TEMA 1 CORRIENTE ALTERNA. GENERALIDADES

Corriente alterna monofásica y trifásica



TEMA 1. CORRIENTE ALTERNA. GENERALIDADES 1.1 Introducción En industrias, viviendas, explotaciones agrarias, etc., se requiere energía eléctrica para: a) Obtener fuerza motriz (máquinas eléctricas, grupos de bombeo, etc.). b) Iluminar locales. Para su empleo es necesario: a) Instalaciones eléctricas que hagan posible su alimentación. b) Mecanismos de protección y maniobra que aseguren su buen funcionamiento. La energía eléctrica se genera, transporta y utiliza mayormente en forma de corriente alterna porque permite su transporte a grandes distancias de forma económica y a tensiones elevadas, quedando relegada la corriente continua para aplicaciones de muy poca potencia. Su mayor aplicación, en el ámbito agrario, es en tractores y maquinaria agrícola. Los objetivos de esta unidad temática son los siguientes: •

Justificar el empleo generalizado de la corriente alterna (C.A.) en explotaciones e industrias agrarias.

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Dar a conocer como se realiza el transporte de la energía eléctrica y como se constituye la red eléctrica.

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Analizar cómo se genera una corriente alterna senoidal, mediante el estudio de un generador elemental, y definir los valores asociados a este tipo de función.

•

Estudiar el comportamiento de los elementos pasivos en C.A.

1.2 Justificación del empleo de la corriente alterna Aunque en sus inicios la corriente continua tuvo una mejor acogida, la corriente alterna terminó imponiéndose, principalmente por la necesidad de transportar la energía eléctrica a grandes distancias de forma económica y a tensiones elevadas. También

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influyó el rápido desarrollo de las máquinas de corriente alterna que eran constructivamente más sencillas y proporcionaban mejores rendimientos y un funcionamiento más estable que las de continua. La energía eléctrica se debe transportar a tensiones elevadas para disminuir las pérdidas de potencia (ec. 1.1) y las caídas de tensión (ec. 1.2) que se producen, durante el transporte, en las líneas eléctricas, ya que para una misma potencia transportada a mayor tensión, menor será la intensidad que circulará por nuestras líneas.

∆P = R ⋅ I 2

(1.1)

∆U = R ⋅ I

(1.2)

Estas pérdidas conllevan dos tipos de problemas: Técnicos: tensión insuficiente en los receptores más alejados debido a las caídas de tensión en las líneas y calentamientos excesivos de las mismas. Económicos: pérdida de energía por calentamiento de los conductores. Ambas pérdidas son proporcionales a la intensidad como ya hemos observados en la expresiones anteriores. Por otro lado, la potencia transportada depende de la potencia demandada en el lugar de consumo. La potencia se expresa del siguiente modo:

P =U ⋅ I

(1.3)

Las ventajas que justifican el empleo de la corriente alterna en lugar de corriente continua son las siguientes: •

Los alternadores son máquinas eléctricas en las que se puede prescindir del sistema de anillos rozantes, colectores y escobillas para su funcionamiento, lo que reduce ampliamente los costes de mantenimiento y permite la utilización de tensiones e intensidades de corriente más altas que las dinamos en C.C.

•

Para elevar la tensión durante el transporte de la energía eléctrica se emplean transformadores, los cuales, sólo funcionan en C.A.

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•



Los motores de inducción de C.A. son constructivamente más sencillos que los de C.C. Además consiguen trabajar con un mejor rendimiento y a una velocidad más estable.

Ejercicio de aplicación 1.1 Con este ejercicio se pretende demostrar, de una forma práctica, como un aumento de la tensión reduce las pérdidas de potencia y la caída de tensión en el transporte de la energía eléctrica. Una dinamo de C.C. alimenta, mediante una línea bifilar, un conjunto de 350 lámparas que consumen 100 W cada una y están conectadas en paralelo a una tensión de 230 V. La dinamo está separada de los receptores una distancia de 600 m y la línea está hecha con hilo de Cu de 35 mm2 de sección. Determinar: a) La pérdida de potencia en la línea; b) La caída de tensión en la línea y tensión que suministra la dinamo; c) Los mismos conceptos anteriores cuando se eleva la tensión de la dinamo de forma que la final de la línea tengamos 1500 V. Nota: resistividad de Cu: ρ = 1,8 ⋅ 10 −8 Ω ⋅ m Solución: a) Si llamamos R a la resistencia óhmica de la línea, su valor se calcula por la ecuación. Consideramos como distancia la ida y vuelta de nuestro cable.

R=ρ

L 1200 = 1,8 ⋅ 10 −8 = 0,617Ω S 35 ⋅ 10 −6

y la intensidad que recorre la línea, vale:

I=

P 35000 = = 152,17 A U 230

la pérdida de potencia por efecto Joule en la línea, vale: ∆P = R ⋅ I 2 = 0,617 ⋅ 152 ,17 2 = 14287 ,07W

Y la potencia total que suministra la dinamo es:

PD = 35000 + 14287,07 = 49287,07W

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La potencia perdida en la línea supone: 14287,07 ⋅ 100 = 29% de la potencia suministrada por la dinamo. 49287,07 b) La caída de tensión en la línea es: ∆U = R ⋅ I = 0,617 ⋅ 152 ,17 = 93,89V

y la tensión que debe suministrar la dinamo será:

U D = U L + ∆U = 323,89V La caída de tensión en la línea representa: 93,89 ⋅ 100 = 29% de la tensión de la dinamo. 323,89 c) Si la tensión en el punto de consumo se eleva a 1500 V, la intensidad por la línea será ahora:

I=

P 35000 = = 23,33 A U 1500

La pérdida de potencia en la línea: ∆P = R ⋅ I 2 = 0,617 ⋅ 23,33 2 = 335 ,83W

y la potencia total que suministra la dinamo es

PD = 35000 + 335,83 = 35335,83W La pérdida en la línea supone, ahora, el 0,95% de la potencia suministrada por la dinamo. 335,83 ⋅ 100 = 0,95% 35335,83 La caída de tensión en la línea es: ∆ U = R ⋅ I = 0,617 ⋅ 23,33 = 14 ,39V

y la dinamo solo debe suministrar una tensión de 1514,39 V. La caída de tensión en la línea se ha reducido al 0,95% de la tensión de la dinamo.

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335,883 ⋅ 100 = 0,95% 353355,83 Concluyendo, si la tensión de transporte de una poteencia eléctri rica de 35 kW k se aumenta de 230 V a 1500 V, laas pérdidas de potenciaa y la caídaa de tensión en la r dell 29% al 0,995%. línea se reducen

1.3 Transporrte de energía elé éctrica. Re ed eléctriica La fi figura 1.1 muestra m un sistema de producción n, transporte y distribuución de en nergía elécttrica.

Fig igura 1.1. Sisstema de prooducción, tra ansporte y disstribución dee la energía a eléctrica. (F Fuente: Red Eléctrica Esspañola)

Los geneeradores que se empleaan en las cen ntrales hidroeléctricas,, termoelécttricas, etc., son alternaddores, los cu uales produucen energíaa eléctrica a una tensiónn de 10-20 kV. Una vezz producidaa la electriccidad por éstos, é hay que transpoortarla hastta las ciudaades, zonas rurales, ind dustrias y toodo tipo de centros de consumo quue, casi siem mpre, se enncuentran a mucha disstancia. El ttransporte se s realiza a través de llíneas elécttricas. Com mo éstas no son perfecttas, ya que poseen resiistencia eléctrica, se pr producen graandes pérdiidas de eneergía en form ma de calorr. Para redducir estas pérdidas p se utilizan lín neas de alta tensión. Enn España ex xisten líneaas de 110, 132, 150, 220 y 4000 kV. De esta forma,, se consiggue disminu uir la intennsidad por laas líneas y recorrer r graandes distan ncias con pocas pérdidaas.

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En la estación transformadora, se eleva la tensión del generador, para su transporte, hasta un valor comprendido entre 110 y 400 kV, que depende de la cantidad de energía a transportar. Los aparatos que consiguen elevar la tensión son los transformadores eléctricos. Estos dispositivos solamente funcionan con corriente alterna. Las líneas eléctricas de alta tensión transportan la energía eléctrica desde las centrales hasta las proximidades de los centros de consumo. Esta líneas constan de tres conductores eléctricos (por lo general, son de aluminio reforzado con acero) sujetos a torres metálicas de celosía y de gran altura. Las altas tensiones son muy peligrosas, por eso cuanto mayor sea el valor de la tensión de la línea, más altas tendrán que ser dichas torres. Las “subestaciones de transformación” preparan la energía eléctrica para ser distribuida, en un mayor número de líneas hacia los centros de consumo (grandes industrias, zonas rurales, pequeñas poblaciones, sectores de una ciudad…). Esto se lleva a cabo con varios transformadores reductores que proporcionan media tensión en su salida. Las líneas de media tensión que distribuyen la energía por los mencionados centros de consumo, suelen ser subterráneos. De esta manera, se reduce el peligro de las mismas. Los materiales empleados como conductores eléctricos son el cobre y el aluminio. Los “centros de transformación” producen la última reducción de la tensión, suministrando 230-400 V (baja tensión). Estas tensiones son ya mucho menos peligrosas para las personas que utilizan la electricidad. 1.3.1 La red eléctrica La red eléctrica une todos los centros generadores de energía con los de consumo de un país. De esta forma, se consigue un gran equilibrio entre la cantidad de energía consumida y la producida por las centrales eléctricas, con lo que se logra dar estabilidad al suministro de energía eléctrica. Así, por ejemplo, si una central tuviese que parar por fallo técnico, o por falta de energía primaria, siempre habrá otras que se encarguen de suministrar la energía eléctrica que ésta dejó de producir.

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