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INTRODUCCION A SISTEMAS ELECTRICOS

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  • En esta unidad aprenderemos a:

    Conocerelsistemaelctricoylossub-sistemasdegeneracin,transporteydistribucin.

    Identificarlascaractersticasdecon-ductores,aislantesysemiconductores,ydiferenciarsucomportamiento.

    Identificarlasprincipalesmagnitudeselctricasyutilizarcorrectamentesusunidades.

    Y estudiaremos:

    Elsistemaelctrico.Lageneracinyelconsumodeelectrici-dad.

    Eltransportedelaelectricidad.Losefectosdelaelectricidad.Laclasificacindelosmaterialesenais-lantes,conductoresysemiconductores.

    1Unidad Conceptoselctricosbsicos

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  • Conceptoselctricosbsicos1

    8

    1. Generacin y consumo de electricidadElsistemaelctricodeunpasincluyelaproduccin,eltransporteyladistribucindelaenergaelctrica.EnlaTabla1.1semuestralafuncindecadaunodeestossubsistemasyenlaFigura1.1unesquemasimplificadodelaestructuradelsistemaelctrico.

    Estructura del sistema elctrico de un pas

    Subsistema de produccin

    Subsistema detransporte

    Subsistema de distribucin

    Seencargadegenerarlaenergaelctrica.

    Comprendedesdeelcentrodeproduccinhastalassubes-tacionesdetrasformacin.

    Eselencargadoderepartirlaenergaelctricaatodoslosconsumidores.

    Tabla 1.1. Estructura del sistema elctrico de un pas.

    LaestructurageneraldelsistemaelctricoindicadaenlaTabla1.1escomnparatodaslascentralesdegeneracinqueanalizaremos,siendotambincomnlareddetrans-porteyladedistribucin.

    Dentrodelsubsistemadedistribucin,loscentros de transformacintienencomofuncinreducirlatensindelareddedistribucinalosvaloresdeconsumodomstico(230y400V),esdecirabajatensin.

    Red de transporte220 kV y 400 kV

    Centrales degeneracin

    Subestacin detransformacina alta tensin

    Centro de control elctrico (CECAEL) y Centro de control de energas renovables (CECRE)

    Subestacinde transporte Red de transporte

    220 kV y 400 kV

    Subestacinde distribucin

    Consumo industrialde 132 kV a 12,5 kV

    Red de distribucina 132 kV

    Consumo domstico230 V y 400 V

    Fig. 1.1. Produccin, transporte y distribucin de energa elctrica.

    Antesdeprocederalanlisisdelosdistintossistemasdeproduccinelctricos,esnece-sarioque conozcamos el origende la electricidad. Laelectricidad es unapropiedadfundamentalde lamateria,originadaen laspartculasque lacomponen,ysepuedemanifestartantoenreposo(electricidad esttica)comoenmovimiento(corriente elctrica).

    Laelectrotecniaseencargadelestudiodelasaplicacionestcnicasdelaelectricidad.Paraanalizarlosefectosqueseproducenenlosdistintoscuerpos,esnecesarioconocerlaestructuradelamateria.Eltomoeslacantidadelementaldeunelementoqumicoy,demanerasimplificada,podemosdecirqueestcompuestodeunncleo(formadoporlosprotonesylosneutrones)ydeelectronesgirandoensusorbitalesentornoalncleo,segnseindicademanerasimplificadaenlaFigura1.2.

    Electrn

    Protn

    Neutrn

    Ncleo

    Fig. 1.2. Representacin genrica y simplifi cada de un tomo.

    Sabas que?

    En el segundo curso de esteCiclo Formativo, en el mduloprofesional Instalaciones de dis-tribucin seanalizanenprofun-didadlassiguientescuestiones:La configuracin de los cen-trosdetransformacin.

    Lasinstalacioneselctricasdeenlace.

    Las redes de distribucin enbajatensin.

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  • 91ConceptoselctricosbsicosElmssencillodetodosloselementoseseltomodehidrgeno,quesemuestraenlaFi-gura1.3.Eltomodehidrgenotieneunelectrn(loselectronestienencarganegativa,ylosqueestnmsalejadosdelncleo,queseencuentranenelorbitalmsexterno,sedenominanelectrones de valencia),orbitandoalrededordelncleo,dondeseencuentraelprotnconcargapositiva.Enelncleodelostomostambinseencuentranlosneu-trones,quenotienencarga.

    Fig. 1.3.

    Hidrgeno

    1HHidrgeno

    1He e

    P + P +

    tomo de hidrgeno.

    Siacercamosdostomosdehidrgeno,deformaquecompartansuselectrones(atravsdeldenominadoenlace covalente),formarnunamolculadehidrgeno(Figura1.4).

    H H

    e

    e

    H 2 H H

    Fig. 1.4. Molcula de hidrgeno.

    Deunmodosencillo,podemosdecirqueporagrupacindetomosseformandistintasmolculasy,poragrupacindeestas,distintoscompuestos.Asporejemplo,siseponeencontactountomodeoxgenoquetieneochoelectrones(dosensuprimeracapayseisenlasegunda)condostomosdehidrgeno,seformarunamolculadeagua(Figura1.5).

    H

    H

    O

    H 2O

    O HH

    Fig. 1.5. Representacin de una molcula de agua.

    Elcobreesunmaterialmuyutilizadoenelectrotecnia,porejemploen lafabricacindecableselctricos.Setratauntomoquetieneveintinueveelectrones,repartidosencuatroorbitales,segnsemuestraenlaFigura1.6.

    29 electrones

    29 P35 N

    Orbital 1.

    Orbital 4.

    Orbital 3.

    Orbital 2.

    2 electrones

    8 electrones

    1 electrones

    18 electrones

    tomo de cobre

    Fig. 1.6. Representacin de un tomo de cobre.

    Unidades de medida

    Una molcula de agua comola mostrada en la Figura 1.3,crees que conducir bien laelectricidad? El agua en estasituacinesunbuenaislante,yaqueloselectronesdelamolcu-la resultante estn fuertementeunidos.En laprcticadiaria,elaguanoespura,sinoquetienesales disueltas,loquelaconvier-teenunmagnficoconductordela electricidad, por tanto, hayqueevitarqueentrenencontac-toelaguaylaelectricidad.

    Recuerda

    Loselectrones se distribuyen enrbitasdelasiguientemanera:1.hasta2electrones.2.hasta8electrones.3.hasta18electrones.4.hasta32electrones.5.hasta32electrones.6.hasta18electrones.7.hasta8electrones.

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  • Conceptoselctricosbsicos1

    10

    2. Qu es la energa?

    Laleydeconservacindelaenergadicelosiguiente:Laenerganosecreanisedestruye,setransforma.

    Alrealizarlatransformacindeunaenergaenotra(Figura1.7)seproduceunaprdidadeenerga.Porejemplo,cuandosecargalabateradeuntelfonomvil,observamosqueelcargadorsecalienta,yestoesdebidoaquepartedelaenergaelctricasetransformaencalor.

    EstasprdidasdebenserreducidaslomximoposibleparamejorarelrendimientodelosequiposyreducirelconsumoenergticoylasemisionesdeCO2.

    EnlaFigura1.8semuestraelmarcadoqueindicalaeficienciaenergticaenloselectrodomsticos.Losmseficientessonaquellosqueaprovechanmejorlaenergaquerequierenparasufuncionamiento.As,porejemplo,unalavadoraclaseBesmseficientequeunadeclaseC.

    Transformaciones de energa

    energa qumica

    Energa qumica

    Energa elctrica energa trmica

    movimiento

    Radiacin

    movimientoEnerga qumica

    Fig. 1.7. Distintos tipos de transformacin de energa.

    Laenerga(E)sedefinecomolacapacidadpararealizaruntrabajo,ysemideenjulios(J).

    1kWh=1kWx1hora

    (Energa)=(potencia)x(tiempo)

    G: Superior al 125% de la media.

    A++: Consumo de energa inferior al 30% (actualmente solo para frigorficos).

    A+: Entre el 30% y el 42% de la media (actualmente solo para frigorficos).

    A: Consumo de energa inferior al 55% de la media.

    B: Entre el 55% y el 75% de la media.

    C: Entre el 75% y el 90% de la media.

    D: Entre el 90% y el 100% de la media.

    E: Entre el 100% y el 110% de la media.

    F: Entre el 110% y el 125% de la media.

    Ms eficiente

    Menos eficiente

    A

    B

    CD

    EF

    G

    Fig. 1.8. Efi ciencia energtica en electrodomsticos.

    Paralamedirlaenerga elctricaseemplealaunidadkilovatio-hora(kWh),quesedefi-necomoeltrabajorealizadoduranteunahoraporunamquinaquetieneunapotenciadeunkilovatio(kW).

    Laequivalenciaentrejulioykilovatio-horaeslasiguiente:1kWh=3,6106J.

    En los sistemaselctricos, es importante conocer tambin lapotencia, que sedefinecomoeltrabajorealizadoenlaunidaddetiempo.LaunidadbsicadepotenciaenelSistemaInternacional(SI)eselvatio(desmboloW),queequivalealapotenciadeunamquinaquerealizaeltrabajodeunjulioeneltiempodeunsegundo.Normalmenteseutilizaelmltiplokilowatio.

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  • 11

    1ConceptoselctricosbsicosEnlasinstalacioneselctricasdegrantamaoseutilizanmltiplosdeestasunidades,yaquelaspotenciasyenergas(consumidasogeneradas)sonmuyaltas.Losprincipalesmltiplosusadosson:

    Potencia

    1megavatio(MW)=106vatios(W)=103kilovatios(kW)

    1gigavatio(GW)=109vatios(W)=106kilovatios(kW)

    Energa

    1megavatio-hora(MWh)=106vatios-hora(Wh)=103kilovatios-hora(kWh)==103megavatios-hora(MWh)

    1gigavatio-hora(GWh)=109vatios-hora(Wh)=106kilovatios-hora(kWh)==106megavatios-hora(MWh)

    EnlaFigura1.9semuestraelcuadroquerecogeelReglamento Electrotcnico de Baja Tensinparaestimarlosescalonesonivelesdepotenciadeunavivienda.Observaqueseestablecendosgradosdeelectrificacin:bsica (condosniveles) yelevada (contresniveles).SiexpresamosestosnivelesenkW,tendramosparaelbsico:5,75kWy7,36kW.Paraelsuperior:9,2kW,11,5kWy14,49kW.

    La palabra domtica provienede la unin de las palabras:domus (que significa casa enlatn) y tica (que significa pala-braengriego,quefuncionaporssola).La domtica es el conjunto desistemas que automatizan lasdiferentes instalaciones de unavivienda,aportandoserviciosdegestin energtica, seguridad,bienestarycomunicacin.En Espaa, CEDOM es la aso-ciacin espaola de domti-ca. Visita suweb para obtenerms informacinsobreel tema:http://www.cedom.es/

    Web

    Fig. 1.9. Grado de electrifi cacin en viviendas en funcin de la pontencia

    EnlaFigura1.10semuestranlosequiposmsusualesenlosquesereparteelconsumoelctricodeunhogar,segnunestudiorealizadoporelIDAE(InstitutoparalaDiversifi-cacinyAhorrodelaEnerga:http://www.idae.es).Elcon-sumomediodeunhogaresdeunos4000kWhalao,esdecir,4MWhao.Sisuponemosqueenunhogarelnicosuministrodeenergaeselctrica,quporcentajesdeltotaldelaenergacreesqueconsumecadaequipo?

    Solucin:Enaguacalienteun3%,envitrocermicaycocinaelc-tricaun9%,encalefaccinun15%,enpequeoelectro-domsticoun7%,entelevisinun10%,enfrigorficoun18%,enlavadoraun8%,enlavavajillasun2%,enseca-doraun