INTRODUCCIONLa Electrotecnia es la disciplina tecnolgica
dirigida al aprovechamiento de la electricidad. Su campo
disciplinario abarca el estudio de los fenmenos elctricos y
electromagnticos, desde el punto de vista de su utilidad prctica,
las tcnicas de diseo y construccin de dispositivos elctricos
caractersticos, ya sean circuitos, mquinas o sistemas complejos, y
las tcnicas clculo y medida de magnitudes en ellos.Las aplicaciones
de la Electrotecnia se extienden a todos los mbitos de la economa y
vida cotidiana, merced a desarrollos especializados en distintos
campos de aplicacin, que dan lugar a opciones formativas y
profesionales en diversos sectores: produccin y distribucin de
energa, calefaccin y refrigeracin, alumbrado, obtencin de energa
mecnica, tratamiento de informacin codificada, automatizacin y
control de procesos, transmisin y reproduccin de imgenes de sonido,
electromedicina, etc.
RECONOCIMIENTO DE INSTRUMENTACION Y ELEMENTOS PASIVOS EN
CORRIENTE ALTERNAMARCO GENERAL: En la presente gua se representara
los diferentes instrumentos y elementos pasivos en el uso de
corriente alterna.OBJETIVOS:Permitir que el alumno adquiera
destreza en el uso de las fuentes generadoras de C.A, y tambin
realizar el reconocimiento de los diferentes elementos pasivos de
C.A.OBJETIVOSEl desarrollo de esta materia ha de contribuir a que
las alumnas y alumnos adquieran las siguientes capacidades
terminales:1. Analizar los fenmenos elctricos y electromagnticos
caractersticos de los circuitos de corriente continua (c.c.) y de
corriente alterna (c.a.) y aplicar las leyes y teoremas
fundamentales en el estudio de dichos circuitos.2. Analizar la
estructura y caractersticas fundamentales de los sistemas elctricos
polifsicos.3. Analizar la estructura, principio de funcionamiento y
caractersticas de las mquinas elctricas estticas y rotativas,
realizando una clasificacin de las mismas.4. Realizar con precisin
y seguridad las medidas de las magnitudes elctricas fundamentales
(tensin, intensidad, resistencia, potencia, frecuencia, etc.),
utilizando, en cada caso, el instrumento (polmetro, vatmetro,
osciloscopio, etc.) y los elementos auxiliares ms apropiados.5.
Realizar los ensayos bsicos caractersticos de las mquinas elctricas
estticas y rotativas de baja potencia.6. Analizar la tipologa y
caractersticas funcionales de los componentes electrnicos analgicos
bsicos y su aplicacin en los circuitos electrnicos.7. Analizar
funcionalmente los circuitos electrnicos analgicos bsicos
(rectificadores, filtros, amplificadores, etc.) y sus aplicaciones
ms relevantes (fuentes de alimentacin, amplificadores de sonido,
circuitos bsicos de control de potencia, temporizadores, etc.).
EQUIPOS A UTILIZAREl alumno tomara nota de las caractersticas de
los distintos equipos, especficamente de las caractersticas tcnicas
de trabajo par a su medicin y entrega y salida de seal. Generador
de Frecuencias Osciloscopio Analgico Osciloscopio Digital
Osciloscopio digital por PC Elementos pasivos, resistencias,
condensadores cermicos, bobinas inductoras Vatmetros monofsicos y
trifsicos DESARROLLOEl alumno recibir las instrucciones de trabajo
de los diferentes instrumentos de medicin tanto analgicos como
digitales para su correspondiente uso. Adems se le dar una
descripcin de uso de los elementos pasivos.Corriente alternaSe
denomina corriente alterna (abreviada CA en espaol y AC en ingls,
de alternating current) a la corriente elctrica en la que la
magnitud y el sentido varan cclicamente. La forma de oscilacin de
la corriente alterna ms comnmente utilizada es la de una oscilacin
senoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisin ms
eficiente de la energa. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se
utilizan otras formas de oscilacin peridicas, tales como la
triangular o la cuadrada.Utilizada genricamente, la CA se refiere a
la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las
empresas. Sin embargo, las seales de audio y de radio transmitidas
por los cables elctricos, son tambin ejemplos de corriente alterna.
En estos usos, el fin ms importante suele ser la transmisin y
recuperacin de la informacin codificada (o modulada) sobre la seal
de la CA.
Corriente alterna frente a corriente continuaEn el caso de la
corriente continua la elevacin de la tensin se logra conectando
dnamos en serie, lo cual no es muy prctico, al contrario en
corriente alterna se cuenta con un dispositivo: el transformador,
que permite elevar la tensin de una forma eficiente.La energa
elctrica viene dada por el producto de la tensin, la intensidad y
el tiempo. Dado que la seccin de los conductores de las lneas de
transporte de energa elctrica depende de la intensidad, podemos,
mediante un transformador, elevar el voltaje hasta altos valores
(alta tensin), disminuyendo en igual proporcin la intensidad de
corriente. Con esto la misma energa puede ser distribuida a largas
distancias con bajas intensidades de corriente y, por tanto, con
bajas prdidas por causa del efecto Joule y otros efectos asociados
al paso de corriente tales como la histresis o las corrientes de
Foucault. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanas, el
voltaje puede ser de nuevo reducido para su uso industrial o
domstico y comercial de forma cmoda y segura.Algunos tipos de
oscilaciones peridicas tienen el inconveniente de no tener definida
su expresin matemtica, por lo que no se puede operar analticamente
con ellas. Por el contrario, la oscilacin sinusoidal no tiene esta
indeterminacin matemtica y presenta las siguientes ventajas: La
funcin seno est perfectamente definida mediante su expresin
analtica y grfica. Mediante la teora de los nmeros complejos se
analizan con suma facilidad los circuitos de alterna. Las
oscilaciones peridicas no sinusoidales se pueden descomponer en
suma de una serie de oscilaciones sinusoidales de diferentes
frecuencias que reciben el nombre de armnicos. Esto es una
aplicacin directa de las series de Fourier. Se pueden generar con
facilidad y en magnitudes de valores elevados para facilitar el
transporte de la energa elctrica. Su transformacin en otras
oscilaciones de distinta magnitud se consigue con facilidad
mediante la utilizacin de transformadores.
Figura 2: Parmetros caractersticos de una oscilacin
sinusoidal.Una seal sinusoidal, , tensin, , o corriente, , se puede
expresar matemticamente segn sus parmetros caractersticos (figura
2), como una funcin del tiempo por medio de la siguiente
ecuacin:
dondees la amplitud en voltios o amperios (tambin llamado valor
mximo o de pico),la pulsacin en radianes/segundo,el tiempo en
segundos, yel ngulo de fase inicial en radianes.Dado que la
velocidad angular es ms interesante para matemticos que para
ingenieros, la frmula anterior se suele expresar como:
donde f es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa
del perodo . Los valores ms empleados en la distribucin son 50 Hz y
60 Hz.Representacin fasorialUna funcin sinusoidal puede ser
representada por un nmero complejo cuyo argumento crece linealmente
con el tiempo(figura 3), al que se denomina fasor o representacin
de Fresnel, que tendr las siguientes caractersticas: Girar con una
velocidad angular . Su mdulo ser el valor mximo o el eficaz, segn
convenga.
Figura 3: Representacin fasorial de una oscilacin sinusoidal.La
razn de utilizar la representacin fasorial est en la simplificacin
que ello supone. Matemticamente, un fasor puede ser definido
fcilmente por un nmero complejo, por lo que puede emplearse la
teora de clculo de estos nmeros para el anlisis de sistemas de
corriente alterna.Consideremos, a modo de ejemplo, una tensin de CA
cuyo valor instantneo sea el siguiente:
Figura 4: Ejemplo de fasor tensin.
Tomando como mdulo del fasor su valor eficaz, la representacin
grfica de la anterior tensin ser la que se puede observar en la
figura 4, y se anotar:
Denominadas formas polares, o bien:
denominada forma trinmica.Parmetros de la corriente alternaYa
hemos visto los componentes pasivos y su comportamiento en
corriente continua. Dado que el comportamiento de stos vara al
tratarlos en corriente continua o corriente alterna merece un
prrafo aparte la discusin sobre el comportamiento de estos
elementos cuando se los somete a la circulacin de una corriente
alternada.Antes de comenzar conviene remarcar la diferencia de este
tipo de corriente con la corriente continua y tambin la explicacin
de los parmetros mas importantes de una seal alterna.La corriente
continua es aquella que mantiene su valor de tensin constante y sin
cambio de polaridad, ejemplo de ella puede ser una batera de las
que se utilizan en los automviles o las pilas con las que
alimentamos nuestros juguetes o calculadoras electrnicas. A este
tipo de corriente se la conoce como C.C. o, segn los autores de
habla inglesa, D.C.La corriente alterna tambin mantiene una
diferencia de potencial constante, pero su polaridad vara con el
tiempo. Se la suele denominar C.A. o A.C. en ingls.
ParmetrosFrecuencia: Nmero de veces que una corriente alterna
cambia de polaridad en 1 segundo. La unidad de medida es el Hertz
(Hz) y se la designa con la letra F. De esta forma si en nuestro
hogar tenemos una tensin de 220 V 50 Hz, significa que dicha tensin
habr de cambiar su polaridad 50 veces por segundo.Una definicin ms
rigurosa para la frecuencia: Nmero de ciclos completos de C.A. que
ocurren en la unidad de tiempo.Fase: Es la fraccin de ciclo
transcurrido desde el inicio del mismo, su smbolo es la letra
griega q.Perodo: Es el tiempo que tarda en producirse un ciclo de
C.A. completo se denomina T. En nuestro ejemplo de una tensin de
220 V 50 Hz su perodo es de 20 mseg.La relacin entre la frecuencia
y el perodo es F=1/TValor instantneo: Valor que toma la tensin en
cada instante de tiempo.Valor mximo: Valor de la tensin en cada
"cresta" o "valle" de la seal.Valor medio: Media aritmtica de todos
los valores instantneos de la seal en un perodo dado.Su clculo
matemtico se hace con la frmula:
Valor eficaz: Valor que produce el mismo efecto que la seal C.C.
equivalente. Se calcula mediante:
Valor pico a pico: Valor de tensin que va desde el mximo al
mnimo o de una "cresta" a un "valle".En las siguientes figuras
vemos una seal alterna donde se han especificado algunos de estos
parmetros, la figura a) muestra una onda alterna donde se ven tanto
el valor eficaz, el valor mximo, el valor pico a pico y el perodo.
En la figura b) vemos dos ondas alternas, de igual frecuencia, pero
desfasadas 90.
En la figura a) si la frecuencia es de 50 Hz entonces el perodo
es T=20 mseg y abarcar desde el origen hasta el punto D. En ella
tambin se puede ver la fase, la que es medida en unidades
angulares, ya sea en grados o radianes. Tambin podemos ver los
distintos puntos donde la seal corta al eje del tiempo graduado en
radianes.En la figura b), como ya lo dijimos, se ven dos seales
alternas desfasadas 90 (p/2 radianes), esto es, cuando la primera
seal arranca del punto A, la segunda lo hace desde el punto B,
siendo el desfasaje entre los puntos A y B de 90. Por lo tanto se
dice que tenemos dos seales de igual frecuencia y amplitud pero
desfasadas entre s por 90.Con lo visto hasta ahora estamos en
condiciones de presentar a una seal senoidal en su representacin
tpica:U = Umaxsen (2pft + q)Donde: Umax: tensin mxima f: frecuencia
de la onda t: tiempo q: faseOtros tipos de corriente alterna:En
electrnica se utilizan infinidad de tipos de seales por lo cual se
hace prcticamente imposible enumerarlas a todas, pero haremos
referencia a las ms comunes, luego de senoidal y la continua
pura.Una de ellas es la pulsatoria (tambin llamada onda cuadrada).
Esta onda se ve en la figura siguiente:
Otra onda frecuentemente utilizada en electrnica es la onda
triangular:
y tambin est la onda diente de sierra:
Cabe aclarar que las definiciones de los parmetros que se
hicieron para una onda senoidal se mantienen vlidos para estos
tipos de ondas.Comportamiento de los componentes pasivos en C.A:Los
componentes pasivos tienen distinto comportamiento cuando se les
aplican dos corrientes de distinta naturaleza, una alterna y la
otra continua.La respuesta en C.C. ya la analizamos, nos resta
analizar la respuesta de estos elementos en C.A.Resistencias y
C.A:Estos son los nicos elementos pasivos para los cuales la
respuesta es la misma tanto para C. A. como para C.C.Se dice que en
una resistencia la tensin y la corriente estn en fase.
Inductancia y C.A.:A este tipo de componente no hemos hecho
referencia cuando tratamos a los elementos en C.C. dado su similar
comportamiento a las resistencias en ese tipo de corriente. En
cambio en C.A. su respuesta vara considerablemente
Las seales tensin y corriente mantienen la misma forma de onda
pero ya no estn en fase sino que desfasadas 90. La corriente atrasa
90 con respecto a la tensin.El parmetro que mide el valor de la
inductancia es la reactancia inductiva:XL= 2 p f L donde XLse
expresa en ohmsy como XL= V/I por la Ley de Ohm entonces tenemos
que:i(t) = V(t)/XL= V(t)/2pfLDonde podemos ver que ahora la
corriente no depende exclusivamente del valor de la tensin y de la
reactancia inductiva, sino tambin de la frecuencia, siendo
inversamente proporcional a esta.Capacidad y C.A:En la figura vemos
la conexin de una capacidad a un circuito de C.A.
Es ahora el caso en el que la corriente se adelanta 90 con
respecto a la tensin, manteniendo la misma forma de onda que sta.El
clculo de la reactancia capacitiva (medida en ohms) se hace con la
siguiente frmula:XC= pfCy aplicando nuevamente la Ley de Ohm:i(t) =
V(t) / XC= 2pfC V(t)Tambin aqu la corriente depende de la
frecuencia, pero ahora es directamente proporcional a
sta.Impedancia:Un factor que aparece en alterna es la impedancia.
Esta se mide en ohms y se define:Z = R + j(XL- XC)Al ser un valor
complejo (suma vectorial), se mide su mdulo y fase:
La inversa de la impedancia se denomina admitancia (Y) y se
define:Y = 1/ZCombinaciones R-L, R-C y RLC:Adems de los casos ya
vistos donde solamente estaban presentes en un circuito un solo
tipo de elemento pasivo, existen casos en los cuales se combinan
resistencias con capacitores e inductancias, veremos cmo se
comportan las corrientes y tensiones en cada una de estas
combinaciones.R-L:
En la grfica podemos ver el diagrama vectorial de las tensiones
del circuito. Vemos cmo VRest en fase con la corriente, VLest
adelantada 90 con respecto a esta y entonces resolviendo la suma
vectorial vemos que VTest adelantada a grados a la
corriente.R-C:
De la misma manera que en el circuito R-L vemos en el diagrama
vectorial de las tensiones del circuito, como otra vez VRest en
fase con la corriente, mientras que VCest 90 atrasada a la
corriente. De la suma vectorial vemos que VTest a grados atrasada
con respecto a I.R-L-C:
Por ltimo veremos el caso en el que estn presentes en un
circuito de C.A. los 3 tipos de componentes pasivos (R, L, C).La
impedancia (Z) se calcula como ya hemos visto.En el diagrama
vectorial de las tensiones en el circuito vemos VCatrasada 90 a la
corriente, VRen fase con ella y VLadelantada 90. Ntese que en la
figura no se dibuj la tensin resultante total dado que sta ser
funcin de las tres tensiones presentes, resultando la tensin total
(VT) adelantada a la corriente si XL> XC, atrasada si XC> XLy
estar en fase con la corriente si XC= XL.COMPONENTES ELECTRNICOS
PASIVOSPara resistencias "cdigo de colores RETMA", el cual nos
permite sabersu valor:La primera banda indica el primer valor.La
segunda banda indica el segundo valor.La tercera banda indica el
factor multiplicador x (cantidad de ceros)La cuarta banda (mas
separada que las otras 3) indica la tolerancia del componente (+/-
%) Dorado 5% (buena calidad) o plateado 10% de tolerancia (calidad
ms baja).Cdigo de colores RETM
Ejemplo de una resistencia Equivalencias1 Ohm= 1 Ohm1 Kilo Ohm=
1000 Ohms1 Mega Ohm = 1Banda 1Banda 2Banda 3Banda 4
CafeVerdeRojoDorado
15005%
valor final 1500 1.5K ohm +/- 5%
Negro0Verde
Caf1Azul
Rojo2Violeta
Naranja3Gris
Para condensadores condensador electroltico
INDUCTANCIASPor lo general se parecen mucho a las resistencias,
pero es inevitable al mirarlas que se nota un alambre enrollado en
su interior en forma de bobina (carrete de hilo). Al pasar una
corriente a travs de la bobina, alrededor de la misma se crea un
campo magntico que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la
intensidad de la corriente.
CUESTIONARIOCules son las caractersticas fundamentales de cada
equipo utilizado?Dibujar e indicar cules son las variables ms
fundamentales de los diferentes equipos utilizados?Cul es el rango
de voltajes y corrientes e impedancias, que restringen el uso de
cada equipo?Conclusiones1. El factor de potencia se puede definir
como la relacin que existe entre la potencia activa (KW) y la
potencia aparente (KVA) y es indicativo de la eficiencia con que se
est utilizando la energa elctrica para producir un trabajo til.2.
El origen del bajo factor de potencia son las cargas de naturaleza
inductiva, entre las que destacan los motores de induccin, los
cuales pueden agravarlo si no se operan en las condiciones para las
que fueron diseados.3. El bajo factor de potencia es causa de
recargos en la cuenta de energa elctrica, los cuales llegan a ser
significativos cuando el factor de potencia es reducido.4. Un bajo
factor de potencia limita la capacidad de los equipos con el riesgo
de incurrir en sobrecargas peligrosas y prdidas excesivas con un
dispendio de energa.5. El primer paso en la correccin del factor es
el prevenirlo mediante la seleccin y operacin correcta de los
equipos. Por ejemplo, adecuando la carga de los motores a su valor
nominal.6. Los condensadores de potencia son la forma ms prctica y
econmica para mejorar el factor de potencia, sobre todo en
instalaciones existentes.7. El costo de los condensadores se
recupera rpidamente, tan slo por los ahorros que se tienen al
evitar los recargos por bajo factor de potencia en el recibo de
energa elctrica.8. Cuanto ms cerca se conecten los condensadores de
la carga que van a compensar, mayores son los beneficios que se
obtienen.9. Cuando las variaciones de la carga son significativas,
es recomendable el empleo de bancos de condensadores automticos.10.
La correccin del factor de potencia puede ser un problema complejo.
Recurrir a especialistas es conveniente, si no se cuenta con los
elementos necesarios para resolverlo.Recomendaciones Y sugerencias
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