viernes, 19 de agosto de 2011

Circuitos de coriente alterna

Muchachos les dejo el resumen de lo visto en clase



Algunos ejercicios parecidos a los que realizamos en clase. Hay algun ejercicio de corriente trifasica, lo veremos más adelante en clase.


CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA


CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA

1. INTRODUCCIÓN

Todos los aparatos eléctricos que suministran energía ya sea en forma de luz, calor, sonido, rotación, movimiento, etc. Consumen una cantidad de energía eléctrica equivalente a la entregada directamente de la fuente de electricidad a la cual están conectados. Esta energía consumida se denomina Activa, la cual se registra en los medidores y es facturada al consumidor por las respectivas empresas de suministro eléctrico. Algunos aparatos, debido a su principio de funcionamiento, toman de la fuente de electricidad una cantidad de energía mayor a la que registra el medidor: una parte de esta energía es la ya mencionada energía Activa, y la parte restante no es en realidad consumida sino entretenida entre el aparato y la red de electricidad. Esta energía entretenida se denomina Reactiva y no es registrada por los medidores del grupo tarifario al cual pertenecen los consorcios. La energía total (formada por la Activa y la Reactiva) que es tomada de la red eléctrica se denomina Aparente y es la que finalmente debe ser transportada hasta el punto de consumo.

El hecho de transportar una energía mayor a la que realmente se consume, impone la necesidad de que los conductores, transformadores y demás dispositivos que participan en el suministro de esta energía sean más robustos, por lo tanto se eleva el costo del sistema de distribución.

Además, el efecto resultante de una enorme cantidad de usuarios en esta condición, provoca que disminuya en gran medida la calidad del servicio de electricidad (altibajos de tensión, cortes de electricidad, etc.). Por estos motivos, las compañías de distribución, toman medidas que tienden a compensar económicamente a esta situación (penalizando o facturando la utilización de energía Reactiva) o bien a regularizarla (induciendo a los usuarios a que corrijan sus instalaciones y generen un mínimo de energía Reactiva).

2. CONCEPTOS BÁSICOS DE POTENCIA

POTENCIA REACTIVA

Además de utilizar potencia activa para producir un trabajo, los motores, transformadores y demás equipos similares requieren un suministro de potencia reactiva para generar el campo magnético necesario para su funcionamiento.

La potencia reactiva no produce por si misma ningún trabajo; se simboliza con la letra Q y sus unidades son los volts-ampers reactivos (VAR).

2.1 POTENCIA APARENTE

La potencia total o aparente es la suma geométrica de las potencias activa y reactiva, o bien, el producto de la corriente y el voltaje; su símbolo es S y sus unidades se expresan en volts-ampers (VA).

3 TRIÁNGULO DE POTENCIAS

La figura 1.1 puede ser usada para ilustrar las diferentes formas de potencia eléctrica.

Figura 1.1 Triángulo de potencias eléctricas

De la figura anterior se observa:

Por lo que se puede conocer la potencia aparente a partir del teorema de Pitágoras aplicado en el triángulo de potencias. Por lo que se puede conocer la potencia aparente a partir del teorema de Pitágoras aplicado en el triángulo de potencias.

4. FACTOR DE POTENCIA (FP)

El factor de potencia es la relación entre la potencia activa (en watts, W), y la potencia aparente (en volts-ampers, VA) y describe la relación entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida.

El factor de potencia expresa en términos generales, el desfasamiento o no de la corriente con relación al voltaje y es utilizado como indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica, el cual puede tomar valores entre 0 y 1.0 siendo la unidad (1.0) el valor máximo de FP y por tanto el mejor aprovechamiento de energía.

5. CAUSAS DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA

Las cargas inductivas como motores, balastros, transformadores, etc., son el origen del bajo factor de potencia ya que son cargas no lineales que contaminan la red eléctrica, en este tipo de equipos el consumo de corriente se desfasa con relación al voltaje lo que provoca un bajo factor de potencia.

6. CONSECUENCIAS DEL BAJO FACTOR DE POTENCIA

Las instalaciones eléctricas que operan con un factor de potencia menor a 1.0, afectan a la red eléctrica tanto en alta tensión como en baja tensión, además, tiene las siguientes consecuencias en la medida que el factor de potencia disminuye:

1.- Incremento de las pérdidas por efecto joule

La potencia que se pierde por calentamiento está dada por la expresión I*2R donde I es la corriente total y R es la resistencia eléctrica de los equipos (bobinados de generadores y transformadores, conductores de los circuitos de distribución, etc.). Las pérdidas por efecto Joule se manifestarán en:

_ Calentamiento de cables

_ Calentamiento de embobinados de los transformadores de distribución, y

_ Disparo sin causa aparente de los dispositivos de protección

Uno de los mayores problemas que causa el sobrecalentamiento es el deterioro irreversible del aislamiento de los conductores que, además de reducir la vida útil de los equipos, puede provocar cortos circuitos.

7. OTROS INCOMVENIENTES DEBIDO A UN BAJO FACTOR DE POTENCIA

2.- Sobrecarga de los generadores, transformadores y líneas de distribución.

El exceso de corriente debido a un bajo factor de potencia, ocasiona que los generadores, transformadores y líneas de distribución, trabajen con cierta sobrecarga y reduzcan su vida útil, debido a que estos equipos, se diseñan para un cierto valor de corriente y para no dañarlos, se deben operar sin que éste se rebase.

3.- Aumento de la caída de tensión

La circulación de corriente a través de los conductores ocasiona una pérdida de potencia transportada por el cable, y una caída de tensión o diferencia entre las tensiones de origen y la que lo canaliza, resultando en un insuficiente suministro de potencia a las cargas (motores, lámparas, etc.); estas cargas sufren una reducción en su potencia de salida. Esta caída de voltaje afecta a:

_ Los embobinados de los transformadores de distribución

_ Los cables de alimentación, y a los

_ Sistemas de protección y control

8. CORRECCIÓN DE FACTOR DE POTENCIA CFP

La finalidad de corregir el factor de potencia es reducir o aún eliminar el costo de energía reactiva en la factura de electricidad. Para lograr esto, es necesario distribuir las unidades capacitivas, dependiendo de su utilización, en el lado del usuario del medidor de potencia. Existen varios métodos para corregir o mejorar el factor de potencia, entre los que destacan la instalación de capacitores eléctricos o bien, la aplicación de motores sincrónicos que finalmente actúan como capacitores.

_ Compensación individual en motores

_ Compensación por grupo de cargas

_ Compensación centralizada

_ Compensación combinada

Los capacitores eléctricos o bancos de capacitores, pueden ser instalados en varios puntos en la red de distribución en una planta, y pueden distinguirse cuatro tipos principales de instalación de capacitores para compensar la potencia reactiva (figura 1.2). Cada una de las instalaciones observadas en la figura 1.2 corresponden a una aplicación específica, no obstante, es importante mencionar que antes de instalar capacitores eléctricos, se deben tomar en cuenta los siguientes factores: tipos de cargas eléctricas, variación y distribución de las mismas, factor de carga, disposición y longitud de los circuitos, tensión de las líneas de distribución, entre otros.

Figura 1.2 Tipos de instalaciones de capacitores para corregir el factor de potencia

EJERCICIO

La potencia activa de una instalación es 6.3 KW, cuando esta conectada a una red de 220V, 50 Hz. Esta instalación esta formada por lámparas incandescentes, motores y tubos fluorescentes, y tiene un factor de potencia de 0.6. se quiere calcular:

a) el condensador que corrija el factor de potencia a 0.95.

b) el valor de la energía reactiva antes y después de la conexión.

jueves, 5 de mayo de 2011

Campo Magnético "Resumen de lo visto en clase"

Campo Magnético

Existen, en la naturaleza, ciertos cuerpos que tienen la propiedad de atraer al hierro, al níquel y al acero. Los cuerpos que presentan tal propiedad se llaman imanes. Algunos de estos también pueden atraer al cobalto, que presenta características semejantes a las del hierro.

Los imanes presentan una propiedad característica llamada magnetismo, que es la fuerza de atracción que ejercen sobre otros cuerpos con propiedades semejantes a las del hierro. Sin embargo, esta propiedad no es uniforme en todo el cuerpo de un imán, ya que se presenta de forma más marcada en los extremos, los cuales son nombrados polos magnéticos.

Los materiales como el hierro, el cobalto, el níquel, el acero y algunos otros se denominan materiales ferromagnéticos, ya que por diversos procesos pueden ser imantados fuertemente y formar, así, un imán artificial.

En un lugar de Asia Menor llamado Magnesia, los griegos descubrieron una piedra que poseía la propiedad de atraer los materiales ferrosos y la llamaron magnetita, la cual está formada por dos elementos químicos que forman óxido de fierro (Fe3O4) ; este mineral constituye un imán natural.

Los imanes se pueden atraer o repeler entre ellos en la misma forma que lo hacen dos cuerpos electrizados, puesto que presentan dos polos llamados: norte y sur, los polos iguales se rechazan y los contrarios se atraen.


Para dar nombre a los polos de un imán se considera su orientación geográfica Norte-Sur: el polo norte de un imán se orienta con el polo Norte geográfico y el polo sur del mismo se orienta con el polo Sur geográfico.

Las propiedades magnéticas de un imán no se encuentran localizadas en un punto particular, se localizan en todo el cuerpo; así, cuando un imán se rompe, no se obtiene un pedazo con polo norte y otro con polo sur, en cada uno de los pedazos aparecen los dos polos, formando dos imanes que, aunque más pequeños, poseen todas las características magnéticas.

Los imanes producen en el espacio una fuerza, la cual se llama campo magnético y se manifiesta atrayendo o rechazando a otro imán o cuerpo ferroso que se encuentre en dicho campo. El campo magnético está formado por líneas de fuerza que van del polo norte hacia el polo sur.

El campo magnético se manifiesta con mayor intensidad cerca de los polos del imán.

La Tierra se comporta como un gigantesco imán que tiene sus polos magnéticos cerca de los polos geográficos; las fuerzas magnéticas que forman el campo magnético y que se manifiestan en la superficie son producidas por las corrientes eléctricas que se forman en el lugar llamado núcleo externo. Como las características magnéticas de la Tierra son producto de la corriente eléctrica, se dice que ésta es un electroimán.

En 1820, el físico James Hans Christian Oersted, al realizar experimentos relacionados con la electricidad, observó que cuando una corriente eléctrica fluye por un conductor produce un campo magnético que lo rodea y provoca la desviación de la aguja de una brújula. Este fenómeno recibió el nombre de efecto Oersted, en honor de su descubridor, quien también descubrió que las líneas de fuerza magnéticas se ubican en un plano perpendicular al conductor y en torno a éste forman círculos.

La desviación que experimenta la aguja de una brújula al ponerla bajo los efectos de un campo magnético, producto de una corriente eléctrica, depende de dos factores: uno, la posición de la brújula con respecto al conductor; dos, el sentido de la corriente que fluye por el conductor. Estos factores fueron enunciados por el físico francés André-Marie Ampère como la regla de la mano derecha, la cual establece: al empuñar con la mano derecha un conductor de modo que el dedo pulgar apunte en el sentido en que fluye la corriente, los otros dedos apuntarán en la dirección en la que se encuentra el campo magnético.


Cuando el conductor se enrolla en varias espiras sobre un cilindro, el campo magnético formado es igual a la suma del cuerpo magnético formado por cada espira. Este dispositivo nombrado solenoide sirve para formar un campo magnético similar al de un imán de barra.

Si dentro del solenoide se introduce un núcleo de material ferromagnético, se forma un electroimán en el cual las líneas de fuerza se concentran y forman campos magnéticos más intensos.

Los electroimanes tienen muchas aplicaciones en diversos niveles: se utilizan para mover grandes cuerpos metálicos por medio de grúas magnéticas, en timbres caseros, en motores eléctricos y en bocinas generadoras de sonidos.

En 1825, el químico y físico inglés Michael Faraday se planteó el problema de si era posible que un campo magnético diera origen a un tipo de electricidad. Comprobó que al mover un imán dentro de un solenoide o que al mover un solenoide sobre un imán fijo, se producía una corriente eléctrica inducida en el solenoide, la cual se registra por medio de un galvanómetro.


Faraday también descubrió que la dirección de la fuerza electromotriz depende del movimiento del imán, ya que si se acerca el polo norte de éste al solenoide, la corriente fluye en sentido contrario; observó también que la intensidad de la corriente es directamente proporcional a la rapidez con que se mueve el imán dentro del solenoide (variación del campo magnético).

Con los descubrimientos sobre corriente inducida realizados por Faraday se produjo un gran desarrollo teórico sobre el electromagnetismo, pues a partir de energía mecánica se podía obtener energía eléctrica. Con este principio se crearon grandes máquinas generadoras de energía eléctrica, como la magnetoeléctrica, en donde el campo magnético es producto de un imán permanente; otra de estas máquinas es la dinamoeléctrica, en la cual el campo magnético está formado por electroimanes. En ambos casos, las máquinas cuentan con dos partes esenciales: una, el estator, la cual permanece fija; dos, el rotor, que es la parte móvil constituida por un conjunto de espiras (el rotor gira dentro del campo magnético del estator).

Transformadores eléctricos

Con la producción de electricidad en gran escala se presentó el problema de conducirla a grandes distancias sin que se perdiera, en forma de calor, en los cables. El transformador eléctrico vino a resolver este problema, ya que por medio de ellos se puede variar la intensidad y el voltaje de la corriente eléctrica.

Un transformador consta básicamente de tres elementos: un núcleo y dos bobinas. El núcleo es de hierro en forma de marco y las bobinas se ubican en los extremos, de modo que entre ellas exista un espacio; por una de ellas (bobina primaria) circula corriente alterna, la cual se transforma en corriente directa; la otra (bobina secundaria) es por donde sale la corriente con el voltaje requerido y se conduce a los lugares deseados.

Cuando a la bobina primaria llega corriente alterna, ésta funciona como un solenoide y se produce un flujo magnético en el núcleo. Como la corriente es alterna, el flujo cambia constantemente, por lo que en la bobina secundaria se origina una corriente inducida; el voltaje obtenido está en función del número de espiras en las bobinas. Entre las bobinas también existe una razón inversa, ya que si en la bobina primaria el voltaje es alto, en la bobina secundaria será bajo. Esta proporción se puede calcular por medio de la fórmula:

Como en el transformador tampoco se crea ni se destruye la energía, y si no existe pérdida de ésta en el trabajo desarrollado por las bobinas, se debe de cumplir que: la potencia eléctrica que entra es igual a la potencia eléctrica que sale del transformador, de acuerdo con la siguiente igualdad:


Los transformadores son de dos tipos y se clasifican como transformadores elevadores y transformadores reductores. En el transformador reductor, la bobina secundaria tiene menos espiras.

Ejemplo:

¿Qué voltaje se obtendrá en la bobina secundaria si a la primaria llega una corriente alterna de 220 voltios? La bobina primaria cuenta con 300 espiras y la secundaria con 800.


lunes, 4 de abril de 2011

Resumen Teórico ELECTROSTÁTICA

Resumen Teórico ELECTROSTÁTICA

FUERZAS Y CAMPOS ELÉCTRICOS

Desde el siglo V a.C. los griegos ya sabían que el ámbar (“elektron”) frotado con lana adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros (plumas o pajitas). Aparecían interacciones con características diferentes a las gravitatorias o magnéticas (aunque en principio no se tenía muy clara la distinción con estas últimas).

Para explicar las mismas se genera el concepto de carga eléctrica.

Y dado que estas provocan una atracción o repulsión se definen y distinguen las cargas positivas de las negativas

· Los objetos cargados con carga del mismo signo, se repelen. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen

Con el tiempo, el estudio de la electrostática se multiplicó en frutos demostrándose que en cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado la carga se conserva (no se crea ni se destruye) y está cuantizada (será un número entero de veces la carga fundamental e ).

Para explicar como se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas. Un núcleo con neutrones y protones (de carga positiva), rodeado de electrones (de carga negativa). Normalmente la materia es neutra, tiene el mismo número de protones que electrones. Estos últimos son los que normalmente se intercambian, si el cuerpo cede electrones (queda cargado positivamente), si gana (queda cargado negativamente)

· Cuando dos cuerpos neutros de distinto material se frotan la carga se transfiere de uno al otro. Por lo tanto, uno de los cuerpos queda con carencia de carga negativa y el otro con exceso.

Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. De acuerdo a esto se ordenan en la serie Triboeléctrica. Normalmente se ubican verticalmente y el material frotado que está encima en esta lista respecto al otro es quien cede electrones y por lo tanto queda positivo.

En la práctica es difícil mantener los cuerpos cargados ya que se descargan a través del cuerpo que los sostiene (mediante el cual hacen” tierra”) y en el aire con su humedad e impurezas ( a mayor humedad, mayor descarga, por lo que se aconseja realizar las prácticas de electrostática los días secos)

Para ampliar sobre estructura del átomo, puede leer física moderna, donde se consideran partículas elementales a los leptones (electrones) y a los quarks que se combinan para conformar protones y neutrones. Igualmente se cumple la conservación y la cuantización de la carga.

Fuerzas eléctricas

Mediante una balanza de torsión, Coulomb dedujo que las fuerzas de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia d que las separa) es directamente proporcional a los valores de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Como todas las fuerzas de interacción son de igual módulo y sentido contrario (recuerde las leyes de Newton).

F= K.q.q/d2 ley de Coulomb

Recuerda que en el S.I la unidad de la fuerza es el Newton , de la carga el Coulomb y la distancia en m. La constante de Coulomb en el vacío k0= 9,0 X10 9 Nm2/C2.

Obs.: * La ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de Gravitación Universal.

* Si quisiera hallarse la fuerza en cualquier otro medio, se agrega en el divisor de la ecuación una constante K dependiente de este La k del aire es aproximadamente 1 por lo que la constante de proporcionalidad se aproxima a la del vacío k0.

Recuerda los prefijos: m (mili) X10-3, m (micro) X10-6, n (nano) X10-9, p (pico) X10-12

Si bien siempre aparecen dos fuerzas (interacción), muchas veces nos interesará solamente la fuerza que recibe una de las cargas. En tal caso representaremos únicamente el vector que la representa con origen en la misma

Si una carga recibe más de una fuerza, hallaremos y representaremos a todas ellas para luego hallar la fuerza resultante mediante su suma vectorial. .(al representar defina claramente la escala utilizada N-cm).

Campo Eléctrico

Toda carga afecta a las demás porque modifica las propiedades del espacio que la rodea. Dicha modificación del espacio se propaga en torno a la carga estableciéndose en todo el espacio. A esta propiedad del espacio se denomina Campo Eléctrico y lo podemos reconocer presente al colocar allí una carga (porque recibirá una fuerza eléctrica).

El campo eléctrico E Se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga (no dependiendo así de la misma) es por lo tanto una propiedad del punto del espacio y tiene carácter vectorial. Su módulo será :

E= F/q

Su unidad será entonces N/C .

Es sentido del Campo eléctrico se define arbitrariamente como el de la fuerza si se colocara allí una carga de prueba (carga positiva y muy pequeña). Esto determina que las cargas positivas generen campos salientes a la carga y las negativas entrantes a la misma.

El campo eléctrico de una carga puntual q en un punto P a una distancia d de la carga, viene representado por un vector de dirección radial con centro en la carga y su módulo (a partir de ley de Coulomb y definición de E) es :

E =K.q/d2

Cuando varias cargas están presentes el campo eléctrico resultante en un punto, es la suma vectorial de los campos eléctricos producidos por cada una de las cargas (no consideres la carga ubicada en ese punto si es que la hubiese).

Este practico simulador nos permite determinar el campò electrico resultante en cualquier punto del espacio que rodean a dos cargas (negro) por medio de la suma vectorial de los campos generados individualmente en el punto donde apoyemos el cursor (azul).

Ejemplo