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Funcionamiento de la corriente continua y corriente alterna (página 2)




Partes: 1, 2

El movimiento de las cargas eléctricas se asemeja al de las moléculas de un líquido, cuando al serࠩmpulsadas por una bomba circulan a través de la tubería de un circuito hidráulico cerrado.

Las cargas eléctricas se pueden comparar con el líquido contenido en la tubería de una instalación hidráulica. Si la función de una bomba hidráulica es poner en movimiento el líquido contenido en una tubería, la función de la tensión o voltaje que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) es, precisamente, bombear o poner en movimiento las cargas contenidas en el cable conductor del circuito eléctrico. Los elementos o materiales que mejor permiten el flujo de cargas eléctricas son los metales y reciben el nombre de "conductores".

Como se habrá podido comprender, sin una tensión o voltaje ejerciendo presión sobre las cargas eléctricas no puede haber flujo de corriente eléctrica. Por esa íntima relación que existe entre el voltaje y la corriente generalmente en los gráficos de corriente directa, lo que se representa por medio de los ejes de coordenadas es el valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de FEM.

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Circuito eléctrico compuesto por una pila o fuente de suministro de FEM; una bombilla, carga oveces mayores que los voltajes de fase y están adelantados 30° a estos:

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En los circuitos tipo triángulo o delta, pasa lo contrario, los voltajes de fase y de línea, son iguales y la corriente de fase es༩mg src="image017.png" alt="Monografias.com" />veces más pequeña que la corriente de línea y está adelantada 30° a esta:

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Además se describe como el movimiento de electrones libres a lo largo de un conductor conectado a un circuito en el que hay una diferencia de potencial. La corriente alterna fluye en tanto existe una diferencia de potencial. Si la polaridad de la diferencia de potencial no varía, la corriente siempre fluirá en una dirección y se llama࣯rriente alterna o continua,௠simplemente c-c.

Existe un tipo de corriente alterna que no siempre fluye en la misma dirección, sino que alterna y fluye primero hacia una dirección y luego se invierte y fluye hacia la otra. A este tipo de corriente se le llamaïrriente Alterna o c-a.

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En todo circuito la corriente fluye de la terminal negativa de la fuente hacia la terminal positiva, por tanto es obvio que para haber flujo de corriente alterna la polaridad de la fuente debe alternar o cambiar de dirección. Las fuentes que pueden hacer esto se llaman঵entes de potencia de c-a̯s circuitos alimentados por fuentes de energía de c-a y que, por lo tanto, tienen corriente alterna, se llamanࣩrcuitos de c-a஠En forma similar, la potencia consumida en un circuito de c-a esa potencia de c-a.

¿Es útil la corriente alterna?

Cuando se inicia el estudio de la corriente alterna, cabe preguntarse si tiene alguna aplicación práctica. Puesto que invierte su dirección, pudiera parecer que cuanto hiciera al fluir en una dirección, lo desharía al invertirse y fluir en la dirección opuesta. Sin embargo, esto no sucede.

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En un circuito, los electrones mismos no efectúan trabajo útil. Lo que importa es el efecto que producen las cargas a través de las cuales fluyen. Este efecto es el mismo, independientemente de la dirección que tenga la corriente: Por ejemplo, cuando fluye corriente a través de una resistencia, siempre se produce calor, sin importar que la corriente fluya siempre en una dirección contraria, o bien, por momento en una dirección y por momentos en la otra.

¿Por qué utilizamos la corriente alterna?

Las primeras fuentes de energía eléctrica que usaron ampliamente proporcionaban corriente directa. Pero, mientras mejor se conocían las características de la corriente alterna, ésta fue sustituyendo a la de corriente directa como la forma de energía más usada en el mundo. Actualmente, de toda la energía que se consume en el mundo, cerca del 90% es de corriente alterna. En Estados Unidos esta cantidad es mucho mayor.

¿Cuáles son las razones de este cambio? ¿Por qué es 9 veces mayor el consumo de c-a que de c-c? Básicamente, hay dos razones para esto. Una de ellas es que, por lo general, la c-a sirve para las mismas aplicaciones que c-c y, además es más fácil y barato transmitir c-a desde el punto donde se transforma hasta el punto en que se consumirá. La segunda razón para el amplio uso de la c-a es que con ellas se pueden hacer ciertas cosas y sirve para ciertas aplicaciones en las cuales la c-c no es adecuada.

No debemos con esto pensar que la c-c dejara de utilizarse y que toda la energía utilizada será de c-a. Hay muchas aplicaciones en la que solo la c-c puede efectuar la función deseada, especialmente en el interior de equipo eléctrico

5.1.- CIRCUITOS EN SERIE LCR

Cualquier circuito práctico en serie LC tiene cierto grado de resistencia. Cuando esta es muy pequeña en comparación con las reactancias del circuito, casi no tiene efecto en el circuito y se puede considerar nula.

Sin embargo, cuando la resistencia es apreciable, tiene un efecto significativo en la operación del circuito y por lo tanto se debe considerar en cualquier análisis de circuitos.

Es indiferente que la resistencia sea resultado del alambrado del circuito o de los devanados de la bobina, o de un resistor conectado al circuito.

En tanto sea apreciable, afectara el funcionamiento del circuito y deberá considerarse. Por regla general, si la resistencia total del circuito no es 10 o más veces mayor que la resistencia, la resistencia tendrá un efecto.

Los circuitos donde la inductancia, capacitancia y resistencia están conectadas todas en serie y se llamanࣩrcuitos en serie LCR.

Sé vera que las propiedades fundamentales de los circuitos en serie LCR y los métodos utilizados para resolverlos, se manejan a los que se han estudiado para circuitos en serie LC. Las diferencias se encuentran en los efectos de la resistencia.

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Los circuitos en serie LCR, la secuencia en que están conectadas las inductancias. La capacitancia y la resistencia, no tienen efecto en el circuito son idénticos.

5.2.- FORMAS DIFERENTES DE CORRIENTE ALTERNA

De acuerdo con su forma gráfica, la corriente alterna puede ser:

  • Rectangular o pulsante

  • Triangular

  • Diente de sierra

  • Sinusoidal o senoidal

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(A)Ϯda rectangular o pulsante.ਂ)Ϯda triangular.ਃ)Ϯda diente de sierra.਄)Ϯda sinusoidal o senoidal.

De todas estas formas, la onda más común es la sinusoidal o senoidal.

Cualquier corriente alterna puede fluir a través de diferentes dispositivos eléctricos, como pueden ser resistencias, bobinas, condensadores, etc., sin sufrir deformación.

La onda con la que se representa gráficamente la corriente sinusoidal recibe ese nombre porque su forma se obtiene a partir de la función matemática de seno.

En la siguiente figura se puede ver la representación gráfica de una onda sinusoidal y las diferentes partes que la componen:

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De donde:

A = Amplitud de onda

P = Pico o cresta

N = Nodo o valor cero

V = Valle o vientre

T = Período

Amplitud de onda: máximo valor que toma una corriente eléctrica. Se llama también valor de pico o valor de cresta.

Pico o cresta: punto donde la sinusoide alcanza su máximo valor.

Nodo o cero: punto donde la sinusoide toma valor "0".

Valle o vientre: punto donde la sinusoide alcanza su mínimo valor.

Período: tiempo en segundos durante el cual se repite el valor de la corriente. Es el intervalo que separa dos puntos sucesivos de un mismo valor en la sinusoide. El período es lo inverso de la frecuencia y, matemáticamente, se representa por medio de la siguiente fórmula:

T = 1 / F

Como ya se vio anteriormente, la frecuencia no es más que la cantidad de ciclos por segundo o hertz (Hz), que alcanza la corriente alterna. Es el inverso del período y, matemáticamente, se representa de la manera siguiente:

F = 1 / T

5.3.-MÚLTIPLOS DEL HERTZ Y VENTAJAS DE LA CORRIENTE ALTERNA

MULTIPLOS DE HERTZ (Hz)

Kilohertz (kHz) = 103 Hz = 1 000 Hz

Megahertz (MHz) = 106 Hz = 1 000 000 Hz

Gigahertz (GHz) = 109 Hz = 1 000 000 000 Hz

Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente directa o continua, tenemos las siguientes:

Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores.

Se transporta a grandes distancias con poca de pérdida de energía.

Es posible convertirla en corriente directa con facilidad.

Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica.

Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de mantener que los de corriente directa.

Valor promedio de una onda

Cuando usted comparó un medio ciclo de una onda seno de c-a a una forma de c-d, encontró que los valores instantáneos de c -a fueron todos menores que c d, excepto en el valor pico de la onda seno. Como todos los puntos de la forma de la onda c d son iguales al valor máximo este valor también es e valor promedio de la onda en c d. El valor promedio de un medio ciclo de la onda seno de c a es menor que el valor pico, porque todos los puntos sobre la forma de la onda excepto uno son menores en valor. El valor promedio de un medio de ciclo para todas las ondas seno es 0.637 del valor máximo o pico. Este valor se obtiene al promediar todos los valores de la onda seno en un medio de ciclo. Como la forma de la onda no cambia, aun cuando su valor máximo cambie, el valor promedio de una onda seno siempre es 0.637 o 63.7% del valor pico. Mientras una onda seno de c-a con un valor máximo de 1 A tiene un valor medio de 0.637 A por cada medio ciclo, el efecto de potencia de un ampere de corriente alterna no es el mismo que el de una corriente directa de 0.637 A. Por esta razón no se usan los valores promedio de las ondas de corriente y voltaje de c-a. Usted entenderá el uso de un valor promedio cuando estudie en la siguiente sección los medidores de c-a.

Cuando se dice que en nuestras casas tenemos 120 o 220දltios, éstos sonඡlores RMS௠eficaces.

6.1.-Un༢>valor८ RMS༯b>de una࣯rrienteॳ elඡlor, que produce la misma disipación de calor que una࣯rriente continuaथ la misma magnitud.

En otras palabras: ElඡlorҍSॳ elඡlorथl voltaje o corriente en C.A. que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje o corriente directa

Ejemplo: 1 amperio (ampere) de corriente alterna (c.a.) produce el mismo efecto térmico que un amperio (ampere) de corriente directa (c.d.) Por esta razón se utiliza el término "efectivo"

6.2.-Elඡlor०ectivo༯b>de una onda alterna se determina multiplicando suඡlor୦aacute;ximo por 0.707. Entonces֒MSའVPICOภ0.707

Ejemplo: Encontrar elදltaje RMSथ una señal con VPICOའ130දltios 130 Voltios x 0.707 = 91.9 Voltios RMS

6.3.-Valor Pico

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Resumiendo en una tabla

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Notas:

- Elඡlor఩co-picoॳ 2 x֡lor఩co

-֡lorҍSའValor०icaz =֡lor०ectivo

6.5.-APLICACIÓN en Multisym 10

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Fotografías

  • a) CORRIENTE CONTINUA. Tal como se explicó en la fig.1 produce una traza horizontal.

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    Fotografía 1

    En la fotografía 1 se ha colocado el osciloscopio, un voltímetro de continua y una batería de corriente continua. Como uno de los bornes de la pila no está conectado el voltímetro indica cero voltios y la traza en el osciloscopio está sobre el eje X

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    Fotografía 2

    En la fotografía 2, ahora se ha conectado la pila y el voltímetro marca༥m>11,44 V. La traza en la pantalla del osciloscopio de la corriente continua, corta al eje Y.

    • c) CORRIENTE ALTERNA SENOIDAL༯b>

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    Fotografía 3

    La fotografía࠳ contiene también un aparato llamado generador de frecuencias que puede producir corrientes alternas de distintas formas de onda,ࠦrecuencias y voltajes. Este aparato se encuentra conectado al osciloscopio y por eso aparece en la pantalla la correspondiente imagen de la corriente alterna sinusoidal.

    Motores de corriente alterna

    En algunos casos, tales como barcos, donde la঵enteలincipal de energía es de c-c o donde se desea un gran margen de variación de velocidad, pueden emplearse motores de c-c. Sin embargo, 1a mayoría de los motores modernos trabajan con঵entesथ c-a.

    A pesar de que hay una gran variedad de motores de c-a, solamente se discutirán aquí tres tipos básicos: el universal, el síncrono y el de jaula de ardilla.

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    7.1.- Motores universales.

    El motor de c.c.೥rie,ഡl como se ha explicado,৩raࣵando se aplica c-c o c-a de baja frecuencia. Tal motor, llamado universal, se utiliza en ventiladores, sopladores, batidoras, taladradoras eléctricas transportables y otrasࡰlicacionesयnde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña velocidad con un par muy potente.

    Una dificultad de los motores universales, en lo que aಡdio೥ refiere, son las chispas del colector y las interferencias deಡdio౵e ello lleva consigo oವido. Esto se puede reducir por medio de los࣯ndensadoresथ paso, de 0,001 冠a 0,01 冬 conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ?sta aୡsa.

    7.2.- Motores síncronos.

    Se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita el࣡mpo࣯n c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en unaऩrección๠durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta.

    El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará.

    El rotor de un alternador de dos polosथbeਡcer൮a vuelta completa para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por segundo, ó 3.600 revoluciones por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algún aparato mecánico, como por ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a de 60 Hz, continuará girando como un motor síncrono.

    Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz, su velocidad de sincronismo será de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta velocidad.

    Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los motores síncronos de este tipo requieren toda una excitación de c-c para el campo (o rotor), así como una excitación de c-a para el rotor (o campo).

    Se puede fabricar un motor síncrono construyendo el rotor cilíndrico normal de un motor tor tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono es el reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el relojୡrca६ഩempoॸacto. No es importante la precisión en la amplitud de la tensión.

    Motores de jaula de ardilla.

    La mayor parte de los motores, que funcionan con c-a de una solaডse,ഩenen el rotor de tipo jaula de ardilla. Un esquema simplificado del mismo se ve a continuación.

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    Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más compactos que el de la figura y tienen un núcleo de਩erroଡminado.

    Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de࣯bre๠ van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos.

    Cuando este rotor está entre dos polos de campo electromagnéticos que han sido magnetizados por una࣯rriente alterna, se induce una FEM en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente (leyथ Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hayಡzónడra que se mueva en una dirección u otra y así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.

    Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dosવegosथ polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (oಥsistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas.

    Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un࣡mpo magnético୦aacute;ximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del devanado principal.

    Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo.

    El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de੮ducciónथ fase partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.

    Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor, más se desliza el rotor.

    En condiciones óptimas de funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del 75 por 100.

    Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo, como se ve en la figura siguiente.

    Mientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la alternancia, el campo magnético aumenta e induce una FEM y una corriente en el anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que contrarresta elୡgnetismo८ la parte del polo donde se halla él.

    En este momento se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un máximo, el campo magnético ya no varía y no se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magnético máximo en todo el polo.

    Mientras la corriente está decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada del polo.

    De esta forma el campo magnético máximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este୯vimientoथl máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100.

    Una de las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento଩breथ interferencias cuando se utilizan tales motores.

    En aplicaciones especiales se emplean algunos tipos de୦aacute;quinasऩnamoeléctricas combinadas. Por lo৥neral,ॳ deseable cambiar de corriente continua a alterna o a la inversa, o cambiar de voltaje de࡬imentaciónथ corriente continua, o la frecuencia o fase con alimentación de corriente alterna.

    Una forma de realizar dichos cambios, es usar un motor que funcione con el tipo disponible de alimentación eléctrica para que haga funcionar un generador que proporcione a su vez la corriente y el voltaje deseados.

    Ventajas y desventajas de la corriente continua y alterna

    Las ventajas y desventajas los tienen los ambos sistemas, ya sea continua o alterna. Como ventajas de la alterna se puede decir que:ˍ Se puede transmitir a grandes distancias sin tener grandes caídas de tensión, con transformadores se puede reducir a cualquier voltaje sin grandes pérdidas de potencia, como así también se puede elevar este con transformadores o autotransformadores, (un ejemplo sencillo es la bobina del automóvil que transforma una corriente de bajo voltaje hasta más de 20000 voltios necesarios para que salte la chispa en la bujía). También se puede transformar en continua mediante rectificadores de tensión o diodos que son semiconductores que dejan pasar el flujo de electrones en un solo sentido. Como desventaja cabe citar que produce, pulsos electromagnéticos que afectan a equipos electrónicos sensibles como radios o sistemas que operen con radiofrecuencias, dado que estas se propagan en el aire. Una forma de comprobarlo es colocando una radio en AM cerca de un transformador, tubo fluorescente o cuando la ocupas alimentándola con la red domiciliaria (220 0 110 según el país) y en algún lugar de la red alguien enchufa un electrodoméstico o hace sonar un timbre. LA CORRIENTE CONTINUA no se4 puede transportar grandes distancias sin que caiga demasiado la tensión, es más peligrosa cuando se manejan altos voltajes, se necesitan resistencias para bajar el voltaje y que estas absorban la potencia que deben disipar en calor: en contraposición a esto, se puede almacenar fácilmente en baterías, variando la tensión se puede variar la velocidad de los motores de corriente continua, no produce interferencias por pulsos electromagnéticos y se puede producir alterna partiendo de una batería con un par de transistores que hacen que la tensión entre sus terminales, positivo y negativo, varié una cantidad x de veces en un sentido u otro. Esta variación de veces por minuto del sentido de la corriente es lo que se conoce como HERTZ O CICLOS POR SEGUNDO. Las dos tienen su campo de aplicación. En bajas tensiones se llevan bien los dos sistemas desde una radio portátil hasta una PC, y para voltajes elevados predomina la alterna.

    NO LE TENGAN MIEDO A LA CORRIENTE, PERO SIEMPRE RESPETALA

     

     

     

    Autor:

    Jonathan Polo Caballero

    Lima - Perú

    2010

    Instituto Superior Tecnológico Público

    "Carlos Cueto Fernandini"

    Departamento de Electrónica

Partes: 1, 2


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