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Corriente alterna y sistemas trifásicos - Monografía



 
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Electrónica. Inducción electromagnética. Transformadores y alternadores. Formas de conexión y sistemas de protección


Corriente alterna



Se denomina corriente alterna (CA o AC en inglés) a la corriente eléctrica que cambia repetidamente de polaridad, esto significa que su voltaje instantáneo va cambiando en el tiempo desde 0 a un máximo positivo, vuelve a cero y continúa hasta otro máximo negativo y así sucesivamente. La corriente alterna más comúnmente utilizada, cambia sus valores instantáneos de acuerdo con la función trigonométrica seno, de ahí se denomina corriente alterna senoidal.
A continuación se muestra la forma de onda de esta corriente:

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Inducción electromagnética



La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que cuando dicho cuerpo es un conductor se habla de la existencia de una corriente inducida.

En el siguiente dibujo tenemos un ejemplo de un corriente producido por inducción:

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Dibujo de dos imanes que crean un campo magnético y una espira que gira creando un corriente

Transformadores



Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce. Estas bobinas o devanados se denominan primario y secundario.
La representación esquemática del transformador es la siguiente:

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Pues un transformador es un dispositivo electromagnético que permite aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de una corriente alterna de forma tal que su producto permanezca constante (ya que la potencia que se entrega a la entrada de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, tiene que ser igual a la que se obtiene a la salida).

Alternadores



El alternador es una máquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica, generando, mediante fenómenos de inducción, una corriente alterna.
Un alternador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo.

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Disposición de elementos en un alternador simple



Así, en el alternador mostrado en la figura anterior, tenemos que el inductor está constituido por el rotor R, dotado de cuatro piezas magnéticas cuya polaridad se indica. Estas piezas pueden estar imantadas de forma permanente o ser electroimanes. En las grandes máquinas el inductor siempre está constituido por electroimanes, cuya corriente de alimentación o excitación proviene de un generador de corriente continua auxiliar o de la propia corriente alterna generada por el alternador convenientemente rectificada.
El inducido está constituido por las cuatro bobinas a-b, c-d, e-f y g-h, arrolladas sobre piezas de hierro que se magnetizan bajo la acción de los imanes o electroimanes del inductor. Dado que el inductor está girando, el campo magnético que actúa sobre las cuatro piezas de hierro cambia de sentido cuando el rotor gira 90º, y su intensidad pasa de un máximo, cuando están las piezas enfrentadas como en la figura, a un mínimo cuando los polos N y S están equidistantes de las piezas de hierro.
Son estas variaciones de sentido y de intensidad del campo magnético las que inducirán en las cuatro bobinas una diferencia de potencial que cambia de valor y de polaridad siguiendo el ritmo del campo.


Historia de la corriente alterna



El suministro comercial de energía eléctrica utilizado de manera generalizada en nuestros dias se efectúa en corriente alterna.
El físico William Stanley Jr. diseñó uno de los primeros dispositivos prácticos para producir corrientes alternas. Su diseño de la llamada bobina de inducción, fue precursor de los modernos transformadores.
El diseño usado en nuestros días fue concebido por Nikola Tesla en 1882 y superaba las limitaciones encontradas por Edison para la distribución comercial de energía eléctrica en corriente continua.

El primer transporte de energía a larga distancia empleando corriente alterna tuvo lugar en 1891 en Estados Unidos, cerca de Telluride (Colorado), seguido por otro en Alemania unos meses más tarde.
Edison abogaba enérgicamente por el uso de la corriente continua, ya que tenía muchas patentes en esa tecnología pero al final el uso de la corriente alterna se impuso de manera general. Charles Proteus Steinmetz de General Electric resolvió muchos de los problemas asociados con la generación y transmisión de la electricidad utilizando corriente alterna.
Al contrario que la corriente continua, el voltaje de una corriente alterna puede ser elevado mediante un transformador. De acuerdo con la Ley de Ohm, las pérdidas de energía en las líneas de transmisión son dependientes del flujo o intensidad de corriente y no del flujo de energía, por lo que si mediante un transformador elevamos el voltaje hasta altos valores (alta tensión), la misma potencia puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente y por tanto con bajas pérdidas. Una vez en el punto de utilización o en sus cercanías el voltaje puede ser de nuevo reducido para su uso doméstico de forma segura.

Corriente trifásica



La generación trifásica de energía eléctrica es la forma más común y que provee un uso más eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en forma trifásica es común mayormente para uso en industrias donde muchos motores están diseñados para su uso.
La corriente trifásica está formada por un conjunto de tres formas de onda, desfasadas una respecto a la otra 120 grados, según el diagrama que se muestra a continuación.

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Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, arrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre sí. El retorno de cada uno de estos circuitos o fases se acopla en un punto, denominado neutro, donde la suma de las tres corrientes es cero, con lo cual el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables.
El sistema trifásico es una clase dentro de los sistemas polifásicos de generación eléctrica, aunque con mucho el más utilizado.

Formas de conexión de una red trifásica



Tenemos dos tipos de conexión de los circuitos que generan corrientes trifásicas:


1. Conexión en triángulo



Si llamamos a los conductores trifásicos L1, L2 y L3, entonces se conectará el primer imán a L1 y L2, el segundo a L2 y L3 y el tercero a L3 y L1.
Este tipo de conexión se denomina conexión triángulo, ya que los conductores se disponen en forma de triángulo. Habrá una diferencia de tensión entre cada dos fases que en sí misma constituye una corriente alterna. La diferencia de tensión de línea entre cada par de fases será superior a la tensión de fase; de hecho será siempre 1,732 veces superior a esa tensión (1,732 es la raíz cuadrada de 3).
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Ejemplo de conexión en triángulo

2. Conexión en estrella



Sin embargo, también podemos conectar uno de los extremos de cada una de las tres bobinas de electroimán a su propia fase, y después conectar el otro extremo a una conexión común para las tres fases. Esto puede parecer imposible, pero la suma de las tres fases es siempre cero.
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Sistemas de protección



Por motivos de seguridad, a menudo se conecta un quinto hilo (además los tres hilos de cada fase y otro para el neutro) entre el interruptor principal y los aparatos eléctricos, este hilo es conocido como hilo de tierra.
En adición a este sistema de protección, cada vez más, se usa una caja de protección que consta de un interruptor diferencial y un interruptor magnetotérmico.

1. Hilo de tierra



El Hilo de tierra’ o Toma de conexión a tierra se emplea en las instalaciones eléctricas para evitar el paso de corriente al usuario por un fallo del aislamiento de los conductores activos.
La toma a tierra es en realidad un camino de poca resistencia a cualquier corriente de fuga para que cierre el circuito “a tierra” en lugar de pasar a través del usuario. Consiste una pieza metálica enterrada en una mezcla especial de sales y conectada a la instalación eléctrica a través de un cable.
En las instalaciones domésticas el hilo de tierra se identifica por ser su aislante de color verde y amarillo.
En las grandes líneas de alta tensión de la red de transporte de energía eléctrica el hilo de tierra se coloca en la parte superior de las torres de apoyo de los conductores y conectado eléctricamente a la estructura de dichas torres, las cuales a su vez están dotadas de una toma de tierra como la descrita anteriormente.
En este caso el hilo de tierra cubre una doble función, por una parte protege a las personas de una derivación accidental de los conductores de alta tensión y por otra, al encontrarse más alto que los citados conductores, protege al conjunto de las descargas atmosféricas, que de esta forma son derivadas a tierra sin causar daño a las instalaciones.

2. Interruptor diferencial



Un interruptor diferencial es un dispositivo electromecánico que se coloca en las instalaciones eléctricas con el fin de protegerlas y proteger a las personas de las derivaciones causadas por faltas de aislamiento entre los conductores activos y tierra o masa de los aparatos. En esencia, el interruptor diferencial consta de dos bobinas, colocadas en serie con los conductores de alimentación de corriente y que producen campos magnéticos opuestos y un núcleo o armadura que mediante un dispositivo mecánico adecuado puede accionar unos contactos.
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Si ahora nos fijamos en esta figura, vemos que la carga presenta una derivación a tierra por la que circula una corriente de fuga (If), por lo que I2 es igual a I1 - If y por tanto menor que I1.
Esta diferencia entre las dos corrientes es la que produce un campo magnético resultante, que no es nulo y que por tanto producirá una atracción sobre el núcleo N, desplazándolo de su posición de equilibrio, provocando la apertura de los contactos C1 y C2 e interrumpiendo el paso de corriente hacia la carga, en tanto no se rearme manualmente el dispositivo una vez subsanada la avería.

3. Magnetotérmico



El interruptor magnetotérmico es un dispositivo electromecánico que se coloca en las instalaciones eléctricas con el fin de protegerlas frente a las intensidades excesivas producidas como consecuencia de cortocircuitos o por el excesivo número elementos de consumo conectados a ellas.
El interruptor magnetotérmico aprovecha para su funcionamiento dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica por un circuito, el magnético y el térmico (efecto Joule).
El dispositivo consta por tanto de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica colocadas ambas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga.
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El funcionamiento del magnetotérmico, representado en la Figura 1, es el siguiente:
Al circular la corriente el electroimán crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado (M), tiende a abrir el contacto C, pero solo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 20 veces la intensidad nominal (la de diseño del magnetotérmico) y es de actuación muy rápida. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente.
La otra parte está constituida por una lámina bimetálica (representada en rojo) que al calentarse por encima de un determinado límite sufre una deformación y pasa a la posición señalada en línea de trazos lo que, mediante el correspondiente dispositivo mecánico (M), provoca la apertura del contacto C. Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se van conectando aparatos.
Se ve así que ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas. Además de esta desconexión automática el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de sobrecarga o cortocircuito.
El dispositivo descrito es un magnetotérmico unipolar, por cuanto solo corta uno de los hilos del suministro eléctrico, también existen versiones bipolares y para corrientes trifásicas, pero en esencia todos están fundados en los mismos principios que el descrito.

Bibliografía



Libros



CANDEL, A. & otros. Física (COU). Madrid: Ed.Anaya, 1991. 478pág.
GALINDO, Alberto & otros. Física 1 (Batx.). Madrid: Ed. McGrawHill, 1995.

Webs



Wikipedia, la enciclopedia libre (http://es.wikipedia.org)
http://www.windpower.org/es/tour/wtrb/syncgen.htm
http://es.geocities.com/allcircuits5/ca.htm
http://www.arrakis.es/~fon/simbologia/simbolos/corrientes.htm

Autor:

Nuri





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