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Tecnologías y Sistemas Eléctricos
Unidad 2.2
Corriente Alterna
Universidad de las Américas
Programa
PROGRAMA DE LA UNIDAD
- Corriente Continua
- Corriente Alterna
• Funciones periodicas
• Valores medios y eficaz
• Corriente alterna monofásica
• Potencia activa, reactiva y aparente
• Factor de potencia
• Corriente alterna trifásica
- Motores
• Tipos de motores
• Perturbaciones (causas y consecuencias)
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1
Corriente continua
La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de
electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, desde el polo negativo
de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido los electrones, los
huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo hacen en sentido contrario,
es decir, desde el polo positivo al negativo.
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Corriente continua
Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas, aunque
éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido de la corriente
eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y contrario al flujo de
electrones y siempre tiene el mismo signo.
La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de
electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta
(de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se representa como una
línea recta de valor V.
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2
Funciones periódicas
Una señal es periodica con periodo T si
v(t) = v(t + T)
para todo t
Onda Sinusoidal
v(t) = Vo sen( t)
amplitud : A (10)
10
periodo
5
: T (1 seg)
frecuencia : f = 1 / T (Hz = ciclos / seg)
0
0
45
90
135
180
225
270
315
360
frecuencia angular : w = 2 * pi / T =
2 * pi * f (rad / seg)
-5
-10
Periodo T
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Funciones periódicas
Amplitud de la onda sinusoidal
v1(t) = 10 sen(t) y v2 (t) = 20 sen(t)
20
10
0
0
45
90
135
180
225
270
315
360
La amplificación al doble de la amplitud
implica aumento al doble de la máxima
distancia entre el peak de la onda y el valor
de referencia (0).
-10
-20
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3
Funciones periódicas
Desfases temporal y angular
v1(t) = 10 sen(t) y v2 (t) = 10 sen(t + 60°)
10
Desfase de 60° entre una onda sinusoida y
otra (onda azul en adelanto respecto a la de
rojo, +60°)
5
0
0
45
90
135
180
225
270
315
360
-5
-10
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Funciones periódicas
Desfases temporal y angular
v1(t) = 10 sen(t) y v2 (t) = 10 sen(t - 60°)
10
Desfase de 60° entre una onda sinusoida y
otra (onda azul en atraso respecto a la de
rojo, -60°)
5
0
0
45
90
135
180
225
270
315
360
-5
-10
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4
Valores medios y eficaz
El valor cuadrático medio (RMS) o valor eficaz de una función se define como
Fef = FRMS

 1 t0 +T 2
=  ∫ f (t )dt 

 T t0
1/ 2
10
5
0
0
45
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90
135
180
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Corriente alterna
En la gráfica V-t, la corriente alterna se representa como una curva u onda,
que puede ser de diferentes formas (cuadrada, sinusoidal, triangular..) pero
siempre caracterizada por su amplitud (tensión de cresta positiva a cresta
negativa de onda), frecuencia (número de oscilaciones de la onda en un
segundo) y período (tiempo que tarda en dar una oscilación).
Ej: Corriente de 2Vpp (pico a pico) de amplitud, frecuencia 476'2 Hz (oscil/seg)
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5
Corriente alterna
Fase. Como la tensión en un sistema de corriente alterna oscila continuamente, no
puede conectarse a red de forma segura un generador a menos que la corriente del
generador oscile exactamente con la misma frecuencia, y vaya exactamente "al
paso" con la red, es decir, que la duración de los ciclos de tensión del generador
coincidan exactamente con los de la red, o estar en fase. Si las corrientes no están
en fase, habrá una gran sobretensión que provocará enormes chispas, que a la
larga causarán daños al interruptor, y/o al generador. En otras palabras, la
conexión de dos líneas activas de CA es como saltar a un balancín en movimiento.
Si no lleva exactamente la misma velocidad y dirección que el balancín, tanto usted
como los que ya están en el balancín probablemente resulten malparados.
10
5
0
0
45
90
135
180
225
270
315
360
-5
-10
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Corriente alterna
En la corriente alterna los electrones no se desplazan de un polo a otro, sino que
a partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su
centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada
(número de oscilaciones por segundo, 50 Hz en Chile). Sin embargo, la mayoría de
las redes eléctricas del mundo son de corriente alterna (CA).
Razones de uso:
• Fácil de generar,
• Resulta bastante barato aumentar o disminuir su voltaje,
• Para el transporte de la corriente a largas distancias se tendrá una menor pérdida
de energía si se utiliza la alta tensión (Pérdidas = R * I2).
• Resulta difícil y caro construir disyuntores (interruptores) para altas voltajes de CC
que no produzcan chispas enormes.
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Potencia activa
Potencia activa. En los motores, es la potencia mecánica en el eje cuando la
máquina se encuentra en plena carga (valor máximo). Superarla significa calentar
el motor al consumir más corriente.
Voltaje y Corriente
Voltaje, Corriente y
Potencia
6
4
2
0
-2
1
91
181
271
361
451
541
631
-4
-6
Ángulo
P. Activa
P. Reactiva
Corriente
Voltaje
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Potencia reactiva
Potencia reactiva. no produce un trabajo físico directo en los equipos, es
necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento
elementos tales como: motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos
de refrigeración y otros similares.
El ejemplo muestra un desfase entre el voltaje respecto de la corriente de 45º.
(f.p. = Coseno(fi=45º) = 0,707)
Voltaje y Corriente
Voltaje, Corriente y
Potencia
6
4
2
0
-2
1
91
181
271
361
451
541
631
-4
-6
Ángulo
P. Reactiva
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Corriente
Voltaje
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Potencia reactiva
Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable los requerimientos de potencia
reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución del
exagerada del factor de potencia. Un alto consumo de energía reactiva puede
producirse como consecuencia principalmente de:
• Un gran número de motores.
• Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.
• Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por
una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria.
• Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.
Cargas puramente resistivas, tales como alumbrado incandescente, resistencias de
calentamiento, etc. no causan este tipo de problema ya que no necesitan de la
corriente reactiva.
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Potencia aparente
Potencia aparente. Es una medida de la capacidad total de la potencia eléctrica en
un sistema de distribución o en una instalación, definida por el producto entre los
valores eficaces de tensión e intensidad (VA). Su interés radica en dimensionar los
sistemas y equipos en VA, su efecto tiene en cuenta la capacidad de transporte de
intensidad en la situación más desfavorable.
Voltaje y Corriente
Voltaje, Corriente y
Potencia
6
4
2
0
-2
1
91
181
271
361
451
541
631
-4
-6
Ángulo
P. Activa
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P. Reactiva
Corriente
Voltaje
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Factor de potencia
Factor de potencia (f.p.) es el cociente entre la potencia activa y la potencia
aparente, que es coincidente con el coseno del ángulo entre la tensión y la
corriente cuando la forma de onda es sinusoidal pura.
Potencia con desfase de ángulo
Voltaje, Corriente y
Potencia
6
4
2
0
-2
1
91
181
271
361
451
541
631
-4
-6
Ángulo
P. Activa sin desfase del voltaje
P. Activa desfase de 45 º del voltaje
Es aconsejable que en una instalación eléctrica el factor de potencia sea
mayor a 0,93 de acuerdo a la legislación vigente.
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Factor de potencia
Un bajo factor de potencia en la industria produce los siguientes inconvenientes:
– Aumento de la intensidad de corriente.
– Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión
– Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida
útil y reducción de la capacidad de conducción de los conductores
– La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su
aislamiento.
– Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad.
A la empresa distribuidora de energía:
– Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe
ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional.
– Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en
transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva.
– Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la
estabilidad de la red eléctrica.
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Factor de potencia
Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la
instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos
disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone de ellos).
Para la instalación de los capacitores deberán tomarse en cuenta diversos factores
que influyen en su ubicación como lo son: La variación y distribución de cargas, el
factor de carga, tipo de motores, uniformidad en la distribución de la carga, la
disposición y longitud de los circuitos y la naturaleza del voltaje.
Se recomienda la instalación de capacitores individuales a los motores, por
supuesto se necesitarán varios condensadores de diferentes capacidades,
resultando esto en un costo mayor. Sin embargo deberá evaluarse el beneficio
económico obtenido con la compensación individual.
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Corriente alterna trifásica
Es posible obtener una potencia constante de un sistema de corriente alterna
teniendo tres líneas de alta tensión con corriente alterna funcionando en paralelo, y
donde la corriente de fase está desplazada 1/3 de ciclo, es decir, la curva roja de
arriba se desplaza un tercio de ciclo tras la curva azul, y la curva amarilla está
desplazada dos tercios de ciclo respecto de la curva azul. Dado que un ciclo
completo dura 20 milisegundos (ms) en una red de 50 Hz, entonces cada una de
las tres fases está retrasada respecto de la anterior 20/3 = 6 2/3 ms.
En cualquier punto a lo largo del eje horizontal del gráfico de arriba, encontrará que
la suma de las tres tensiones es siempre cero, y que la diferencia de tensión entre
dos fases cualesquiera fluctúa como una corriente alterna.
Potencia trifásica
Carga simétrica
10
4
2
0
-2
1
91
181
271
361
451
541
631
Potencia [Watts]
Corriente [A]
6
8
6
4
2
-4
0
-6
1
91
181
271
Ángulo
I-0
I-120
I-240
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P-0
P-120
361
Ángulo
451
P-240
541
631
Suma
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Motores
Un motor eléctrico es un dispositivo capaz de transformar la
energía eléctrica en mecánica (movimiento rotatorio).
Un motor está constituido por dos partes, una fija llamada
estator y otra móvil llamada rotor. Ambas fabricadas de
material ferromagnéticos (chapas magnéticas enchapadas) y
disponen de una serie de ranuras en las que se alojan
conductores de cobre que forman el devanado eléctrico.
El uso de motores eléctricos ha sido creciente debido a:
- Gran versatilidad de utilización y potencias que hacen posible
su uso en el hogar, la industria, el traasporte, etc.
- Altos rendimientos, un motor diesel tiene un
rendimiento de 36%, mientras un motor eléctrico
de la misma potencia tiene una eficiencia superior al 87%.
- Larga duración (20 años app).
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Motores
Existen diversos tipos de motores según su aplicación:
- Motor de corriente continua (Derivación, Independiente, Serie, Compound).
Son de gran facilidad en la regulación de velocidad, cambios o inversiones rápidas
de la marcha, y sin necesidad de equipos costosos es posible efectual control
automático de torques y velocidades. Se utilizan en industrias papeleras, textiles,
químicas, siderúrgicas y metalúrgicas. Aplicaciones como baterías, Tren
Eléctrico,etc
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Motores
Existen diversos tipos de motores según su aplicación:
- Motor de corriente alterna.
Hay dos tipos de motores eléctricos a corriente alterna, el motor síncrono y el
motor a inducción. Cada uno de estos tipos puede usar corriente monofásica o
trifásica. En aplicaciones industriales, los motores trifásicos son los más
comunes, debido a su mayor eficiencia que los motores monofásicos. El motor
síncrono es mucho menos generalizado que el motor a inducción, pero se usa en
unas aplicaciones especiales, que requieren una velocidad absolutamente
constante o una corrección del factor de potencia. Los motores a inducción y los
motores síncronos son similares en muchos aspectos pero tienen algunos
detalles diferentes.
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Motores
El motor síncrono es un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los
imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente
continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y
alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de
corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos
de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante,
que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de
corriente alterna.
En función de su elevada eficiencia y capacidad de corregir el factor de potencia
de las instalaciones los motores síncronos son frecuentemente una opción para
accionamientos de gran fuerza.
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Motores
Un mayor entre-hierro, con relación a los motores de inducción, permite el uso de
ranuras en el estator de mayor tamaño, una ventaja que permite aplicaciones que
requieren alta potencia y alta tensión simultáneamente. Adicionalmente los
proyectistas tienen gran flexibilidad para combinar torques de arranque con otras
características, siendo el objetivo, atender los requisitos particulares de cada
sistema. (Potencias entre 300 y 50.000 HP)
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Motores
Motor de inducción de jaula de ardilla. La armadura de este tipo de motor
consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento
rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluye una serie de conductores de
gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando
no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas
cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la corriente trifásica dentro
de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y éste
induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre
el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace
que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la misma velocidad que el
campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y, por tanto, el rotor no
debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de
rotación del rotor y la del campo difieren entre sí de un 2 a un 5%. Esta diferencia
de velocidad se conoce como caída.
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Motores
Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente
alterna monofásica utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia,
que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al
bifásico. Estos motores no tienen un par de arranque grande, y se utilizan
motores de repulsión-inducción para las aplicaciones en las que se requiere el
par. Este tipo de motores pueden ser multifásicos o de condensador, pero
disponen de un interruptor manual o automático que permite que fluya la corriente
entre las escobillas del conmutador cuando se arranca el motor, y los circuitos
cortos de todos los segmentos del conmutador, después de que el motor alcance
una velocidad crítica. Los motores de repulsión-inducción se denominan así
debido a que su par de arranque depende de la repulsión entre el rotor y el
estator, y su par, mientras está en funcionamiento, depende de la inducción. Este
es ampliamente utilizado para accionamiento de bombas, ventiladores y
compresores. Entre sus principales ventajas se incluyen su inherente simplicidad
de construcción del rotor y controles; su bajo costo y, obviamente, su
adaptabilidad a ambientes más agresivos. Algunas aplicaciones son para
ambientes polvosos, bombas, centrífugas, compresores, ventiladores, bombas de
combustible a prueba de explosión, lavadoras y electrodomésticos en general
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Perturbaciones en motores
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Perturbaciones en motores
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Perturbaciones en motores
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Perturbaciones en motores
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Perturbaciones en motores
Aumento de temperatura en motores.
Causas.
–
–
–
–
–
–
Suciedad de las partes del motor.
Aislamientos térmicos defectuosos.
Cuchillas gastadas en motores.
Sobrecargas.
Sistemas de control desconfigurados.
Operación inadecuada de protecciones.
Efectos.
–
–
–
–
–
–
–
–
Calentamientos excesivos.
Destrucción de equipos.
Principios de incendio.
Pérdidas de energía.
Paros indebidos.
Sobrecorrientes.
Caídas de tensión.
Ineficiencias en el proceso, costos extras de operación y mantenimiento.
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Perturbaciones en motores
Vibraciones mecánicas.
Causas.
–
–
–
–
–
–
Rotor no redondo.
Falta de alineamiento entre el rotor y el estator.
Entrehierro no uniforme.
Devanados abiertos o en cortocircuito.
Bandas destempladas.
Poleas desgastadas en accionamientos.
Efectos.
–
–
–
–
–
–
–
Calentamientos excesivos.
Desgaste y destrucción de equipos (disminución vida útil).
Pérdidas de energía.
Paros indebidos.
Sobrecorrientes yo desbalances de corriente.
Desbalances de voltaje.
Ineficiencias en el proceso, costos extras de operación y mantenimiento.
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Perturbaciones en motores
Variaciones momentáneas de bajo y alto voltaje.
Causas.
–
–
–
–
CC en el alimentador de alta potencia.
Arranque de motores de alta potencia.
Desbalances en una falla a tierra.
Falla en un sistema no aterrizado y de impedancia de secuencia cero infinita.
Efectos.
–
–
–
–
–
Operación indebida de sistemas de control y protección.
Perturbación por arranques no exitosos.
Sobre voltajes línea-tierra.
Problemas de hardware por calentamiento en equipos de medida.
Destrucción de componentes electrónicos.
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Perturbaciones en motores
Armónicos e interarmónicos.
Causas.
– Operación de cargas no lineales y dispositivos que requieren de electrónica de potencia
(convertidores, grandes motores de corriente directa y variadores de velocidad)
Efectos.
–
–
–
–
–
–
–
Paros indebidos en equipos sensibles.
Pérdidas de energía.
Sobrecargas en los equipos.
Operación inadecuada de fusibles y equipos de protección.
Calentamientos excesivos.
Resonancias magnéticas.
Errores de medición (adelanto y retraso de los contadores de energía), etc.
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Perturbaciones en motores
Transitorios.
Causas.
– Maniobras de interruptores asociados a grandes motores.
– Conexión y desconexión de condensadores (corrección del factor de potencia en grandes
motores)
– Desconexión de motores eléctricos en ascensores, equipos de aire condicionado,
refrigeradores, etc.
Efectos.
–
–
–
–
–
Esfuerzos excesivos al aislamiento de ciertos equipos.
Daños a componentes electrónicos sensibles.
Interrupción de programas de control de procesos.
Pérdida de la información almacenada en memoria de computadores.
Daños de los elementos del equipo de cómputo (hardware)
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