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La Corriente Alterna (Curso Virtual de Máquinas Eléctricas)

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Tema 1
LA CORRIENTE ALTERNA
Actualización 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
10. Senoides en fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
11. Sistemas polifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
12. Conexión trifásica en estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
13. Conexión trifásica en triángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
14. Potencia de un sistema trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
15. Factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
16. Corriente de una sola fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Curso Virtual: Electricidad Industrial
Tema 1
LA CORRIENTE ALTERNA
Actualización de conocimientos
1. INDUCCIÓN
Si se coloca un conductor dentro de un campo magnético y se le aplica en sus
extremos 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 de
fuerza del campo magnético; se observa que la aguja del aparato de medida acusa
esta variación; es decir, se genera en el conductor una fuerza electromotriz
inducida.
Cuando este conductor forma parte de un circuito eléctrico cerrado, este será recorrido
por 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 al
variar 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 tres
procedimientos 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 amperímetro
se mueve, debido, sin duda, a que se ha generado una corriente inducida.
Cuando se efectúa el movimiento inverso, y alejando el imán permanente de
la bobina, la corriente inducida continúa moviendo el amperímetro; aunque
ahora lo hace en sentido contrario, es decir, continúa generando corriente en el
sentido 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 dentro
del campo de magnético.
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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, cuando
existe variación del flujo magnético sobre la bobina.
Las máquinas eléctricas, en las que se crean f. e. m., debido a la acción de
imanes permanentes, son máquinas magnetoeléctricas, comúnmente
llamadas magnetos.
Figura 2 MAGNETO PARA UNA MOTO
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b).
Corrientes inducidas creadas por imanes artificiales: Si en la figura 1 es
reemplazado el imán permanente por una segunda bobina se obtiene un
conjunto similar al de la figura 3, en el que las espiras de la bobina B son
atravesadas por el flujo magnético del electroimán E, cuando sus espiras son
recorridas por una corriente eléctrica.
Si se repiten los experimentos anteriores, y se desplazan las bobinas, se
obtienen resultados exactamente iguales; y cada vez que cese el movimiento,
desaparecerá la corriente en la bobina inducida B. La bobina destinada a crear
el campo magnético inductor, se llama bobina excitadora; y la bobina donde se
crea la corriente inducido.
Las máquinas eléctricas en las cuales la f. e. m. inducida, son originadas por otra
bobina, son máquinas dinamoeléctricas;
Figura 3
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Si lo que se obtiene de estas máquinas, es corriente continua, entonces se
llaman Dinamos; y si es corriente alterna, se las denominan Alternadores.
Figura 4 DINAMO DE PEQUEÑA POTENCIA
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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 ninguna
clase de movimiento; y hacer la variación del campo magnético abriendo y
cerrando el interruptor I, con lo cual se interrumpe la corriente y el flujo
magnético variará hasta desaparecer, y al cerrar el interruptor I el flujo magnético
variará desde cero a un máximo.
Puede observarse que la aguja del amperímetro también se desvía en un
sentido al abrir el circuito y en sentido contrario al cerrar el circuito.
Este tercer experimento, en los que no existe movimiento mecánico de la bobina
inductora 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 sometido
el 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 conductor
dentro del campo magnético de valor constante. Entonces denominados a la fuerza
electromotriz producida dinámica.
Como ejemplo de fuerzas electromotrices dinámicas están los alternadores y las
dinamos, en las cuales la bobina del inducido se mueve con respecto al flujo magnético
creado por los polos.
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En otros casos, la variación del flujo en la bobina inducida se hace creando un campo
magnético 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 fuerzas
electromotrices estáticas.
4. FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA EN UN CONDUCTOR
Se ha observado que, cuando un conductor, se desplaza dentro de un campo
magnético (figura 6), de manera que en su movimiento corte las líneas de fuerza del
campo, entre sus extremos aparece una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida
durante todo el tiempo que dure este desplazamiento.
Se puede observar que, cada vez que se mueva el conductor AC, de la posición del
observador hacia el fondo, o del fondo hacia el observador, la aguja del Voltímetro
indica que existe tensión; la polaridad de esta tensión cambia cada vez que se
modifique 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 del
espacio ocupado por el campo magnético.
Experimentado con distintas posiciones dentro de un campo magnético, se observa
que: el valor de la f.e.m. inducida en el conductor, depende mucho de la posición del
conductor, con respecto a la cantidad de líneas de fuerza que corta en su
desplazamiento dentro del campo. (Figuras 7 a 10).
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En el movimiento de abajo arriba o de arriba hacia abajo; la mayor f. e. m. aparece
cuando el conductor pasa por el eje central del campo de fuerza siendo de menor
intensidad, tanto en los extremos del campo superior como en el inferior. Cuando
cambia el sentido del movimiento del conductor la corriente también cambia el
sentido 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 campo
magnético de manera que corte un mínimo de líneas de fuerza, la f.e.m. que se produce
es también mínima. Al cambiar el sentido ascendente con el descendente, cambia el
sentido 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 campo
magnético es del fondo al frente o del observador hacia el fondo la f. e. m. generada
en el conductor es máxima al pasar por el centro del eje del campo, y mínima en
los extremos de este, cambiando el sentido de la corriente generada, al cambiar el
desplazamiento.
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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 con
plata, cobre, hierro o aluminio; en todos los casos, se obtiene idénticos resultados; aunque generalmente
se 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 cuando
cambia el sentido del movimiento, dentro el campo magnético, también se invierte el
sentido de la corriente. Una detallada observación de dicha experiencia permite hallar
un método que determine el sentido de la fuerza electromotriz inducida en el
conductor.
Figura 10 REGLA DE LOS TRES DEDOS DE LA MANO DERECHA
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El método ideado es la regla de los tres dedos de la mano derecha.- Se disponen los
dedos pulgar, índice y medio de la mano derecha de manera que formen ángulos restos
entre sí; el dedo índice se coloca en el sentido del flujo del campo (Figura 10), el dedo
pulgar 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 electromotriz
inducida en el conductor.
6. BOBINA
En la práctica, las máquinas y los receptores eléctricos disponen de un elevado número
de 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 multiplica
la 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 movimiento
dentro del campo magnético; por tanto, también se originará fuerzas electromotrices
en los núcleos magnéticos de las máquinas.
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Esto materiales magnéticos originan corrientes de circulación, (figura 13) las cuales
producen efectos perjudiciales, que reciben el nombre de corrientes parásitas o
corrientes 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 los
núcleos de hierro no sean macizos, sino que estén construidos apilados en chapas
delgadas de menos de un milímetro de grueso, y al mismo tiempo que estén aisladas
entre sí (figura 14). De esta manera, las corrientes parásitas encuentran interrumpido
su camino y su valor se reduce, evitándose así las pérdidas originadas por las
corrientes 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 la
forma que se muestra en la figura 15; y haciendo mover al conductor, girando sobre
su eje; al conectar un voltímetro, en que el cero corresponda a la posición central, se
observa que desde la posición de 0º a la posición 360, el voltaje experimenta
variaciones tanto de voltaje, como de sentido.
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Figura 15 CONDUCTOR GIRANDO DENTRO DE UN CAMPO MAGNÉTICO
Examinando las distintas posiciones que va ocupando la espira en su giro, y
representando gráficamente las f. e. ms. correspondientes se obtiene: En la línea
horizontal las posiciones correspondientes al ángulo por los que pasa el conductor y
sobre 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 la
figura final obtenida será la 17.
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Figura 17 VALORES INTERMEDIOS OBTENIDOS EN EL MOVIMIENTO DEL CONDUCTOR DENTRO DEL
CAMPO MAGNÉTICO
Asombrosamente de puede comprobar que esta figura es, exactamente igual, a la
curva de una senoide, es decir, al valor del seno de un ángulo (figura 18).
Figura 18 REPRESENTACIÓN DE LOS VALORES DEL SENO (SENOIDE)
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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 es
igual, de 50 períodos por segundo. En américa la frecuencia es de 60 Hz.
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Figura 21 FRECUENCÍMETRO DE LENGÜETAS
El instrumento que se utiliza para medir la frecuencia se llama frecuencímetro, el más
común de todos, está compuesto de lengüetas que vibran a la frecuencia aplicada cuya
forma 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) y
los 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.
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Figura 23 DOS SENOIDES DE IGUAL VALOR Y DESFASADAS 90º
Al adelanto, o retraso, conque las ondas comienzan o terminan sus alternancias, se
llama 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, es
decir, a lo que se llama corriente alterna monofásica.
Pero, en la práctica, se emplean simultáneamente varias corrientes alternas
monofásicas; 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 el
número de fases; Así el sistema trifásico, es el conjunto de tres fases monofásicas
desfasadas 120º, mientras que en un sistema exafásico, el conjunto de los seis
conductores 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 está
usando un sistema bifásico, como vulgarmente se suele decir; puesto que, estas
dos fases, mantienen un ángulo de 120º entre ellas; en lugar de los 90º que
técnicamente le correspondería al sistema.
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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 L3
desplazadas un tercio de período, o sea, 120º eléctricos.
En la representación se muestra en cada instante los valores instantáneos de cada
fase, en el que se puede observar que siempre hay dos fases que tienen un valor de
igual signo, y la tercera fase de sentido contrario. En el inicio L1 y L2 son positivo
mientras que L3 es negativos, en la siguiente posición L1 sigue siendo negativo
mientras que L2 y L3 son positivos y en el último instante considerado L3 es positivo
mientras que las fases L1 y L2 son negativas.
Al pasar sucesivamente las fases de valores positivos a negativos; forzosamente ha de
haber un instante cuyo valor sea nulo; solo en este instante se anula esta fase, para
permanecer 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 favor
de la fase contraria; por lo cual, en los motores trifásicos no disminuye la velocidad de
giro y, por el contrario, se mantienen constante la rotación. La variación constante del
sentido de la corriente crea un campo magnético giratorio, cuyo norte y sur, genera una
corriente alterna en cada fase de valor senoidal con un desfase de 120º eléctricos.
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12. CONEXIÓN TRIFÁSICA EN ESTRELLA
En la figura 25 están representadas, esquemáticamente, los tres bobinas que
corresponden 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 por
separado. Sin embargo, el empleo por separado de las tres f. e. ms. no produce
ninguna ventaja práctica en el aprovechamiento de la energía eléctrica, ya que sería
preciso disponer seis conductores en las redes trifásicas.
En la práctica, se conectan entre sí las tres fases; con el fin de reducir el número de
conductores activos de la red y, en consecuencia, disminuir el peso de la red: esto se
consigue conectando en estrella o triángulo los extremos de cada fase.
Figura 26 CONEXIÓN EN ESTRELLA
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La conexión en estrella consiste en unir los finales X, Y, Z, de las tres fases, formando
un punto común llamado neutro y dejando libre los tres principios U, V y W. Como
muestra 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 conductor
neutro la intensidad es cero.
Cuando la intensidad por fase no es la misma en todas ellas, por el conductor
neutro 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
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En esta conexión no existe conductor neutro. De los tres puntos de unión que
resulta de este montaje se saca un conductor de fase.
No existe en este montaje más que una tensión; la existente entre fases, y una sola
intensidad 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=
3.V . I .cosϕ
La potencia en vatios de una línea trifásica es igual al producto de la raíz cuadrada de 3 por el voltaje por
la intensidad y por el coseno de n.
15. FACTOR DE POTENCIA
En la corriente alterna existe un desfase entre el voltaje y la intensidad de
corriente; este desfase es el medido por el coseno de n, llamado factor de
potencia, puesto que su valor siempre es menor que la unidad. El valor oscila entre
0'4 y 0,6 para reactancia de alumbrado y 0'75 a 0,89 en el caso de motores
trifásico; este valor siempre viene marcado en la chapa de característica del
receptor.
Cuando lo que se conecta a la red son receptores puros, resistencias para
calefacción, hornos, lámparas incandescentes; en estos casos no se produce
desfase entre el voltaje y la intensidad de corriente y el coseno de n tiene un valor de
1; es decir, no hay factor de potencia, puesto que toda cantidad multiplicada por la
unidad, es la misma cantidad.
La fórmula a emplear con receptores puros, es pues la misma, únicamente que el
resultado no se verá disminuido, puesto que no hay factor de potencia.
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16. CORRIENTE DE SOLA UNA FASE
En las viviendas se utiliza una sola de las tres que lleva la red, para el cálculo de
una sola fase, se hace como si fuese corriente monofásica; es decir, no se multiplica
por /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 desfase
entre el voltaje y la intensidad de corriente, por tanto, el coseno de n = 1; dentro de
una vivienda tan sólo existe tres o cuatro receptores que puedan tener factor de
potencia; como, un tubo fluorescente, el televisor, un receptor de radio, algún
motor de pequeño electrodoméstico, el frigorífico; pero como tienen un consumo
tan bajo (menor de 1000 W), y el tiempo funcionamiento de estos pequeños
receptores es tan corto que normalmente no merece la pena tomarlo en
consideración; por lo que, dentro de una vivienda la fórmula que se emplea es la de:
P=VI
/3 = 1'73
Sistema
monofásico
Lamparas
incandescentes y
resistencias puras
Circuitos con factor de
potencia
P=VI
P = V I Cos n
I=
P
V
P = /3 V I
Sistema
trifásico
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I=
P
3.V
I=
P
V cosϕ
P = /3 V I cos n
I=
P
3.V .cosϕ
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