Download CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD

Profesor
Ramón Flores Pino
CONCEPTOS
DE
ELECTRICIDAD
CORRIENTE CONTINUA
CORRIENTE ALTERNA
CONEXIONES TRIFÁSICAS
Autor: RAMÓN FLORES PINO
Profesor de Estado para la
Enseñanza Industrial mención Electricidad
(UTE, actual USACH)
Santiago - Chile
- 2014 -
1
Profesor
Ramón Flores Pino
Introducción
En este apunte se encuentran gran parte de los contenidos que corresponden a
uno de los módulos de la especialidad de Electricidad. El que se denomina Medición y
Análisis de Circuitos Eléctricos (MACE). Los contenidos están tratados en una forma
que considera las capacidades de comprensión de los estudiantes de enseñanza media
técnico profesional.La gran cantidad de ellos en especial algunas imágenes corresponden a lo que está
disponible en la web, con adaptaciones para su mejor comprensión y algunas de ellas
creadas por el autor.
Sea buena persona, se sentirá bien
2
Profesor
Ramón Flores Pino
INDICE
Tema
Página
Tipos de Energía
...........................................
5
Circuito Eléctrico
............................................
8
Ley de Ohm
............................................
9
Potencia Eléctrica
............................................
11
Resumen de Fórmulas
............................................
17
Energía Eléctrica
............................................
18
Circuito Serie
............................................
19
Circuito Paralelo
............................................
22
Circuito Mixto
............................................
25
Malla Simple
............................................
28
Divisor de Voltaje
............................................
30
Divisor de Corriente
............................................
32
Transferencia de Potencia
............................................
35
Corriente Alterna
……………………………...
37
Definición de Corriente Alterna
………………………………
38
Valores de la Corriente Alterna
………………………………
40
Circuitos en corriente alterna
………………………………
43
3
Profesor
Ramón Flores Pino
Circuito R – L Serie
……………………………….
47
Circuito R – C serie
……………………………….
55
Circuito R – R – L Serie
……………………………….
59
Circuito R – L paralelo
……………………………….
63
Circuito R – L paralelo
……………………………….
68
Circuito R – L – C paralelo
……………………………….
72
Circuito resonante
……………………………….
77
Magnetismo y electromagnetismo
……………………………….
85
Transformadores
……………………………….
113
Conexiones trifásicas
……………………………….
129
Valores de tensiones trifásicas
……………………………….
132
Conexión estrella
……………………………….
136
Conexión triangulo
……………………………….
142
Potencia en conexiones trifásicas
……………………………….
148
4
Profesor
Ramón Flores Pino
TIPOS DE ENERGIA
“La Energía es algo que esta presente en la naturaleza y que jamás se pierde solo se
transforma”. La Energía se puede encontrar en varios tipos :
Energía Química, Energía Atómica , Energía Solar , Energía Eólica , Energía Cinética ,
Energía Mareomotriz , Energía Hidráulica , Energía fotovoltaica , Energía Mecánica , Energía
Termo solar , Energía Eléctrica , etc. .ELECTRICIDAD :
“Es una fuerza natural que tiene su origen en la materia y que se
manifiesta a través de algún efecto como por ejemplo . Luz, Calor, Movimiento.-”
La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y que tiene peso volumen y masa.La materia esta compuesta por moléculas y las moléculas por átomos.- Un átomo esta compuesto
por dos partes principales un núcleo y una envoltura.- En el núcleo están los protones que tienen
carga eléctrica positiva y en la envoltura los electrones que tienen carga eléctrica negativa.-
Por principio la materia tiende siempre a estar en equilibrio eléctrico , es decir que en sus
átomos exista la misma cantidad de electrones que protones ( Estado neutro ).- El fundamento
de la electricidad es entonces desequilibrar la materia a través de algún método que permita
obtener átomos que le falten electrones (ión positivo ) y átomos que le sobren electrones ( ión
negativo ).- De acuerdo a lo anterior se tienen entonces tres tipos de átomos ( o iones ) : Átomo
neutro ( ión neutro ), Átomo positivo ( ión positivo ), y Átomo negativo ( ión negativo ).-
5
Profesor
Ramón Flores Pino
Considerando lo anterior si se juntan en un solo lugar átomos negativos se crea un polo
eléctrico negativo, y en otro lugar átomos positivos se creará un polo positivo .- En el polo
negativo sobran electrones en el positivo faltan por lo que habrá entre ambos una diferencia de
cargas eléctricas que se denomina voltaje eléctrico.-
Como ya se sabe la materia tiende a esta siempre neutra ( igual N° de electrones que
protones ) por lo que cualquier conductor eléctrico que una estos dos polos hará que los
electrones del polo negativo que sobran circulen hacia el polo positivo hasta quedar ambos
neutros .-Esta circulación de electrones desde el polo negativo al positivo da origen a una
corriente eléctrica lo cuál es posible mientras exista diferencia de cargas ( Voltaje ) entre
ambos polos .-
6
Profesor
Ramón Flores Pino
Pero de nada serviría unir los dos polos mediante un conductor ya que se produciría una
gran corriente eléctrica pero que no prestaría ningún beneficio.- Es por esto que entre ambos
polos se conecta un elemento que se oponga al paso de la corriente y que produzca algún
beneficio, por ejemplo una ampolleta ( produce luz ) , una estufa ( produce calor ) o un motor
( produce movimiento ) .- Cualquier elemento que se oponga al paso de la corriente eléctrica pasa
a ser una Resistencia eléctrica .-
Conclusión, En electricidad siempre se tendrán presentes tres magnitudes básicas:
Voltaje Eléctrico;
Fuerza eléctrica que hace posible que circule la corriente en un circuito.-
Corriente eléctrica: Es la circulación de electrones a través de un conductor en un circuito
eléctrico.
Resistencia eléctrica: Es la oposición de un cuerpo al paso de la corriente eléctrica a través de él.
Todas estas magnitudes tienen una unidad de medida y se identifican con alguna letra:
El voltaje se mide en Volts y se identifica en un circuito con la letra V o también con la E.
La corriente se identifica con la letra I y se mide en Amperes
La resistencia se mide en Ohms y se identifica con la letra R.-
7
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO ELECTRICO
Es un conjunto de elementos conectados entre si a través de los cuales circula una
corriente eléctrica.- Los elementos básicos de un circuito eléctrico son:
1.- Fuente de alimentación :
2.- Interruptor
:
3.- Fusible de protección :
4.- Consumo o carga
:
5.- Conductores
Es la que le entrega voltaje al circuito
Es el que abre o cierra el circuito (on – off)
Es el que protege de sobrecargas de corriente al circuito
Es el que transforma la Energía eléctrica en otra forma de
Energía
: Son los que unen los diversos elementos del circuito y a
través de los cuales circula la corriente.-
El esquema de un circuito eléctrico utilizando los símbolos que representan a los
elementos que lo componen es el siguiente:
cinco
Para efectos teóricos este circuito se puede representar en forma más simple
8
Profesor
Ramón Flores Pino
LEY DE OHM
“Es una ley que relaciona entre si las tres magnitudes eléctricas que están presentes en un
circuito eléctrico permitiendo saber el valor de una de ellas si se conoce
el valor de las otras dos.-”
Esta relación es a través de fórmulas matemáticas muy sencillas
siguientes:
que son las
Esta fórmula sirve para calcular el Voltaje en un circuito
Esta fórmula sirve para calcular la Intensidad de corriente en un circuito
Esta fórmula sirve para calcular la Resistencia en un circuito eléctrico
9
Profesor
Ramón Flores Pino
Ejemplos Demostrativos
1.- Si en un circuito que tiene aplicado un voltaje de 220 v circula una corriente de 2 ( A ).
¿Que resistencia tiene conectada? .Respuesta
V = 220 V
I =
2 A
Para este caso se aplica la fórmula que permite calcular la resistencia:
V
R = -------- =
I
220
------- =
2
110
Ohms
2.- Si en un circuito que tiene aplicado 100 v esta conectada una Resistencia de 200
Ohms. ¿ Que corriente circula por él ? .Respuesta
V = 100 V
R = 200 Ohms
Para este caso se aplica la fórmula que permite calcular Intensidad de corriente:
V
I = ---------R
=
100
----------- =
200
0, 5 ( A )
3.- ¿ Que voltaje tendrá aplicado un circuito por el cuál circula una corriente de 3 ( A )
y tiene conectada una Resistencia de 60 Ohms ?.Respuesta
I = 3 (A)
R = 60 Ohms
Ahora se utiliza la fórmula que permite calcular el Voltaje:
V
=
I* R
=
3 * 60
= 180 ( V )
10
Profesor
Ramón Flores Pino
POTENCIA ELECTRICA
“ Es la relación de conversión de Energía eléctrica en otra forma de Energía, como por
ejemplo : Luz , Calor , movimiento ” .- La potencia eléctrica se mide en Watts .La fórmula para calcularla es la siguiente
Ejemplo : En un circuito hay conectada una ampolleta a 220 v y por la cual circula una
Corriente de 0,5 A ¿ Que potencia tiene esta ampolleta ? .-
Solución :
P = V*I
= 220 * 0,5
= 110 Watts
De la fórmula anterior se pueden obtener dos fórmulas más que permiten calcular
Corriente y voltaje .a) . Para calcular Corriente :
Ejemplo : ¿ Que corriente circulará por una estufa de 1500 w que está
conectada a 220 v ?.-
Solución : I =
P
1500
------ = ---------- = 6,81 A
V
220
11
Profesor
Ramón Flores Pino
b) Para calcular Voltaje :
Ejemplo: ¿A que voltaje estará conectada una ampolleta de 100 w, por la cuál
circula una corriente de I = 2 A ? .
Solución:
V
P
100
= --------- = ---------- =
I
50 ( v )
2
EL HP
El Hp es una unidad de medida que también suele utilizarse para expresar la
potencia Eléctrica en máquinas eléctricas.- HP viene del idioma Inglés Horse Power que
significa en Español Caballo de Fuerza.Esta unidad tiene una equivalencia en Watts que es la siguiente :
1HP
=
746
Watts
Esta equivalencia permite calcular el consumo de corriente de una máquina eléctrica
cuando su potencia esta dada en HP, ejemplo :
¿ Que corriente consumirá un motor monofásico de 2 Hp conectado a 220 v ? .Respuesta:
Dado que un Hp = 746 Watts,
2 Hp tienen el equivalente en watts de:
HP = 746 * 2 = 1492 Watts
Con este valor se puede calcular la corriente del motor a partir de la fórmula
P
1492
I = --------- = ---------- = 6,78 ( A )
V
220
12
Profesor
Ramón Flores Pino
La siguiente es una tabla de equivalencias de algunos valores típicos de HP :
HP
Watts
1
=
746
3/4
=
559 , 5
1/2
=
373
1/4
=
186 , 5
1/8
=
93 , 25
1 / 16
=
46 , 62
1 / 32
=
23 , 31
1 / 64
=
11 , 65
/ 128
=
5 , 82
13
Profesor
Ramón Flores Pino
14 –
POTENCIA Y LEY DE OHM
La potencia, la Corriente, el Voltaje y la Resistencia, también se pueden calcular a partir
de otras fórmulas si se hace una relación matemática entre las ya conocidas, de la siguiente
forma:
Por Potencia se sabe:
a).
b ).
c).
Por ley de Ohm ;
d).
( Volts e).
f).
Si se reemplaza el valor de V por ley de Ohm ( fórmula d ) , en la de Potencia , se tiene ;
P =
I * R *
I
g)
Se obtiene otra fórmula para calcular potencia .Si ahora se reemplaza el valor de I por ley de Ohm, en la fórmula de potencia se obtiene
P =
V
V . -----R
h).
Otra fórmula para calcular potencia .-
14
Profesor
Ramón Flores Pino
De estas dos últimas fórmulas se obtienen otras de las ya conocidas para calcular:
Voltaje , Corriente y Resistencia
Si de la fórmula g, se despeja la Resistencia R
i ).Se obtiene otra forma de calcular Resistencia Eléctrica .
De esta fórmula ( i ) si se despeja la Corriente I
j ).Nace otra fórmula para calcular Corriente Eléctrica.-
Siguiendo, si ahora se despeja de la fórmula ( h ) la Resistencia R , se tiene :
k ).
Otra forma de calcular Resistencia Eléctrica
15
Profesor
Ramón Flores Pino
Finalmente de esta última fórmula ( k ) se despeja el Voltaje :
Se obtiene otra fórmula para calcular Voltaje eléctrico
16
Profesor
Ramón Flores Pino
RESUMEN DE FORMULAS
PARA CALCULAR VOLTAJE ELECTRICO
PARA CALCULAR INTENSIDAD DE CORRIENTE
PARA CALCULAR RESISTENCIA ELECTRICA
PARA CALCULAR POTENCIA ELECTRICA
17
Profesor
Ramón Flores Pino
ENERGIA ELECTRICA
“ Es la potencia consumida en un tiempo determinado
Se mide en Kilowatts / Hora ( Kw / Hr ). ”
Esta es la energía que marca el medidor eléctrico en un domicilio.- Esta energía se puede
calcular a partir de la siguiente fórmula :
E =
P *
T
( kw/hrs)
Ejemplo: Que Energía consumirá una estufa eléctrica de 1500 w , encendida durante 3
horas ? .-
Respuesta : Primero la potencia debe estar en kw por lo tanto se convierten los 1500 w
En kw : ( 1500 w = 1,5 kw )
E =
P * T
= 1,5
* 3 =
4,5 kw/hr
COSTO DE LA ENERGIA
“ Es el resultado de la multiplicación entre la Energía consumida en un domicilio
y el precio del kw/hr que cobra la empresa distribuidora ” .-
En Fórmula
:
Costo = E * Precio
kw/hr
Ejemplo: Que costo ocasiona la estufa del ejemplo anterior si el precio del kw/hr
Es de $ 50 .Respuesta : Costo = E * Precio = 4,5 * 50
Ejercicio:
= $ 225
Calcular la Energía y el costo ocasionado por una ampolleta de 100 w
encendida durante 480 minutos si el kw/hr = $ 60 .-
18
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO SERIE
“Es aquel en que los consumos eléctricos
están conectados uno a continuación del otro ”.Ejemplo
Figura - 1 –
Para resolver un circuito serie se aplican las siguientes leyes :
1.- La Intensidad de corriente es la misma en todo el circuito .2.- Rt = R1 + R2 + R3 + .......... (Según las R que tenga el circuito en este caso
el circuito tiene tres ) .3.- Vt = V1 + V2 + V3 + .......... (Según las caídas de voltaje, en este caso son
tres caídas ) .4.- Pt = P1 + P2 + P3 + ……..
Observaciones
-- Rt
= Es la resistencia total del circuito
-- V1, V2, V3
= Son caídas de voltaje en el circuito
-- Caída de voltaje
= Es el voltaje que se produce cada vez que una corriente pasa
por una resistencia .-
-- Pt
= Potencia total que se produce en el circuito .-
-- En este circuito cuando un consumo (cualquiera de ellos) falla, se interrumpe el circuito.
Es decir no
funciona
Ejercicio: En el circuito de la figura - 1 - se tienen los siguientes valores:
19
Profesor
Ramón Flores Pino
R1 = 20 Ohms
R2 = 40 Ohms
R3 = 60 Ohms
Vcc = 20 V
Se pide calcular :
a).- Rt
d).- Comprobar el Vt
b).- It
e).- P1 , P2 , P3 , Pt
c).- V1 , V2 , V3 ,
Solución :
a). Rt ; se calcula a partir de la fórmula:
Rt = R1 + R2 + R3 =





20 + 40 + 60 = 120 
b).- It : Se calcula por ley de Ohm con la fórmula de corriente :
I
V
= ---Rt
20
= ----- = 0,1666 ( A )
120
c).- Las caídas V1,V2,V3, se calculan por ley de Ohm con la fórmula de voltaje
:
V1 = It * R1
=
0,16666
* 20
=
3,33 ( v )
V2 = It * R2
=
0,16666
* 40
=
6,66 ( v )
V3 =
=
0,16666
* 60
=
9,99 ( v )
It * R3
20
Profesor
Ramón Flores Pino
d).- Vt ; Para comprobar el Vt se aplica la ley que dice “ la suma de las
caídas de voltaje en un circuito es igual al voltaje total ” , o sea :
Vt = V1 + V2 + V3 = 3,33 + 6,66 + 9,99
20 v pero es solo por los decimales).-
= 19,98 ( v ) (debería ser
e).- Las potencias parciales y la total se calculan en este caso con la fórmula
de potencia
P =V*I
P1 = V1 * It
= 3,33 * 0,16666
= 0,5549 (w)
P2 = V2 * It
= 6,66 * 0.16666
= 1,1099 (w)
P3 = V3 * It
= 9,99 * 0.16666
= 1,6649 (w)
Pt = P1 + P2 + P3 = 0,5549 + 1,1099 + 1,6649 =
O también
Pt = Vt * It
= 20 * 0,16666
=
3,3297
3,3332
(w)
(w)
Ejercicio Propuesto
En un circuito serie con cinco ( 5 ) resistencias donde cada una tiene los siguientes
valores :
R1 = 40 , R2 = 100 ,
R3 = 330  R4 = 60 R5 = 270 

y la fuente es Vcc = 50 (v)
Se pide :
a).- Dibujar circuito
d).- V1, V2, V3, V4, V5
b).- Rt
e).- Comprobar el Vt
c).- It
f).- P1, P2, P3, P4, P5, Pt
21
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO PARALELO
“ Es aquel donde los consumos eléctricos , en uno de sus extremos (Terminales) está
conectado a un punto común y el otro extremo a otro punto común” .-
Ejemplo
Figura -2Para resolver un circuito paralelo se aplican las siguientes leyes :
1.- El Voltaje es igual para todos los consumos
2.- It = i1 + i2 + i3 + .......... (según los consumos que tenga el circuito )
3.- La Resistencia equivalente
4.- Si el circuito tiene solo dos ( 2 ) resistencias :
5.- Pt = P1 + P2 + P3 + ……..
22
Profesor
Ramón Flores Pino
-- Req.
= En un circuito paralelo se habla de Resistencia equivalente que
corresponde a la resistencia que presenta el circuito y su valor
es siempre
“ Menor que la menor de las resistencias que tenga el circuito ”
-- i1 + i2 + i3
= Son las corrientes parciales que tiene el circuito
--En este circuito si algún consumo falla no afecta a los demás consumos
es decir ;
Sigue funcionando .Ejercicio
Si en el circuito de la figura –2- se tienen los siguientes valores :
R1 = 100 R2 = 200  R3 = 400 
y el voltaje Vcc = 40 v
Se pide calcular :
a).- Req.
Solución
b).- i1 , i2 , i3 , It
c).- P1 , P2 , P3 , Pt
: a).- Para calcular la Req. Se utiliza la fórmula respectiva que nos dan las
leyes de este circuito :
b),. Las corrientes parciales: estas se calculan por ley de Ohm ;
23
Profesor
Ramón Flores Pino
c).- Las potencias: En este caso se aplica la fórmula de potencia ya conocida :
P1 = V * i1
= 40 * 0,4 = 16 w
P2 = V * i2 = 40 * 0,2 =
8 w
P3 = V * i3 = 40 * 0,1 =
4 w
Pt = P1 + P2 + P3 = 16 + 8 + 4 = 28 w
Ejercicio propuesto :
En un circuito paralelo de cinco Resistencias , se tienen los siguientes
valores :
R1 = 60  R2 = 100  R3 = 20  R4 = 80  R5 = 150 
y por este circuito circula una corriente total de 2 A .Se pide :
a).- Dibujar circuito
b).- Req
c).- i1 , i2 , i3 ,i4 , i5
d).- P1 , P2 , P3 , P4 , P5 , Pt
24
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO MIXTO
“ Es aquel donde los consumos están conectados en serie y paralelo ” .Ejemplo :
Figura -1En este circuito R1 y R4 están en serie con R2 y R3 pero a su vez R2 con R3 están en
paralelo entre si , es decir los consumos están conectados en forma mixta :Leyes para resolver un circuito mixto :
Como es un circuito que tiene conexiones en serie y en paralelo se aplican las leyes
ya conocidas para resolver estos circuitos .Ejercicio : En el circuito de la figura -1- se tienen los siguientes datos :
R1 = 40
R2 = 20
R3 = 30
R4 = 28
y un Vcc = 120 v
Se pide calcular :
a).- Rt
d). i1 , i2
b). It
c). V1, V23, V4
e) . P1 , P2 , P3 , P4 , Pt
Solución :
a). Para calcular Rt primero se debe resolver la Req. Entre R2 y R3 y de estas
dos obtener una R. Como están en paralelo y son solo dos se aplica la fórmula respectiva :
25
Profesor
Ramón Flores Pino
Con este cálculo el circuito se transforma en un circuito serie , quedando de la siguiente
forma
Ahora se aplica la fórmula de Rt para circuito serie :
Rt = R1 + R23 + R4 = 40 + 12 + 28 = 80
b) . It Para calcular It se aplica la ley de Ohm
c) . El valor de las caídas de voltaje V1 , V23, V4 :
Nuevamente se aplica la ley de Ohm con la fórmula de voltaje :
V1
= It x R1 = 1,5 x 40
= 60 v
V23 = It x R23 = 1,5 x 12
= 18 v
V4
= 42 v
= It x R4
= 1,5 x 28
También debe cumplirse que
Vt = V1 + V23 + V4 = 60 + 18 + 42 = 120 v
d) . Las corrientes parciales i1 , i2 : Se calculan a partir de la ley de Ohm ;
e) . las potencias : para este caso se utiliza la fórmula de potencia respectiva :
26
Profesor
Ramón Flores Pino
P1
= V1 x It = 60 x 1,5
= 90 w
P23
= V23 x It = 18 x 1,5 = 27 w
P4
= V4 x It = 42 x 1,5 = 63 w
Pt
= P1 + P23 + P4 = 90 + 27 + 63 = 180 w
Ejercicio propuesto :
Dado el siguiente circuito;
Si los valores son :
R1 = 30
, R2 = 200
, R3 = 100
, R4 = 400
, R5 = 300
,
,
R6 = 470
, R7 = 180
,
Vcc = 500 v
Se pide calcular :
a) . Rt
b) . V3 , V4
b) . It
c) . V1 , VAB , V67
d) . i1 , i2 , i3 , i4 , i5
d) . P1 , P2 , P3 , P4 , P5 , P6 , P7 , Pt
27
Profesor
Ramón Flores Pino
MALLA SIMPLE
“ Es un circuito donde existe más de una fuente de alimentación ”.-
Lo que se pretende en este circuito es saber el valor y el sentido correcto de la
corriente I ya que este último al elegirlo puede estar equivocado lo cual se puede
comprobar con el valor de la corriente obtenido ; si es positivo significa que el sentido
elegido es el correcto , si es negativo el sentido elegido es incorrecto .-
Ejercicio :
Si en este circuito se tienen los siguientes valores :
V1 = 10 v
R1 = 20 
V2 = 8 v
R2 = 40  ,
V3 = 12 v
R3 = 10  ,
V4 = 3 v
R4 = 30 
R5 = 15 
Calcular el valor de la Corriente I y comprobar si el sentido elegido es el correcto.Solución:
Lo primero es darle el sentido eléctrico que tendrán las fuentes ( V1 , V2, V3, V4 )
y el de las caídas de voltaje ( I*R1 , I*R2 , I*R3 , I*R4 , I*R5 ) el cual puede ser de
negativo a positivo o viceversa .El de las fuentes será de negativo a positivo y el de las caídas contrario al sentido
elegido para la Corriente I , ejemplo :
28
Profesor
Ramón Flores Pino
A continuación se plantea la ecuación de Kirchoff en la cual todos los sentidos que
coincidan con el de la corriente I son positivos y los que tienen sentido contrario son
negativos:
+ V1 - I*R1 + V2 - I*R2 - V3 - I*R3 – V4 - I*R4 - I*R5 = 0
Reordenando :
+ V1 + V2 – V3 – V4 – I*R1 – I*R2 – I*R3 – I*R4 – I*R5 = 0
Separando las fuentes de las caídas :
+ V1 + V2 – V3 – V4 = +I*R1 + I*R2 + I*R3 + I*R4 + I*R5
Factorizando por I
+ V1 + V2 – V3 – V4 = I ( R1 + R2 + R3 + R4 + R5 )
Reemplazando los valores :
+ 10 v + 8 v – 12 v – 3 v
= I ( 20
+ 40 +
10
+ 30
+ 15
)
Resolviendo :
+ 3 v = I ( 115 
Aplicando ley de Ohms :
Como el valor de I es positivo , el sentido elegido es el correcto
29
Profesor
Ramón Flores Pino
DIVISOR DE VOLTAJE
“ Es un teorema que permite calcular el valor de un voltaje
en un punto determinado de un circuito serie ” .-
Ejemplo:
Que valor tendrá el VA de este circuito si se dan los siguientes valores :
Vcc = 50 v
R1 = 100
, R2 = 70
Solución.
Este valor significa que de los 50 ( v ) que tiene el circuito 20,55 ( v ) están en el punto A .-
Observación : “ La ( o las ) resistencia (s) que se coloca en el numerador de la fracción
es ( o son ) la que esta bajo el punto donde se está calculando el voltaje ”.
Ejercicios :
Calcular el V1 , V2 y V3 en el siguiente circuito :
30
Profesor
Ramón Flores Pino
Solución:
Aplicando el criterio antes descrito se tiene:
Ejercicio Propuesto :
En el siguiente circuito calcular V1 , V2 , V3 :
31
Profesor
Ramón Flores Pino
DIVISOR DE CORRIENTE
“ Es un teorema que permite calcular el valor de una corriente parcial
en una rama determinada de un circuito paralelo ” .-
Al plantear la fórmula se debe colocar en el numerador de la fracción la (o las )
resistencia(s) por donde no pasa la corriente que se está calculando .Ejercicio:
Para este circuito, ¿que valor tendrán i1 e i2 si R1 = 10 , R2 = 20 , It = 3 A ?
Solución :
32
Profesor
Ramón Flores Pino
Ejercicio :
Calcular i1 , i2 , i3 , i4 en el siguiente circuito :
Solución :
Al plantear las fórmulas se debe tener presente que las resistencias a
considerar están en paralelo con lo cual es necesario obtener primero la resistencia
equivalente entre aquellas por donde no pasa la corriente a calcular :
a) la corriente i1 :
Primero se calcula la Req 234
A continuación la corriente i 1 :
b). La corriente i2
:
Al igual que el caso anterior primero se calcula la Resistencia
equivalente , en este caso corresponde a Req134 :
33
Profesor
Ramón Flores Pino
El valor de
i2:
c). La corriente i 3
:
Primero la Req 124 :
El valor de i 3
:
d), La corriente i 4 :
Ahora corresponde la Req 123
El valor de i 4
:
34
Profesor
Ramón Flores Pino
TRANSFERENCIA DE POTENCIA
“Es el proceso mediante el cual una fuente de energía transfiere
potencia a una carga o consumo ”.-
La máxima transferencia se produce cuando la resistencia interna de la fuente es igual
a la resistencia que tiene la carga .-
Ri
=
RL
Este principio se puede graficar a partir del siguiente esquema :
35
Profesor
Ramón Flores Pino
a ) . Si RL = 10
b).
Si RL = 20
c ) .-
Si RL = 40
Conclusión :
La máxima potencia ( 20 w ) se produce cuando Ri = RL
36
Profesor
Ramón Flores Pino
CORRIENTE
A L T E R N A
37
Profesor
Ramón Flores Pino
CORRIENTE ALTERNA
“ Es aquella que no tiene polaridad fija ( al contrario de la corriente continua que si la
tiene ) . L a Corriente Alterna ( CA ) la genera una máquina que se llama alternador ” .Este tipo de corriente es la que se distribuye a los domicilios y que está disponible en un
enchufe.La forma de esta corriente es la siguiente:
Dado que no existe un positivo ni un negativo fijo , en CA se habla de “ Fase y Neutro ” .En los domicilios la alimentación eléctrica que entrega la compañía distribuidora es de tipo
“ Monofásica ” ( una fase y un neutro ) .- Esta alimentación la entrega a un Voltaje de
220 v y una frecuencia de 50 Hertz .FRECUENCIA ( F )
“ Es la cantidad de giros (ciclos ) que da la máquina que la produce
( alternador ) en un segundo y se mide en Hertz ” .- Así por lo tanto si la frecuencia es de 50
Hz significa que la máquina debe dar 50 giros en un segundo y 3000 en un minuto .La Frecuencia se calcula con la fórmula :
Donde T es el Período
PERIODO ( T )
“Es la cantidad de Hertz que ocurren en un segundo y se mide en
segundos ” .El período se calcula con la fórmula:
38
Profesor
Ramón Flores Pino
La representación gráfica de la frecuencia y el período es la siguiente :
Ejemplos demostrativos:
1.- ¿Cuál será el periodo de una señal alterna que tiene una frecuencia de 500 Hz ?
Se aplica la fórmula respectiva:
Esto significa que un hertz ( un ciclo ) se demora en ocurrir 3 milésimas de segundo.2.- ¿Cuál será la frecuencia de una señal alterna que tiene un período de 8 milésimas
de segundo ? .8 milésimas = 0,008 seg.
Ahora se aplica la fórmula de Frecuencia :
Ejercicios propuestos:
1.- Calcular la frecuencia de una señal alterna que tiene un período de 50
millonésimas de segundo .2.- Calcular el período de una señal alterna que tiene una frecuencia de
100.000 Hertz .-
39
Profesor
Ramón Flores Pino
VALORES DE LA CORRIENTE ALTERNA
Una señal alterna tiene los siguientes valores :
a).- Valor máximo ( Vmáx ) ; Es el valor que toma la señal a los 90 ° y los 270 ° ,
cada vez que termina un ciclo ( Hertz ) .b).- Valor máximo a máximo ( Peak to peak ) : Es el valor comprendido entre los
dos Vmáx que tiene la señal .- Se abrevia ( V p-p ) .c) .- Valor efectivo ( o eficaz ) : Es el valor equivalente al 70,7 % del valor máximo,
y es el que se indica comúnmente en los aparatos eléctricos ( ejemplo : 220 v ) y el que
miden los multitester .- Se abrevia ( Vef ) .Gráficamente :
En fórmulas:
a ). – Vmáx
40
Profesor
Ramón Flores Pino
b) .- V p – p :
c) .- Vef
:
Ejercicios demostrativos
1) .- Un multitester está midiendo un voltaje alterno y marca 100 v . ¿Que Vmáx
y que V p-p hay en ese punto donde se está midiendo ? .Respuesta :
El multitester mide Vef por lo tanto Vef = 100 v , para calcular los valores
que se piden se aplican las fórmulas :
a).- Vmáx:
b).- Vp-p :
41
Profesor
Ramón Flores Pino
2).-¿ Que voltaje efectivo y que Vp-p tendrá una red de distribución de CA que tiene
un Vmáx de 311,17 v ? .Respuesta : Las formulas a utilizar en este caso son :
a).- Vef :
b).- Vp-p :
3 ) .-¿ Que valor de voltaje efectivo y máximo tendrá una señal alterna que tiene un
V p-p = 50 v ? .-
Respuesta: De nuevo se aplican las fórmulas respectivas:
a ) .- Vmáx :
b ) .- Vef :
42
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITOS EN CORRIENTE ALTERNA
En corriente alterna al igual que en corriente continua, los consumos se pueden conectar
en forma serie paralela o mixta.- Un
consumo pueden ser Resistencia , Bobina o
Condensador y cada uno de ellos se comporta de la siguiente forma en Corriente Alterna :
Comportamiento de una Resistencia en CA
Desde un punto de vista vectorial la Resistencia
no produce desfase ( Ángulo que se produce entre el voltaje y la corriente ) , o sea el ángulo
es cero grados ( 0° ) .Gráficamente .
Comportamiento de una Bobina en CA
La bobina produce un desfase de 90° (atrasa la
corriente 90° con respecto al voltaje).- También la bobina presenta una oposición al paso
de la corriente alterna, esta oposición se denomina “ Reactancia Inductiva ” y se identifica
como XL .- Se mide en Ohms.Se calcula mediante la formula:
Ejemplo: Que reactancia inductiva presenta una bobina de 50 mhy conectada a 220 v a
una frecuencia de 50 hertz .Respuesta: Antes de aplicar la fórmula , ¿ que significan los parámetros que intervienen
en ella ?:
2
=
=
f =
L =
Constante matemática
Constante matemática cuyo valor es 3,1416
Frecuencia del circuito (Hertz )
Inductancia de la Bobina ( se mide en Henry )
43
Profesor
Ramón Flores Pino
Para este caso 50 mhy ( milihenry ) = 0,05 Hy
Ahora se aplica la fórmula:
Grafico del desfase:
Comportamiento de un Condensador en CA
Un condensador produce un desfase de 90°
entre el Voltaje y la Corriente. En este caso es lo contrario a una bobina ya que el
condensador adelanta la corriente en 90°.- El condensador también presenta una oposición
al paso de la corriente alterna que se denomina “ Reactancia Capacitiva ” y se identifica
como Xc .
Se calcula a partir de la fórmula:
Ejemplo: ¿ Que reactancia presenta un condensador de 25 microfaradios conectado a un
circuito de CA con una frecuencia de 1000 hz. ? .Respuesta: Se aplica la fórmula anterior :
44
Profesor
Ramón Flores Pino
La representación gráfica :
OTRAS FORMULAS
A partir de las fórmulas de XL y Xc se pueden obtener otras que
permiten calcular ya sea : Frecuencia , Inductancia, o Capacidad según sea el caso :
a ) .- A partir de
Con estas fórmulas se pueden calcular la frecuencia ( f ) o la Inductancia ( L )
b ) .- A partir de
Con estas fórmulas se puede calcular La Frecuencia ( f ) y la Capacidad ( C ) .-
45
Profesor
Ramón Flores Pino
Ejercicios propuestos:
1 .- Calcular la reactancia inductiva que presenta una bobina de 300 mhy conectada
a un circuito de CA que tiene una frecuencia de 15 khz .2 .- Cual será la reactancia capacitiva que presenta un condensador de 40 nf
conectado a un circuito de CA que tiene una frecuencia de 5 khz . –
46
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO R - L
SERIE
“Consiste en conectar una resistencia en serie con una
bobina en un circuito de corriente alterna ” .Ejemplo :
Ejercicio:
En este circuito se tienen los siguientes valores:
R = 200
, L = 15 mhy , F = 1500 Hz
a ) .- XL
b ) .- Z
c ) .- It
e ).- Cos
(Factor de potencia)
VCA = 50 v , se pide calcular :
d ).- VR , VL , Vt
f ) .- P , S , Q
Solución:
a) .- EL valor de XL se obtiene aplicando la fórmula :
b).- El valor de Z :
¿Que es Z ? : Cuando en un circuito de CA hay conectadas solamente
resistencias corresponde calcular la Resistencia total.-Pero si además de
resistencias hay conectadas bobinas o condensadores o ambos a la vez la
resistencia total cambia de nombre y se denomina Impedancia y se designa
con la letra Z y se mide en Ohms .Z = Impedancia (
)
47
Profesor
Ramón Flores Pino
Para calcular el valor de Z se hace mediante una fórmula que se obtiene del diagrama
vectorial del circuito de R y XL aplicando teorema de Pitágoras:
Diagrama Vectorial: Como este es un circuito Serie la referencia para el diagrama es
la corriente.-
En este diagrama como la bobina atrasa la corriente en 90° XL se dibuja 90° en
adelanto.- Entonces para deducir la fórmula de Z se considera el triángulo rectángulo
formado por R , XL y Z :
Por teorema de Pitágoras se tiene:
Y esta es la fórmula que permite calcular la Impedancia Z en este circuito
Al aplicarla con los datos del circuito :
Z no es una suma algebraica, es una suma Vectorial
48
Profesor
Ramón Flores Pino
c ) .- La corriente I
Se calcula aplicando la ley de Ohm reemplazando R por Z:
d ) .-El valor de los voltajes :
El valor de VR
:
Se calcula por ley de Ohm :
El valor de VL : Por ley de Ohm reemplazando R por XL
:
El valor de Vt : Es lógico pensar que Vt = VR + VL , está bien pero
pensando que no es una suma algebraica sino una
“Suma vectorial” .- Esto se deduce del siguiente
Diagrama Vectorial:
Para obtener la fórmula de Vt se considera el triángulo rectángulo
Por VR , VL y Vt :
formado
49
Profesor
Ramón Flores Pino
Por Pitágoras :
Por lo tanto utilizando esta fórmula se puede comprobar el Vt :
e ) .- El factor de potencia o coseno fi ( Cos
):
¿ Que es el Cos ? :
Es el desfase de tiempo (Angulo) que se produce entre la
corriente y el
voltaje , el cual se puede obtener mediante la función trigonométrica
Coseno. Se le denomina factor de potencia porque influye sobre la potencia
activa del circuito concepto que se explica en el paso f ) .A través del diagrama vectorial de voltajes se puede deducir como calcular el Cos
:
La definición de Coseno dice que:
El coseno de un Angulo es igual al cateto
( lado ) adyacente dividido por la hipotenusa .-De acuerdo al grafico equivale a lo
siguiente :
-
50
Profesor
Ramón Flores Pino
Este valor de coseno equivale a un ángulo determinado que se puede obtener de una
calculadora científica a través de la tecla cos pero en función inversa (
) .Para este caso 0,8168 = 35,23° .- Esto en el diagrama vectorial significa :
f ) .- El valor de P , S ,Q :
En un circuito de CA donde estén conectados
Resistencias con Bobinas o Condensadores sea este circuito serie, paralelo o mixto siempre
van a existir tres tipos de Potencia Eléctrica:
P = Potencia Activa ( o Efectiva )
S = Potencia Aparente
Q = Potencia Reactiva
Cada una se puede calcular mediante una fórmula y tiene su propia unidad de medida:
P = Es la potencia activa y se mide en Watts.- Es la que el medidor de
Energía de los domicilios considera para marcar la Energía Eléctrica
consumida .S = Es la Potencia aparente, que se mide en Volts / Amperes ( VA ) y
corresponde a la Energía que entrega la compañía distribuidora en
cada centro de consumo .Q = Es la potencia ocasionada por un consumo reactivo (Bobina o
condensador ) .- Se mide en Volts / Amperes Reactivos ( VAR ).- Este
tipo de potencia representa una pérdida para la compañía distribuidora
ya que el medidor de un domicilio común no la marca .Como calcularlas :
La potencia efectiva P :
Para deducir su fórmula se hace a través del diagrama vectorial de Voltajes del circuito :
51
Profesor
Ramón Flores Pino
Partiendo de la base que la
fórmula general de potencia es
P = V * I , este diagrama
vectorial queda de la siguiente
forma :
Donde el lado Adyacente al ángulo corresponde a la potencia efectiva ( P ).- El lado
opuesto al angulo corresponde a la potencia reactiva ( Q ) y la hipotenusa corresponde a la
potencia aparente ( S ).- Es decir se tiene un “ triángulo de potencias ” , que se puede
representar así :
De este triángulo por función coseno :
Pero reemplazando el valor de S = V * I en esta fórmula se tiene :
Y esta es la fórmula que permite calcular la potencia efectiva, donde aparece un factor
nuevo agregado a la formula (
) que influye sobre el calculo de la potencia , y es
por este motivo que al
se le denomina :
Factor de Potencia
52
Profesor
Ramón Flores Pino
La Potencia reactiva Q :
Del mismo triángulo de potencias se deduce la fórmula de la potencia reactiva:
Para este caso se utiliza la función seno cuya definición dice que es igual al cateto opuesto
dividido por la hipotenusa:
Reemplazando el valor de S = V * I
en esta fórmula queda :
Esta es la fórmula que permite calcular la potencia reactiva
La potencia Aparente S :
Es la potencia que se obtiene del producto V * I y que se mide en Volts / Amperes
( VA ) y que está disponible en un circuito eléctrico .Se calcula con la fórmula:
En resumen :
Las fórmulas para calcular las tres potencias son{
Potencia Aparente
53
Profesor
Ramón Flores Pino
Potencia Reactiva
Potencia Efectiva
Para el ejercicio los resultados son :
Potencia Aparente
Potencia Reactiva
Potencia Efectiva
54
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO R – C SERIE
“ Es aquel donde están conectados en serie una resistencia con un condensador ” .-

Ejercicio:
Para este circuito se tienen los siguientes valores:
R = 200
, C = 1 f , F = 1500 Hz
VCA = 50 v ,
Se pide calcular:
a ) .- Xc
e ).- Cos
b ) .- Z
c ) .- It
(Factor de potencia)
d ).- VR , Vc , Vt
f ) .- P , S , Q
Solución:
a ) .- Reactancia capacitiva Xc :
Se obtiene a través de la fórmula ya conocida:
b) .-El valor de Z : Al igual que en el caso de una bobina aquí la fórmula se obtiene
del diagrama vectorial del circuito de R y Xc aplicando teorema
de Pitágoras .-
55
Profesor
Ramón Flores Pino
Diagrama Vectorial: La referencia para el diagrama es la corriente (Circuito serie)
En este diagrama el condensador adelanta la corriente en 90° por lo tanto Xc se
dibuja 90° en atraso.- Para deducir la fórmula de Z se considera el triángulo rectángulo
formado por R , Xc y Z :
Por teorema de Pitágoras corresponde:
Y así se obtiene la fórmula para calcular Impedancia Z en este circuito
Aplicándola con los datos del circuito el valor de Z es:
56
Profesor
Ramón Flores Pino
c ) . El valor de I:
Al igual que el circuito R - L serie se calcula aplicando ley de Ohm
reemplazando R por Z:
d ) .- Las caídas de voltajes :
El valor de VR se calcula también por ley de Ohm:
De la misma forma se calcula Vc:
El valor del voltaje aplicado Vt:
Para calcularlo se hace mediante una suma
Vectorial que se deduce del siguiente diagrama vectorial :
Para obtener la fórmula mediante teorema de Pitágoras se considera el
Triángulo formado por VR , Vc y Vt :
57
Profesor
Ramón Flores Pino
Por Pitágoras:
e ) .- El factor de potencia (Cos
) :
Este se puede deducir como calcularlo a partir
del diagrama vectorial de Voltajes :
Por definición de Coseno:
f ) .- El valor de P, S, Q :
Según el triangulo de potencias para este caso:
58
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO R - L - C
Serie
“ Es aquel donde están conectados en serie una resistencia ,
una bobina y un condensador “.-
Ejercicio:
Ocupando los mismos valores de los circuitos anteriores ( R = 200
15 mhy , C = 1f , f = 1500 Hz y Vca = 50 v ) .Se pide calcular:
a).- XL , Xc
d) .- Cos
Solución:
b) .- Z , It
e) .- S , Q , P
,
L=
c).- VR , VL , Vc , Vt
a ) .- El valor de XL y Xc : Estos valores ya se conocen de los ejercicios
Anteriores ( R-L y R–C serie ) y corresponden a ;
XL = 141,6 (
)
Xc = 106,15 (
)
b ) .- El valor de la impedancia Z : Para deducir su fórmula se hace
mediante el teorema de Pitágoras de acuerdo al siguiente diagrama
vectorial :
59
Profesor
Ramón Flores Pino
En este diagrama XL y XC son vectores opuestos según se pudo apreciar en los
casos de los circuitos anteriores ( R-L y R-C serie ) , por lo tanto su magnitud se resta
como XL – XC y su resultado es : 141,3 - 106,15 = 35,15 ( ). De esta forma queda un
nuevo vector resultante llamado ( XL - XC ) dando origen al siguiente triángulo rectángulo
:
Por Pitágoras:
Y de esta forma se calcula la Impedancia Z en un circuito R – L - C serie.La Corriente It :
Se obtiene mediante la ley de Ohm:
c) .- Los Voltajes parciales :
También se obtienen mediante la ley de Ohm:
60
Profesor
Ramón Flores Pino
El valor de Vt:
La fórmula para calcularlo se obtiene del diagrama vectorial de
Voltajes:
Considerando el triángulo rectángulo formado por los voltajes VR, (VL-VC) y Vt
Por Pitágoras:
61
Profesor
Ramón Flores Pino
d ) .- El factor de potencia del circuito (.- Cos
) :
Este se puede obtener del diagrama
vectorial de voltajes mediante el triangulo rectángulo formado por los voltajes
Vt , VR y ( VL - VC) :
Por definición de coseno se tiene:
e ) . – Las potencias S , Q , P :
Según el triangulo de potencias para este
circuito:
El valor de cada una es el siguiente:
62
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO R - L Paralelo
“ Es aquel circuito de corriente alterna donde están conectados una
Resistencia y una Bobina en paralelo ” .-
Ejercicio:
En este circuito se tienen los siguientes datos:
F = 2 khz , Vca = 100 v , R = 200
Se pide calcular:
a ) .- XL , Z
, L = 24 mhy
b ) .- IR , IL , It
c ).- Cos
d ) .- S, Q , P
Solución:
a ) .- XL : se calcula a partir de la fórmula ya conocida ;
La impedancia Z :
Para calcular Z se deduce del siguiente diagrama
Vectorial teniendo presente que en un circuito paralelo se trabaja con los inversos ya
sea de la resistencia o de la reactancia inductiva .- También hay que
recordar que en este tipo de circuito el voltaje es el mismo en todas las cargas , por
lo tanto para el diagrama vectorial la referencia es el Voltaje .-
63
Profesor
Ramón Flores Pino
De este diagrama para calcular Z mediante el teorema de Pitágoras se utiliza el triángulo
formado por los inversos de R , XL y Z :
Por Pitágoras se tiene:
Como una incógnita no puede quedar elevada al cuadrado se aplica raíz
cuadrada quedando de la siguiente forma :
Al despejar Z se obtiene la fórmula para calcular la Impedancia en un circuito R –
L paralelo:
El valor de la Impedancia aplicando esta fórmula es .
64
Profesor
Ramón Flores Pino
b).- las corrientes IR, IL , It :
Se calculan aplicando ley de Ohm en ca ;
El valor de It se obtiene del diagrama vectorial entre IR e IL:
Para aplicar teorema de Pitágoras se considera el triángulo rectángulo
formado por IR , IL e It :
65
Profesor
Ramón Flores Pino
Aplicando Pitágoras:
Este valor de It se puede comprobar mediante ley de Ohm :
c) .- El factor de potencia Cos
:
Se obtiene del diagrama vectorial de corrientes:
Aplicando definición de Coseno:
d) .- Las potencias S , Q , P :
El triángulo de potencias en este caso es el siguiente:
El valor de cada una es:
66
Profesor
Ramón Flores Pino
67
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO R – C Paralelo
“ Es aquel circuito de Corriente Alterna donde están conectados
en paralelo una Resistencia y un condensador .-”
Ejercicio:
Para este circuito se dan los siguientes datos:
F = 2 khz ,
Vca = 100 v ,
R = 200
,
C= 1
Se pide calcular:
a) .- Xc , Z
b) .- IR, IC , It
c ).- Cos
d) .- S , Q , P
Solución:
a) .- Xc se calcula con la fórmula respectiva :
La Impedancia Z:
Al igual que en el caso R L la impedancia se obtiene del
diagrama vectorial de los inversos de la resistencia y de la capacidad con el voltaje
como referencia y teniendo presente que el condensador produce el efecto contrario
al de una bobina con lo cual el diagrama queda así :
68
Profesor
Ramón Flores Pino
De este diagrama para calcular Z se utiliza el triángulo rectángulo formado por los
inversos de R , Xc y Z :
Aplicando Pitágoras:
Se elimina el cuadrado de la incógnita mediante raíz cuadrada:
Al despejar Z se obtiene la fórmula para calcular la impedancia Z en un circuito
R – C paralelo:
Con lo cual el valor de la impedancia es:
69
Profesor
Ramón Flores Pino
b ) .- Las corrientes IR , IC , It :
Se calculan aplicando ley de Ohm en CA.
El valor de It se obtiene del diagrama vectorial entre IR e IC:
Utilizando teorema de Pitágoras en el triángulo rectángulo formado por IR, IC, IT:
70
Profesor
Ramón Flores Pino
Se obtiene la fórmula para calcular It:
De acuerdo a esta fórmula el valor de IT es:
c ) .- El Cos
:
Se obtiene por la definición de coseno en el triángulo de
corrientes:
d ) .- Las potencias S, Q, P :
Se obtienen del triángulo de potencias , que en este caso
es :
Aplicando las fórmulas respectivas el valor de cada una es el siguiente:
71
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO R – L - C paralelo
“Es aquel circuito de corriente alterna donde están conectados en paralelo ;
una Resistencia , una Bobina y un Condensador ” .-
Ejercicio:
Considerando los mismos valores de los circuitos anteriores:
F = 2 khz ,
Vca = 100 v ,
R = 200
,
L = 24 mhy ,
C = 1 uf
Se pide calcular:
a ) .- XL , XC , Z
b ) .- IR , IL , IC IT
c ).- Cos
d ) .- S , Q, P
Solución:
a) .- XL ; Estas reactancias ya fueron calculadas y su valor corresponde a :
XL = 301,4
XC = 79,61
Z : Este valor hay que deducirlo del siguiente diagrama vectorial :
72
Profesor
Ramón Flores Pino
De este diagrama la fórmula de Z se deduce del siguiente triángulo rectángulo:
Como los Inversos de XL y XC son vectores opuestos al sumarlos da como resultado
el vector:
que en este caso es el que corresponde al lado opuesto al ángulo del triángulo .Al aplicar teorema de Pitágoras
Al despejar Z se obtiene la fórmula para calcula la Impedancia en un circuito R L C
paralelo:
Considerando los valores de R = 200
, XL = 301,4
y reemplazarlos en la fórmula el valor de Z es :
, y XC = 79,61
73
Profesor
Ramón Flores Pino
Siguiendo con el cálculo:
Y el valor de la impedancia queda:
74
Profesor
Ramón Flores Pino
b ) .- Las corrientes IR , IL , IC ,IT
:
Se calculan aplicando ley de Ohm:
El valor de IT se puede comprobar mediante el diagrama vectorial de las corrientes :
Para comprobar IT se considera el triángulo rectángulo formado por . IR, (IC-IL),
It :
Dado que IL e IC son vectores opuestos al sumarlos el resultado es una resta de
ambos.
IC –IL = 1,2259 – 0,3317 = 0,9273 (A)
75
Profesor
Ramón Flores Pino
Aplicando Pitágoras:
c ) .- El Cos
:
A partir del diagrama vectorial de Corrientes se puede calcular
el
Factor de potencia.
De acuerdo a la definición de coseno:
d ) .- Las potencias S, Q, P :
Se calculan con las fórmulas correspondientes y el
triángulo
de potencias en este caso es el siguiente :
El valor de cada una es:
76
Profesor
Ramón Flores Pino
CIRCUITO RESONANTE
“Es aquel donde las Reactancias Inductiva y Capacitiva son iguales , o sea XL = XC .
La resonancia puede darse en un circuito Serie o en un circuito Paralelo”.-
En ambos casos la frecuencia a la cual resonará el circuito se deduce de la igualdad
XL = XC
Dado que la incógnita no puede quedar elevada al cuadrado se aplica raíz cuadrada y se
obtiene la fórmula de la frecuencia de resonancia llamada Fo:
77
Profesor
Ramón Flores Pino
Ejercicio:
A que frecuencia resonará un circuito que tiene conectada una bobina de 25
mhy y un condensador de 50 uf :
Respuesta:
A los 142,45 hz en este circuito XL = XC, esto se puede comprobar aplicando las fórmulas
respectivas de XL y XC con esta frecuencia:
Como se comporta un circuito RLC cuando está en Resonancia
1 ) .- Si es Circuito Serie :
78
Profesor
Ramón Flores Pino
Considerando los valores del circuito se pide calcular:
a ) .- Z
b ).- It
c).- VR , VL , VC
d).- Cos
e).- S, Q, P
Solución :
a ) .- Impedancia Z :
Se calcula a partir del diagrama vectorial para este caso con la
fórmula de Z para un circuito R L C serie :
Corresponde aplicar :
Reemplazando los valores :
Por lo tanto en este caso Z = 100
o sea
Z = R
Conclusión:
Cuando el circuito está en resonancia se comporta como un
circuito Resistivo
79
Profesor
Ramón Flores Pino
b ) .- It :
Se calcula mediante ley de Ohm:
c ) .- Los voltajes :
Su valor se obtiene con las fórmulas ya conocidas :
El valor del Vt:
Se deduce del diagrama vectorial de voltajes :
Aplicando la fórmula de Vt para un circuito R L C serie :
Conclusión :
VL y VC se anulan por tener sentido opuesto y Vt = VR
80
Profesor
Ramón Flores Pino
d ) .- El Cos
:
Como el circuito se comporta como un “Circuito Resistivo” el
desfase entre V e I es 0° con lo cual el factor de potencia en este caso es
1,
( porque Cos 0° = 1 )
e ) .- Las potencias S , Q , P :
Aplicando las fórmulas para cada una :
Conclusión:
Cuando el circuito está en Resonancia la potencia aparente ( S ) y la efectiva ( P )
Son iguales. No hay pérdida por potencia reactiva ( Q ) .-
- 80 81
Profesor
Ramón Flores Pino
2 ) .- Si es Circuito Paralelo :
Con los valores del circuito, se pide calcular :
a ) .- Z
b ).- It
c).- IR , IL , IC
d).- Cos
e).- S, Q, P
Solución:
a ) .- La impedancia Z :
Se calcula según el diagrama vectorial aplicando la
fórmula para calcular Z en un circuito R –L- C paralelo :
Aplicando la fórmula de Z para este circuito:
82
Profesor
Ramón Flores Pino
Reemplazando los valores:
Conclusión :
Al igual que en circuito serie, dado que XL y XC son vectores opuestos
se anulan con lo cual Z = R y por lo tanto el circuito pasa a ser Resistivo .-
b ) .- IT : Su valor se obtiene mediante ley de Ohm :
c ) .- Las corrientes IR, IL , IC :
Al igual que IT se calculan por ley de Ohm :
83
Profesor
Ramón Flores Pino
El diagrama vectorial de estas corrientes es:
Como IL e IC son iguales y tienen sentido opuesto se anulan por lo que IT = IR
d ) .- El factor de potencia Cos
el Cos
=1
:
Dado que no hay desfase entre V e I
( porque Cos de 0° = 1 ) .-
e ) .- Las potencias S , Q , P :
Al calcularlas se demuestra que S = P y no existe
La potencia Reactiva Q :
84
Profesor
Ramón Flores Pino
MAGNETISMO
Y
ELECTROMAGNETISMO
85
Profesor
Ramón Flores Pino
MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
“Propiedad de un cuerpo de atraer materiales que estén compuestos con partículas de
hierro, níquel o cobalto”. El nombre de magnetismo proviene de la ciudad de Magnesia
(hoy Manisa en Turquía), donde se encontraron trozos de mineral que contenían hierro que
se pegaban unos con otros.-
Imanes
Se denomina imán a cualquier cuerpo que tiene la facultad de atraer trozos de hierro. E l
mineral natural de hierro que se conoce como magnetita es un imán natural. Al introducir este
material en medio de limaduras de hierro, estas se adhieren en forma de dos puntas en los lados
opuestos de dicho trozo. Si a continuación se extrae del mineral un trozo en forma de barra, de tal
forma que sus extremos coincidan con las formas de puntas de las limaduras, se obtiene lo que se
denomina un “Imán de barra “. Un imán de barra tiene la siguiente forma:
El lado indicado con la letra N señala el polo norte del imán y la letra S indica el polo sur
magnético. Si a este imán se le suspende de un hilo, el polo norte de él se orientara hacia el norte
geográfico, y el polo sur del imán se orienta hacia el sur geográfico, de. De este fenómeno se
tomo el nombre de polo norte y polo sur para un imán.-
Leyes entre polos magnéticos
1.- Polos del mismo signo se repelen
86
Profesor
Ramón Flores Pino
2.- Polos de signo contrario se atraen
Campo Magnético
El campo magnético es la zona del espacio que rodea a un imán y en donde actúan las fuerzas
de origen magnético.- El campo magnético es invisible pero si se puede apreciar el efecto que
produce.Al acercar un trozo de hierro a un imán, el hierro se adhiere al imán. Al acercar una brújula,
esta se orienta en una dirección determinada.- Ambos fenómenos se producen debido a que los
imanes producen un campo magnético en torno al espacio que los rodea.
Nuestro planeta, la tierra es un gigantesco imán que produce un campo magnético, La brújula
(invento chino milenario) es simplemente un imán que al igual que un imán de barra, se orienta
en el campo magnético de la tierra. El extremo de la brújula identificado como norte se orienta
hacia el norte geográfico terrestre y el extremo de la brújula identificado como sur se orienta
hacia el sur geográfico de la tierra. De acuerdo a lo anterior se puede deducir entonces y según
las leyes entre polos magnéticos, que la tierra si es un imán, debe tener su polo sur magnético en
el norte geográfico y su polo norte magnético en el polo sur geográfico.
87
Profesor
Ramón Flores Pino
Dado que un campo magnético es invisible, existe una forma de apreciarlo esparciendo
limaduras de hierro sobre una superficie de vidrio o de papel colocada sobre un imán tipo barra.
Las limaduras de hierro se alinean de acuerdo a la forma del campo magnético producido por el
imán según se puede apreciar en la siguiente figura.
De acuerdo a la figura se puede deducir un dibujo del campo magnético de un imán de barra,
que tendría la siguiente forma.
88
Profesor
Ramón Flores Pino
“Las líneas que representan el campo magnético se denominan Líneas de campo magnético”
mediante esta forma de representación se pueden apreciar los efectos de cuando dos imanes se
atraen o se repelen según las leyes entre polos magnéticos.
Los campos magnéticos se unifican si dos imanes se enfrentan con polos contrarios
Los campos magnéticos se dispersan si se enfrentan dos polos del mismo tipo
Imanes Permanentes
Una pieza de hierro o acero se puede imanar enrollando sobre ella un conductor eléctrico
aislado y haciendo pasar por el una corriente. Las diversas aleaciones magnéticas del hierro
difieren mucho en el comportamiento de su estado magnético. El acero dulce recocido se imana
muy fácilmente pero también pierde esta característica de la misma forma cuando deja de circular
la corriente que lo produjo.Sin embargo algunos aceros duros especiales, como el acero al
cobalto, requieren de muchas espiras por donde circule la corriente de imanacion, pero
conservan gran parte
de su magnetismo cuando deja de circular la corriente.- Los imanes fabricados con estos aceros
especiales son los que se conocen como “imanes permanentes”.
89
Profesor
Ramón Flores Pino
Electroimanes
Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el
flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Fue inventado por
el electricista británico William Sturgeon en 1825.
Hoy en día los electroimanes tienen una gran aplicación sobre todo en lo que se refiere a
maquinas eléctricas.
Líneas de campo magnético
Los campos magnéticos al igual que los campos eléctricos, se pueden representar mediante
líneas que indican la forma que tienen. Estas líneas se denominan “Líneas de campo magnético”
o líneas de inducción magnética. Estas líneas se caracterizan por:
Son líneas cerradas, o sea no tienen principio ni fin
Van de norte a sur por fuera del imán y de sur a norte por dentro de él
Mientras mas fuerte sea el imán, mayor será el número de líneas y el espacio cubierto por el
campo. Mediante limaduras de hierro se puede apreciar la forma del campo magnético según el
tipo de imán.
90
Profesor
Ramón Flores Pino
El campo magnético formado por una espira de un conductor recorrida por una corriente es el
siguiente
Hierro y magnetismo
Una forma de poder explicar el comportamiento propio del hierro, es suponer que los átomos
de hierro equivalen a imanes naturales, cada uno de los cuales tiene sus propios polos sur y
norte. Bajo esta hipótesis, las propiedades magnéticas del hierro pueden simularse cubriendo una
bandeja con pequeñas agujas magnéticas muy próximas entre si. Si la bandeja con las agujas no
esta sometida a la influencia de un campo magnético exterior, las agujas se orientaran en todas
direcciones.
La dirección de cada aguja magnética esta determinada por las fuerzas de atracción y
repulsión entre ella y todas las demás agujas que la rodean. Como resultado de dichas fuerzas, las
agujas
91
Profesor
Ramón Flores Pino
tienden a disponerse en grupos compactos, haciendo que se enfrenten polos sur y norte. Bajo esta
situación la bandeja no presenta propiedades magnéticas simplemente una barra de hierro no
imanada.
Si se introduce esta bandeja dentro de una bobina y se hace circular una corriente a través de
ella de tal forma que aumente gradualmente, la corriente producirá un campo magnético que
obliga a la agujas a orientarse en la misma dirección , en forma paralela al eje de la bobina. Al
lograr esta orientación el material esta magnetizado y puede considerarse un imán.
Materiales y su clasificación
La clasificación de los materiales como no-magnéticos o magnéticos se basa en las
propiedades magnéticas del hierro. Sin embargo, como los materiales débilmente magnéticos
pueden tener cierta importancia en algunas aplicaciones, la clasificación se puede hacer en tres
grupos.
1. Materiales Diamagnéticos
Son todos aquellos materiales que tienen propiedades que los hace
ser repelidos por los imanes.En este tipo se encuentra el bismuto, antimonio, cobre, zinc,
mercurio, oro y plata.-Su permeabilidad relativa es menor que uno.
2. Materiales Paramagnéticos
Se denomina materiales paramagnéticos a los materiales o medios
cuya permeabilidad magnética es similar a la del vacío. Estos materiales o medios no presentan
en ninguna medida el fenómeno de ferromagnetismo. En términos físicos, se dice que su
permeabilidad magnética relativa tiene valor aproximadamente igual a 1
92
Profesor
Ramón Flores Pino
.
3. Materiales Ferromagnéticos
Los materiales ferromagnéticos son materiales que pueden ser
magnetizados permanentemente por la aplicación de campo magnético externo. Este campo
externo puede ser tanto un imán natural o un electroimán.
Estos incluyen al hierro, acero,
níquel, cobalto y aleaciones tales como el alnico y el permalloy.- Las ferritas es un material nomagnético pero que tiene las mismas propiedades ferromagnéticas del hierro. Es de tipo
cerámico y tiene una permeabilidad magnética relativa entre 50 y 3000.
Permeabilidad magnética
Es la capacidad que tiene un material de concentrar el flujo magnético. Todo material que se
magnetice fácilmente es porque tiene una permeabilidad elevada. La medida de la
permeabilidad de los materiales con respecto a la del aire o a la del vació se denomina
“permeabilidad relativa” y se simboliza
La permeabilidad relativa es el cociente entre dos permeabilidades y no tiene unidad, es un
número.
Ejemplos demostrativos
1. En la siguiente figura se ha introducido un material dentro de un campo magnético. La
cantidad de líneas de fuerza que pasan por la sección del material no afecta la cantidad de
93
Profesor
Ramón Flores Pino
líneas sin la presencia del material, lo que indica que la permeabilidad relativa del material
es igual a uno. ( µr =1).
2. A continuación se muestra una figura en la cual se ha introducido un material que
concentra las líneas de fuerza del campo, con lo cual se deduce que el material debe poseer
una permeabilidad relativa mayor que uno. ( µr >1):
Electromagnetismo
Este efecto fue descubierto cuando el científico danés Oersted en 1819 descubrió una
relación entre el magnetismo y la corriente eléctrica. Determino que una corriente eléctrica que
circula por un conductor produce un campo magnético alrededor de este.
Al hacer circular una corriente por un conductor, en torno a este se producen líneas de
inducción en forma de círculos concéntricos. Estas líneas de fuerza se pueden observar
colocando en un plano perpendicular a lo largo del conductor, un papel o vidrio con limaduras
de hierro.- Las limaduras se orientaran de acuerdo a la dirección del campo magnético presente.
94
Profesor
Ramón Flores Pino
La representación de un campo magnético alrededor de un conductor recorrido por una
corriente es la siguiente.
Dirección del campo Magnético
La dirección del campo magnético producido por la corriente eléctrica se puede verificar
mediante el uso de una brújula instalada en forma tangencial cerca del conductor según se ve
en la siguiente figura.
Si se observa el conductor en un corte transversal, se puede verificar con la brújula que las
líneas consisten en círculos concéntricos alrededor del conductor. En la siguiente figura la
dirección de la corriente es entrando al plano del papel.
95
Profesor
Ramón Flores Pino
Regla de la Mano Derecha
Esta regla permite determinar la relación entre la dirección del flujo de corriente en un
conductor y la dirección de las líneas de fuerza del campo magnético alrededor de el. Con la
mano derecha, el pulgar extendido en la dirección del flujo de corriente en sentido convencional
y los demás dedos cierran en la dirección del campo magnético alrededor del conductor.
Al observar el conductor de frente y aplicar la regla de la mano derecha, la dirección del
campo magnético se indica en las siguientes figuras donde la cruz indica corriente entrando por el
conductor y el punto, corriente saliendo por el conductor.
96
Profesor
Ramón Flores Pino
Campo Magnético en una Bobina
Si se dobla un conductor recto en forma de espira, las líneas del campo magnético son mas
densas dentro de las espiras, aunque el numero de espiras es el mismo para el conductor recto y
además el campo magnético se unifica por tener las todas las líneas la misma dirección.
A continuación se muestra un plano perpendicular al eje de la espira y donde se representan
las líneas de fuerza del campo magnético producido por la corriente eléctrica.
La siguiente figura muestra las líneas del campo magnético en un plano perpendicular P al
eje de una bobina recorrida por una corriente eléctrica I.
Al formarse una bobina, los campos magnéticos de cada espira se unen para formar un
campo magnético mayor cuya magnitud es la suma del campo magnético producido por cada
bobina. Si la bobina tiene gran numero de vueltas, y las espiras están muy unidas entre si, se
tiene entonces que el campo magnético producido por esta bobina, cuando por ella circule una
intensidad de corriente
97
Profesor
Ramón Flores Pino
se asemejara mucho al producido por un imán tipo barra.- Esto quiere decir que la bobina al igual
que el imán, posee polos magnéticos sur y norte en sus extremos. Las líneas de campo magnético
irán desde el polo sur al polo norte por el interior de la bobina y desde el polo norte al polo sur
por el exterior de la bobina igual que en el imán de barra.
La dirección del campo magnético en la bobina depende de la dirección de la intensidad de
corriente por las espiras de la bobina. Para saber la dirección del campo magnético en la bobina
puede utilizarse la “regla de la mano derecha”, en la cual ya se sabe si se toma la bobina con la
mano derecha, los dedos índice al meñique, indican la dirección de la corriente (considerar que
es en sentido convencional ) por la bobina , mientras que el pulgar indica la dirección del campo
magnético por el interior de la bobina, con lo cual se pueden identificar los polos magnéticos de
ella. En este caso el pulgar indica la ubicación del polo norte en la bobina.
Flujo Magnético (φ)
Es la cantidad de líneas de campo magnético que salen desde un polo norte al polo sur en un
imán. Es una medida de la cantidad de magnetismo. Se identifica con la letra del alfabeto griego
Φ (phi) y su unidad de medida en el sistema MKS es el Weber (Wb)
98
Profesor
Ramón Flores Pino
Inducción Magnética (B)
Es la medida cuantitativa del campo magnético y también se le denomina “Densidad de flujo
magnético” y consiste en la cantidad de flujo magnético por unidad de área. Su unidad de
medida en el sistema mks es el tesla.- ( 1 tesla = 1 Wb / m2 ) .
Si el área es perpendicular al flujo, corresponde la siguiente ecuación para la densidad de
flujo magnético
Donde
B = Densidad magnética en Tesla (T)
φ = Flujo magnético en weber (Wb).
A = Área de la sección en metros cuadrados ( m2 )
Fuerza Magneto Motriz ( Fmm )
Es la fuerza que hace posible establecer el flujo en un circuito magnético, formado
normalmente por sustancias ferromagnéticas. Su unidad de medida es el Amper-vuelta ( Av ). El
Av es el producto de la corriente por el número de vueltas de la bobina, por lo cual la fmm se
expresa:
Donde:
F = Fuerza magnetomotriz en amperios-vuelta.
N = Número de espiras de la bobina.
I = Intensidad de la corriente en amperios.
Intensidad del Campo Magnético (H)
El símbolo que representa la intensidad del campo magnético es la letra H y también se le
denomina fuerza magnetizante. Esta fuerza magnetizante esta constituida por los amperios vuelta
por unidad de longitud lo que da origen a la densidad de flujo B
99
Profesor
Ramón Flores Pino
En forma algebraica la intensidad del campo magnético es:
Donde:
H
N
I
L
=
=
=
=
Intensidad del campo magnético en Amper-vuelta por metro (A-v/m).
Número de vueltas de la bobina.
Intensidad de la corriente en amperios (A).
Largo de la bobina en metros (m).
Reluctancia (ℜ)
Es una cualidad en una sustancia o materia, que tiende a impedir el flujo de un campo
magnético.Oposición al flujo magnético. La reluctancia es el equivalente a la resistencia en un
circuito eléctrico. El símbolo de la reluctancia es ℜ.
La reluctancia de un núcleo es directamente proporcional al largo ( l ) en cms del circuito
magnético e inversamente proporcional al producto de la permeabilidad (µ ) por el área en
cm2 del camino magnético,. Además depende de la forma y de la distancia que exista entre los
polos (entrehierro).esto en formula
Por lo tanto la permeabilidad (facilidad para magnetizarse) del núcleo de un electroimán se
puede calcular a partir de.
Donde
ℜ
L
A
= Reluctancia en Amperes- vuelta por Webber (Av / Wb)
= Largo del núcleo en metros ( m )
= Sección del núcleo en metros cuadrados ( m2 )
100
Profesor
Ramón Flores Pino
µr
µ0
Permeabilidad relativa del núcleo (sin unidad de medida )
= Permeabilidad relativa del vacío (4 πx10 − 7 H/m)
=
Entrehierro
El entrehierro es el espacio existente entre los polos de un imán o electroimán. A nivel de
ejemplo las siguientes figuras ilustran los niveles de reluctancia para electroimanes con diversas
formas. Según se puede apreciar el que tiene menos reluctancia es el núcleo toroidal ya que no
posee entrehierro.-
Circuito magnético
Es el circuito donde se produce un flujo magnético (φ), como producto de una fuerza
magnetomotriz (Fmm) y en el cual hay un elemento que tiene una Reluctancia (ℜ) a este
flujo. El circuito magnético se puede comparar a un circuito eléctrico donde el Voltaje
estaría representado por la Fmm, la Intensidad de corriente representaría al flujo (φ) y la
resistencia con la reluctancia (ℜ).
101
Profesor
Ramón Flores Pino
Formulas para el circuito magnético
1.- Para calcular el flujo
2.- Para calcular la Fmm
3.- La Reluctancia
Unidades de Medida
Magnitud
Fuerza Magnetomotriz (Fmm)
Flujo Magnético (φ)
Reluctancia ℜ
Sistema MKS
Amper-vuelta
Webber
l/
Sistema CGS
Maxwell
Curva de Magnetización
Es una curva que se utiliza para indicar cuanta densidad de flujo (B) se obtiene al aumentar la
intensidad del campo (H).
102
Profesor
Ramón Flores Pino
En este grafico se aprecian las curvas de magnetización del aire y de dos tipos de hierro en las
cuales se observa que la del aire es una recta y las correspondientes a los hierros no lo son. Esta
diferencia se debe a que la relación entre la densidad de flujo B y la intensidad de campo H esta
dada por la siguiente formula.
Dado que para el aire µr = 1 y µ0 es una constante igual a
, esto origina que la
ecuación anterior se transforma en la ecuación de la recta, o sea B = µ0 H. Pero los otros
materiales tienen una permeabilidad relativa diferente a uno, y tampoco es constante ya que varia
en un rango de valores dependiendo del estado de magnetización del material los que las hace
diferente a la del aire.
Histéresis
El significado de la palabra histéresis en este caso es retraso, esto quiere decir que el flujo
magnético en un núcleo de hierro se retrasa con respecto a la disminución o aumento de la fuerza
magnetizante.- El ciclo de histéresis comprende una serie de curvas que indican las
características de un material magnético y en que momento comienza a saturarse.
Algunos ejemplos de curvas de histéresis son las siguientes.
En esta curva, desde 0 al punto a equivale a la curva de primera magnetización en la cual se
observa que a medida que aumenta la intensidad magnética (H) , aumenta proporcionalmente la
densidad magnética (B), hasta que el material alcanza la saturación en el punto a, o sea la
densidad no aumenta aunque aumente la intensidad.103
Profesor
Ramón Flores Pino
Desde el punto a al punto b la intensidad se reduce y por lo mismo hay una reducción de la
densidad, pero la disminución de la densidad es menos significativa que le reducción de la
intensidad. Así en el punto b la intensidad se hace cero pero sigue habiendo un valor de densidad.
Este valor es lo que se denomina magnetismo remanente. Desde el punto b al punto c la
intensidad aumenta en sentido inverso. Es valido observar que para eliminar el magnetismo
remanente, o sea que B = 0, es necesario aplicar una intensidad de campo de igual magnitud pero
opuesta que se llama “fuerza coercitiva”. Y el valor de H que anula el magnetismo remanente se
denomina “ Campo Coercitivo ” que corresponde al punto c en la curva de histéresis.- Desde el
punto c al punto d , la densidad aumenta en forma inversa hasta alcanzar nuevamente la
saturación en el punto d. Desde el punto d al punto a se repite la curva en forma similar a la del
punto a hasta el punto d.
En la siguiente figura se muestra la curva de histéresis de un material que posee una remanencia
muy baja o nula.
La siguiente figura muestra la curva de histéresis de un material que posee baja remanencia
Finalmente en la figura siguiente se muestra la curva de histéresis de un material con
remanencia mayor a la de la figura anterior.
104
Profesor
Ramón Flores Pino
Bobinas con núcleo
El hecho de introducir un núcleo ferromagnético dentro de una bobina aumenta el flujo
magnético que atraviesa la bobina. Esto debido a que el núcleo se magnetiza incrementando el
flujo de la bobina. La polaridad que adquiere el núcleo es la misma que tiene la bobina y depende
de la dirección del flujo de la corriente y de la dirección del bobinado, según fue descrito con la
regla de la mano derecha para determinar la dirección del campo magnético en una bobina.
La representación de una bobina con núcleo ferromagnético se muestra en la siguiente figura
en la cual se aprecia la dirección de la corriente por las espiras (vueltas) y los polos producidos en
los extremos del núcleo.
Campo Magnético sobre un conductor recorrido por una corriente
Cuando una carga en movimiento atraviesa una zona del espacio en donde existe un campo
magnético de densidad B, esta carga experimenta una determinada fuerza F que es perpendicular
a la dirección del campo magnético. Las cargas en movimiento dan origen a la corriente eléctrica,
por consiguiente cuando por un conductor ubicado en un campo magnético, circula una corriente
eléctrica, este conductor experimenta un efecto (fuerza) de origen magnético. Este efecto se
muestra a continuación.
105
Profesor
Ramón Flores Pino
Cuando la dirección de la corriente es perpendicular a la dirección del campo magnético la
magnitud de esta fuerza se expresa por la siguiente formula.
Donde
F
I
L
B
=
=
=
=
Fuerza sobre el conductor en Newton
Intensidad de corriente (en Amperios) por el conductor
Longitud (en metros) de conductor inserto en el campo magnético.
Densidad de flujo (en Tesla) del campo magnético
El sentido y la dirección de la fuerza se pueden obtener mediante la regla de la mano
izquierda. Para este efecto, la mano izquierda se coloca de forma tal que el campo magnético
incida sobre la palma de la mano, los dedos índices a meñique se colocan en la dirección de la
corriente y el pulgar indica la dirección de la fuerza.
Un ejemplo de la aplicación de esta regla se muestra en la siguiente figura para un campo
magnético producido por un imán tipo herradura, en el cual esta inserto un conductor. La
dirección de la fuerza corresponde a la dirección en que se moverá el conductor que incida con
el vector V en la figura-
Principio del Motor
El funcionamiento del motor eléctrico está basado en el principio de que un conductor
recorrido por una corriente, inserto
en un campo magnético tiende a moverse
perpendicularmente a la dirección del campo.
106
Profesor
Ramón Flores Pino
En la figura (a) se ve el campo resultante de la superposición del campo principal y el creado
por la corriente del conductor. Los dos campos tienen el mismo sentido en la parte superior del
conductor pero son opuestos en la inferior. El resultado ha sido el aumento de la densidad
de
flujo en la parte superior y la disminución de la misma en la inferior. Se encuentra que actúa una
fuerza F sobre el conductor, que tiende a moverlo hacia abajo, según indica la flecha.
Es conveniente considerar este efecto como debido al mayor número de líneas de flujo
existentes a un lado del conductor. Las líneas de fuerza se pueden considerar corno tiras elásticas
sometidas a una tensión, y estas líneas siempre tienen tendencia a contraerse y tener longitud
mínima. La tensión de estas líneas en la parte superior del conductor tiende a moverlo hacia
abajo.
.
Si se invierte el sentido de la corriente en el conductor hay un aumento de líneas de
fuerzas debajo de éste, que tiende a moverlo hacia arriba, como se indica en la figura (b).
La estructura de un motor eléctrico común se muestra a continuación
107
Profesor
Ramón Flores Pino
Campo magnético sobre conductores paralelos
En la realidad es muy común los conductores paralelos (líneas de alimentación, de
transmisión, bobinados de motores y en bobinas propiamente tal). En este caso por dos
conductores paralelos pueden circular corrientes del mismo sentido o de sentido contrario.
Cuando esto ocurre cada conductor es afectado por una fuerza debido al campo magnético
producido por la corriente que circula por el otro conductor. Cuando esto sucede cada conductor
estará sometido a una fuerza provocada por la corriente que circula por el otro conductor. La
existencia de estos campos magnéticos hará que aparezcan fuerzas entre los conductores, cuya
dirección degenera del sentido de las corrientes que circulen por ellos.
Se cumplirá que si las corrientes son del mismo sentido los conductores se atraerán y si las
corrientes tienen sentidos opuestos, los conductores se repelen, según se puede apreciar en la
figura siguiente.
108
Profesor
Ramón Flores Pino
Unidades de medida de parámetros magnéticos
Nombre
Permeabilidad magnética aire
Permeabilidad magnética relativa
Densidad de flujo ( o inducción
magnética )
Flujo magnético
Fuerza magneto motriz
Reluctancia
Intensidad de campo
Símbolo
µ0
µr
B
φ
Fmm
ℜ
H
Unidad de medida
Sistema MKS
Sistema CGS
Tesla
Gauss
Webber
Amper-vuelta
(NI)
l/
Maxwell
Oersted
Gilbert / cm
Equivalencias entre unidades
Weber : (Wb) Es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en
la
Misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en un segundo por
decaimiento.1 Weber = 10.000 Gauss = 100.000.000 o 108 maxwells.
109
Profesor
Ramón Flores Pino
Tesla (T)
Es la inducción magnética uniforme que, repartida normalmente sobre una
superficie de 1 metro cuadrado, produce a través de esta superficie un flujo
magnético total de 1 weber.
1 Tesla =
Gauss
1Wb / m2
Unidad de medida de la inducción magnética en el sistema CGS
Gauss
Maxwell
= 1 Maxwell / cm2 = 0,1 microTesla
Es el flujo del campo magnético de 1 Gauss a través de una superficie de 1 cm.
Ejercicio
1.- Se tiene un anillo toroidal de chapas de hierro que tiene una circunferencia de 500 cm.
De longitud, de sección circular de 2 cm2 . Se bobina con 1000 vueltas de hilo conductor, por el
cual circula una corriente de 0,25 A que provoca un flujo magnético de 0,0004 weber. Se pide
calcular:
a) Inducción o densidad de flujo en el anillo
b). Intensidad del campo magnético
c). Permeabilidad absoluta
110
Profesor
Ramón Flores Pino
d). Permeabilidad relativa
e). Reluctancia Magnética
El flujo magnético se puede comprobar
Autoinducción
La autoinducción es un fenómeno en el cual una bobina al ser recorrida por una corriente
variable produce un campo magnético variable. Esta variación del flujo se traduce en la
aparición de una fuerza electromotriz de autoinducción, que tiende a oponerse a la causa que la
produce, es decir, a la variación del flujo a través del propio circuito. La fuerza electromotriz
autoinducida es proporcional al coeficiente de autoinducción, L, y a la velocidad de variación de
la corriente en un instante dado, y su sentido será el mismo que el de la corriente variable en el
circuito si la intensidad disminuye (apertura del circuito), o contrario al de aquella si la intensidad
aumenta (cierre del circuito): El coeficiente de autoinducción representa la fuerza electromotriz
autoinducida en un circuito cuando la corriente varía un amperio en un segundo, y su valor
depende de las características geométricas de la bobina.
111
Profesor
Ramón Flores Pino
Ejemplo de aplicaciones del magnetismo
112
Profesor
Ramón Flores Pino
TRANSFORMADORES
113
Profesor
Ramón Flores Pino
TRANSFORMADORES
“Es una maquina eléctrica que transforma un voltaje alterno
desde un valor a otro”
Se denomina transformador a 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) manteniendo la frecuencia.
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 primarios y secundarios.
El símbolo general que representa a un transformador es el siguiente
Donde
V1
V2
I1
I2
N1
N2
Voltaje Primario (Vp)
Voltaje Secundario (Vs)
Corriente del primario (Ip)
Corriente del secundario (Is)
Número de vueltas del primario
Número de vueltas del secundario
114
Profesor
Ramón Flores Pino
La forma de un transformador de acuerdo al símbolo anterior
La forma de los núcleos más comunes
De estas tres formas la mas común es la tipo E.- En esta caso las dos bobinas están
dispuestas una sobre la otra sobre la parte central de la E quedando hacia fuera los
terminales correspondientes a cada bobinado.
El funcionamiento:
Si se aplica una fuerza electromotriz ( voltaje ) alterna en el devanado primario, las
variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético
variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable
115
Profesor
Ramón Flores Pino
originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz (voltaje) en los
extremos del devanado secundario.
Inducción se le llama a la generación de una corriente eléctrica en un conductor en
movimiento en el interior de un campo magnético (de aquí el nombre completo,
inducción electromagnética).
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), aplicada al devanado primario
y la fuerza electromotriz inducida (Es), obtenida en el secundario, es directamente
proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del
primario, si aplicamos una tensión alterna de 230 Voltios en el primario, obtendremos
23000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación
de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del
secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de
transformación.
Ahora bien, para el ejemplo anterior, como la potencia aplicada en el primario, en caso
de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de
la fuerza electromotriz (voltaje) por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo
que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 Amperios,
la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).
Algunos Parámetros
Potencia
En un transformador, la potencia en el primario y en el secundario son
iguales y se calculan a partir de
En el primario
Wp = Vp * Ip
(w)
En el secundario
Ws = Vs * Is
(w)
Se debe cumplir que
WP = Ws
116
Profesor
Ramón Flores Pino
Ejemplo
a) Que potencia tendrá un transformador que entrega en el secundario 12 v, que
tiene aplicado en el primario 220 v y absorbe de la red 0,5 A
Respuesta
b) ¿ Que corriente podrá entregar este transformador en el secundario ?
Respuesta
Dado que Ws = Vs * Is y que WP = Ws, se puede despejar la corriente Is
Cuando los transformadores son de baja potencia se especifican en potencia activa es
decir en Watts.
Si los transformadores son de alta potencia se especifican en potencia aparente o
sea en Volt/Amperes (VA) y generalmente en KVA (Kilo/Volt/Amperes).
Relación de transformación
La relación que existe entre la tensión del primario (Ep) y la tensión del secundario (Es)
es igual a la relación entre el número de espiras del primario (Np) y el número de
espiras del secundario (Ns).
117
Profesor
Ramón Flores Pino
En consecuencia,:
Despejando:
Fórmula de la cual se deduce que la tensión inducida en el secundario es
proporcional a la relación del número de vueltas del secundario con respecto a las del
primario. Por tanto, a la relación entre vueltas o entre tensiones del primario y
secundario se la denomina relación de transformación.
Ejercicio
¿ Que voltaje se inducirá en el secundario de un transformador en el cual el numero
de vueltas del primario es de 250 y en el secundario de 375 si por el primario tendrá
aplicado 220 volts ?.
Respuesta
Clasificación
a) Según valor de voltaje entregado en el secundario
Transformador reductor
Es aquel que en el bobinado secundario tiene menos vueltas
que en primario y por lo tanto entrega un voltaje menor según la relación de
transformación que tenga. El símbolo que lo representa es
118
Profesor
Ramón Flores Pino
Transformador Elevador
Es aquel que en el bobinado secundario tiene mas
vueltas que en el primario y por lo tanto entrega un voltaje mayor según la relación de
transformación que tenga. El símbolo que lo representa es
Transformador igualador
Es aquel que tiene la misma cantidad de vueltas en el primario
que en el secundario, se le conoce también como transformador de aislamiento o
transformador de uno es a uno El símbolo que lo representa:
b) Según la potencia
Transformadores de baja potencia
Son todos aquellos que especifican su potencia en watts, como
por ejemplo los que utilizan las fuentes de alimentación de los equipos
electrónicos.
Transformadores de alta potencia
Son aquellos que su potencia se especifica en potencia
aparente es decir en volts Amperes y comúnmente en KVA (Kilo Volt Ampere).
Un ejemplo son los transformadores que están en los postes de distribución, en
las centrales de distribución o también en Megawatts como son los que están en
las centrales de producción de electricidad.
119
Profesor
Ramón Flores Pino
c) Según numero de fases
Transformadores Monofasicos
Son aquellos que tienen un bobinado primario que acepta solo
una fase y un neutro y son muy comunes en baja potencia pero también los hay en
alta .
Transformadores Bifásicos
Son aquellos que tienen un bobinado primario y secundario
que funciona con dos fases, es decir entran dos fases y salen dos fases
Transformadores Trifásicos
Son aquellos que en el primario tienen tres bobinados uno
para cada fase y en el secundario otro tres bobinados para cada una de las fases
que salen.
Transformadores reductores monofasicos
En general este tipo de transformadores son los mas comunes y en especial los
de baja potencia que es muy común encontralos en diversos aparatos eléctricos y
electrónicos y en circuitos diversos. Es conveniente tener presente algunas
características para el correcto funcionamiento de estas maquinas , en especial en
lo que corresponde a los bobinados y tener claro los voltajes que reciben en el
primario o los que entregan en el secundario.
120
Profesor
Ramón Flores Pino
De acuerdo a lo anterior se
transformadores:
pueden encontrar los siguientes tipos de
1. Transformador reductor con primario con punto medio
Este tipo de trafo es común encontrarlos en equipos de procedencia extranjera donde los
fabricantes lo construyen pensando en otro mercado aparte del chileno donde la red de
distribución domiciliaria sea de 110 v ( por ejemplo USA).- En este caso hay que
bloquear inmediatamente el switch posterior que tiene la opción de cambiar de 110v a
220v y dejar habilitado solo la opción de 220v.
2. Transformador reductor con secundario con punto medio
El punto medio divide el voltaje de salida en dos voltajes iguales
3. Transformador reductor con secundario con salida múltiple.
Este tipo de transformador es muy utilizado para fabricar eliminadores de pilas que
entreguen voltajes que permitan reemplazar pilas en un circuito. Estos voltajes se
obtienen mediante un interruptor de tipo deslizante o giratorio
121
Profesor
Ramón Flores Pino
Trafo con salida múltiple
El autotransformador
Transformador cuyo primario y secundario está formado por un solo bobinado.
Tiene la facultad de ser reversible, y según se use como elevador o como reductor el
primario es parte del secundario o al revés.
El autotransformador es un
transformador donde una parte del devanado es común tanto al primario como al
secundario.
El principio de funcionamiento es el mismo que el de el transformador común,
entonces la relación de transformación entre las tensiones y las corrientes y el número
de vueltas es la misma.
122
Profesor
Ramón Flores Pino
Las corrientes primaria y secundaria están en oposición y la corriente total que circula
por las espiras en común es igual a la diferencia de la corriente del devanado de baja
tensión y el devanado de alta tensión.
Para que un autotransformador funcione adecuadamente, los dos devanados deben
tener el mismo sentido de bobinado.
Autotransformador reductor
-
Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de
salida entre los puntos C y D, la medición muestra lo que es un
autotransformador reductor-
Relación de vueltas Ns / Np < 1
Autotransformador elevador
- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de salida
entre los puntos A y B, la medición indica que es un autotransformador elevador .
Relación de vueltas Ns / Np > 1
Los autotransformadores tienen la ventaja sobre los transformadores comunes,
de un peso y costo menor. En lugar de tener un bobinado de alta tensión de N1
123
Profesor
Ramón Flores Pino
espiras, se debe prever, para el bobinado de baja tensión, con un número N2 de
espiras, un número de espiras adicional de N1 - N2.
También hay que tomar en cuenta que el conductor de la sección común del
bobinado, debe de tener una sección de cobre en función de la diferencia de
corrientes entre baja y alta tensión.
Otra ventaja es la de no necesitar aislamiento entre los bobinados primario y
secundario. Sin embargo esto trae la desventaja de que el bobinado primario no es
independiente del secundario.
Esto causa peligro para una persona, pues entre tierra y el hilo común del
secundario y el primario, esta presente la tensión del primario. También se debe tener
cuidado cuando se revisa algún equipo eléctrico o electrónico que tenga
autotransformador con osciloscopio ,ya que entre la tierra del instrumento y la del
circuito se produce una diferencia de potencial que puede provocar corto circuito si se
unen ambas tierras .
Transformador de audio
Son transformadores que se utilizan para procesar señales de audio en diferentes
etapas de circuitos de este tipo de señal. El núcleo de este tipo de transformadores es
generalmente de ferrita material altamente concentrador de campo magnético, que hace
que el transformador tenga un gran rendimiento. Aunque los que se utilizan como salida
de audio tienen núcleo tradicional de tipo ferroso.-
124
Profesor
Ramón Flores Pino
Transformadores de FI ( frecuencia Intermedia)
Son transformadores con núcleo de ferrita movible, que se utilizan para acoplar
etapas amplificadoras de señales.- Son en base a código de colores y se encuentran en
los receptores de radio y de TV.- También se les suele llamar “tarros de FI ”
Símbolo genérico
125
Profesor
Ramón Flores Pino
Forma comercial
Pruebas en un transformador
Existen algunas pruebas que se le pueden realizar a un transformador y de acuerdo a
los resultados obtener el probable comportamiento en un circuito. Estas pruebas son:
1.- Para detectar pérdidas en el Cobre
Se realiza mediante el siguiente esquema
En este esquema se ajusta con el Variac un valor de voltaje hasta obtener la corriente
Nominal en el secundario en cortocircuito y se anota el valor de la Ip en ese instante.126
Profesor
Ramón Flores Pino
Se mide el voltaje en el primario y con estos valores se calcula la potencia en el
primario y la potencia en el secundario.- En el secundario se calcula la potencia con P =
I2 R, considerando R como la propia del Cobre que es
r = 0,018. El resultado corresponde a las perdidas en el cobre.-
2.- Perdidas en el Hierro
Esta prueba nos determina que perdidas tiene el
transformador cuando su secundario esta abierto ( sin carga). Se realiza con el
siguiente esquema:
La potencia Aparente S = Vp * Io (VA) sin carga ( en vació) que se obtiene
representa la potencia reactiva del transformador QL la cual se transforma 100% en
potencia magnetizante y que representa por lo tanto las perdidas en el hierro.2. La Regulación
Es el resultado de la división entre la diferencia del Voltaje en
vació y el voltaje a plena carga ( Vo – VL ) dividido por el voltaje en vació (Vo) y toda
la fracción multiplicada por 100.- En formula:
Las mediciones para obtener la regulación se hacen de la siguiente forma:
a).- Se mide el voltaje en vació en el secundario
127
Profesor
Ramón Flores Pino
b).- Medir el voltaje a plena carga
Ajustar el reóstato hasta que circule por el secundario la I nominal y en ese instante
medir el voltaje a plena carga (VL) .
Con los valores de Vo y VL aplicar la formula de regulación.La regulación para que este dentro de un valor considerado bueno debe ser menor a
8, ya que mientras mas bajo el valor de la regulación mejor es el transformador.-
128
Profesor
Ramón Flores Pino
CONEXIONES
T R I F A S I C A S
129
Profesor
Ramón Flores Pino
SISTEMA TRIFÁSICO
“ Es un sistema de corriente alterna formado por tres fases y un neutro
en el cual se pueden obtener dos valores de voltaje alterno ” .-
Estos valores son :
a ).- Valor entre Fase y Neutro : ( Voltaje Simple ) Que corresponde a 220 v .b ) .- Valor entre Fases
: ( Voltaje Compuesto ) Que corresponde a 380 v .-
El sistema trifásico es producido por un “ generador trifásico ” , el cual genera
estas tres fases separadas en el tiempo ( desfasadas ) una de otra en 120 ° .Estas tres tensiones ( o voltajes es lo mismo ) se denominan de la siguiente forma :
A la fase R se le denomina V1
A la fase S se le denomina V2
A la fase T se le denomina V3
Estas tres tensiones son de tipo alterna senosoidal que están desfasadas en 120 ° una de otra
lo cual se puede representar gráficamente de la siguiente forma:
130
Profesor
Ramón Flores Pino
Representación Gráfica de las tensiones trifásicas
a) . Representación gráfica y vectorial de V1 :
b ) .- Representación de V1 con respecto a V2 :
c ) . Representación de V3 con respecto a V2 y V1 :
131
Profesor
Ramón Flores Pino
VALORES DE LA TENSIÓN SIMPLE Y LA TENSIÓN COMPUESTA
“Son los valores comerciales que la red eléctrica entrega a los usuarios
de esta energía en un sistema trifásico”
Tensión Simple:
Es la que se entrega a un valor efectivo de 220 v y se puede obtener
entre cualquier fase y el neutro.Tensión Compuesta:
Es la que se entrega a un valor efectivo de 380 v y se puede obtener
entre dos fases.-
Como se obtiene el valor 380 v :
Se puede demostrar matemáticamente este valor
de la siguiente forma :
Las tensiones simples se representan vectorialmente así :
A partir de esta representación se pueden deducir las tensiones compuestas de 380 v , para
lo cual se dibujan los vectores opuestos de estas tensiones simples ( -V1 , -V2 y –V3 ) :
132
Profesor
Ramón Flores Pino
A continuación mediante el método del paralelogramo se suman los vectores resultando la
siguiente figura:
Se obtienen así las tensiones compuestas ( o tensión entre fases ) V1 -V2 , V2 -V3 y V3 -V1
cuyo valor es 380 v que se demuestra a continuación :
Considerando una parte de la figura anterior :
Entre –V2 y V1 hay 60° y V1 – V2 es bisectriz entre ambos significa que entre V1 -V2 y V1
hay 30° :
133
Profesor
Ramón Flores Pino
De esta figura se forma un triangulo rectángulo que permitirá deducir el valor de 380 v:
Separando el triangulo para mayor claridad. Se tiene:
Aplicando definición de Coseno : ( Cateto adyacente dividido por la hipotenusa ) :
Como esto es una división de fracciones, se resuelve :
Por trigonometría se sabe que cos 30° = 0,8660 pero este valor resulta de la fracción:
134
Profesor
Ramón Flores Pino
Por lo tanto se puede reemplazar el valor del cos 30° =
quedará de la siguiente forma:
en la ecuación anterior y
Despejando la tensión compuesta V1-V2:
Simplificando el 2:
Reemplazando el valor de voltaje de V1 = 220 v y el valor de la raíz de 3 se demuestra que :
Conclusión:
El voltaje que existe entre dos fases es de 380 volts
135
Profesor
Ramón Flores Pino
CONEXIONES TRIFÁSICAS
“Son formas de conectar consumos eléctricos utilizando tres fases de
alimentación y esta forma puede ser en estrella o en triángulo ” .-
Conexión estrella:
( Y)
Es aquella donde los consumos están conectados entre cada una de las fases y el neutro.-
Esta conexión puede ser equilibrada o desequilibrada.Conexión Estrella Equilibrada:
Es aquella donde cada fase esta cargada con consumos
del mismo valor Ohmico : R1 = R2 = R3 .- , con lo cual las corrientes que circulan por
cada fase también son iguales : I1 = I2 = I3 y la que circula por el neutro ( Io ) es cero ya
que se debe cumplir : Io = I1 + I2 + I3 .- El resultado es cero debido a que la suma de las
corrientes es una suma vectorial según se demuestra en el siguiente diagrama :
136
Profesor
Ramón Flores Pino
El diagrama vectorial resultante :
El vector resultante I1+I2 al sumarlo con I3 se anulan por ser opuestos con lo cual : Io = 0
En la realidad un ejemplo de conexión estrella equilibrada es un motor trifásico ya
que este tiene en su interior tres bobinas iguales que están separadas una de otra en 120°
que al conectarlas en estrella forman un sistema equilibrado .-
Considerando que en un motor trifásico los terminales de las bobinas tienen la siguiente
Identificación técnica:
137
Profesor
Ramón Flores Pino
U
V
W
= Son entradas de Fase
Z
X
Y
= Son salidas de Fase
El esquema de conexión en estrella de un motor trifásico es :
De acuerdo al análisis cuando la conexión estrella está equilibrada no circula corriente por
el conductor Neutro ya que Io = 0 .Conclusión:
En una conexión estrella equilibrada no es necesario el conductor Neutro
Conexión Estrella desequilibrada:
“Se le denomina así cuando los consumos están
conectados en estrella pero su valor Omhico no es el mismo en cada una de las fases lo que
ocasiona un desequilibrio de cargas”. Pueden darse dos casos: que la conexión tenga neutro
o que no tenga neutro.Este desequilibrio puede darse si:
138
Profesor
Ramón Flores Pino
Estrella desequilibrada con Neutro:
Ejercicio:
Se tienen tres consumos conectados en estrella uno por cada fase, de tal forma
que R1 consume 1 (A) , R2 consume 2 (A) y R3 consume 3 (A) , se pide realizar :
a ) .- Que condición de desequilibrio existe
b ) .- El diagrama de conexión
c ) .- El diagrama vectorial
Solución :
a ) .- La condición de desequilibrio en este caso es :
b) .- El diagrama de conexión :
El valor 220v es debido a que cuando el consumo está conectado en estrella queda sometido
a un voltaje entre fase y neutro o sea a un voltaje simple de 220v.-
c) .- El diagrama vectorial :
De acuerdo a los valores de las corrientes y
voltajes el diagrama es el siguiente:
139
Profesor
Ramón Flores Pino
Según se deduce del diagrama vectorial al estar conectado el conductor neutro la
corriente resultante Io puede circular a través de él , evitando así que se forme otro neutro
que podría afectar los voltajes y con ello afectar los consumos.Conexión Estrella desequilibrada sin Neutro:
En verdad esta conexión cuando se da es
en forma involuntaria. Por ejemplo cuando por algún motivo se desconecta ( o corta ) el
conductor neutro de la red de servicio de distribución pública.- En este caso ocurre que los
domicilios alimentados por esta red que corresponde al sector donde se cortó el neutro
algunos reciben un voltaje más alto del que corresponde ( con el riesgo de quemarse los
electrodomésticos ) o recibir uno más bajo con lo cual no funcionarían .- Este problema a
ocurrido varias veces en algunos sectores de la ciudad provocando las molestias y reclamos
pertinentes.¿Pero que es lo que ocurre cuando se corta el conductor Neutro?
Esto se puede explicar considerando el mismo ejemplo anterior pero en cual el neutro no
está conectado y en base al mismo diagrama vectorial pero modificado de acuerdo a esta
nueva situación:
140
Profesor
Ramón Flores Pino
En el análisis de este diagrama vectorial se deduce que al no haber neutro la
corriente Io no tiene por donde circular y crea un neutro flotante el cual provoca una
redistribución de los voltajes aumentando el valor de V1 y V2 por sobre los 220 v y
disminuyendo V3 bajo los 220 v .- En la realidad si esto ocurre en la distribución pública
los domicilios alimentados por la fase R y S tendrían un aumento de voltaje y los que están
alimentados por la fase S una baja de voltaje .-
Conclusión:
En una conexión Estrella desequilibrada el conductor
Neutro es Necesario
141
Profesor
Ramón Flores Pino
CONEXIÓN TRIANGULO (
)
“Es aquella donde los consumos están conectados entre una fase y otra sin ocupar el
conductor neutro, quedando sometidos a 380 v y su forma de conexión
es similar a un triangulo del cual deriva su nombre .-”
Esta conexión es muy común en máquinas eléctricas, como también son comunes los
sistemas Estrella – Triangulo que comandan motores.El esquema es el siguiente:
Según se puede apreciar en esta conexión:
No se utiliza conductor Neutro
Existen dos tipos de corrientes:
Corrientes de Línea ( I1 , I2 , I3 )
Corrientes de carga ( i12 , i23 , i31 )
Las cargas están sometidas a un voltaje entre dos fases
Esta conexión puede ser equilibrada o desequilibrada y el análisis de cada una es el
Siguiente:
142
Profesor
Ramón Flores Pino
Conexión Triangulo Equilibrado:
“Es aquella donde las cargas conectadas entre las fases tienen el mismo valor ohmico ”.-
Esto significa que: R12 = R23 = R31 y por lo tanto i 12 = i 23 = i 31 y que I1 = I2 = I3
En un diagrama vectorial:
Según se puede apreciar las corrientes de líneas ( I1 , I2 , I3 ) son mayores que las de carga
( i12 , i23 , i31 ) .-
¿Pero cuanto mayor es la corriente de línea que la de carga?
Demostración:
Partiendo del diagrama vectorial anterior y tomando una parte de
este
Se tiene.
143
Profesor
Ramón Flores Pino
Considerando el triangulo formado por i12 con I1 entre las cuales existe un ángulo de 30
la figura queda de la siguiente forma:
Despejando el triangulo rectángulo.
Por definición de coseno:
De acuerdo a esto la expresión queda:
Finalmente se comprueba que la corriente de línea es mayor 1,73 veces que la de carga:
144
Profesor
Ramón Flores Pino
Ejemplo:
Que valor tendrá la corriente de línea I2 si la corriente de carga i23 es de 3 (A)?
Solución:
I2 = i23 * 1,73
= 3 * 1.73 = 5,19 (A)
Conexión en triángulo de un motor trifásico:
Un motor trifásico representa una
carga equilibrada que se puede conectar en estrella o en triangulo.- En el caso de estrella
ya se indicó anteriormente. en Triángulo es de la siguiente forma :
145
Profesor
Ramón Flores Pino
Conexión Triángulo Desequilibrado:
“Es aquella donde las cargas conectadas entre las fases tienen diferente valor Ohmico ” .L a condición de desequilibrio puede darse si :
Las cargas pueden ser ; Máquinas , Ampolletas , Resistencias , etc. que el único
cuidado es que al quedar conectadas entre dos fases estarán sometidas a 380 v por lo tanto
deben estar fabricadas para este voltaje .¿Pero que ocurre en este tipo de conexión?
Ejercicio:
Realizar el diagrama vectorial de una conexión triángulo desequilibrada
donde las corrientes de cargas tienen el siguiente valor:
i12 = 1 (A) i23 = 2 (A) , i31 = 3 (A)
146
Profesor
Ramón Flores Pino
Según se aprecia este diagrama es diferente al que corresponde al triangulo
equilibrado , pero esta diferencia no está en los voltajes sino en las corrientes, ya que se
produce un desfase de las corrientes de líneas I1 , I2 , I3 con respecto a cuando estaba el
sistema en equilibrio.- Al comparar ambos sistemas se aprecia esta situación :
Conclusión:
“En una conexión triángulo desequilibrado los voltajes no sufren
variación solo se produce un desfase de las corrientes de línea.- ”
147
Profesor
Ramón Flores Pino
POTENCIA EN CONEXIONES TRIFÁSICAS
“La potencia en sistemas trifásicos se obtiene por las formulas ya conocidas pero según la
forma en que estén conectadas las cargas o consumos” .-
En conexión Estrella Equilibrada
En este caso, como la conexión está equilibrada basta calcular la potencia en una fase y
en las otras dos fases es igual a este valor.- La potencia total es igual a la potencia de una
fase multiplicada por tres.Potencia por fase:
Potencia total:
Ejemplo: Cual será la potencia por fase y la potencia total en una conexión estrella
equilibrada con cargas resistivas conectadas a 220 ( v ) y por las cuales circula una
corriente de 2 (A).-
148
Profesor
Ramón Flores Pino
Solución:
También se puede calcular la potencia total en función de la tensión compuesta V1 – V2 :
A partir de la fórmula:
el valor de V1 se puede reemplazar por su equivalente en esta fórmula :
Si esta expresión se multiplica por el factor
Se obtiene la formula de potencia total en función de la tensión compuesta:
149
Profesor
Ramón Flores Pino
Para el ejercicio al aplicar esta fórmula:
En conexión Estrella desequilibrada
Cuando la conexión es desequilibrada, el valor de la potencia en cada fase es distinto con lo
cual la potencia total es igual a la suma de las potencias en cada una de ellas .Ejemplo:
Cual será la potencia en cada fase y la potencia total en una conexión estrella
donde el voltaje en cada una de las cargas es de 220 v y las corrientes son :
I1 = 2 (A) , I2 = 1 (A) , I3 = 4 (A)
Solución : Primero se calculan las potencias en cada fase :
La potencia total es por lo tanto la suma de las tres potencias:
150
Profesor
Ramón Flores Pino
En Conexión Triángulo Equilibrado
La potencia en cada carga esta dada por.
La potencia total en las cargas es por lo tanto:
Pt = P12 + P23 + P31 ( w )
o
Pt = 3 ( V1 – V2 ) i 12 cos o
Ejemplo:
Cual será la potencia total en las cargas en una conexión triángulo equilibrado
cuya tensión compuesta es 380 v y la corriente por cada una de las cargas es de 3 A
si estas son resistivas .Solución:
151
Profesor
Ramón Flores Pino
Otra forma de calcular la potencia total en esta conexión es aplicando la fórmula obtenida
en función de la corriente de línea:
A partir de la fórmula:
se puede reemplazar
i12 por su equivalente :
Multiplicando esta fórmula por
:
Y de esta forma se obtiene la fórmula respectiva:
Aplicándola al ejercicio:
Primero se obtiene el valor de I1:
Luego se aplica la fórmula:
152
Profesor
Ramón Flores Pino
En Conexión Triangulo desequilibrado
En esta conexión las potencias se calculan por separado y después se suman:
Las potencias en las cargas:
La potencia Total
Ejemplo:
Pt = P12 + P23 + P31
Cual será la potencia desarrollada en las cargas resistivas de una conexión
triángulo desequilibrado si las corrientes en cada una de ellas es :
i12 = 4 A , i23 = 2 A , i31 = 8 A y el voltaje es de 380 v .-
P12 = V1-V2 * i12 * cos o = 380 * 4 * 1 = 1520 ( w )
P23 = V1-V2 * i23 * cos o = 380 * 2 * 1 =
760 ( w )
P31 = V1-V2 * i31 * cos o = 380 * 8 * 1 = 3040 ( w )
Pt =
P12 + P23 + P31 = 1520 + 760 + 3040 = 5320 ( w )
153
Profesor
Ramón Flores Pino
La Potencia en las líneas:
Se calculan de la siguiente forma:
Ejemplo:
Considerando los valores del ejemplo anterior, calcular la potencia absorbida
Por cada línea de alimentación y la potencia total de la conexión:
Solución:
Primero se calcula el valor de I1 , I2 , I3
:
Las potencias por cada Línea son:
***
¿Hay algo que no entendió? Vuelva a leerlo con más calma o consulte ***
154