EXTRACTO DEL LIBRO

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.
•
Dar a conocer como se realiza el transporte de la energía eléctrica y
como se constituye la red eléctrica.
•
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
9
Corriente alterna monofásica y trifásica

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.
10
Corriente alterna monofásica y trifásica
•

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
11
Corriente alterna monofásica y trifásica

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.
12
Corriente aalterna mon
nofásica y trifásica
t

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.
13
Corriente alterna monofásica y trifásica

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.
14