CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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CORRIENTE ALTERNADA

Fase, ángulo de fase y diferencia de fase

La fracción de ciclo que ha transcurrido desde que una corriente o voltaje ha pasado por un determinado punto de referencia (generalmente en el comienzo o 0°) se denomina fase o ángulo de fase del voltaje o corriente. Más frecuentemente, los términos fase o diferencia de fase se usan para comparar dos o más voltajes. o corrientes alternados o voltajes y corrientes de la misma frecuencia, que pasan por sus puntos cero y máximo a diferentes valores de tiempo.

Fig. 3-2. (A) Voltajes en fase; (B) la corriente adelanta al voltaje en 90° (C) dos voltajes en oposición de fase.

(En circuitos inductivos o capacitivos de CA , el voltaje y la corriente, si bien son de la misma frecuencia, no transcurren juntos.) Por ejemplo, E1 y E2 en Fig. 3-2 (A) se dice que están en fase, porque pasan por sus puntos cero y máximo en los mismos instantes de tiempo, si bien difieren sus valores máximos. La corriente y voltaje en Fig. 3-2 (B) se dice que están 90° fuera de fase, dado que sus respectivos valores máximo y cero, están desplazados 90° o 1/4 de ciclo. La corriente adelanta al voltaje en 90°, porque alcanza su valor máximo (y mínimo) 90° o 1/4 ciclo antes que el voltaje. Los dos voltajes de la Fig. 3-2 (C) se dice que están en oposición de fase, o 180° fuera de fase uno de otro, porque sus valores máximo y cero, están desplazados en 180° eléctricos o 1/2 ciclo .

Corriente alternada en resistencia pura

La corriente en un circuito de CA que contiene solamente resistencia está determinada por la ley de Ohm (I = E/R) y está en fase con la fem aplicada (ver Fig. 3-3). Además, en cualquier parte de un circuito de CA que contenga resistencia, la caída de voltaje sobre ésta (V) está en fase corriente (I) , y por lo tanto, con la fem aplicada (E).

Fig. 3-3 Corriente y voltaje en resistencia pura .

 

Una línea de transporte de corriente eléctrica convencional, con una carga conectada en su extremo final, puede representarse como una resistencia y una inductancia de la forma que indica la figura:

Si el receptor se comporta como una resistencia pura, la intensidad no sufre ningún desfase con respecto a la tensión.

Fig. : Diagrama de tensiones de un circuito resistivo

Nótese que, en este caso, la tensión del generador V1 es mayor que la tensión del receptor V2 siguiendo el orden normal de estos sistemas (caída de tensión positiva).

 

CA en inductancia pura

Si bien toda inductancia práctica tiene la resistencia del bobinado, es de interés considerar una inductancia pura. Debido al hecho de que la fcem de autoinducción en una bobina se opone a cualquier cambio en la corriente, una inductancia en un circuito de CA ejerce un efecto continuo de choke sobre la corriente, que reduce su magnitud y la atrasa en 90° (1/4 de ciclo) respecto del voltaje aplicado (ver Fig. 3-4). La oposición al pasaje de la corriente por una inductancia L (en henrios) se llama reactancía inductiva (XL) y está dada (en ohms) por

XL = 2π f L = 6,283 f L (aprox.) ohms

La corriente en una inductancia pura es el voltaje aplicado (E) dividido por la reactancia inductiva (XL), o

(donde I atrasa a E en un ángulo de fase de 90° ).

PROBLEMA 80. ¿Cuál es la magnitud de la corriente (rms) que circula en una bobina de choke de 5 henrios de resistencia despreciable, cuando se conecta a la línea de alimentación de 220 volts y 50 ciclos?

SOLUCIóN.

XL = 2π f L = 6,283 x 50 ciclos X 5 henrios = 1570 ohms

CA en capacidad pura

Condensadores conectados a un generador de corriente alterna : En el caso de conectar un condensador a un circuito alimentado por un generador de corriente alterna, el funcionamiento del condensador es análogo al descrito para la corriente continua con la salvedad de que la carga no es continua, siendo esta vez alterna, es decir, se suceden los semiperiodos positivos con los semiperiodos negativos, resultando imposible la carga
completa del condensador bajo este régimen.
Si la fuente o generador es alterna senoidal, nunca se llegará a cargar o descargar un condensador por completo, lo impide la variabilidad de la señal.
En cambio para señales alternas, pero triangulares o cuadradas, si el semiperiodo es lo suficientemente
grande (mayor de 5 constantes de tiempo ) para permitir la carga o descarga completa, éstas se realizarán; en cambio si el semiperiodo es menor que 5 constantes de tiempo, la carga o descarga no llegará a completarse. Esto ocurre porque este tipo de señales (tanto la cuadrada como la triangular) varían su señal de forma contínua o lineal (la señal triangular dispone de una pendiente constante), en vez de la pendiente variable que presenta una señal senoidal.

Fig. : Condensador conectado a un generador de corriente alterna

Por lo demás, el proceso de carga y descarga se asemeja mucho al descrito con corriente continua, con las mismas constantes de tiempo y sentido de circulación de los electrones. En concreto podemos señalar las siguientes particularidades:

- La intensidad producida es variable y de un sentido en cada semiperiodo.
- La intensidad nunca llegará a valor cero (a anularse), a excepción de los pasos periódicos de la misma por este punto, como corresponde a cualquier señal alterna.
- Con corriente alterna nunca se producirá acumulación de cargas y por tanto no es posible usar el condensador como batería (no es posible acumular energía en alterna).
- Si el periodo es lo suficientemente grande, se producirá la carga o descarga del condensador, si se conecta a señales alternas triangulares o cuadradas (semiperiodos mayores a 5 constantes de tiempo).

Existen otras aplicaciones de los condensadores conectados a señales alternas, entre ellas podemos destacar los filtros en sus más diversas variantes, los rectificadores y los estabilizadores.

En cuanto a los rectificadores y estabilizadores, los condensadores son fundamentales, ya que si disponemos de un puente de diodos, por ejemplo, la señal sale modulada en un sentido, pero con un factor de rizado muy grande (poco rectificada). Con el concurso de un condensador a la salida, se consigue disminuir el rizado enormemente, ya que el condensador se carga a través de los diodos (resistencia pequeña y por tanto constante de tiempo pequeña), descargándose a través de una resistencia mucho mayor (mayor constante de tiempo).

Vimos que un condensador conectado a una fuente de voltaje de CA, se carga alternativamente en direcciones opuestas, y por lo tanto permite la circulación de una cierta cantidad de corriente alternada. Con todo la magnitud de la corriente está reducida por la capacitiva (Xc) , la cual está dada (ohms) por

donde Xc es en ohms, si C es en farads y f es en ciclos/ seg (cps) . En un circuito capacitivo, la corriente (I) adelanta al voltaje aplicado (E) en 1/4 de ciclo o 90° (ver Fig. 3-5). La corriente es

I = E/Xc = E x (2π f C)

PROBLEMA 81. Un voltaje de 220 volts, 60 ciclos se aplica a un condensador de 25 µf. Determinar la magnitud de la corriente.

Fig. 3-5. Corriente y voltaje en capacidad pura.

o más directamente, I = E (2π f C) = 220 volts x 6,283 x 60 cps X (25 X 10-6) farads = 2,08 amps

Carga inductiva resistiva (tipo bobinas más resistencias)

Si el receptor se comporta como una combinación de resistencia y bobinas (caso más típico, ya que la mayoría de máquinas eléctricas están formadas por bobinados, y éstos presentan resistencia e inductancia), la intensidad total presentará un ángulo de desfase respecto a la tensión, que estará comprendido entre 0º y -90º (ya que si fuese una resistencia pura valdría 0º, y si se tratara de una bobina pura el desfase ascendería a -90º). El paso de esta intensidad por la resistencia e inductancia de la línea representará unas caídas de tensión como las mostradas en el siguiente diagrama.

Fig. : Diagrama de tensiones de un circuito inductivo resistivo

Nótese que, en este caso, la tensión al final de línea V2 es aún menor que en el caso resistivo anterior, respecto a la tensión origen V1, es decir, la caída de tensión es mayor, manteniéndose el signo positivo de la misma.

Carga capacitiva resistiva (tipo condensadores más resistencia)

Este es un caso mucho menos frecuente, ya que no existen motores formados por condensadores. Esta situación suele presentarse cuando se realiza una compensación de potencia, o bien, cuando la línea está en vacío, pero en operación (efecto Ferranti).

El desfase de la intensidad de línea estará comprendido entre los 0º y los 90º positivos, dependiendo de la proporción de resistencia y condensadores que exista en la carga.

Fig.: Diagrama de tensiones de un circuito capacitivo resistivo

En este caso la tensión final V2 será mayor que la tensión en el inicio de línea V1, dándose una caída de tensión negativa (efecto Ferranti). Este efecto es muy perjudicial para las máquinas eléctricas.

Aplicación de los condensadores en alterna:

  • Puente de diodos
  • A la salida del puente, se obtiene una señal rectificada de doble onda, pero con factor de rizado grande. Si disponemos de un condensador a la salida, el factor de rizado disminuye considerablemente.

Fig. : Puente de diodos de doble onda con condensador de salida para atenuar el rizado

  • Otra aplicación de los condensadores en alterna son los filtros para armónicos en motores. Con el uso de condensadores se consigue que los armónicos o señales de alta frecuencia no lleguen al motor, desviándose hacia tierra y permitiendo al motor recibir una señal senoidal libre de ruidos.

Fig. : Eliminación de armónicos mediante el uso de condensadores conectados a tierra

La eliminación se consigue gracias a que los condensadores presentan, al paso de señales con alta frecuencia (armónicos), una resistencia prácticamente nula, desviando estos armónicos hacia tierra.

En cambio, para señales senoidales de baja frecuencia (50Hz), representan una resistencia considerable dificultando su paso a través de los condensadores, obligando a estas señales a seguir (libres de armónicos) hacia el motor.

  • Otra aplicación de los condensadores consiste en su empleo como filtros, pero que permiten el paso a determinadas frecuencias, impidiéndoselo a otras. Así nacen los filtros pasa altos (dejan pasar las frecuencias elevadas, eliminando las señales con baja frecuencia), los filtros pasa bajos (dejan pasar las frecuencias bajas, eliminándose las elevadas) o los más buscados, los filtros pasa banda (dejan pasar sólo una banda de frecuencias).
  • Un dispositivo suele considerarse como filtro cuando la ganancia de tensión en la salida representa el 70% de la tensión en la entrada. A partir de esta relación se considera que la salida ya tiene suficientemente entidad, y por tanto, a partir del valor de esta frecuencia (frecuencia de paso, o frecuencia de corte, dependiendo si aumenta o disminuye la ganancia, respectivamente) puede considerarse que ya es un filtro.

Fig.: Diversos tipos de filtros con la utilización de condensadores F paso

 


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