CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Corriente eléctrica . Generadores de corriente contínua.

 


 

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CORRIENTE ALTERNADA

Generación de una onda sinusoidal de corriente alternada .

La corriente eléctrica es uno de los fenómenos más importantes para la vida del hombre, a su producción, almacenamiento y distribución se dedican muchísimos recursos, y las mentes de los hombres más brillantes del mundo nos ayudaron a entender cómo utilizarla para nuestro provecho.

Para producir corriente eléctrica es necesario transformar cualquier otro tipo de energía, ya sea hidráulica, eólica, nuclearó la térmica al combustionar petróleo en el movimiento de de unos electroimanes, los cuales generarán por inducción una corriente alterna que luego se distribuirá por las redes de cableado. Ya que todos los materiales ofrecen resistencia al paso de a corriente, cada cierta distancia es necesario colocar transformar.

A través de lo estudiado, hemos interpretado que una corriente eléctrica está constituída por el pasaje de electrones a través de un circuito cerrado en una dirección determinada. Una corriente eléctrica que fluye siempre en una misma dirección recibe el nombre de corriente continua. Una corriente continua puede ser suministrada ordinariamente por pilas o acumuladores y también por generadores o dínamos. Existe, sin embargo, otro tipo de corriente eléctrica, que pasaremos a estudiar enseguida, y que recibe el nombre de corriente alternada. Una fuente de corriente alternada es capaz de suministrar una tensión tal que, si se conecta a la misma un artefacto eléctrico cualquiera, a modo de circuito cerrado, se observará un flujo electrónico de sentido o dirección variable. En otras palabras, es posible producir mediante generadores, una tensión eléctrica de polaridad variable, y consecuentemente dar lugar a una corriente de electrones cuyo sentido de circulación sea también variable. Veamos como es posible llegar a esto.

Ya estudiamos que si un conductor es movido en el ámbito del campo magnético de un iman se genera en dicho conductor una f.e.m. inducida, ocurriendo exactamente lo mismo si en lugar de agitar el conductor se imprimen un movimiento de vaivén al imán cuyo campo magnético influencie al conductor.

Vimos también que el sentido de circulación de esta corriente inducida depende de los movimientos del campo magnético.

Este principio es utilizado para la producción de corriente alternada.

Vayamos a la figura siguiente en donde se representa un alambre conductor dispuesto en forma de espira en el interior de un fuerte campo magnético producido por un imán .

Princípio básico de un generador de corriente alternada .

Dicha espira la designamos con las letras A-B-C-D y las líneas punteadas que van de un polo al otro del iman representan las líneas de fuera, que circundan el espacio ocupado por la espira, en uno de cuyos extremos estan dispuestos dos anillos metálicos aislados entre sí y unidos a cada extremo de la espira y que hacen contacto con pequñas escobillas cuyo objeto es permitir llevar a un circuito exterior la f.e.m. inducida en la espira.

Vamos a suponer que el campo magnético existente entre los dos polos del iman es uniforme en todos sus puntos. Para que en el conductor se genere una f.e.m. es necesario que las líneas de fuerza corten la espira. Por lo tanto, será necesario imprimir a la espira un sentido de rotación sobre su propio eje y en la dirección que indica la flecha. Si iniciamos el movimiento en la posición que la espira ocupa en (1) de la figura citada, es decir, en un plano vertical, la f.e.m. inducida en la espira será cero, porque en ese instante las líneas de fuerza no cortarán a la espira, sino que correran paralelas a la misma. Si giramos la espira siempre en dirección de la flecha hasta que la misma quede en posición horizontal, según se ilustra en (2) de la misma gráfica , se irá induciendo en dicha espira una f.e.m. que irá paulatinamente del valor cero a un valor máximo y si los extremos de las escobillas son conectados a un circuito cerrado, circulará por la espira una corriente cuyo sentido será de A a B por un lado de la misma y lógicamente de C a D por el otro. El hecho de que la f.e.m. inducida sea máxima cuando la espira alcanza la posición (2) se explica fácilmente si se tiene en cuenta que en las sucesivas posiciones la cantidad de líneas de fuerza cortadas por la espira iran en aumento.

Fíg- 3-1. Generación de una onda sinusoidal por medio de una armadura giratoria.

Si continuamos con el movimiento y hacemos girar la espira otros 90 grados tal como se muestra en (3) de la gráfica arriba, en los sucesivos ¡nstantes la f.e.m. inducida irá decreciendo de su valor máxirno hasta cero, pues cada ves irá cortando menos líneas de fuerza. Ya hemos girado la espira 180 grados y la corriente circulante por la espira disminuirá paulatinamnte hasta el valor cero, siempre en la dirección de A a B y de C a D. Volviendo a girar la espira otros 90 grados, la f.e.m. inducida irá creciendo nuevamente desde cero a su valor máximo, de acuerdo a la posición (4) de la figura , pero ahora la corriente inducida , irá de sentido contrario al anterior, puesto que girando la espira de 0 a 90 grados y de 90 a 180 grados, el lado A-B de la espira era influenciado por el polo Norte del iman y el lado C-D de la misma por el polo Sur .

En cambio, al continuar el giro de la espira desde los 180 grados en adelante, el lado A-B de la espira será influenciado por el polo Sur del iman y el lado C-D por el polo Norte. Por lo tanto la f.e.m. inducida hará circúlar una corriente a través de la espira, siempre que él circuito esté cerrado, en la dirección D a C en un costado de la misma y de B a A en el otro costado.

Tenemos entonces que girando la espira de 180 a 270 grados la corriente irá de un valor cero a un valor máximo, pero de sentido contrario con respecto a los giros de 0 a 180 grados. Y finalmente, completando la rotación de la espira desde los 270 a los 360 grados, se producirá en la espira una f.e.m. que irá de su valor máximo en forma paulatina hasta el valor cero observando la corriente el mismo sentido que en el giro de 180 a 270 grados, pero ahora en vez de ir aumentado irá decreciendo hasta ser nula.

De todos estos hechos observamos que la f.e.m. inducida en la espira tendrá valores nulos cuando la misma se encuentre vertical y valores máximos cuando este horizontal correspondiendo al primer caso las posiciones 0 y 180  grados y al segundo caso las posiciones 90 y 270 grados. Es necesario aclarar que la f.e.m. inducida en la espira será tanto mayor cuanto mayor sea la cantidad de vueltas o giros completos que realiza la misma en la unidad de tiempo, o sea el segundo. Además, todas las explicaciones referentes a los distintos valores de f.e.m. para las respectivas posiciones de la espira de nuestro ejemplo, se entenderán siempre considerando a la espira en movimiento, puesto que ya sabemos que para producir una f.e.m. inducida es necesaria una variación en la cantidad de líneas de fuerza cortadas por el conductor.

Si deseamos representar gráficamente los valores de la f.e.m. inducida para cada una de las posiciones de la espira, trazaremos dos líneas perpendiculares. una horizontal que se denomina "abscisa" ( 0° a 360° ) y otra vertical llamada "ordenada" (+e , 0 , -e ) según la figura 3-1.

El punto donde se unen estas dos líneas lo llamamos punto de partida o cero . Sobre la abscisa podemos efectuar una graduación que nos representará el valor de la f.e.m. inducida para cada posición de la espira, y sobre la ordenada también otra graduación, que nos irá indicando los sucesivos tiempos del giro. Así en nuestro caso, al iniciar el movimiento de rotación de la espira tomaremos como referencia el punto de partida cero. Desde 0 a 90 grados la f.e.m. irá en aumento, circulando la corriente en un sentido. De 90 a 180 grados irá disminuyendo, conservando igual sentido de circulación. Para las posiciones de 180 a 270 grados volverá a ir en aumento, pero esta vez en sentido centrario y finalmente de 270 a 360 grados continuará decreciendo y en este mismo sentido.

Si observamos la figura 3-1 , en la que quedan representados los sucesivos valores de la f.e.m. inducida, veremos que cada 180 grados hay una inversión del sentido de la corriente inducida, y una constante variación en los valores de dicha tensión.

Una armadura bobinada girando en un campo magnético uniforme constituye un generador elemental de corriente alternada. Puede usarse un vector que gira uniformemente para simular los lados que cortan el flujo (longitudinales) de la armadura giratoria (Fig. 3-1). Siempre que el vector giratorio o la armadura se mueven en ángulo recto al flujo magnético (entre los polos) , éste corta el máximo número de líneas magnéticas, y la fem inducida alcanza su máximo valor, Em. Cuando la armadura se mueve paralela con el flujo magnético, no corta ninguna línea, y la fem inducida es cero. Supongamos que el campo magnético es de dirección vertical hacia abajo y la armadura (representada por un vector) comienza a girar contraria a las agujas de reloj, desde una posición horizontal la derecha (ver Fig. 3-1). Por lo tanto, el voltaje inducido en la armadura es inicialmente cero. Después de un cuarto de revolución, o un cuarto de ciclo, la armadura alcanza una posición vertical y se mueve en ángulo recto respecto al flujo, entre los polos del imán. En este instante, se alcanza la máxima fem (representada por la longitud del radio vector Em), durante el siguiente cuarto de revolución, la fem inducida disminuye nuevamente y llega a cero en el instante en que la armadura pasa a la posición horizontal (hacia la izquierda) y se mueve paralela al flujo. Una posterior rotación durante el tercer cuarto e giro induce una fem de dirección opuesta, en la bobina de la armadura.

Esta fem alcanza un valor máximo (-Em) cuando el vector giratorio, que representa la armadura, apunta verticalmente hacia abajo y se mueve entre los polos en ángulo recto con el campo (después de 3/4 de revolución). Durante el último cuarto de revolución, la fem inducida disminuye nuevamente y alcanza el valor cero cuando la armadura ha completado una revolución completa, o ciclo (igual a 360° de circunferencia) .

Es evidente que solamente la porción de la armadura que se mueve en ángulo recto con el flujo es efectiva para inducir una fem en la bobina. Esta componente que corta al flujo puede ser determinada proyectando la posición angular del vector giratorio (o armadura) sobre un diámetro vertical. Para algún ángulo θ entre el vector (o armadura) y la horizontal, la componente vertical (que corta al flujo) del vector es:

Em senθ

donde Em es la longitud del vector, y es igual a la máxima fem inducida. Por lo tanto, podemos escribir para el voltaje, e, generado en cualquier instante,

e= Em senθ

Para una armadura que gira uniformemente, el ángulo θ barrido por la armadura es igual al producto de la velocidad angular (ω ) y el tiempo (t) ; es decir, θ = ωt. Por lo tanto,

e= Em senθ = Em senωt

Si el voltaje inducido instantáneo, e, se representa en función del tiempo o del ángulo, se obtiene la onda sinusoidal mostrada en la figura 3-1. Además si el voltaje inducido se aplica a una carga resistiva, la corriente instafitánea, i, sufrirá variaciones similares al voltaje con respecto al valor máximo de la corriente, Im; es decir,

i= Imsenθ=Imsenωt

Resumiendo conceptos: La energía eléctrica se puede generar de dos formas distintas, en continua o en alterna. En su forma de continua, sólo existe un valor para designar una magnitud determinada; este valor es además inalterable con el tiempo y será el empleado para realizar los cálculos (los números y operaciones serán, pues, algebraicos). En su forma alterna, por el contrario, necesitamos definir tanto el valor de la magnitud como su frecuencia. El valor de la magnitud periódica, asimismo, puede expresarse de diferentes formas, pero siempre como vector, lo que complicará los cálculos. Llegados a este punto es importante saber, de todos estos posibles valores, ¿cuál utilizaremos para realizar cálculos?

Para responder a la pregunta, primeramente vamos a representar una magnitud alterna cualquiera (A), en función del tiempo. El proceso ocurre como si un vector fuera rotando en un círculo hasta cubrir los 360º, representándose sus proyecciones sobre un plano. La forma que irá tomando la magnitud será una senoide periódica, la cual tendrá unos máximos positivos o negativos y unos puntos (paso por
cero), en los cuales su valor será nulo.

Como mínimo podemos encontrar las siguientes expresiones para representar la magnitud (A), de forma que:
App = valor pico a pico, es decir, la diferencia entre valores extremos que alcanza la magnitud a lo largo de todo un periodo.
Amáx = valor máximo que alcanza la magnitud con un signo determinado (positivo o negativo).
Coincide con la mitad del valor pico a pico, si se trata de una senoide periódica regular.
Ai = valor instantáneo que va tomando la magnitud a lo largo del tiempo. Este valor es ampliamente usado para estudios de regímenes transitorios.
A = valor eficaz de la señal (es el equivalente al valor de la magnitud que en continua causaría los mismos efectos térmicos y energéticos en un sistema eléctrico).
Una de las formas más empleadas para designar el valor de una magnitud en alterna es el valor eficaz, aunque no es un valor real como los otros (ya que se obtiene por cálculo al igualar las pérdidas energéticas por efecto Joule que un elemento produciría si se conectase en alterna o en continua); es el valor más parecido a la energía continua que se conoce, produciéndose en cada periodo el mismo gasto energético si un circuito se conecta en continua, o bien si se conecta en alterna, siempre que el valor en alterna se haya tomado como eficaz. Este valor, al variar con el tiempo, describe ángulos diferentes, no pudiéndose representar solamente por un valor algebraico, siendo necesario el uso de fasores o vectores (parte real más parte imaginaria, o, módulo más ángulo).

Algunas relaciones para señales periódicas senoidales son:

 

Corriente eléctrica . Generadores de corriente contínua.

Utilizando el mismo procedimiento descripto anteriormente, es posible generar una f.e.m. que en lugar de invertir su sentido de circulación a cada alternancia, circulará siempre en una misma dirección siendo por lo tanto una corriente continua pulsante. Claro que será necesario introducir al dispositivo productor de corriente una pequeña variante, que pasaremos a describir a continuación.

Princípio básico de un generador de corriente alternada .

Generador de corriente alterna :

En el caso de la figura a la izquierda , observamos que la f.e.m. inducida en la espira para cada una de las posiciones que presentaba en el giro completo, es recogida por dos anillos metálicos, denominados colectores conectados uno a cada extremo de la espira, que en todo momento establecen contacto con dichos extremos. Por lo tanto, según varía el sentido de la circulación de la corriente inducida, cada uno de dichos colectores serán a instantes positivos y a instantes negativos, alternativamente.

 

 

Princípio básico de un generador de corriente contínua .

Generador de corriente contínua

En los generadores de corriente contínua, en lugar de utilizar los citados anillos metálicos, para recoger la f.e.m. inducida se emplean dos medios anillos aislados ambos entre si y dispuesto en forma circular, tal cual puede apreciarse en la figura izquierda  , en la que para mayor ilustración se representa también la espira o inducido del generador, cuyos extremos son conectados a cada una de estas mitades del anillo, que aclaramos ahora se denominan delgas. Sobre estas delgas se disponen las escobillas que nos permitirán recoger la f.e.m. y llevarla a un circuito exterior.

Los generadores de corriente continua que se utilizan en las usinas productoras de energía eléctrica poseen inducidos que además de constar de bobinas de más de una espira, poseen varias de estas bobinas, por motivos que ya explicaremos, por lo tanto, por cada bobina que posean, corresponderá disponer de un par de delgas, según la figura izquierda.
Así, el conjunto de todas estas series de delgas forman el colector. Observando detenidamente la figura citada podemos deducir rápidamente qué cada una de estas delgas, hará las veces de interruptor, o conmutador, que aún cuando la corriente inducida en la espira cambie de sentido según cada extremo o lado de la espira se desplace en un sentido o en otro, hará que la corriente circule por el circuito externo en una d¡rección constante. En efecto, cuando el lado a-b de la espira se encuentre hacia la izquierda y el lado c-d de la misma hacia la derecha, la delga 1 estará haciendo contacto con la escobilla 1, y lógicamente la delga 2, hará contacto con la escobilla 2. No bien se invierta la posición de la espira, esto es, después de haber girado 180 grados sobre su eje, de modo que el lado a-b de la espira quede hacia la derecha y el lado c-d hacia la izquierda, y se invierta por tanto él sentido de circulación de la corriente a través de la espira, la delga 1 hará ahora contacto con la escobilla 2 y la delga 2 hará contacto con la escobilla 1. Vemos pues que, no obstante cambiar de sentido la corriente a través de la espira, la misma fluirá siempre en una dirección dada, debido a la disposición del sistema colector constituido por las delgas y las escobillas.

A - Forma de onda de un generador de corriente contínua de una sola espira

B- Forma de onda con mas de una espira.

La f.e.m. inducida en un generador de corriente continua es la que se representa en la figura a la izquierda y observando la misma podemos apreciar que en este caso la curva obtenida no es una sinusoide como la de la figura superior, pues no se desarrolla un ciclo completo, sino que cada ciclo es cortado a los 180 grados, o sea cuando finaliza el semiciclo positivo, rectificándose el semiciclo negativo de tal modo que observa el mismo sentido que el primero. Los generadores de corriente continua que poseen las usinas productoras de energía eléctrica disponen de inducidos de gran número de espiras, segun hemos visto , y el motivo es evitar que cuando las delgas entran en acción cortando el ciclo de la corriente a los 180 grados la corriente producida en ese instante por el generador no sea cero, tal como ocurre en la figura A cuando finaliza cada semiciclo o alternancia. Efectivamente, dotando al bobinado inducido de gran número de bobinas y pares de delgas, la f.e.m. producida será máxima en cualquier instante pues cuando sucesivamente cada bobina alcance su posición correspondiente a cero tensión, siempre existirá un bobinado que generará un valor de f.e.m. máximo. Tal puede apreciarse en la figura B , en la cual la tensión total obtenida es la que corresponde a los picos máximos de cada alternancia, siendo la misma continua pulsante. Cabe aclarar que la tensión representada en B de la figura izquierda es la que se obtendría de un supuesto generador dotado de dos bobinados y dos pares de colectores y delgas.


 

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