[ebook] edicions upc - electrotecnia - spanish español

7/22/2019 [ebook] Edicions UPC - Electrotecnia - Spanish Espaol

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AULA POLITCNICA 76

Electrotecnia


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AULA POLITCNICA / ETSEIT

EDICIONS UPC

Ramn M. Mujal Rosas

Electrotecnia


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Primera edicin: septiembre de 2002

Diseo de la cubierta: Manuel Andreu

Ramn M. Mujal, 2002

Edicions UPC, 2002Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SL

Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona

Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885

Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es

E-mail: [email protected]

Produccin: CPET (Centre de Publicacions del Campus Nord)

La Cup. Gran Capit s/n, 08034 Barcelona

Depsito legal: B-30769-2002

ISBN: 84-8301-653-2

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las san-

ciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-

cedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares de

ella mediante alquiler o prstamo pblicos.


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Prlogo 7

Prlogo

La idea de crear un libro que abarque, aunque de forma general, la mayor parte de la electricidad,

surgi ante la necesidad de disponer de un material de estudio apto para las nuevas carreras deIngeniera de Segundo Ciclo, orientadas a estudiantes con poca disponibilidad de tiempo, o condificultades para la asistencia regular a las facultades. Por ello, el enfoque dado a esta obra ha sidoautodidctico, con abundancia de explicaciones y ejemplos, que permitan una comprensin rpida,autnoma y eficaz de los temas, a veces complejos, que conforman esta disciplina. Aparte, con lainclusin de innumerables casos prcticos totalmente resueltos, se facilita el aprendizaje, lacomprensin y la consolidacin de los conceptos tericos dados.

Esta es una obra eminentemente prctica, sin ms pretensiones que las de ofrecer, en un slo libro, losaspectos tericos y prcticos ms importantes que rigen, tanto la tcnica, como la seguridad, laeconoma o las posibilidades futuras (ventajas e inconvenientes) que la electricidad lleva consigo.

La obra ha sido estructurada en cuatro mdulos, con un total de nueve captulos bien diferenciados.

El primer mdulo (captulos del primero al tercero) es una globalizacin de la electricidad, siendo sucomprensin de vital importancia para el seguimiento del resto de la materia. Concretamente, elprimer captulo consiste en una introduccin al mundo de la electricidad. En l, se exponen losprincipios histricos, as como los motivos que han permitido una evolucin tan rpida como la que haexperimentado esta energa. Seguidamente, y de forma muy superficial, se detallan todas lasoperaciones a efectuar, que incluyen, desde su generacin y transporte hasta su consumo final. Loscaptulos segundo y tercero estn dedicados a los parmetros elctricos (resistencia e inductancia, en elcaptulo segundo, y capacidad y conductancia, en el captulo tercero). El estudio de estos parmetrospermite la comprensin de efectos tan importantes en el mundo elctrico como son el efecto aislador,

el efecto corona, o el efecto Ferranti, aparte de facilitar la comprensin de magnitudes como latensin, la intensidad o la potencia, o de las propiedades elctricas de los diversos materialesempleados en la construccin tanto de las mquinas elctricas como de los conductores para las lneasde transporte de energa elctrica.

El segundo mdulo est formado por dos captulos (el cuarto y el quinto). En el captulo cuarto seexponen los mtodos de clculo para lneas de transporte de energa elctrica. Desde el mtodo en "T"o el mtodo en "", aplicables a lneas de longitud media, hasta el mtodo de las constantes auxiliares,aplicable a lneas de cualquier longitud, pasando por los tipos de representacin, tanto numricas comogrficas, tendrn cabida en este captulo. El captulo quinto nos propone un repaso a los sistemas deproteccin ms empleados en la actualidad, as como de los criterios que definen su correcta eleccinpara cada caso en particular. La coordinacin de los sistemas de proteccin, as como el estudio de las

faltas ms frecuentes y peligrosas que se dan en las instalaciones elctricas, tales como sobrecargas,cortocircuitos o derivaciones a tierra, completan la materia de este captulo.

Los autores, 2002; Edicions UPC, 2002.


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El tercer mdulo est formado por los captulos sexto y sptimo. ste es quizs el bloque menosdefinido, ya que engloba diversos temas del mundo elctrico. Concretamente el captulo sexto versa

sobre las mquinas elctricas, indicndose los principios de funcionamiento de las principalesmquinas elctricas y profundizndose en la ms tpica de ellas, el transformador, del cual se realizaun estudio muy completo que abarca desde la obtencin del circuito equivalente, o los ensayos arealizar, hasta el clculo de su cada de tensin. Por su parte, el captulo sptimo versa de la regulacinde la tensin y la prdida de potencia en las lneas de transporte de energa elctrica. ste es uncaptulo muy completo e importante, ya que permite la resolucin de problemas elctricos reales,abarcando desde su generacin y transporte hasta su consumo en los puntos de destino. En estecaptulo, conviven las demostraciones tericas con ejemplos totalmente resueltos que permiten unamejor asimilacin, dada la complejidad del tema.

Finalmente, el cuarto mdulo est formado por los captulos octavo y noveno. El captulo octavo estdedicado a las centrales convencionales (trmicas, nucleares, e hidroelctricas), fuentes que, por el

momento, producen la mayor parte de la energa que consumimos, a la espera que las energasrenovables puedan asumir una parte importante de esta aportacin. En este captulo se realiza unestudio detallado de las mismas, incidiendo muy particularmente tanto en su modo de funcionamientocomo en el de los problemas medioambientales a ellas asociados. Por su parte, el capitulo noveno estdedicado al estudio econmico de los sistemas de potencia; concretamente, el despacho econmico, elcontrol automtico de generacin y la programacin a corto, medio y largo plazo de lasinfraestructuras formarn parte de este largo y extenso captulo donde se explicarn diversas tcnicaspara la produccin y transporte de la electricidad, con seguridad, calidad y mxima economa.

Finalmente, unos anexos dedicados a las frmulas, tablas, grficos y esquemas necesarios, tanto paraun conocimiento general de la materia como para la correcta resolucin de los problemas, se adjuntan

al final del libro.

No quisiera terminar esta introduccin sin dar las gracias a todos los que de alguna forma han ayudadoa la confeccin de este libro, mediante sus observaciones, rectificaciones o consejos, siempre de granutilidad. A todos ellos mi, ms sincera gratitud por su labor y paciencia mostrada en diversosmomentos de su realizacin.

El autor Terrassa, noviembre de 2001



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ndice 9

ndice

I La electricidad: conceptos y parmetros elctricos 13

1 La electricidad 15

1.1 Historia de la electricidad 151.2 Cronologa histrica de la electricidad 181.3 Estructura de un sistema elctrico 191.4 Suministros elctricos 221.5 Parmetros elctricos caractersticos 241.6 Tensiones ms frecuentes utilizadas en Espaa 30

1.7 Elementos constitutivos de los sistemas de potencia 301.8 Generacin de energa elctrica 32

1.9 Cuestiones y problemas 34

2 Parmetros elctricos longitudinales 37

2.1 Aspectos generales 372.2 Resistencia. Conductores. Efecto peculiar y proximidad 382.3 Inductancia. Campo magntico. Clculo de la inductancia 542.4 Cuestiones y problemas 61

3 Parmetros elctricos transversales 65

3.1 Capacidad. EfectoFerranti. Clculo de la capacidad 65

3.2 Conductancia. Efecto corona y ailador 793.3 Problema resuelto de clculo de los efectos corona y ailador 85


II Lneas elctricas y protecciones de sistemas elctricos 93

4 Clculo de lneas elctricas 95

4.1 Introduccin 954.2 Conceptos previos 95

4.3 Diagramas 974.4 Tipos de magnitudes elctricas 99



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4.5 Clculo de lneas. Mtodos de las constantes, en T y en 1004.6 Problema resuelto de clculo de lneas elctricas por todos los mtodos 116


5 Proteccin de los sistemas elctricos 131

5.1 Proteccin de los sistemas elctricos. Sobrecargas, cortocircuitos 1315.2 Coordinacin de los sistemas de proteccin. Selectividad elctrica 145

5.3 Tipos de contactos elctricos 1485.4 Tcnicas de seguridad contra los contactos elctricos 151


III Mquinas elctricas y regulacin de la tensin en los sistemas elctricos 167

6 Transformadores 169

6.1 Introduccin 1696.2 Consideraciones generales 1706.3 Principio de funcionamiento del transformador, ideal y real 173

6.4 Circuito equivalente de un transformador 1816.5 Ensayos del transformador. Ensayos de cortodircuito y de vaco 185

6.6 Cada de tensin en un transformador 1926.7 Cuestiones y problemas 194

7 Regulacin de la tensin en lneas areas 197

7.1 Introduccin 1977.2 Clculo de las condiciones elctricas en una lnea de energa elctrica 1987.3 Clculo aproximado de la cada de tensin en una lnea corta 2067.4 Flujo de potencia en una lnea elctrica area 2087.5 Regulacin de la tensin en lneas elctricas 213

7.6 Clculo de la potencia reactiva de compensacin en paralelo 2207.7 Problema resuelto de regulacin de la tensin en las lneas elctricas 2237.8 Cuestiones y problemas 234

IV Centrales elctricas y funcionamiento econmico de los sistemas elctricos 237

8 Centrales elctricas convencionales 239

8.1 Tipos de centrales elctricas 2398.2 La centrales elctricas en Espaa 2408.3 Las centrales hidroelcticas 2418.4 Las centrales trmicas clsicas 2518.5 Las centrales nucleares 256


9 Despacho econmico 265

9.1 Introduccin al despacho econmico 265



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ndice 11

9.2 Control de un sistema de potencia 266

9.3 Funcionamiento econmico de las centrales elctricas 269

9.4 Control automtico de la generacin 2709.5 Funcionamiento econmico de los sistemas de potencia 2759.6 Cuestiones y problemas 299

Anexos 303

I Constantes de magnitudes fsicas, terrestres y cunticas 303II Resistividad, coeficiente de temperatura, punto de fusin

y densidad de diversos materiales 304III Coeficientes de resistividad de los aislantes 305IV Magnitudes y unidades magnticas 306

V Conductores elctricos 307VI Conductancia, autoinduccin y susceptancia 308VII Mtodo de las constantes auxilier 309

VIII Mtodo del circuito equivalente en T y en 312IX Frmulas para el clculo de lneas elctricas 315X Resumen de frmulas para lneas elctricas 318

Bibliografa 319



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I La electricidad: conceptos previos y parmetros elctricos 13

I La electricidad: conceptos previos y parmetros elctricos

Presentacin

Con este primer mdulo, formado por tres captulos, se pretende introducir a los alumnos en losconceptos bsicos de la electricidad. As, el primer captulo muestra de forma resumida, la evolucinde la energa elctrica desde sus inicios hasta las aplicaciones actuales. Se expondrn los diversosmtodos para su generacin, transporte y consumo. Se introducirn mquinas elctricas tanimportantes como el generador, el motor o el transformador y, finalmente, se estudiarn los principiosbsicos para la generacin de energa elctrica, tanto mediante centrales convencionales como conenergas alternativas.

Los captulos II y III versan sobre los cuatro parmetros elctricos ms importantes: resistencia,

inductancia, capacidad y conductancia. Mediante la combinacin de resistencias, condensadores ybobinas (o la de sus equivalentes integrados), es posible la creacin de la mayor parte de los circuitoselctricos y electrnicos actuales. En estos captulos, adems de la explicacin exhaustiva de cada unode estos parmetros, se aprovechan sus propiedades para la comprensin de magnitudes como laintensidad, el voltaje, o la potencia, y asimismo, permitirn definir efectos elctricos tan importantescomo el efecto aislador, el efecto corona, o el efecto Ferranti.

La transcendencia de estos captulos es grande, ya que de ellos depende una ms rpida y cmodacomprensin de los siguientes mdulos de la obra, mucho ms especficos y monogrficos.

Unas cuestiones y ejercicios al final de cada captulo permiten al alumno evaluar su nivel de

asimilacin de la materia, aparte de resultar una forma rpida de repasar, aposteriori, cualquier duda oconcepto sobre un captulo.

Contenidos

Captulo I: Introduccin a la electricidad Captulo II: Parmetros elctricos longitudinales (resistencia e inductancia) Captulo III: Parmetros elctricos transversales (capacidad y conductancia)



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Objetivos

La Electricidad. Consideraciones Generales Introducir al alumno en la electricidad Saber la cronologa histrica de la electricidad Conocer la estructura de una red elctrica Comparar los tipos de suministros elctricos, razonando las ventajas e inconvenientes de los

mismos Conocer los parmetros elctricos caractersticos Conocer las tensiones empleadas ms usuales, as como la agrupacin de los diversos niveles de

tensin Adquirir los conceptos bsicos de la generacin de energa elctrica mediante el empleo de

energas alternativas

Aprender el funcionamiento bsico de una central elica, solar, de biomasa, de energa marina, etc. Parmetros elctricos longitudinales Resistencia elctrica: conceptos previos Conocer los diferentes tipos de materiales: metlicos. Aislantes. Semiconductores:

semiconductores intrnsecos y extrnsecos, dopado pentavalente y trivalente Conocer el comportamiento de la resistencia en corriente alterna y continua Conocer las funciones y los efectos de la resistencia elctrica Identificar al efecto pelicular y proximidad Saber qu nuevos materiales se utilizan en la construccin de lneas elctricas Inductancia elctrica: conceptos previos Conocer las funciones y los efectos de la inductancia y de los campos magnticos Diferenciar los efectos de la conexin de las bobinas en corriente alterna o en continua Conocer las frmulas para la obtencin de la inductancia de conductores y de lneas elctricas Concepto de radio equivalente. Circuitos simples, dplex, trplex y cudruplex Asimilar el proceso de clculo de la inductancia en circuitos simples y dobles Parmetros elctricos transversales Capacidad elctrica: conceptos previos Adquirir los conocimientos bsicos sobre condensadores y campos elctricos Conexin de los condensadores en corriente continua o en corriente alterna Conocer las principales aplicaciones de los condensadores cuando se conectan en corriente

continua o alterna Identificar el efecto capacitivo en las lneas elctricas Reconocer el efectoFerranti y su problemtica Conocer las frmulas a aplicar para la obtencin de la capacidad de conductores y de lneas

elctricas Asimilar el proceso de clculo de la capacidad tanto para circuitos simples como dobles Conductancia elctrica: conceptos previos Saber las caractersticas ms importantes que definen la conductancia Conocer el efecto aislador: consideraciones generales. Parmetros que influyen en el mismo.

Frmulas para su clculo Conocer el efecto corona: de qu depende. Cundo se produce. Frmulas y proceso para su clculo



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1 La electricidad

1.1 Historia de la electricidad

Las propiedades elctricas o electroestticas de ciertos materiales eran ya conocidas por lascivilizaciones antiguas. Hacia el ao 600 a.c., el filsofo y cientfico Thales de Mileto habacomprobado que si se frotaba el mbar, ste atraa hacia s objetos ms livianos. Se crea que laelectricidad resida en el objeto frotado. De ah que el trmino electricidad provenga del vocablogriego elecktron, que significa mbar. En los dominios de la antigua Roma ya se explotaba un mineralque tambin posea la propiedad de atraer a ciertos materiales (los metlicos), este mineral reciba elnombre de magnetita, mineral muy apreciado en la antigedad precisamente por sus particularescaractersticas. Pero no fue hasta la poca del Renacimiento cuando comenzaron los primeros estudiosmetodolgicos, en los cuales la electricidad estuvo ntimamente relacionada con el magnetismo.

Antes del ao 1800, el estudio de los fenmenos elctricos y magnticos slo interes a unos cuantoscientficos, como W. Gilbert, C. A. de Coulomb, L. Galvani, Otto Von Guericke, Benjamn Franklin, oAlessandro Volta. Algunos otros hicieron importantes contribuciones al an insuficiente yfragmentado conocimiento de la electricidad, pero en aquel tiempo no se conocan todava susaplicaciones y los estudios slo fueron motivados por una simple curiosidad intelectual. La poblaciniluminaba sus hogares con velas, lmparas alimentadas con aceite de ballena y petrleo, y la potenciamotriz era suministrada generalmente por personas o animales de traccin.

El ingls William Gilbert comprob que algunas sustancias se comportaban como el mbar y cuandoeran frotadas atraan objetos livianos, mientras que otras no ejercan ninguna atraccin. A las primeras,entre las que ubic al cristal, al azufre y la resina, las llam elctricas, mientras que a las segundas,como el cobre o la plata, anelctricas.

A principios del siglo XIX, el conde Alessandro Volta construy una pila galvnica. Coloc capas decinc, papel y cobre, y descubri que si se una la base de cinc con la ltima capa de cobre, el resultadoera una corriente elctrica que flua por el hilo de la unin. Este sencillo aparato fue el prototipo de laspilas elctricas, de los acumuladores y de toda corriente elctrica producida hasta la aparicin de ladinamo.

Mientras tanto, George Simon Ohm sent las bases del estudio de la circulacin de las cargaselctricas en el interior de materias conductoras, postulando su ley, en la cual se relacionaba laresistencia con la intensidad y la tensin, es decir, tres de las cuatro magnitudes ms importantes de laelectricidad.

En 1819, Hans Cristian Oersted descubri que una aguja magntica colgada de un hilo se apartaba desu posicin inicial cuando pasaba prxima a ella una corriente elctrica, y postul que las corrientes



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elctricas producan un efecto magntico. De esta simple observacin sali la tecnologa del telgrafoelctrico. Sobre esta base, Andr Marie Ampre dedujo que las corrientes elctricas deban

comportarse del mismo modo que los imanes.

El descubrimiento de Ampre llev a Michael Faraday a suponer que una corriente que circulara cercade un circuito inducira otra corriente en l. El resultado de su experimento fue que esto slo suceda alcomenzar y cesar de fluir la corriente en el primer circuito. Sustituy la corriente por un imn yencontr que su movimiento en la proximidad del circuito induca en ste una corriente. De forma quepudo comprobar que el trabajo mecnico empleado en mover un imn poda transformarse en corrienteelctrica.

Hacia mediados del siglo XIX se estableci la distincin entre materiales aislantes y conductores. Losaislantes eran aquellos a los que Gilbert haba considerado elctricos, en tanto que los conductoreseran los anelctricos. Esto permiti que se construyera el primer almacenador rudimentario: estaba

formado por dos placas conductoras que tenan una lmina aislante entre ellas. Fue conocido comobotella de Leyden, en honor a la ciudad donde se realizo el invent.

Durante este mismo periodo ocurrieron impresionantes avances en la compresin de los fenmenoselctricos y magnticos. Humphrey Davy, Andr Marie Ampere, G.S. Ohm y Karl Gauss realizaronimportantes descubrimientos, pero el descubrimiento que lleg a ser fundamental para elevar elconcepto de la electricidad como un fenmeno cientfico interesante a una gran tecnologa conimplicaciones sociales de grandes alcances se logr de forma independiente por los investigadoresMichael Faraday y Joseph Henry. Ampre y otros ya haban observado que los campos magnticoseran generados por corrientes elctricas; sin embargo, ninguno haba descubierto cmo se podanobtener corrientes elctricas a partir de campos magnticos. Faraday trabaj en ello de 1821 a 1831,

logrando el xito al formular la ley que lleva su nombre. Posteriormente construy una mquinageneradora de voltaje segn los principios de induccin magntica. Se tena ahora una fuente deelectricidad que rivalizaba (y exceda en mucho) las posibilidades de la pila voltaica y las botellas deLeyden.

James Prescott Joule, descubri a qu eran debidas las prdidas de energa. Mediante la ley de Joule,enunciada en 1841, segn la cual la cantidad de calor desprendido por un conductor al paso de unacorriente elctrica es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a laresistencia de dicho conductor y al tiempo durante el cual circula dicha corriente, segn la expresin:Q= kI

2Rt, donde k es una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades

utilizado.

Varios investigadores, incluyendo Carl Siemens, Wheatstone, Varley, Gramme, aplicaron losprincipios de induccin en la construccin de primitivos generadores elctricos en el periodocomprendido entre 1840 a 1870. Casi al mismo tiempo, un fenmeno descubierto algunos aos atrs,atrajo especial atencin como una prctica fuente luminosa. Se observ que cuando dos electrodosconducan corriente se mantenan separados, se formaba entre ellos un arco elctrico de intenso brillo.

Los experimentos de Faraday fueron expresados matemticamente por James Maxwell, quien en 1873present sus ecuaciones, que unificaban la descripcin de los comportamientos elctricos ymagnticos y su desplazamiento a travs del espacio en forma de ondas.En 1878 Thomas Alva Edison comenz los experimentos que terminaran, un ao ms tarde, con lainvencin de la lmpara elctrica, que universalizara el uso de la electricidad. Desde que en 1880entr en funcionamiento en Londres la primera central elctrica destinada a iluminar la ciudad, lasaplicaciones de esta forma de energa se extendieron progresivamente. En Buenos Aires, el sistemaelctrico comenz con la aparicin de la Compaa General Elctrica Ciudad de Buenos Aires, en



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1887. En 1882 se instal el primer sistema para la venta de energa elctrica para el alumbradoincandescente en EE.UU. El sistema era de corriente continua (DC), de tres cables 220/110 V, y

aliment una carga de lmparas de Edison que tenan un requerimiento total de 30 KW de potencia.Este y otros sistemas avanzados fueron el principio de lo que se convertira en una de las industriasms grandes del mundo.

Entre 1800 y 1810 se fundaron compaas comerciales de alumbrado con gas, primero en Europa ypoco despus en Estados unidos. Hubo oposicin al alumbrado de gas por su potencia explosiva. Sinembargo, la ventaja bsica de ms luz a menor precio no poda seguir ocultndose, por lo que se acabdesarrollando la industria durante el siglo XIX, teniendo su punto culminante alrededor de 1885.

Las antiguas compaas elctricas se autonombraban compaas de iluminacin, ya que el alumbradoconstitua su nico servicio. Sin embargo, muy pronto se encontr un problema tcnico que anprevalece: la carga que la compaa tena que satisfacer comenzaba al anochecer, se mantena casi

constante en las primeras horas de la noche, y despus caa de forma precipitada a las 11 p.m.,aproximadamente, a un 50% o menos. Era evidente que se tena un complicado sistema, quepermaneca ocioso o al menos infrautilizado la mayor parte del tiempo. En este caso, se podranencontrar otras aplicaciones que ocuparan las etapas de inactividad? Ya se conoca el motor elctrico,y la existencia de un substituto elctrico era un incentivo para su mejoramiento y aceptacincomercial. El uso de potencia elctrica motora lleg a ser popular con rapidez y se le dieron muchasaplicaciones. Debido a sus funciones cada vez ms extensas, las compaas comenzaron a nombrarsecompaas de luz y fuerza.

Surgi otro problema tcnico: los incrementos de carga se tradujeron en incremento de corriente, loque caus cadas de tensin que eran inaceptables si las plantas generadoras estaban ubicadas agrandes distancias de las cargas. El hecho de mantener los generadores cerca de las cargas lleg a sercada vez ms difcil, ya que los lugares adecuados para la generacin frecuentemente no estabandisponibles. Se saba que la potencia elctrica era proporcional al producto del voltaje y la corriente.Es decir, se obtendra menor corriente a mayor voltaje. Desgraciadamente, no era deseable un voltajems alto desde cualquiera de los dos puntos de vista. El tecnolgico y la seguridad del cliente. Lo quese requera era transmitir la potencia a un voltaje ms alto a travs de grandes distancias, y despuscambiarlo a valores menores en los sitios de carga. La clave era disear un dispositivo que pudiesetransformar niveles de corriente y voltaje de forma fiable y eficiente.

En la dcada de 1890, la compaa Westinghouse, recin constituida, experiment una nueva forma deelectricidad, denominada corriente alterna (AC), inspirada en el hecho de que la corriente inviertealternativamente el sentido del flujo en sincronismo con el generador rotatorio. Esta novedad tena

muchas ventajas inherentes; por ejemplo, se eliminaron los problemas de conmutacin, propios de losgeneradores de DC, lo que dio lugar a controversias entre Edison, de la nueva compaa GeneralElectric, y la Westinghouse, para definir si la industria deba establecer normas sobre AC o DC.Finalmente triunf la corriente alterna, por las siguientes razones:

- El transformador de AC poda satisfacer el requerimiento necesario de cambiar fcilmente losniveles de voltaje y corriente.

- El generador de AC era ms sencillo.- Los motores de AC, sin ser verstiles, eran ms sencillos y ms baratos.

Una vez que se estandariz la AC, apareci prcticamente el concepto de estacin central y

desaparecieron los problemas de las cargas lejanas. Este tipo de compaas tuvieron cada vez mayornmero de clientes, ya que la mayor parte del incremento de carga se poda manejar sin que hubiera



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necesidad de incrementar la inversin del capital; se abarat el costo por unidad de energa, lo queatrajo an ms clientes.

Las empresas elctricas locales se extendieron en tal forma que compartieron sus lmites. Esta ventajaoperativa fue aparente; como las cargas en sistemas adyacentes no necesariamente alcanzaban sumximo al mismo tiempo, por qu no interconectar los sistemas y satisfacer las condiciones de cargapico con la generacin de potencia combinada? Ya se conocan estas ventajas de interconectardiferentes lugares generadores y cargas; por tanto, este paso sera una extensin lgica del principio yuna mejor utilizacin del equipo correspondiente. Inmediatamente surgi un problema tcnico; enaquel tiempo, estaban en uso muchas frecuencias diferentes incluyendo DC, y AC de 25, 50, 60 125 y133 Hz (en 1900). Como los sistemas interconectados deban operar a la misma frecuencia, serequeran equipos de conversin de frecuencia de alto coste. Fue evidente el incentivo paraestandarizar las frecuencias. En aquel tiempo, las unidades generadoras de las cataratas del Nigara yotras instalaciones hidroelctricas usaban 25 Hz, ya que las hidroturbinas se podan disear para

operar con mayor rendimiento a estas velocidades mecnicas; este fue un fuerte apoyo para usar esafrecuencia. El problema con 25 Hz radicaba en el hecho de que produca un parpadeo perceptible enlas lmparas incandescentes. Eventualmente se adopt una frecuencia mayor, de 60 Hz, como normaen Estados Unidos, ya que posea caractersticas elctricas aceptables y porque las turbinas de vaportrabajaban satisfactoriamente a las correspondientes velocidades mecnicas de 3600 y 1800 rev / min.

El progreso tecnolgico en el diseo de aparatos de potencia continu: cuando una empresa extendasus sistemas, los nuevos generadores y transformadores comprados eran invariablemente de mayorcapacidad y rendimiento. Se desarrollaron mejores lmparas elctricas, proporcionando al cliente msluz por unidad de energa. Con la constante baja en el coste de la energa, la seleccin de motoreselctricos como propulsores mecnicos lleg a ser muy popular para toda clase de aplicaciones.

Por todo lo expuesto, la electricidad constituye, hoy por hoy, una de las manifestaciones energticasms difundidas, tanto por su facilidad de generacin, transporte y consumo como por sus numerosasaplicaciones y conversin en otras formas de energa (mecnica y trmica, principalmente).

No obstante, no est todo solucionado en el campo elctrico. Actualmente el gran problema que seplantea es la imposibilidad de almacenar energa elctrica en su forma alterna no existiendo mtodosrealmente eficaces para conseguirlo de forma definitiva y en grandes cantidades.

Un sistema elctrico, es un sistema capaz de generar, transportar y consumir energa elctrica. Porejemplo, una linterna, con su batera (generador), sus hilos (transporte), y su bombilla (carga),constituye un ejemplo sencillo de sistema elctrico.

Un sistema elctrico de potencia es un sistema con generacin, transporte y consumo de energaelctrica, pero en grandes cantidades (millones de vatios), a grandes distancias (cientos de km), y congrandes consumos (millones de vatios). Actualmente los grandes sistemas elctricos son las redes deinterconexin ms importantes que se conocen, ya que llegan prcticamente a todos los confines delmundo.

1.2 Cronologa histrica de la electricidad

A continuacin se exponen algunas fechas y nombres relevantes que han contribuido al desarrollo yevolucin de la electricidad a lo largo de la historia.



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- 600 AC: Tales de Mileto (624-548 a.c.) descubre que si se frota el mbar, ste atrae a los objetosms livianos.

- 1800: Alessandro Volta (1745-1827) descubre la pila elctrica.- 1819: Hans Oersted (1777-1851) descubre el efecto magntico de la corriente elctrica, probandoque la electricidad puede producir magnetismo.

- 1821: Michael Faraday (1791-1867) describe el principio de la dinamo.- 1827: Andr Marie Ampre (1775-1836) descubre las leyes que relacionan la fuerza magntica con

la corriente elctrica.- 1827: George Ohm (1789-1854) establece la ley de la resistencia elctrica.- 1831: Michael Faraday descubre la induccin electromagntica, confirmando as que el

magnetismo puede producir electricidad.- 1879: Thomas Alva Edison inventa la lmpara elctrica.- 1880: En Londres comienza a funcionar la primera central elctrica destinada a iluminar una

ciudad.

- 1887: Se inicia el sistema de iluminacin elctrico en la ciudad de Buenos Aires.- 1908: Heike Kammerlingh Onnes (1853-1926) descubre el principio de la superconduccin.

1.3 Estructura de un sistema elctrico

Son todos los componentes, mquinas y sistemas necesarios para garantizar un suministro de energaelctrica, en un rea concreta, con seguridad y calidad.

Dependiendo de la energa que se quiera transformar en electricidad, ser necesario aplicar unadeterminada accin. Se podr disponer de electricidad por los siguientes procedimientos:

Tabla 1.1 Forma de obtencin de diversos tipos de energa

Energa Accin

Mecnica FrotamientoMecnica PresinQumica Qumica

Magntica MagnetismoLuminosa LuzCalrica Calor

De todos las energas enunciadas anteriormente, la ms empleada para producir electricidad engrandes cantidades es la magntica.Su produccin se basa en el hecho de que, al mover un conductor (material con gran movilidad deelectrones) en presencia de un imn (campo magntico), en el conductor se produce un movimientoordenado de electrones, como consecuencia de las fuerzas de atraccin y repulsin originadas por elcampo magntico. En esta forma de produccin de electricidad se basa el funcionamiento de losalternadores, motores y dinamos.

Alternador: dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (ProduceCorriente Alterna.)

Motor: Dispositivo capaz de transformar la electricidad en movimiento rotatorio.



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Dinamo: Dispositivo capaz de transformar el movimiento rotativo en electricidad. (ProduceCorriente Continua.)

Turbina: Dispositivo mecnico que transforma, la energa cintica de un fluido, en movimientorotativo y viceversa.

Cualquier central elctrica, basa su produccin de electricidad en el giro de turbinas unidas a ejes dealternadores. Este giro se producir por la cada de agua (central hidroelctrica) o por el empuje devapor de agua a presin. En funcin del origen del calor utilizado para producir vapor, podemosclasificar las centrales como:

Trmicas: Queman combustibles fsiles (slidos, lquidos o gases). Nucleares: Emplea combustibles atmicos (fisin nuclear). Geotrmicas: Utilizan el calor del interior de la Tierra. Solares: Utilizan el calor del Sol. Otras: Cualquier forma de produccin de calor.

Cabe mencionar el aumento de los parques elicos y de las restantes energas renovables. En losparques elicos se emplean gran cantidad de aerogeneradores. Estos son pequeos alternadores cuyo

giro se consigue mediante aspas movidas por la fuerza del viento.

1.3.1 Obtencin de energa elctrica mediante el aprovechamiento del agua

Para exponer los componentes y mquinas que intervienen en la generacin de la energa elctricarealizaremos una hipottica instalacin elctrica aprovechando la energa potencial de un lago demontaa.

El aprovechamiento de los lagos de montaa es uno de los sistemas menos utilizados, tanto por suescaso potencial energtico como por la dificultad de su aprovechamiento racional, ya que para poderser utilizados como almacenes de agua, los lagos tienen que disponer de un aporte del lquidoelemento que los mantenga a un nivel aceptable sin demasiadas variaciones anuales. Este aporte puedeprovenir de la fusin de las nieves, corrientes subterrneas, ros, etc. pero en cualquier caso debergarantizar que el nivel de las aguas permanezca prcticamente constante, aun con el aprovechamientohidroelctrico que de l se quiera realizar.

Supongamos que disponemos de esta reserva natural de agua, y que la intervencin hidroelctrica aque se le someter no interfiera en sus condiciones medioambientales; si se cumplen estos requisitos,estaremos en condiciones de iniciar su aprovechamiento.El proceso pasar por transformar la energa potencial de que las aguas disponen (debido a la alturatopogrfica en la que estn situadas respecto al valle) en energa cintica (agua con velocidad), tilpara generar un giro en los alabes de las turbinas. Para ello se canalizan las aguas del lago mediantetuberas adecuadas, las cuales aprovechando el desnivel geogrfico entre el lago y el valle impulsarnagua a velocidad y presin adecuadas para accionar las paletas de las turbinas que se encontrarn en elfondo del valle.



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Los componentes y mquinas sern por tanto:

TuberaEl agua obtenida del lago la canalizamos mediante una tubera en pendiente. La energa potencial,Ep =

mgh, que tenamos al inicio, la transformamos mediante su velocidad en energa cintica,Ec =2

1 g v

2.

TurbinaEn la turbina la energa se transforma en energa mecnica mediante el giro de su eje central. Es

necesario disponer de agua a una presin y velocidad determinadas para poder girar el eje de laturbina. Estas condiciones de presin y velocidad dependern del tipo de turbina utilizada (Pelton,Francis, Kaplan).

AlternadorEl alternador, al estar conectado con el eje de la turbina, consigue el giro de su rotor, que unido a lainfluencia de las bobinas del esttor genera energa elctrica. Un alternador es un generador asncronocapaz de transformar la energa mecnica en corriente elctrica alterna.

Los alternadores basan su funcionamiento en el fenmeno de induccin magntica: una dinamoexcitatriz suministra corriente al devanado inductor del rotor, el cual crea un campo magntico; elesttor forma el circuito inducido, en donde se crea la corriente alterna, proporcional a la velocidadangular del rotor. La energa mecnica que provoca el movimiento del rotor puede proceder de unaturbina hidrulica o de vapor, de un motor de explosin o de cualquier otra fuente externa. Losalternadores se denominan monofsicos o polifsicos (generalmente son trifsicos) segn el nmero defases de la corriente alterna producida.

TransformadorEl transformador es un elemento elctrico basado en el fenmeno de induccin mutua y destinado para

transformar la tensin de una corriente alterna, pero conservando la potencia y la frecuencia. Paraexistir transporte de energa elctrica es necesario disponer de una intensidad muy baja.

Hay dos tipos de transformadores. El transformador elevador, que aumenta la tensin y baja laintensidad con potencia constante (al inicio de las lneas elctricas), y el transformador reductor, quereduce la tensin y aumenta la intensidad con potencia constante (al final de las lneas).

MotorFinalmente esta energa deber ser aprovechada por medio de motores u otras mquinas que nospermitan transformar la energa elctrica en movimiento u otra forma determinada de energa.



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Electrotecnia22

A modo de esquema vemos los componentes representados en la siguiente figura:

Fig. 1.1 Distribucin de componentes en un sistema de potencia convencional

Fig. 1.1 Distribucin de componentes en un sistema de potencia convencional

1.4 Suministros elctricos

Ya hemos visto con un ejemplo sencillo cmo generar y transformar la energa elctrica. Pero para sucorrecta utilizacin es necesario realizar un transporte, ya que los centros de produccin suelen estaralejados de los centros de consumo.

Este transporte puede realizarse de dos grandes formas: mediante la utilizacin de la energa elctricaen su forma de continua (DC), o mediante la utilizacin de la energa elctrica en su forma de alterna(AC).

Corriente continua: En cada instante los electrones circulan en la misma cantidad y sentido. Es eltipo de corriente generada por un pila o una batera. Se utiliza para suministros a grandes distanciasy grandes potencias, pero resulta ms costoso que la alterna, ya que estos suministros debernreunir unos requisitos para poder ser efectivos. La energa en continua se puede almacenar.

Corriente alterna: Dependiendo del instante, los electrones circularn en un sentido o en otro,siendo tambin variable su cantidad. Es el tipo de corriente ms empleada, siendo la que se disponeen cualquier enchufe elctrico de una vivienda. Es la corriente que ms utilizamos, llegando su usoal 99% del total de energa actual. Existen dos variantes, la corriente alterna monofsica (para bajas

potencias), y la corriente alterna trifsica, que es la mas utilizada.

1.4.1 Ventajas e inconvenientes de los suministros en alterna o continua

Actualmente, como se ha indicado, ms del 99% de los suministros se realizan mediante el empleo dela corriente elctrica en su modalidad alterna trifsica, aun teniendo el grave problema de suimposibilidad de almacenamiento, mayor peligrosidad en caso de accidente, peor control y regulacinde las mquinas elctricas y dificultad de clculo. Pero la gran ventaja que representa su facilidad detransformacin mediante el empleo de transformadores, le da una ventaja enorme a la hora deltransporte respecto a su rival, la energa continua.

La siguiente tabla resume, de forma ms clara estas diferencias entre los suministros en continua y enalterna, dndose de esta ltima sus dos versiones, monofsica y trifsica.

LagoAlternador

Salto de aguaTurbina

TR1Transporte

TR2

Transformador 2Transformador 1

Motor



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Tabla 1.2 Ventajas e inconvenientes de los diversos tipos de suministro de energa elctrica

Sistema Ventajas Desventajas

Corriente continua

1. Distribucin con dos o un soloconductor, utilizando la tierra comoconductor de retorno.2. Mejor utilizacin de los aparatos,que pueden soportar una tensin mselevada.3. Control simple y flexible de lasmquinas elctricas.4. Clculos mucho ms simples, al nodepender del tiempo.

5. Posibilidad de almacenamiento deesta energa en grandes cantidades.6. Resulta cuatro veces menos

peligrosa que la corriente alterna.

1. Imposibilidad de empleo detransformadores, lo que dificulta elcambio de nivel de tensin.2. La interrupcin de corrientecontinua presenta ms problemas que lade corriente alterna.3. La circulacin de corriente continua

por tierra provoca corrosin galvnicaen objetos enterrados.

Corriente alterna

monofsica

1. Distribucin con dos o un soloconductor.2. Facilidad de interrupcin de lacorriente.3. Facilidad de transformacin, paraadaptar el nivel de tensin

1. Una corriente monofsica nopermite crear un campo magnticogiratorio.2. La potencia generada o transportadaen rgimen permanente no es constante.3. El par de una mquina rotativa noes unidireccional.4. La regulacin de mquinas rotativases difcil.

5. La potencia AC monofsica es 1/3potencia AC trifsica.

Corriente alterna

trifsica

1. Permite crear un campo magnticogiratorio.2. La potencia elctrica generada otransportada en rgimen permanente esconstante.3. Permite el empleo de la tensinfase-fase o de la tensin fase-neutro.4. La potencia transportada representael triple de la transportada enmonofsico.5. El uso de transformadores permiteelevar la tensin para realizar eltransporte a grandes distancias.

1. Distribucin con tres o msconductores.2. La interrupcin de corrienterequiere tres interruptores (uno en cadafase).3. La regulacin de velocidad demquinas rotativas no es tan simplecomo en las de corriente continua.4. Ms peligrosa que la corrientecontinua.5. Ms dificultad a la hora de realizarclculos.

1.5 Parmetros elctricos caractersticos

Una vez se ha definido que el suministro mayoritario se realiza en la actualidad mediante el empleo dela corriente alterna, es necesario conocer algunos de sus parmetros o caractersticas que lo definen.Las ms importantes son: frecuencia, periodo, energa o potencia, tensiones ms usuales,transformacin y formas de conexin.

Veamos una sntesis bsica de las ms importantes.



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Electrotecnia24

1.5.1 Frecuencia y periodo

Por tensin alterna se entiende, en general, una tensin elctrica cuya magnitud y sentido estnsometidos a variaciones que dependen del tiempo. En la mayora de los casos prcticos, estasvariaciones se producen de forma peridica, es decir, se repiten para cada espacio igual de tiempo, lasmismas magnitudes y los mismos sentidos. Estos espacios de tiempos iguales reciben el nombre deperiodos, T.

La tensin generada transcurre en el tiempo segn una funcin seno.

T= periodo (sg)

F= frecuencia (Hz) f =

T

1=

sg

1= Hz (herzios)

Energa kfE =

Siendo k= constante de Planck. Esto nos indica que las ondas con mayor frecuencia darn ms energaque las que tengan periodos ms largos (frecuencias menores).

Longitud de ondaf

c=

Siendo c = la constante de la velocidad de la luz; (300 000 km/s).

Fig. 1.2 Forma caracterstica de la evolucin temporal de una magnitud elctrica alterna

Resumiendo, la frecuencia es la inversa del periodo; la longitud de onda es proporcional al periodo einversamente proporcional a la frecuencia, y la energa es proporcional a la frecuencia.

La mayora de los pases utilizan una frecuencia de 50 Hz, es decir, el periodo se realiza 50 veces porsegundo. Pases como Canad, EEUU, Japn, o Brasil, utilizan una frecuencia de 60 Hz. A 60 Hz conel mismo componente o mquina, se obtienen valores de potencia superiores debido a su mayor

frecuencia. Entonces por qu no todos los pases adoptan los 60 Hz, o an mejor, 100 Hz, 1000 Hz, o100 000 Hz, si a ms frecuencia ms energa? La respuesta es simple; al aumentar la frecuenciatambin aumenta su reactancia inductiva (XL=wL) y por tanto aumenta el consumo, bajando el



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rendimiento. El rendimiento ptimo se obtiene alrededor de los 50 Hz, siendo a esta frecuencia dondelas mquinas trabajan en condiciones econmicas.

Frecuencias mayores se aplican cuando con poco peso se deben conseguir potencias elevadas, sinimportar mucho el consumo; un ejemplo lo constituyen los aparatos destinados al transporte areo,donde priva el peso sobre el consumo.

Fig. 1.3 Relacin entre el rendimiento y la variacin de la frecuencia en corriente alterna

1.5.2 Amplitud

Representa el valor mximo de la funcin seno. Como es independiente del tiempo, se le designa conuna letra mayscula. Es por otra parte la mitad del valor pico a pico o extremo.

1.5.3 ngulo de fase Es el formado entre un punto 0 (t = 0) fijado arbitrariamente y el pase por cero hacia el sentidopositivo de la funcin seno. Equivale al desplazamiento entre fases o desfase de la funcin senoconsiderada respecto a otra con origen en el punto 0 y tomada como curva de referencia.

1.5.4 Valores de las magnitudes alternas

Junto a estas tres magnitudes caractersticas, amplitud, frecuencia y ngulo de fase, hay que tener encuenta los siguientes valores:

Valor eficaz de una magnitud alterna: La mayora de los instrumentos de medida que se utilizanno pueden captar un valor especial instantneo, como es el mximo, sino un valor medio, llamadoeficaz. Su magnitud se deduce considerando la potencia de la corriente alterna, y comparndola con lade la corriente continua.

Valor medio aritmtico: Si se mide una magnitud alterna con un instrumento de medida dotadode rectificador de corriente, la lectura obtenida corresponde a la media aritmtica de todos los valoresinstantneos.

Las tres magnitudes: valor mximo, valor eficaz y valor medio aritmtico, no guardan una relacin fijaentre s, sino que sta depende de la forma de la curva de que se trate. Los instrumentos de medida que

se contrastan para una forma de curva determinada indican valores errneos si la magnitud de medidase aparta de dicha curva.



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1.5.5 Conexin de bobinas

Entendemos por bobina al conjunto de espiras de hilo conductor arrolladas al aire o sobre un ncleo dematerial ferromagntico, empleado para obtener campos magnticos o para intercalar una induccin enun circuito. La bobina de induccin es un aparato elctrico que permite obtener corrientes de altovoltaje a partir de una corriente continua de baja tensin.

Si tratamos de corrientes alternas trifsicas, como su nombre indica, sern necesarias tres bobinas, unapara cada fase. Como cada bobina dispone de dos terminales, en total significarn seis terminales opuntos de conexin. La unin de estos terminales se puede realizar de varias formas, siendo dos lasms empleadas en la actualidad: la conexin en estrella y la conexin en tringulo.

Conexin en estrellaSi los devanados de fase de un generador o consumidor se conectan, de modo que los finales de losdevanados se unan en un punto comn y los comienzos de stos sean conectados a los conductores dela lnea, tal conexin se llama conexin en estrella y se designa con el smbolo Y.

Los puntos en los cuales estn unidos los terminales de los devanados de fase del generador o delconsumidor se denominan correspondientemente puntos neutros del generador(0) y delconsumidor(0). Ambos puntos 0 y 0 estn unidos con un conductor que se denomina conductor neutro o hilocentral. Los otros tres conductores del sistema trifsico que van del generador al consumidor sedenominan conductores de la lnea. De este modo, el generador est unido con el consumidormediante cuatro conductores. Por eso, dicho sistema se denomina sistema tetrafilar de corrientetrifsica.

En un sistema de corriente trifsica equilibrado, el papel de conductor de vuelta lo ejecutan tresconductores del sistema, ya que al estar desfasados entre ellos 120 se anulan mutuamente, mientrasque en un sistema trifsico desequilibrado de cuatro conductores el retorno se producir a travs delconductor neutro. Durante el servicio, por el conductor neutro pasa una corriente igual a la sumageomtrica de tres corrientes: IA, IB, e IC, es decir, I0 = IA + IB + IC , que es cero en un sistemaequilibrado.

Las tensiones medidas entre los comienzos de las fases del generador o consumidor y el punto neutro

o conductor neutro se llaman tensiones de fase y se designan con CBA VVV ,, o en forma general conVf. A menudo se establecen de antemano magnitudes de las f.e.m. de los devanados de fase del

generador, designndose stas con CBA EEE ,, , o fE ,. si despreciamos las resistencias de losdevanados del generador, se puede escribir: ;;; CCBBAA VEVEVE === .ff VE =Las tensiones medidas entre los comienzos de las fases A y B, B y C, C y A del generador oconsumidor se llaman tensiones compuestas y se designan con UAB, UBC, UCA o, en forma general, conUComp.

El valor instantneo de la tensin compuesta es igual a la diferencia entre los valores instantneos delas tensiones de fase correspondientes.

En la conexin en estrella la tensin compuesta es 3 veces mayor que la de fase. Es decir:

fl UU 3=



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La corriente que pasa por un devanado de fase del generador o consumidor se llama corriente de fase

y se designa en forma general con fI . La corriente que pasa por un conductor de la lnea se llama

corriente de la lnea y se designa en forma general con .lI En el caso de la conexin en estrella, la

corriente de la lnea es igual a la de la fase, o sea, lI = fI .

El punto neutro de la estrella del consumidor puede estar en el interior del tringulo de tensionescompuestas, coincidir con uno de sus vrtices, encontrarse en uno de sus lados y en algunos casosestar fuera del tringulo.

Conexin en tringuloLos generadores o consumidores de corriente trifsica pueden conectarse no slo en estrella, sinotambin en tringulo. Reuniendo por pares los conductores de un sistema independiente hexafilar yuniendo las fases, pasamos a un sistema trifsico trifilar conectado en tringulo.

La conexin en tringulo se ejecuta de modo que al comienzo de la fase A se conecta el extremo finalde la fase B. El comienzo de esta fase B se conecta al final de la fase C, unindose finalmente eninicio de la fase C, con el inicio de las fase A. Los puntos de unin de las fases sirven para conectar losconductores de la lnea.

Si los devanados del generador estn conectados en tringulo, cada devanado de fase crea tensincompuesta. El consumidor conectado en tringulo tiene la tensin compuesta conectada a los bornesde la resistencia de fase. Por consiguiente, en caso de conexin en tringulo, la tensin de fase es iguala la compuesta: UComp = Vf.

La dependencia entre las corrientes de fase y de la lnea, en el caso de conexin en tringulo es:

fl II 2= cos30. Puesto que: cos30 =2

3, entonces:

ffl III 32

32 ==

Por consiguiente, en el caso de carga equilibrada y conectada en tringulo, la corriente de la lnea es

3 veces mayor que la de fase.

A modo simplificado el dibujo de los tipos de conexiones de bobinas son:

Conexin en estrella Conexin en tringulo

Fig. 1.4 Diversos tipos de conexionado. Estrella y tringulo



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Electrotecnia28

Las ventajas y los inconvenientes de las conexiones en estrella o en tringulo quedan reflejadas en lasiguiente tabla. Siempre considerando bobinas alimentadas con tensin y recorridas por intensidades

de igual valor, tanto en la conexin estrella como en la conexin tringulo, y por tanto en los dos tiposde conexionado, se obtendrn las mismas potencias:

Tabla 1.3 Ventajas e inconvenientes de los diversos tipos de suministro de energa elctrica

Tipo de conexin Ventajas Inconvenientes

Conexin en estrella

1. Intensidad ms pequea.2. Dimetro de los hilos menor.3. Peso menor.4. Prdidas por efecto Joule menores.5. Coste menor de las lneas al

presentar menor dimetro.6. Con una sola lnea obtenemos dostensiones, la de lnea y la de fase.

1. Aisladores ms grandes2. Ms tensin de lnea.3. Tres fases ms neutro (mshilos)

Conexin en tringulo

1. Los aislantes son ms pequeos.Ahorro econmico.2. Basta con tres hilos. Ahorro de unhilo.3. Menos tensin de lnea.

1. Intensidad mayor en la lnea.2. Dimetro de los hilos mayor(debido a la mayor intensidad).3. Peso mayor (al tener que pasarms intensidad).4. Ms caras las lneas por

presentar pesos mayores los cables.5. Prdidas por efecto Joulemayores

Resulta interesante en la distribucin de baja o media tensin la conexin estrella, mientras que paralos suministros a grandes distancias la conexin tringulo se impone.

1.5.6 Transformador

El transporte de corriente elctrica, desde donde se produce hasta donde se utiliza, conlleva unasprdidas energticas originadas por efecto Joule en los cables conductores. En concreto, la potenciadisipada en un conductor de resistencia R, por el que circula una corriente alterna de intensidad Ie, es:P= Ie

2R

Si se quieren reducir las prdidas energticas, puede elegirse entre dos opciones: disminuir laresistencia del conductor que transporta la corriente, o disminuir la intensidad que circula por elmismo.

La primera opcin se consigue, o bien cambiando el material constructivo de las lneas (solucindifcil, ya que esto representa utilizar materiales ms conductores y por tanto aumento de los costes), oaumentar la seccin del conductor, lo que implica tambin un aumento del coste de la instalacin, alaumentar la cantidad de metal a utilizar y ser mayor el peso que tendran que soportar las torresmetlicas o postes de suspensin.

La segunda opcin, disminuir la intensidad que circula por el conductor, puede conseguirse

aumentando la diferencia de potencial en las lneas de conduccin, ya que la potencia que transporta



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una corriente elctrica es:P = V I, de modo que para cierto valor de potencia, cuanto mayor sea latensin Vms pequea ser la intensidad, consiguindose una disminucin de la potencia disipada.

El hecho de disminuir la intensidad obliga a realizar el transporte de corriente a un potencial muyelevado. Una vez en el lugar de consumo, se reduce la tensin, hasta alcanzar valores normales que noresulten peligrosos.

La facilidad con que se puede modificar la tensin de una corriente alterna, sin sufrir apenas prdidas,frente a las dificultades de hacer lo propio con corrientes continuas, fue una de las razones que impusoel uso de la corriente alterna.

El dispositivo que permite modificar la tensin de una corriente alterna se conoce con el nombre detransformador. El transformador es una mquina elctrica basada en el fenmeno de induccin mutuay destinado para transformar la tensin de una corriente alterna, pero conservando la misma

frecuencia. El transformador ms simple consta de un ncleo de acero y de dos devanados aislados,tanto del ncleo, como uno del otro.

Los generadores de corriente alterna de las centrales elctricas suelen producir tensiones de algunosmiles de voltios (25kV a lo sumo). Esta tensin no es lo suficientemente elevada para el transporte degrandes potencias (ya que con solo 25kV, para el transporte de grandes potencias seran necesariasgrandes intensidades que originaran grandes prdidas), por lo que se eleva la tensin, mediantetransformadores, hasta alcanzar valores de cientos de miles de voltios, con lo que es posible eltransporte de grandes potencias con pequeas intensidades, es decir, pequeas prdidas. Una vez en ellugar del consumo, se reduce la tensin, utilizando nuevamente transformadores, hasta que alcanza losvalores de tensin que se utilizan habitualmente.

Existen dos aplicaciones bsicas para la utilizacin de los transformadores:

Transporte de energa elctrica: gracias a su capacidad de transformar los parmetros de tensin eintensidad, con la consiguiente reduccin de las prdidas Joule. Existirn dos transformadores, unoal principio de lnea para la elevacin del potencial (transformador elevador) y uno al final de lneapara la reduccin del mismo (transformador reductor).

Interconexin de lneas elctricas a diferentes niveles de tensin. Por su capacidad de transformarlos niveles de tensin, los transformadores son ideales para interconectar lneas a diferente nivel detensin dando para todas ellas una salida comn.

Algunas de las designaciones ms comunes para diferentes tipos de transformadores son:

Monofsico Trifsico Con refrigeracin por aire (seco) De aceite con refrigeracin natural por aire De aceite con refrigeracin artificial por aire (ventilacin) De tres devanados (un devanado primario y dos secundarios por fase) De pararrayos (dispone de proteccin del aislamiento contra carga disruptiva)



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1.6 Tensiones ms frecuentes utilizadas en Espaa

Las tensiones utilizadas en Espaa, que marca el Reglamento de Lneas de Alta Tensin, estndivididas en tres grandes grupos: Alta Tensin, Media Tensin, y Baja Tensin. En cada uno de estosgrupos existen adems tensiones que no incluye el Reglamento pero son de uso muy comn.

A continuacin se indica un resumen de estas tensiones:

Alta tensin (AT)

- Con tensiones de valores: 500 kV, 420 kV, 380 kV, 220 kV, 132 kV y 66 kV.- Existen tambin lneas de 110 kV. Aunque no figura en el RAT, es ampliamente utilizada.

Media tensin (MT)

- Con tensiones de valores: 45 kV, 30 kV, 20 kV, 15 kV, 10 kV, 6 kV, 5 kV y 3kV.- Existen tambin lneas de 25 kV. Aunque no figura en el RAT, es ampliamente utilizada.

Baja tensin (BT)

- Con tensiones inferiores al lmite de 1 kV (= 1000 V), siendo sus valores ms usuales: 380 V, 220V y 127 V.

- En corriente continua el lmite de la baja tensin se establece en los 1500V, siendo los valores ms

normales los de 220V y 110V.

1.7 Elementos constitutivos de los sistemas de potencia

Es el conjunto de todas las instalaciones electrotcnicas, redes elctricas incluidas, y todas lasinstalaciones adicionales para la generacin, transporte y utilizacin de la energa elctrica dentro deuna determinada unidad territorial.

Veamos primeramente una breve descripcin de cada una de las partes.

Central elctricaInstalacin de produccin de energa elctrica que comprende los grupos generadores, la aparamentaasociada y la parte de las obras en las que estn instaladas.

En el MIE-RAT 01 se define como: Lugar y conjunto de instalaciones, incluidas las construccionesde obra civil y edificios necesarios, utilizados directa o indirectamente para la produccin de energaelctrica.

SubestacinConjunto situado en el mismo lugar, de la aparamenta elctrica y de los edificios necesarios pararealizar alguna de las funciones siguientes: Transformacin de la tensin, de la frecuencia, del nmerode fases, rectificacin, compensacin del factor de potencia y conexin de uno o ms circuitos.Quedan excluidos de esta definicin los centros de transformacin.



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Subestacin de maniobraEst destinada a la conexin de dos o ms circuitos elctricos y a su maniobra.

Subestacin de transformacinEs la destinada a la transformacin de la energa elctrica mediante uno o ms transformadores cuyossecundarios se emplean en la alimentacin de otras subestaciones o centros de transformacin.

Centro de transformacinInstalacin provista de uno o varios transformadores reductores de Alta a Baja tensin con laaparamenta y obra complementaria precisa.

Zona de generacin de energa elctricaEstar formada por los siguientes componentes:

- Central generadora elctrica (trmica, nuclear o hidroelctrica)- Generador elctrico (generador sncrono trifsico, normalmente), con una tensin mxima de salida

de unos 25kV- Estacin transformadora elevadora (Subestacin de transformacin)

Fig. 1.5 Estructura de un sistema elctrico de potencia

Fig. 1.5 Estructura de un sistema elctrico de potencia

380/220V

380kV

380V

CT

CENTRAL HIDROELCTRICA

CENTRAL TRMICA

ABONADOS DE BAJA TENSINALTERNADOR

20 kV

380 kV

380/66kV

66kV/10kV

380 kV

25 kV

380 kV

ALTERNADOR

CONSUMIDORES

Redes de distribucinLneas de transporte de

energa elctrica

Centrales productoras

de electricidad

CT

380/220V



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Electrotecnia32

En un sistema de energa elctrica, siguiendo el grfico que se anexa, cada tramo de lnea detransporte, generacin o consumo dispone de unas caractersticas peculiares, encontrndonos con las

siguientes unidades estructurales, tal como se representa en la figura correspondiente.

Zona de transporteEstar formada por los siguientes componentes:

- Lnea primaria de transporte de energa elctrica: Este tramo de instalacin se identificar por:grandes tensiones (U>132kV, normalmente) y grandes distancias (L>100km, normalmente).Sistema de interconexin en malla (todas las lneas estn unidas entre s, hacindose esta uninextensible tambin entre las centrales generadoras) y utilizacin de lneas areas.

- Subestacin transformadora. Donde las tensiones y las potencias comienzan a decrecer. Suele estarformada por un conjunto de transformadores, correspondiendo a las derivaciones de la lnea

principal de potencia. Los transformadores pasan de alta a media tensin.- Lnea secundaria de transporte de energa elctrica. Este tramo se identifica por: tensiones medias

(U


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Actualmente, son ms aceptados otros criterios, como por ejemplo: segn el tipo de combustibleempleado, repercusiones medioambientales, peligrosidad de las centrales, sistemas productivos y

tecnologas empleadas, tipos de materiales, etc. De esta forma y teniendo presentes los criteriossiguientes, se puede realizar una primera clasificacin de los sistemas productores de energaelctrica.

Sistemas convencionalesEstos sistemas se caracterizan por los siguientes puntos:

- Las centrales suelen ser contaminantes si no se toman las medidas adecuadas.- Las centrales pueden llegar a producir situaciones peligrosas.- Los combustibles empleados son limitados.- Los combustibles empleados tienen un alto coste.- Son centrales poco regulables, caracterizadas por suministrar la carga basa prcticamente

constante.- Suelen entregar grandes cantidades de potencia.

Con estas caractersticas se hallan, entre otras, las siguientes centrales:

- Centrales trmicas clsicas- Centrales trmicas nucleares- Centrales hidroelctricas de gran potencia

Sistemas distribuidosEstos sistemas engloban las denominadas energas alternativas (por constituir una alternativa a lasconvencionales) o bien renovables (por utilizar combustibles inagotables), caracterizndose por lossiguientes puntos:

- Las centrales no contaminan o lo hacen en menor medida.- Las centrales no suelen presentar situaciones peligrosas.- Los combustibles empleados son ilimitados.- Los combustibles empleados son gratuitos o con un coste mnimo.- Son centrales regulables, caracterizadas por suministrar los excesos o puntas de carga.- Suelen entregar pequeas cantidades de potencia.

Con estas caractersticas se hallan, entre otras, las siguientes centrales:

- Centrales elicas- Centrales solares trmicas- Centrales solares fotovolticas- Centrales de biomasa. (residuos slidos urbanos, residuos industriales, o residuos agrcolas)- Centrales geotrmicas- Centrales marinas (maremotrices, de osmosis, de corrientes marinas, gradiente trmico, de las olas)- Centrales de clulas de conbustible- Centrales hidroelctricas de pequea potencia (minicentrales)

Por todo lo expuesto, es razonable que nos inclinemos por el aprovechamiento energtico que

proporcionan las centrales de energa renovable (prcticamente todo son ventajas frente a suscompaeras, las convencionales, que conllevan innumerables problemas), pero las pequeas



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Electrotecnia34

cantidades de potencia conseguidas hasta el momento por las mismas (no llegan a cubrir en laactualidad, y en el mejor de los casos el 25% del total de la potencia demandada) hace que, por ahora y

seguramente en un intervalo medio de tiempo, las grandes centrales trmicas o nucleares deban, apesar de todo, seguir prestando sus servicios si queremos conservar los niveles actuales de consumo.

Todo indica, no obstante, que algunas energas renovables estn aumentando su produccin de formamuy rpida (un ejemplo es la energa elica, que en algunos pases como Alemania o Espaa, en eltranscurso de los tres ltimos aos han multiplicado por 10 su produccin), augurndose un futuroprometedor en este campo.

Esperemos que en un tiempo lo ms breve posible disfrutemos de estas energas no contaminantes, yas podamos disminuir la contribucin de las convencionales al mnimo.A lo largo de los captulos que forman esta obra, se explicarn detalladamente cada una de lossistemas de generacin, transporte y consumo que definen el aprovechamiento racional de esta formade energa tan amplia y compleja.

1.9 Cuestiones y problemas

Cuestiones

1 Cul fue el cientfico al que debemos las primeras observaciones acerca de los fenmenoselctricos? En qu pas y poca vivi? Cules fueros sus aportaciones ms importantes?2 Antes del ao 1800 la electricidad slo interesaba a unos pocos cientficos. Indicar cules eranestos cientficos y qu observaron

3 Qu cientfico dividi las sustancias en elctricas y anelctricas? Qu sustancias incluy encada grupo? Quin invento la pila galvnica? Cmo estaba construida est primitiva pila?

4 Indicar las aportaciones que realizaron los cientficos George Simon Ohm, Hans Crstian Oesterd,y Andre Maria Amper.

5 Qu descubrio Michael Faraday? En qu consisti su descubrimiento y sobre qu teora lorealizo? Qu permiti su descubrimiento?

6 Quin construy la botella de Leyden? Qu era? Por qu se denomino as? Quin descubrilas prdidas en el transporte de energa elctrica? Por qu se producan estas prdidas?

7 Qu eran las antiguas compaas de iluminacin? Y las compaas de luz y fuerza?8 Por qu, en sus inicios, se utiliz la corriente continua? Por qu posteriormente se pas al usode la corriente alterna? Qu compaa elctrica fue de las primeras en experimentar con la

energa alterna? Qu problemas se solucionaron gracias al uso de los generadores rotatorios?9 Cules eran las frecuencias ms utilizadas en corriente alterna en los inicios de la electricidad?

Qu problemas ofreca el uso de la frecuencia a 25Hz? Por qu se estandariz el uso de unanica frecuencia? Qu valor se adopt de frecuencia en EEUU? Y en el resto del mundo?

10 De entre todas las mquinas elctricas, cul crees que signific un mayor avance para laelectricidad? Indquense los motivos.

11 En la actualidad se han resuelto numerosos problemas relativos al funcionamiento de los sistemaselctricos, aunque no todos. Enumera de mayor a menor, cinco problemas importantes que anpersisten en la actualidad.

12 Qu es un sistema elctrico? A qu se denomina un sistema elctrico de potencia? Cules sonlas acciones a realizar para generar las siguientes energas: mecnica, magntica calrica, yluminosa?



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13 Indicar las diferencias entre: motor, alternador, dinamo, turbina, central trmica, central nuclear,central solar y central geotrmica.

14 Indicar las ventajas e inconvenientes de la energa elctrica en continua, frente al suministro deenerga elctrica en alterna monofsica.15 Indicar las ventajas e inconvenientes de la energa elctrica en alterna monofsica, frente al

suministro de energa elctrica en alterna trifsica.16 Definir: periodo, frecuencia, longitud de onda, energa. Cules de estas magnitudes son

directamente proporcionales entre s, y cules son inversamente proporcionales?. Indicar lasfrmulas que las definen.

17 Cules son las ventajas e inconvenientes para utilizar el sistema de transporte de energaelctrica en estrella (suministro a cuatro hilos), o bien en tringulo (suministro a tres hilos)?

18 Indquese las tensiones utilizadas en Espaa para alta, media o baja tensin. Asimismo indquenselas tensiones, que aunque no estn regladas por el Reglamento de Lneas Areas de Alta Tensin,son ampliamente utilizadas.

19 Qu componentes forman la zona de generacin de energa elctrica? Qu componentes formanla zona de transporte de energa elctrica (slo enumerarlos)? Diferencias ms notables entre laslneas primarias de distribucin y las lneas terciarias.

20 Cules son las diferencias entre estacin y subestacin transformadora?21 Antiguamente se clasificaban las centrales elctricas en los dos grupos habituales, dependiendo de

si la tensin que entregaban era superior o no a 1 MW. Como actualmente esta cifra esampliamente rebasada por la mayora de centrales, cules son los criterios que definenactualmente esta divisin?

22 Indicar las ventajas y los inconvenientes de la utilizacin de las centrales convencionales para lageneracin de energa elctrica. Qu centrales se engloban en este grupo?

23 Indicar las ventajas y los inconvenientes de la utilizacin de las centrales alternativas para lageneracin de energa elctrica. Qu centrales se engloban en este grupo?

24 Las centrales alternativas son una buena opcin de futuro. Indica cul consideras msprovechosa y con ms futuro para la zona Norte de Catalua? Y para la zona llana del oeste deCatalua? (Razonar las respuestas.)

25 Cules son las perspectivas de futuro para la obtencin de la energa elctrica a corto y medioplazo?



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2 Parmetros elctricos longitudinales. (Resistencia e Inductancia)2.1 Aspectos generales

Cualquier circuito elctrico est formado por algunos de los siguientes parmetros: resistencia,inductancia, capacidad y conductancia. Con estos parmetros se forman la totalidad de los sistemaselctricos, desde un sistema simple y reducido hasta los complejos sistemas de potencia actuales.

Despus de los captulos precedentes, dedicados a la introduccin de la electricidad y la generacin deenerga elctrica mediante el empleo de energas alternativas, es preciso entrar en el estudio de losparmetros que identifican a los circuitos elctricos. Para realizar este estudio se realizar una divisinde los mismos, obedeciendo a su comportamiento elctrico; as la resistencia y la inductancia actanen los circuitos de forma longitudinal, mientras que la capacidad y la conductacia lo hacen de formatransversal al circuito.

Se explicarn los fundamentos de cada parmetro, sus interacciones con el resto de componentes, ascomo la forma o los efectos que su presencia causan en el funcionamiento global de la instalacin.

Por tanto la divisin ser la siguiente:

Parmetros longitudinales

R RESISTENCIA Ohmios

L INDUCTANCIA Henrios

Parmetros transversales.

C CAPACIDAD Faradios

G CONDUCTIVIDAD Siemens



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Existen otras magnitudes que matemticamente sirven de nexo de unin a los parmetros anteriores,algunas de las ms importantes son:

( )jXRZ += IMPEDANCIA Ohmios

( )jBGY += ADMITANCIA Siemens

fLwLXL 2 == REACTANCIA INDUCTIVA

fCwCB 2 == SUSCEPTANCIA

2.2 Resistencia R ()Comenzaremos nuestro estudio con los parmetros longitudinales (resistencia e inductancia). Estosparmetros actan a lo largo del circuito elctrico y son los ms importantes dentro de la electricidad.

2.2.1 La resistencia

La resistencia es la oposicin que cualquier material ofrece al paso de la corriente elctrica. Aunque suestudio se remonta a los primeros descubrimientos elctricos, no se interrelacion con las otrasmagnitudes elctricas hasta que George Simon Ohm formul su ley fundamental, base de toda laelectricidad, que ligaba esta oposicin con la tensin o diferencia de potencial y la intensidad quecirculaba por un circuito.

R

UI= bien

I

UR = [2.1]

Conceptualmente la resistencia de cualquier elemento conductor depende de sus dimensiones fsicas yde la resistividad, pudindose expresarse como:

S

LR = [2.2]

L longitud (m)Donde: ( R ) S seccin (mm2)

resistividad (mm2/m)

Veamos, uno a uno, los factores de la expresin anterior.

2.2.1.1 LongitudLa longitud de un conductor es directamente proporcional a la resistencia del mismo, ya que loselectrones que por l circulan debern recorrer un trayecto mayor y por tanto necesitarn ms energa.



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En los sistemas de potencia, con grandes tensiones e intensidades, hacen falta conductores de tamaosconsiderables para ser capaces de transportar tales energas. Entre los materiales ms empleados se

halla el cobre, que como cualquier otro metal presenta unas caractersticas de maleabilidad. Pero estaadaptabilidad, con conductores de 20mm o 30mm de dimetro, es prcticamente inexistentecomportndose los mismos no como conductores flexibles y adaptables, sino ms bien, comoautenticas varillas rgidas, inutilizables para los menesteres a los que estn encomendados.

As, cuando un conductor excede de un determinado radio o dimetro, ya no se construye macizo, sinocon la unin de mltiples hilos formando un cable, que no es ms que un conductor compuesto porhilos enrollados en haz para mantener su consistencia mecnica y al mismo tiempo permitir, aun condimetros considerables, flexibilidades y torsiones adecuadas a su uso.

Si nos centramos en cables, su longitud no coincide con la longitud de los hilos que lo forman, ya queel cable, como conjunto, no tendr en cuenta el efecto de trenzado al que s se han visto sometidos

cada unos de los hilos que lo componen. Esta es la razn por la que existen dos longitudes: una real (lade los hilos), y una terica (la del cable), siendo la longitud real mayor que la longitud terica.

LTERICA < LREAL Aproximadamente un 2%

Fig. 2.1 Constitucin de un cable elctrico. Comparacin entre longitudes

Un cable con una longitud de 1m (LTERICA) estar formado por hilos entrelazados o trenzados con unalongitud de 1.02m (LREAL). En consecuencia, el valor de la resistencia real tendra que estarinfluenciada por este aumento de valor. En realidad, los fabricantes de cables al realizar sus tablas devalores ya tienen en cuenta esta variacin, considerando para el clculo de la resistencia los valoresreales de la longitud.

2.2.1.2 SeccinA mayor seccin menor resistencia, ya que los electrones disponen de ms espacio para circular por elconductor. Aparte, algo parecido a la longitud ocurre con la seccin; as, si consideramos la seccindel cable en su conjunto (STERICA), estaremos aadiendo los espacios entre hilos (aire, pequeos

residuos, aceites, etc) que no estn ocupados por cobre. Se tendra que considerar realmente slo lasuperficie real (SREAL), es decir, la verdaderamente ocupada por el material conductor, el cobre.

CONDUCTOR RGIDO

Cobre

CABLE



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STERICA > SREAL Aproximadamente un 2%

Fig. 2.2 Constitucin de un cable elctrico. Comparacin entre secciones

La seccin real es por termino medio un 1% o 2% menor que la terica, lo que repercute en el valorfinal de la resistencia. Tambin con este parmetro los fabricantes de cables consideran para el clculode los valores que leemos en tablas la seccin real.

Es decir, las tablas para los distintos materiales ya tienen presente estos desajustes entre los valoresreales y tericos dados en conductores tipo cable.

2.2.1.3 ResistividadLa resistividad es la ltima magnitud a tener presente en el clculo de la resistencia de un material. Se

define como la resistencia especfica, es decir, la oposicin que ofrece un material al paso de lacorriente elctrica por unidad de longitud y superficie (normalmente para su clculo se utiliza varillasdel material que se debe calcular con unas dimensiones especificas de 1m de longitud y 1cm2 de seccin).

La resistividad es la parte ms importante de la resistencia, ya que es la que realmente nos identifica siun material es buen conductor o por el contrario es un aislante. Hasta el momento, y considerandosolamente la longitud y la seccin, tendra la misma resistencia una varilla de madera que una decobre, suponiendo igualdad en las dimensiones fsicas. Era, pues, necesario otro parmetro quedependiera del material, la resistividad.

Si la resistividad slo dependiera del tipo de material, no habra complicaciones, ya que construida latabla correspondiente, estaran tabuladas todas las resistividades de los materiales ms frecuentementeusados. Pero la resistividad tambin depende de la temperatura, siendo necesarias innumerables tablas,una para cada variacin de la temperatura, para su completa identificacin.

El problema se solucion, en parte, dando una nica tabla; esta tabla corresponde a una temperaturaestndar de unos 20C, y en ella estn representados los valores de la resistividad de la mayor parte demateriales interesantes desde el punto de vista elctrico. Cuando la temperatura no coincida con los20C, aplicando la siguiente frmula, se obtiene el valor de la resistividad a cualquier otra temperatura.

( )20.2020 += TC [2.3]

Donde: = Coeficiente de temperatura a 20C es un valor tabulado en las tablas.

o = Resistividad a la temperatura deseada. 20C = Resistividad a 20C (la de las tablas).T = Temperatura a la que se desea determinar la resistividad.

CONDUCTOR RGIDO 2r= CABLE

SR= r2 n2R= ST= R2



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Ya sabemos que la resistividad de un material ser funcin del tipo de material y de la temperatura a laque se encuentre el mismo. Pero un aumento de temperatura significa siempre un aumento de la

resistividad? Para responder a esta pregunta, primeramente veamos cmo se comporta la resistividaden funcin del tipo de material empleado.

Tericamente existen dos posibilidades: coeficiente de temperatura positivo o coeficiente detemperatura negativo, de qu depender su signo?:

Para explicar el signo del coeficiente de temperatura, previamente realizaremos un repaso a los tiposde enlace qumico ms importantes, ya que de su comprensin se obtendrn las respuestas

buscadas.

Recordemos primeramente que la materia est formada por fibras homogneas o heterogneas. Cadauna de estas fibras est formada, asimismo, por cristales de formas regulares, que a su vez, estnformados por la unin de molculas, las cuales se sitan de forma ordenada formando las diversasfiguras geomtricas caractersticas del cristal. Finalmente, cada una de estas molculas se formar porla unin de tomos que sern los encargados de proporcionar las caractersticas finales al material.

Estos tomos pueden unirse para formar las molculas de formas muy distintas, aunque son tres lostipos de unin o enlaces ms caractersticos: enlace metlico, enlace inico y enlace covalente.

El tomo est formado por tres elementos bsicos: neutrones, protones y electrones. La masa de losneutrones y los protones coincide (1.675e-27kg), mientras que la masa de los electrones es casi 1900veces menos pesada (9.109e-31kg). Pero por el contrario, la carga elctrica del neutrn, como sunombre indica, es nula, y aun con la diferencia de masa, el electrn dispone de la misma cargaelctrica que el protn (1.602e-19 coulombs), siendo positiva la carga del protn y negativa la delelectrn.

Los tomos son en principio neutros; esto indica que contendrn el mismo nmero de electrones quede protones; as mismo, suele estar tambin compensado el nmero de neutrones con el de protones.

La disposicin de estos elementos en el interior del tomo sigue unas caractersticas determinadas. Enla periferia se situarn los electrones en movimiento formando orbitales, mientras que en la parte

central existir el ncleo formado por neutrones y protones estticos. Los electrones se colocarnsiempre en las proximidades del ncleo (por el principio de la mnima energa consumida), ocupandotodos los espacios disponibles. As se irn llenando, uno a uno, todos los orbitales del tomo (tipo Scon 2e-, tipo Pcon 6e-, tipo D con 10e-, tipo Fcon 14e-, etc), empezando por los ms prximos alncleo, cada orbital lleno representar una capa estable difcil de separar, hasta completar el nmerofinal de electrones del tomo.

La ltima capa puede estar completamente llena o no de electrones. Para ser estable, esta capa deberacontar con 8 electrones (regla del octete), si no dispone de este nmero, el tomo intentar conseguirelectrones de los tomos vecinos o desprenderse de ellos para quedarse con la capa inmediatamenteanterior que siempre estar llena, y ser por tanto estable.

Esta ltima capa reviste gran importancia, ya que muchas de las propiedades elctricas o mecnicasfinales de los materiales dependern de la misma.

> 0 < 0



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a) Enlace metlico

El enlace metlico es la unin de dos tomos metlicos, es decir, tomos que en su ltima capa slodisponen de uno o dos electrones libres; son los elementos de la primera columna de la tabla peridica(Li, Na, K, Rb, Cs, etc).

En este caso, cada tomo tiene dos opciones; apoderarse de los siete electrones que le faltan a sultima capa para ser estable, o bien, dejar libre al nico electrn que reside en ella. Como es naturalla opcin ms sencilla es la ltima, as cada tomo dejar libre al electrn situado en su ltimacapa, quedando el tomo estable al tener, sin este electrn, todas las capas completas. Pero alperder un electrn el tomo deja de ser neutro, elctricamente hablando, ya que sin este electrnexiste un exceso de un protn en cada tomo (in+ catin), quedando el tomo cargadopositivamente.

Todos los electrones libres estn en movimiento formando una nube en torno a los ncleos que hanabandonado, pero seguirn estando ntimamente ligados a ellos, ya que los ncleos han quedadocargados positivamente, y los electrones disponen de cargas negativas; sta es la base del enlacemetlico de la que se derivan todas sus propiedades.

Fig. 2.3 Enlace metlico

En este enlace se darn una serie de propiedades que definirn su comportamiento final:

- Es un enlace duro. Existe unin molecular de unas cargas positivas (parte esttica del tomo mstodas las capas completas), con las cargas negativas (electrones libres que forman la nube alrededorde las cargas positivas).

- Posee brillo metlico. Se lo confiere el movimiento de estos electrones libres.- Es un buen conductor. Estos electrones libres pueden transportar informacin (elctrica, trmica, de

vibraciones, etc), a travs del material.- Los materiales con enlace metlico son dctiles y maleables. Si intentamos deformar un material de

este tipo, al mover los tomos, la prxima posicin que adopten los mismos no modificar suestado de unin electrosttica, ya que seguirn existiendo cargas positivas (los ncleos de lostomos) en medio de la nube electrnica de cargas negativas (electrones). Es decir, con una

deformacin o torsin del material se seguirn manteniendo sus propiedades de unin; comomximo, los tomos quedarn ms tensionados, lo que se conoce como efecto de acritud.

Metal (1 e-) + Metal (1 e-)

Electrones (in -)en movimientoMaterial

tomos (in +)

+ + + + +

+ + +

+ + +

- - - -

- - - -

++

+ +



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Fig. 2.4 Enlace metlico sometido a una fuerza de deformacin

Por ltimo, cabe citar que en este tipo de materiales, al estar ya libres los electrones, si aumentamos latemperatura, lo nico que se consigue es disminuir la conduccin. Esto ocurre debido a que unaumento de temperatura significa un aumento de energa, que se traduce en una mayor velocidad de

los electrones, que recordemos que ya estaban libres. Esto provoca choques ms frecuentes entre ellos,aumento de la energa calorfica o Joule y menor conductividad. sta es la razn por la que unaumento de temperatura lleva implcitamente asociado un aumento del coeficiente de temperatura, ypor tanto, una disminucin de la conductividad, o l

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