4-Producción de la corriente alterna

Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.

Produccin de la corriente alternaVentajas de la corriente alterna (C.A.)En los inicios del desarrollo de los sistemas elctricos, la electricidad se produca en forma de corriente continua mediante las dinamos. Este tipo de generador resulta bastante ms complejo y difcil de mantener que los alternadores, ya que necesitan para extraer la energa elctrica del rotor (parte del generador en movimiento giratorio) de un colector en forma de anillo metlico subdividido en el que frotan escobillas (le grafito. Adems la energa no se poda transportar a largas distancias, dado que no exista un sistema prctico que fuese capaz de elevar y reducir la tensin de grandes cantidades de energa (recurdese que para transportar grandes cantidades de energa elctrica se necesita elevar la tensin para conseguir que la intensidad de la corriente no sea muy grande. As se evita el uso de grandes secciones en los conductores y se reducen las prdidas por efecto Joule). Los alternadores han sustituido en su totalidad a las dinamos, ya que, por un lado, evitan el uso de colectores (la energa elctrica se produce directamente en el estator del generador) y, por otro, producen corriente alterna que se puede elevar y reducir con facilidad gracias a los transformadores elctricos (stos necesitan de corrientes variables para funcionar). En cuanto al consumo de energa elctrica, los motores de C.A. son ms sencillos y robustos que los de C.C. y resultan apropiados para la mayora de las aplicaciones. En aquellos casos en que se hace necesario el uso de la corriente continua (alimentacin de aparatos electrnicos. tratamientos electroqumicos, recarga de bateras de acumuladores, motores de C.C.), la conversin de C.A. a C.C. es sencilla y barata gracias a los rectificadores a base de diodos.

Produccin de una corriente alternaDado que la C.A. sigue las variaciones de la funcin senoidal, antes de abordar su estudio, conviene que realices un pequeo repaso a los siguientes conocimientos de matemticas: funciones trigonomtricas (seno. coseno y tangente), ngulos complementarios, la funcin senoidal, variaciones de las funciones trigonomtricas con el ngulo, representacin vectorial y operaciones con vectores. En la figura siguiente se muestra el aspecto de un alternado: elemental. Consta de un campo magntico fijo producido por un imn, dentro del cual se hace girar un conductor elctrico en forma de espira. Al cortar los conductores en su movimiento giratorio en el campo magntico, se produce en ellos una fuerza electromotriz de induccin que se muestra como una tensin U en los extremos de la espira. Para poder conectar dichos extremos a un receptor elctrico es necesario utilizar un par de anillos conductores unidos elctricamente con los extremos y situados en el eje de giro de la espira. Los receptores se conectan a travs de unas escobillas fijas de grafito que mediante frotamiento consiguen un aceptable contacto elctrico con los anillo colectores.

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Se puede comprobar que la tensin que aparece en los terminales de la espira es variable y posee la forma de una senoide, tal como se muestra en la figura siguiente. Una corriente alterna senoidal se caracteriza por que el valor (le la corriente y de la tensin en cada instante cambia de valor y de sentido. siguiendo un ciclo repetitivo segn la funcin senoidal.

El valor instantneo de la tensin es: donde: Umax= Valor ms alto que alcanza la tensin. = Velocidad angular que suministra el alternador. t = Tiempo. Para poder comprender mejor estas variables vamos a estudiar cmo se consigue generar esta forma de onda senoidal mediante un alternador elemental como el de la figura primera. La espira gira en el seno de un campo magntico a una cierta velocidad angular , que mediremos en radianes por segundo (figura).



La velocidad angular nos indica el ngulo a girado por la espira en la unidad de tiempo. En su giro los conductores de la espira cortan el campo magntico, por lo que aparece en ellos una f.e.m. inducida. Si observamos atentamente las distintas posiciones que toma la espira respecto al campo magntico, podremos comprobar que el corte de sta respecto al campo magntico no siempre es perpendicular. Es ms, slo se produce ese caso en los puntos B y D. En los puntos A y C los conductores se mueven paralelamente al campo magntico, por lo que aqu la f.e.m. es cero. Al moverse el conductor entre cualquiera de estos puntos aparece un ngulo de corte que est entre 0 y 90 qu f.e.m. se produce entonces? (figura siguiente).

Para poder averiguarlo, tendremos que determinar primero cul es el valor de la f.e.m. inducida en un conductor cuando se mueve con un ngulo y respecto a la perpendicular de las lneas de fuerza del campo magntico. El conductor de la figura siguiente se mueve con una velocidad (v) un ngulo () respecto a la perpendicular de las lneas de fuerza. Como para producir f.e.m. inducida debemos mover el conductor perpendicularmente, descomponemos (v) en su componente Produccin de la corriente elctrica.3/6

Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO. perpendicular (vp). Al aplicar las reglas trigonomtricas obtenemos el siguiente resultado:

La f.e.m. inducida tendr entonces un valor de: e = B L vp, de donde: e = B . L v cos e= f.e.m. inducida en voltios. B = Induccin magntica en teclas. L = Longitud del conductor en metros. v = Velocidad del conductor en m/s. cos = Coseno del ngulo con el que se mueve el conductor respecto a la perpendicular del campo magntico. Veamos lo que ocurre ahora cuando el conductor se mueve en sentido giratorio en el seno de un campo magntico. El conductor gira con la velocidad angular (figura siguiente).


Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO. En el punto A se mueve con una velocidad tangencial (v). Si descomponemos esta velocidad en su componente perpendicular respecto a las lneas de campo, tendremos que:

Ahora podemos relacionar el ngulo de giro con el de la componente perpendicular , que como son complementarios:

de donde se deduce que:

y como = t, nos queda que:

Los valores de B, L y v suelen ser constantes en un alternador y coinciden con el valor mximo de la f.e.m. De esta forma podemos expresar el valor instantneo de la f.e.m. en el conductor as:

A se la conoce por el nombre de pulsacin de la corriente y se expresa en radianes/ segundo. La f.e.m. sigue los cambios de la funcin senoidal, tal como se puede comprobar en la figura siguiente.


Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO. Punto A: El conductor se mueve en direccin paralela a las lneas de fuerza, sen 0 = 0 y, por tanto, e = 0. Punto B: El conductor se mueve con un ngulo de 45 y la fuerza electromotriz alcanza un valor intermedio: e = Emax sen 45 Punto C: El ngulo es de 90; se alcanza el valor mximo de la f e.m.: e = Emax sen 90 = Emax. Punto D: el ngulo es de 135 y la f.e.m. alcanza el mismo valor que en el punto B. Punto E: El ngulo es de 180 y el conductor se mueve en direccin paralela a las lneas de fuerza, por lo que e = 0. Punto F: Se invierte el sentido del movimiento del conductor y, con l, el de la f.e.m. (aplicar la regla de la mano derecha). Punto G: Se alcanza el valor mximo negativo: e = Emax sen 270 = - Emax Punto A: Se completa una vuelta completa del conductor y con ella se cubre un ciclo completo. En la prctica y con el fin de eliminar los anillos colectores, los alternadores se construyen de tal forma que lo que se pone en movimiento de giro son las piezas polares que producen el campo magntico inductor. En el estator se sitan los conductores donde se genera la f.e.m. de induccin cuando son cortados por el campo magntico en movimiento (figura).


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