360º dividido entre elnúmero de fases; Así el sistema trifásico, es el conjunto de tres fases monofásicasdesfasadas 120º, mientras que en un sistema exafásico, el conjunto de los seisconductores activos están desfasados 60º eléctricos.

Existe una excepción a esta regla; el sistema bifásico no está desfasado 180º,como correspondería a la definición anterior; si no que, el desfase es de 90º eléctrico.

Cuando se utiliza dos fases de un sistema trifásico técnicamente no se estáusando un sistema bifásico, como vulgarmente se suele decir; puesto que, estasdos fases, mantienen un ángulo de 120º entre ellas; en lugar de los 90º quetécnicamente le correspondería al sistema.



En la figura 24 está representado las tres senoides de un sistema trifásico.

Figura 24 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN SISTEMA TRIFÁSICO DE CORRIENTE

En la representación de la corriente trifásica existen tres senoides L1, L2 y L3desplazadas un tercio de período, o sea, 120º eléctricos.

En la representación se muestra en cada instante los valores instantáneos de cadafase, en el que se puede observar que siempre hay dos fases que tienen un valor deigual signo, y la tercera fase de sentido contrario. En el inicio L1 y L2 son positivomientras que L3 es negativos, en la siguiente posición L1 sigue siendo negativomientras que L2 y L3 son positivos y en el último instante considerado L3 es positivomientras que las fases L1 y L2 son negativas.

Al pasar sucesivamente las fases de valores positivos a negativos; forzosamente ha dehaber un instante cuyo valor sea nulo; solo en este instante se anula esta fase, parapermanecer las otras dos con valor de signo contrario; pero con la particularidad que,mientras una fase va creciendo de valor, la opuesta decrece, y su valor pierde en favorde la fase contraria; por lo cual, en los motores trifásicos no disminuye la velocidad degiro y, por el contrario, se mantienen constante la rotación. La variación constante delsentido de la corriente crea un campo magnético giratorio, cuyo norte y sur, genera unacorriente alterna en cada fase de valor senoidal con un desfase de 120º eléctricos.



12. CONEXIÓN TRIFÁSICA EN ESTRELLA

En la figura 25 están representadas, esquemáticamente, los tres bobinas quecorresponden a las tres fases de un generador; los principios de los bobinados son U,V y W; y los finales X, Y y Z.

Figura 25 SISTEMA TRIFÁSICO

Cada bobinado produce una f. e. m. alterna monofásica que podría ser aprovechada porseparado. Sin embargo, el empleo por separado de las tres f. e. ms. no produceninguna ventaja práctica en el aprovechamiento de la energía eléctrica, ya que seríapreciso disponer seis conductores en las redes trifásicas.

En la práctica, se conectan entre sí las tres fases; con el fin de reducir el número deconductores activos de la red y, en consecuencia, disminuir el peso de la red: esto seconsigue conectando en estrella o triángulo los extremos de cada fase.

Figura 26 CONEXIÓN EN ESTRELLA



La conexión en estrella consiste en unir los finales X, Y, Z, de las tres fases, formandoun punto común llamado neutro y dejando libre los tres principios U, V y W. Comomuestra la figura 26.

En una línea trifásica es preciso distinguir:

C La tensión entre fases.

C La tensión entre fase y neutro

C Las intensidades de corriente por fase

C La intensidad de corriente por el conductor neutro

La tensión entre fase y neutro es igual a /3 veces la tensión entre fases.

Siendo I la intensidad por cada una de las fases, de igual valor; por el conductorneutro la intensidad es cero.

Cuando la intensidad por fase no es la misma en todas ellas, por el conductorneutro circula una corriente igual a la diferencia vectorial que existe entre ellas.

Por último, si sólo circula corriente por una de las fases, y por las otras dos ninguna,por el conductor neutro circula la misma cantidad de corriente que por la fase.

13. CONEXIÓN TRIFÁSICA EN TRIÁNGULO

Consiste esta conexión en conectar el final de cada fase con el principio de la siguiente.La figura 27 muestra como.

Figura 27 CONEXIÓN EN TRIÁNGULO



En esta conexión no existe conductor neutro. De los tres puntos de unión queresulta de este montaje se saca un conductor de fase.

No existe en este montaje más que una tensión; la existente entre fases, y una solaintensidad la que circula por cada una de las fases.

14. POTENCIA DE UN SISTEMA TRIFÁSICO

En un sistema trifásico la potencia activa viene expresada por la ecuación:

P V I= 3. . .cosϕ

La potencia en vatios de una línea trifásica es igual al producto de la raíz cuadrada de 3 por el voltaje porla intensidad y por el coseno de n.

15. FACTOR DE POTENCIA

En la corriente alterna existe un desfase entre el voltaje y la intensidad decorriente; este desfase es el medido por el coseno de n, llamado factor depotencia, puesto que su valor siempre es menor que la unidad. El valor oscila entre0'4 y 0,6 para reactancia de alumbrado y 0'75 a 0,89 en el caso de motorestrifásico; este valor siempre viene marcado en la chapa de característica delreceptor.

Cuando lo que se conecta a la red son receptores puros, resistencias paracalefacción, hornos, lámparas incandescentes; en estos casos no se producedesfase entre el voltaje y la intensidad de corriente y el coseno de n tiene un valor de1; es decir, no hay factor de potencia, puesto que toda cantidad multiplicada por launidad, es la misma cantidad.

La fórmula a emplear con receptores puros, es pues la misma, únicamente que elresultado no se verá disminuido, puesto que no hay factor de potencia.



16. CORRIENTE DE SOLA UNA FASE

En las viviendas se utiliza una sola de las tres que lleva la red, para el cálculo deuna sola fase, se hace como si fuese corriente monofásica; es decir, no se multiplicapor /3, y el voltaje es el que exista entre fase y neutro la fórmula a emplear será:

P = V I cos n

Anteriormente, se ha dicho, que cuando los receptores son puros no existía desfaseentre el voltaje y la intensidad de corriente, por tanto, el coseno de n = 1; dentro deuna vivienda tan sólo existe tres o cuatro receptores que puedan tener factor depotencia; como, un tubo fluorescente, el televisor, un receptor de radio, algúnmotor de pequeño electrodoméstico, el frigorífico; pero como tienen un consumotan bajo (menor de 1000 W), y el tiempo funcionamiento de estos pequeñosreceptores es tan corto que normalmente no merece la pena tomarlo enconsideración; por lo que, dentro de una vivienda la fórmula que se emplea es la de:

P = V I

/3 = 1'73Lamparas

incandescentes yresistencias puras

Circuitos con factor depotencia

Sistemamonofásico

P = V I P = V I Cos n

IPV

= IP

V=

cosϕ

Sistematrifásico

P = /3 V I P = /3 V I cos n

IP

V=

3.I

PV

=3. .cosϕ

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