martes, 25 de junio de 2013

Electricidad básica - Teoría

Magnitudes eléctricas

La energía eléctrica puede medirse con diversas magnitudes. El voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos, que hace circular una corriente por un circuito eléctrico según su resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica es la oposición que tiene un material al paso de la corriente eléctrica.

Un material que tenga poca oposición (poca resistencia) al paso de la corriente eléctrica, es un buen conductor, mientras que otro material que tenga mucha oposición al paso de la corriente eléctrica (mucha resistencia), es un mal conductor.

El voltaje, también llamado tensión o diferencia de potencial, se mide en voltios (V), la corriente, también llamada intensidad, se mide en amperios (A) y la resistencia en ohmios (Ω).

Además de estas magnitudes, hay también la potencia, que es la capacidad de los aparatos eléctricos para producir trabajo (o la cantidad de trabajo realizado en un tiempo determinado). La unidad de la potencia son los vatios (W).

Todas estas magnitudes tienen una relacion entre si:

Ley de ohm
En un circuito formado por una resistencia de 1 Ω conectada a una pila de 1 V, circula 1 A.
I= V/R

Potencia
Una bombilla conectada a una pila de 1 V por la que circula 1 A, luce con 1 W de potencia.
P= V*I

La potencia también puede expresarse en caballos de vapor (CV) o en Horsepower (HP), sobretodo en el caso de motores:
1 CV = 735,5 W
1 HP = 745,7 W

Circuito elemental con tres posibles medidas
La medida de voltaje se hace en paralelo y la de intensidad en serie. La potencia se mide combinando en un único medidor la medida de voltaje e intensidad.

Formas de corriente eléctrica

La corriente eléctrica, según el tipo de generador, puede ser continua o alterna. La corriente continua se caracteriza por que la corriente circula siempre en el mismo sentido, mientras que en la alterna el sentido de la circulación de la corriente varía constantemente. Esa variación del sentido de la circulación se llama frecuencia. La corriente continua se suele representar con la abreviatura CC o DC en ingles, mientras que la alterna se representa con CA o AC en ingles. También se llama a la CC corriente directa en América latina.

Corriente continua
La suelen generar pilas, baterías, dinamos y células fotovoltaicas. Se usa sobretodo en circuitos electrónicos. También puede obtenerse fácilmente de la corriente alterna usando rectificadores.

Corriente alterna
La generan alternadores y su ventaja es que puede elevarse y reducirse su voltaje mediante transformadores, lo que facilita el transporte y distribución.

Dinamos y alternadores

Las dinamos y los alternadores son unas máquinas eléctricas que, basándose en el principio de Faraday, generan la diferencia de potencial necesaria para hacer que funcione un circuito eléctrico. 

Alternador elemental

El funcionamiento del alternador elemental es que el bobinado, instalado en la parte móvil rotativa (rotor), al girar dentro de un campo magnético induce una corriente eléctrica en proporción a las líneas de fuerza del campo magnético y a la posición del rotor (inducido). Cuando el rotor ha dado media vuelta, en la próxima media vuelta la corriente generada circula en sentido contrario, por lo tanto, la frecuencia y también el voltaje generados dependen de la velocidad de giro. La corriente generada se recoge a través de dos anillos rozantes instalados en el rotor, al que se conecta un extremo del bobinado a cada anilla, y dos escobillas fijas que están en contacto con esas anillas y a las que se pueden conectar los cables de salida.

Dinamo elemental

La dinamo tiene un funcionamiento similar al alternador, pero para que la corriente generada sea continua, en el eje va instalado un colector compuesto de dos semianillas o delgas en contacto con dos escobillas fijas, de manera que cada media vuelta se invierte la conexión de los hilos de salida, para que la corriente circule siempre en el mismo sentido.

Como la corriente continua generada es pulsante, en la practica el colector se divide en varias delgas, para que la corriente generada sea lo menos pulsatoria posible. Cuantas más delgas tenga el colector menos pulsatoria será la corriente generada.

CC pulsatoria

Mientras las dinamos pequeñas tienen la parte fija (estator) inductora de magnetismo fabricada con imanes permanentes, las de tamaño industrial llevan un bobinado estatorico que se conecta a una fuente de CC para inducir el campo magnético necesario. El voltaje de salida depende de la tensión a la que se conecte el bobinado estatorico y de la velocidad de giro del rotor.

El funcionamiento de una dinamo y de un motor de CC, son muy similares, aunque de manera inversa.

Alternador trifásico
El alternador elemental aunque se representa con el bobinado inducido en el rotor y con el inductor de campo magnético en la parte fija (estator), en la practica, en los alternadores normales, los bobinados inducidos que generan electricidad están en el estator y el rotor no suele ser de imanes, si no otro bobinado conectado a corriente continua, para que produzca un campo magnético fijo. La conexión de este bobinado rotorico se efectúa mediante dos anillas y dos escobillas.

Los alternadores industriales de mayor potencia, así como los alternadores instalados en centrales eléctricas, en la práctica no llevan un único bobinado inducido, que equivale a una tensión generada monofásica, si no que llevan montados tres bobinados idénticos repartidos por igual dentro del estator, es decir, si un giro completo son 360 grados, cada bobina esta desfasada respecto la anterior 120 grados. Un generador construído de esta manera genera tres tensiones idénticas, pero desfasadas entre si 120 grados, es decir, un sistema trifásico.

Alternador trifásico con entrada de CC para excitación y salida a 4 hilos (estrella)

CA trifasica 

Transformadores
El transformador, conocido como una máquina eléctrica estática, debido a la ausencia de piezas móviles en su interior, es ámpliamente usado en multitud de aplicaciones tanto domésticas como industriales, y aun que para potencias muy pequeñas se han ido imponiendo transformadores electrónicos en los últimos años, siguen utilizandose los transformadores normales de construcción ferromanetica gracias a su fiabilidad.

Su funcionamiento consiste en un núcleo formado por láminas de hierro, sobre el cual un bobinado de hilo de cobre conectado a una fuente de corriente alterna, induce un campo magnético, que a su vez, induce en un segundo arrollamiento de hilo de cobre una diferencia de potencial, que es capaz de entregar una potencia proporcional a la sección del núcleo. Aunque un transformador no puede funcionar en corriente continua, debe tenerse en cuenta que es reversible.

Transformador básico

La relación entre el voltaje al que se conecta y el que da en sus bornes de salida es proporcional al número de espiras o vueltas de hilo sobre el núcleo de cada devanado. Por contra, la corriente que circula por cada devanado (y por lo tanto el grosor del hilo) es inversamente proporcional al número de espiras. La relación de transformación se puede expresar con la siguiente fórmula:

Relación de transformación

Los transformadores, al igual que los alternadores, también se construyen de tal manera que sean capaces de transformar voltajes trifásicos. En este caso, el montaje consiste en 3 núcleos alineados formando 3 columnas y en cada una de ellas se bobina un devanado primario y otro secundario, formando 3 primarios iguales y 3 secundarios idénticos.

Transformador trifásico

Los transformadores pueden tener muchas variantes, según su aplicación:

Autotransformadores
Su montaje es muy similar al del transformador convencional, con la diferencia de que tan solo dispone de un único devanado. Para tomar el voltaje secundario se hace una toma media sobre el devanado. La ventaja que tiene este tipo de bobinado es que sale mas barato que un transformador convencional y es ideal para cuando la diferencia entre los valores primario y secundario no sea muy elevada, y en donde no sea necesario aislar el circuito conectado al secundario de la red a la que se conecta el secundario.


El voltaje de salida depende del punto en el que se haya decidido hacer la toma de salia. Cuanto mas cerca este del punto "0" menos voltaje dará mientras que cuanto mas cerca esté del otro extremo mas elevado será el voltaje de salida. Los autotransformadores también se construyen para reducir o elevar tensiones trifasicas.

Autotransformador trifásico

Existe otra variante de autotransformador cuyo voltaje de salida se puede variar manualmente. Consiste en un arrollamiento sobre el que se desplaza un contacto móvil asociado a un mecanimo que puede ser manual o puede estar motorizado.

Autotransformador variable

Transformadores de aislamiento
Estos transformadores consisten en un primario y un secundario con un aislamiento entre ambos que garantiza una separación eléctrica mas segura que en los convencionales. Se trata de un aislamiento eléctrico a prueba de varios miles de voltios. Se suelen utilizar para aplicaciones en las que se necesita una seguridad eléctrica elevada, como por ejemplo en instalaciones mojadas o en quirófanos.

Transformadores de medida
Son transformadores que se utilizan para medir el voltaje o la intensidad de un circuito eléctrico de manera indirecta, sin manipular o interrupir el circuito principal. Éstos pueden ser de voltaje o de intensidad.

Los transformadores de voltaje se utilizan cuando el voltaje de la linea a medir es tan elevado que resulta peligroso hacerlo de manera directa. Para este fin se construye un transformador con primario a tensión de red y secundario a 100 ó 110 V. El voltímetro funciona a ese voltaje secundario, pero su escala es proporcional a la relación de transformación. Un ejemplo de relación seria 25000/100 V u 11000/110 V.

Transformador de tensión
Los transformadores de intensidad se usan cuando la corriente que circula por un conductor es tan alta que hace necesario utilizar grandes secciones de conductores, lo que requeriría grandes amperímetros y montajes complejos. También se utilizan para medir la corriente en lineas de voltaje peligroso, aun que el valor de la corriente sea muy bajo. El valor secundario suele ser de 5 A. Un ejemplo de relación seria 100/5 ó 500/5

Transformador de intensidad

Transformador Toroidal
Con un funcionamiento muy parecido al transformador de intensidad, el toroidal se utiliza principalmente para proteger instalaciones y personas, usado en combinacion con un interruptor formando un interruptor diferencial. Su funcionamiento consiste en medir los conductores activos de una línea. Cuando esta linea no tenga ninguna derivación o fuga a tierra, la corriente que circula por cada cable anula la de los demás, por lo que no se induce ninguna corriente en el toroidal. Cuando uno de los conductores tenga una derivación la suma resultante de corrientes no será "0", induciendose en el toroidal una corriente, que será detectada por el dispositivo diferencial y ordenará desconectar el interruptor asociado a éste. Se utiliza cuando el nivel de voltaje o amperaje no permite usar un diferencial modular convencional.

Circuitos trifasicos
La corriente normalmente nos suele llegar a casa en forma monofásica, sin embargo la distribución eléctrica se hace en forma trifásica. La corriente distribuida de esta manera permite usar secciones de cable inferiores a que si se realizara en monofasico, ya que nos permite repartir las cargas monofásicas entre las fases de la red trifasica. Otra ventaja es que la corriente trifasica, tal como hemos visto con el alternador, es que al disponer de tres tensiones desfasadas 120º entre si, implica una sucesión en los niveles máximos de voltaje de cada fase, produciendose un campo giratorio dentro de los motores trifasicos.

Las 3 bobinas de un alternador o de un transformador trifasico pueden asociarse en estrella o en triángulo (llamada también delta en latinoamérica). La corriente o tensión de línea son aquellos que circulan por la linea trifásica principal, mientras que los de fase son los que circulan por cada ramal monofásico en estas conexiones.

La conexión en triangulo consiste en conectar el principio de una bobina con el final de la siguiente. Cada una de estas conexiones va conectada a una de las 3 fases de la linea trifasica. El voltaje de línea es idéntico al voltaje de fase, mientras que la corriente de línea es es raíz cuadrada de 3 veces superior a la de fase.

Conexión en triangulo

La conexión en estrella consiste en unir los 3 principios de cada bobina y conectar a la red sus tres finales, o viceversa. En este caso el voltaje de cada bobina es raíz cuadrada de 3 veces inferior al de la linea, sin embargo, la corriente que circule por cada bobina será igual a la de la línea. Además esta conexión tiene un cuarto conductor resultado de unir las 3 bobinas, el neutro. Cuando se trata de las bobinas de un alternador trifásico o del secundario de un transformador, con el neutro y una fase obtenemos un voltaje raíz cuadrada de 3 veces inferior al que se obtiene tomando dos fases. Esto es ideal para hacer distribuciones a dos voltajes.

Conexión en estrella

Para distribuciones de baja tensión se utiliza siempre la conexión en estrella, ya que nos permite tener dos voltajes, uno reducido para alumbrado y usos varios y otro mas elevado para cargas de gran potencia. También se utiliza mucho la asociación de bobinas en estrella o triangulo en motores y otras maquinas trifásicas, ya que permite que puedan conectarse a dos voltajes diferentes que tengan una relación entre sí de raíz cuadrada de 3. Por ejemplo, en España se utilizan redes de distribución trifasicas de 130/230 V y de 230/400 V. Un motor puede conectarse a 230 V en triangulo y a 400 V en estrella.

Y hasta aquí este capítulo.

Saludos y hasta el próximo!

Presentación

Soy un joven de más de 25 años de España y he creado este blog para poder compartir mis conocimientos en aquellos campos que domino. Soy electricista de profesión, pero también haré artículos sobre sonido e imagen, que son dos campos que, aun que no domino a la perfección, me interesan.

Por lo general me gustan los temas tecnológicos, me gustan sus inicios, estudiar su evolución y ver el resultado de esa tecnología a día de hoy.

En el campo de la electricidad he tocado desde instalaciones domesticas simples hasta instalaciones industriales de cientos de kilovatios. Así mismo, he montado cuadros de distribución y cuadros para automatismos industriales, ambos de varios tamaños y potencias. He trabajado con pletina de cobre y hasta con conductores de 240 mm2.

En sonido e imagen desde pequeño he tenido como referente los conocimientos de mi padre, ya que es ingeniero y me ha enseñado muchas cosas. También he trabajado en discotecas como Dj, controlador de luces, instalador de equipos de audio e instalador de equipos de vídeo, tareas que me han hecho aumentar mis conocimientos y experiencia en estos campos. También he hecho tareas digitalizacion de grabaciones antiguas, tanto de audio como de vídeo, así como el mantenimiento básico de los equipos necesarios.

Con muchas ganas de que estas futuras páginas sirvan para curiosos y aficionados a estos temas, me despido hasta la próxima entrada.

Saludos!