05-Corriente alterna

Hasta ahora hemos trabajado casi siempre con corriente continua, en la cual los electrones salen siempre del polo negativo y se mueven siempre en el mismo sentido. Éste es el sentido real de la corriente, aunque es corriente utilizar el sentido convencional, en sentido opuesto.

Ya hemos visto que los alternadores generan otro tipo de corriente en el que los electrones alternan el sentido de su desplazamiento: es la corriente alterna.

El valor de voltaje obtenido es una función trigonométrica que se asocia con el seno. La expresión del voltaje instantáneo, es decir, en cada instante de tiempo es:

De igual forma se habla de intensidad instantánea y eficaz:

Cuando se aplica un voltaje alterno a una resistencia, se sigue cumpliendo la ley de Ohm, y además ambas magnitudes sufren las mismas variaciones senoidales. Se dice que están en fase:

La expresión V_(0° se denomina notación fasorial, y su uso es muy corriente por el siguiente motivo:

Algunos receptores almacenan energía e impiden que el movimiento de los electrones coincida con el impulso del generador. En estos casos, se dice que la intensidad se desfasa respecto al voltaje, y en la expresión de la intensidad se introduce un término, el desfase que ajusta su variación:

en este caso se indica el valor de la intensidad I y el ángulo del desfase φ; con estos dos valores no es necesario escribir toda la expresión. Los condensadores y las bobinas son receptores que desfasan la intensidad respecto al voltaje aplicado. Veamos cómo ocurre:

DESFASE PRODUCIDO POR UN CONDENSADOR

En corriente continua, un condensador se limita a almacenar electrones mientras está conectado a una pila. Cuando retiramos la pila, el condensador se queda cargado hasta que permitamos que las cargas se escapen. Es decir, funciona como una batería recargable.

En corriente alterna, el voltaje está constantemente cambiando su polaridad, y ésto se traduce en que el condensador se está cargando y descargando constantemente al ritmo de las variaciones del generador, por lo que la intensidad se ve afectada. Veamos en detalle qué es lo que ocurre:

En esta animación se puede comprobar que voltaje del generador y la intensidad están desfasadas. La intensidad está adelantada respecto al voltaje exactamente 90°, por lo que las expresiones de ambas son:

Los valores del voltaje y la intensidad siguen estando relacionados por la ley de Ohm, pero en este caso se llama Ley de Ohm generalizada, pues varían algunas cosas: en primer lugar aparece un desfase de 90º, y en segundo, al valor equivalente a la resistencia se le denomina impedancia, que para un condensador viene dado por la expresión:

siendo f la frecuencia de la corriente alterna (en Europa 50 Hz, en América 60 Hz) y C la capacidad del condensador en Faradios.

DESFASE PRODUCIDO POR UNA BOBINA

Las bobinas o solenoides almacenan energía en forma de campo magnético. Al conectar una corriente continua, la bobina retiene el paso de electrones hasta que se establece el campo magnético. Cuando se elimina la pila, la energía de este campo magnético continúa moviendo electrones, fenómeno llamado autoinducción.

La energía magnética que almacena una bobina durante su funcionamiento con corriente alterna provoca que la corriente esté desfasada respecto al voltaje:

En este caso, la intensidad está retrasada respecto al voltaje exactamente 90°, por lo que las expresiones de ambas son:

Los valores del voltaje y la intensidad también están relacionados por la ley de Ohm generalizada, y el valor de impedancia de la bobina viene dado por la expresión:

siendo f la frecuencia de la corriente alterna y L el coeficiente de autoinducción de la bobina en Henrios.

Pero no existen ni resistencias, condensadores ni bobinas puras. Todos los elementos eléctricos tienen una componente resistiva pura y otra componente capacitiva o inductiva. Cuando se asocian las dos, se obtienen desfases que responden a ecuaciones del tipo:

En este caso la ley de Ohm generalizada sigue siendo útil, teniendo en cuenta que la voltaje, intensidad e impedancia pueden tener desfases diferentes:

Recordando cómo se opera con números complejos, se calcularía por un lado el valor de la intensidad (I=V/R) y por otro el valor del desfase (A=B+C). En los circuitos normalmente se conoce tanto el voltaje (que se toma como referencia), como los componentes conectados (las impedancias y los desfases que provocan); por lo tanto tendremos:

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA

Cuando se trata de calcular la potencia que consume un aparato en corriente alterna, hay que tener presente la notación fasorial. La potencia consumida viene dada por el producto del voltaje aplicado por la intensidad que circula, esté o no desfasada, y se denomina potencia aparente. La unidad empleada para la potencia aparente es el voltamperio (VA):

De esta potencia consumida, únicamente la componente resistiva se transforma en potencia útil, por lo que se denomina potencia activa, y se calcula multiplicando la potencia aparente por cosφ. A este cosφ se de denomina factor de potencia f.d.p. La potencia activa se mide en vatios (W).

La componente capacitiva o inductiva se pierden en forma de campos eléctricos o magnéticos. al producto de V_(0° por I_(90° o de V_(0° por I_(-90° se le denomina potencia reactiva, y se mide en voltamperios reactivos (VAr).

CORRIENTE TRIFÁSICA

Los sistemas trifásicos consisten en tener tres tensiones desfasadas 120°. Ya sabemos que con estos sistemas se mejora el rendimiento del generador. Los conductores neutros se suelen unir para ahorrar cableado, y los sistemas trifásicos tienen únicamente cuatro cables. Si, además, las cargas conectadas a las tres tensiones son idénticas, el vaivén de los electrones por cada cable se compensa con el de los otros cables, y no circula corriente por el conductor neutro, utilizando únicamente tres cables.

Precisamente por esta razón, los sistemas trifásicos disponen únicamente de tres conductores. En el gráfico anterior, a la izquierda tendríamos un generador trifásico, mientras que a la derecha hay un receptor, que podría ser un motor con tres devanados. A este tipo de conexión se le denomina conexión en estrella.

Además, la corriente trifásica ofrece otra ventaja importante: si se conecta un receptor entre los extremos de la bobina generadora estará sometido a una tensión U_R, U_S y U_T, pero si se conecta entre los extremos de dos bobinas generadoras diferentes, el voltaje U_RS, U_ST y U_TR es √3 veces mayor. Éste aumento de voltaje es debido a que cuando por un conductor la corriente es "empujada", en otro conductor es "absorbida", incrementando el voltaje neto. Para conectar así las resistencias de un motor al montaje se le llada montaje en delta o en triángulo:

Con la representación vectorial, los dos voltajes disponibles se pueden ver más claramente:

Como los sistemas trifásicos sólo disponen de tres conductores, cuando se habla de voltaje en corriente trifásica, se está considerando la conexión entre conductores, y el voltaje se denomina voltaje entre las líneas o voltaje de línea.

Por los ángulos entre los vectores anteriores, se demuestra mediante trigonometría que la relación entre las diferentes tensiones tiene una expresión sencilla:

V_RS = V_ST = V_TR = √3 · V_R = √3 · V_S = √3 · V_T

Cuando se conecta un receptor, puede ser entre conductor y neutro (conexión en estrella) o entre conductores (conexión en triángulo), en cada caso a un voltaje diferente. El voltaje al que se conecta un receptor se denomina tensión o voltaje de fase.

Para saber más:

Animation sur déphassage entre 2 tensions