UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE
HIDALGO
Instituto de Ciencias Básicas e Ingenierías
Asignatura: Eléctrica II
CONCEPTOS DE ILUMINACIÓN
Febrero de 2012
Presenta: Marcos Campos Nava
QUÉ ES LA CORRIENTE ALTERNA
Además de la existencia de fuentes de FEM de corriente directa o continua
(C.D.) (como la que suministran las pilas o las baterías, cuya tensión o voltaje
mantiene siempre su polaridad fija), se genera también otro tipo de corriente
denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la directa por el cambio
constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo.
Una pila o batería constituye una fuente de suministro de corriente directa, porque su polaridad se
mantiene siempre fija.
La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de
tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente
las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo o hertz posea esa
corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la
corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes
de FEM que suministran corriente directa.
Corriente alterna pulsante de un ciclo por segundo o hertz (Hz) .
Si hacemos que la pila del ejemplo anterior gire a una determinada velocidad, se
producirá un cambio constante de polaridad en los bornes donde hacen contacto
los dos polos de dicha pila. Esta acción hará que se genere una corriente alterna
tipo pulsante, cuya frecuencia dependerá de la cantidad de veces que se haga girar
la manivela a la que está sujeta la pila para completar una o varias vueltas
completas durante un segundo.
Si la velocidad a la que hacemos girar la pila es de una vuelta completa cada
segundo, la frecuencia de la corriente alterna que se obtiene será de un ciclo por
segundo o hertz (1 Hz). Si aumentamos ahora la velocidad de giro a 5 vueltas por
segundo, la frecuencia será de 5 ciclos por segundo o hertz (5 Hz). Mientras más
rápido hagamos girar la manivela a la que está sujeta la pila, mayor será la
frecuencia de la corriente alterna pulsante que se obtiene.
En Europa la corriente alterna que llega a los hogares es de 220 volt y tiene una
frecuencia de 50 Hz, mientras que en la mayoría de los países de América la
tensión de la corriente es de 110 ó 120 volt, con una frecuencia de 60 Hz. La forma
más común de generar corriente alterna es empleando grandes generadores o
alternadores ubicados en plantas termoeléctricas, hidroeléctricas o centrales
atómicas.
De acuerdo con su forma gráfica, la corriente alterna puede ser:
Rectangular o pulsante
Triangular
Diente de sierra
Sinusoidal o senoidal
Cualquier corriente alterna puede fluir a través de diferentes dispositivos
eléctricos, como pueden ser resistencias, bobinas, condensadores, etc., sin sufrir
deformación.
La onda con la que se representa gráficamente la corriente sinusoidal recibe ese
nombre porque su forma se obtiene a partir de la función matemática de seno.
En la siguiente figura se puede ver la representación gráfica de una onda
sinusoidal y las diferentes partes que la componen:
VENTAJAS DE LA CORRIENTE ALTERNA
Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente
directa o continua, tenemos las siguientes:
Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores.
Se transporta a grandes distancias con poca de pérdida de energía.
Es posible convertirla en corriente directa con facilidad.
Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos
por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y
órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica.
Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y
fáciles de mantener que los de corriente directa.
CONCEPTO DE ENERGÍA
Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el
concepto de “energía”, que no es más que la capacidad que tiene un mecanismo o
dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo.
Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por
una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M), como puede ser una batería, la energía
eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una
bombilla de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda
mover una maquinaria.
De acuerdo con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se
transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta
en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo
útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado.
La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” y se
representa con la letra “J”.
POTENCIA ELÉCTRICA
Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un
líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene.
La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.
Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en
un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.
La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la
letra “W”
CÁLCULO DE LA POTENCIA DE UNA CARGA ACTIVA (RESISTIVA)
La forma más simple de calcular la potencia que consume una carga activa o
resistiva conectada a un circuito eléctrico es multiplicando el valor de la tensión en
volt (V) aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre,
expresada en amper. Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente
fórmula:
El resultado de esa operación matemática para un circuito eléctrico monofásico de
corriente directa o de corriente alterna estará dado en watt (W). Por tanto, si
sustituimos la “P” que identifica la potencia por su equivalente, es decir, la “W” de
watt, tenemos también que: P = W, por tanto,
Si ahora queremos hallar la intensidad de corriente ( I ) que fluye por un circuito
conociendo la potencia en watt que posee el dispositivo que tiene conectado y la
tensión o voltaje aplicada, podemos despejar la fórmula anterior de la siguiente
forma y realizar la operación matemática correspondiente:
Si observamos la fórmula 1 expuesta al inicio, veremos que el voltaje y la
intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico, son directamente
proporcionales a la potencia, es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su
valor, la potencia también aumenta o disminuye de forma proporcional. De ahí se
deduce que, 1 watt (W) es igual a 1 ampere de corriente ( I ) que fluye por un
circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltaje aplicado, tal como se
representa a continuación.
1 watt = 1 volt · 1 ampere
Veamos, por ejemplo, cuál será la potencia o consumo en watt de una bombilla
conectada a una red de energía eléctrica doméstica monofásica de 220 volt, si la
corriente que circula por el circuito de la bombilla es de 0,45 ampere.
Sustituyendo los valores en la fórmula 1 tenemos:
P=V·I
P = 220 · 0,45
P = 100 watt
Es decir, la potencia de consumo de la bombilla será de 100 W .
De acuerdo con esta fórmula, mientras mayor sea la potencia de un dispositivo o
equipo eléctrico conectado a un circuito consumiendo energía eléctrica, mayor
será la intensidad de corriente que fluye por dicho circuito, siempre y cuando el
valor del voltaje o tensión se mantenga constante.
La unidad de consumo de energía de un dispositivo eléctrico se mide en watt-hora
(vatio-hora), o en kilowatt-hora (kW-h) para medir miles de watt.
Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y el
hogar, en lugar de facturar el consumo en watt-hora, lo hacen en kilowatt-hora
(kW-h). Si, por ejemplo, tenemos encendidas en nuestra casa dos lámparas de 500
watt durante una hora, el reloj registrador del consumo eléctrico registrará 1 kW-h
consumido en ese período de tiempo, que se sumará a la cifra del consumo
anterior.
Una bombilla de 40 W consume o gasta menos energía que otra de 100 W. Por eso,
mientras más equipos conectemos a la red eléctrica, mayor será el consumo y más
dinero habrá que abonar después a la empresa de servicios a la que contratamos la
prestación del suministro de energía eléctrica.
Para hallar la potencia de consumo en watt de un dispositivo, también se pueden
utilizar, indistintamente, una de las dos fórmulas que aparecen a continuación:
El consumo en watt (W) o kilowatt (kW) de cualquier carga, ya sea ésta una
resistencia o un consumidor cualquiera de corriente conectado a un circuito eléctrico,
como pudieran ser motores, calentadores, equipos de aire acondicionado, televisores
u otro dispositivo similar, en la mayoría de los casos se puede conocer leyéndolo
directamente en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de
dichos equipos. En los motores esa placa se halla colocada en uno de sus costados y
en el caso de las bombillas de alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su
base.
DIFERENTES TIPOS DE RESISTENCIAS
De acuerdo con la Ley de Ohm, para que exista un circuito eléctrico cerrado tiene
que existir: 1.- una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de
potencial, es decir, una tensión o voltaje (V) aplicado al circuito; 2.- el flujo de una
intensidad de corriente ( I ) fluyendo por dicho circuito; 3.- una carga, consumidor
o resistencia conectada al mismo.
Sin embargo, un circuito eléctrico puede contener uno o varios tipos diferentes de
resistencias conectadas, entre las que se encuentran:
Resistencia activa (R)
Reactancia inductiva o inductancia (XL)
Reactancia capacitiva o capacitancia (XC)
Resistencia activa (R)
Es la oposición que ofrecen las bombillas incandescentes y halógenas, los
calentadores eléctricos con resistencia de alambre nicromo, las resistencias de
carbón de los circuitos electrónicos, etc, al flujo de la corriente eléctrica por un
circuito cerrado cualquiera. La resistencia activa representa lo que se denomina una
“carga resistiva”.
Secador eléctrico manual para el pelo. En su interior se. puede observar una resistencia
activa (R) de alambre. nicromo, que hace función de elemento calefactor.
Reactancia inductiva (XL)
La reactancia inductiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la
corriente por un circuito eléctrico cerrado las bobinas o enrollados hechos con
alambre de cobre, ampliamente utilizados en motores eléctricos, transformadores de
tensión o voltaje y otros dispositivos. Esta reactancia representa una “carga
inductiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada.
Los motores de corriente alterna constituyen cargas
inductivas cuando funcionan conectados a un circuito
eléctrico
Reactancia capacitiva (XC)
La reactancia capacitiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la
corriente eléctrica los capacitores o condensadores. Esta reactancia representa una
“carga capacitiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra
conectada. En la foto de la derecha podemos ver varios capacitores (o
condensadores) y filtros conectados en la placa de un circuito electrónico en función
de cargas capacitivas
DESFASAJE DE LA CORRIENTE ALTERNA
Intensidad de la corriente en fase con el voltaje
La corriente ( I ) que fluye por un circuito eléctrico de corriente alterna, así como la
tensión o voltaje (V) aplicado al mismo, se puede representar gráficamente por
medio de dos sinusoides, que sirven para mostrar cada una de las magnitudes. Para
un circuito cerrado con una carga resistiva conectada al mismo, tanto la sinusoide de
la corriente como la del voltaje aplicado al circuito, coincidirán tanto en fase como
en frecuencia.
En un circuito con carga resistiva, las sinusoides de. intensidad "I" y voltaje
"V" de la corriente alterna, coinciden. en fase y frecuencia.
Intensidad de la corriente atrasada con relación al voltaje
Cuando la carga conectada en el circuito de corriente alterna es inductiva, como la
de los motores y transformadores, por ejemplo, la sinusoide de la corriente ( I ) se
atrasa o desfasa en relación con la tensión o voltaje (V). Es decir, cuando el voltaje
ya ha alcanzado un cierto valor en la sinusoide, superior a “0” volt, en ese preciso
instante y con cierto retraso la intensidad de la corriente comienza a incrementar su
valor, a partir de “0” ampere.
En un circuito de corriente alterna con carga inductiva, la.
sinusoide "I" de la intensidad de la corriente, se atrasa con.
respecto a la sinusoide "V" de la tensión o voltaje . Tal como se
puede observar en las coordenadas de la figura, cuando la
sinusoide del voltaje alcanza su valor máximo de 90º, en ese
mismo momento y con 90º de retraso con respecto a éste, comienza
a crecer el valor de la sinusoide de la intensidad, partiendo de 0º.
Intensidad de la corriente adelantada con relación al voltaje
Si lo que se conecta al circuito de corriente alterna es una carga capacitiva, como un
capacitor o condensador, por ejemplo, entonces ocurrirá todo lo contrario al caso
anterior, es decir, la sinusoide que representa la intensidad "I" de la corriente se
desfasará ahora también, pero en esta ocasión en sentido contrario, es decir,
adelantándose a la tensión o voltaje. Por tanto, en este caso cuando la corriente
alcanza un cierto valor en la sinusoide, superior a “0” ampere, entonces en ese
momento el voltaje comienza a aumentar su valor partiendo de “0” volt
En un circuito de corriente alterna con carga capacitiva, la
sinusoide de la intensidad "I" de la corriente alterna, se adelanta
con respecto a la sinusoide "V" del voltaje. Como se puede observar en
las coordenadas de la figura y al contrario del ejemplo anterior, cuando
la sinusoide de la intensidad alcanza su valor máximo de 90º, en ese
mismo momento y con 90º de retraso con respecto a ésta, comienza a
crecer el valor de la sinusoide del voltaje, a partir de 0º
DIFERENTES TIPOS DE POTENCIAS
Del mayor o menor retraso o adelanto que provoque un equipo eléctrico cualquiera
en la corriente (I) que fluye por un circuito, en relación con el voltaje o tensión (V),
así será el factor de potencia o Cos  que tenga dicho equipo.
En un circuito eléctrico de corriente alterna se pueden llegar a encontrar tres tipos
de potencias eléctricas diferentes:
Potencia activa (P) (resistiva)
Potencia reactiva (Q) (inductiva)
Potencia aparente (S) (total)
Potencia activa o resistiva (P)
Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente
alterna, el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que
tendrá que proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa
se representa por medio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W).
Los múltiplos más utilizados del watt son: el kilowatt (kW) y el megawatt (MW) y
los submúltiplos, el miliwatt (mW) y el microwatt (W).
La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo
eléctrico cualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de
corriente alterna es la siguiente:
De donde:
P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en watt (W)
I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en ampere (A)
Cos = Valor del factor de potencia o coseno de “fi”
(En los dispositivos que poseen solamente carga resistiva, el factor de potencia es
siempre igual a “1”, mientras que en los que poseen carga inductiva ese valor será
siempre menor de “1”).
Potencia reactiva o inductiva (Q)
Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas
cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y
cualquier otro dispositivo similar que posea bobinas o enrollados. Esos
dispositivos no sólo consumen la potencia activa que suministra la fuente de
FEM, sino también potencia reactiva.
La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero
los dispositivos que poseen enrollados de alambre de cobre, requieren ese tipo de
potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La
unidad de medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).
La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es
la siguiente:
De donde:
Q = Valor de la carga reactiva o inductiva, en volt-ampere reactivo (VAR)
S = Valor de la potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA)
P = Valor de la potencia activa o resistiva, expresada en watt (W)
Potencia aparente o total (S)
La potencia aparente (S), llamada también "potencia total", es el resultado de la
suma geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que
realmente suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al
vacío, es decir, sin ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que
consumen las cargas conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P).
La potencia aparente se representa con la letra “S” y su unidad de medida es el
volt-ampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de
potencia es la siguiente:
De donde:
S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA)
V = Voltaje de la corriente, expresado en volt
I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en ampere (A)
La potencia activa, por ejemplo, es la que proporciona realmente el eje de un motor
eléctrico cuando le está transmitiendo su fuerza a otro dispositivo mecánico para
hacerlo funcionar.
FACTOR DE POTENCIA (I)
Triángulo de potencias
El llamado triángulo de potencias es la mejor forma de ver y comprender de
forma gráfica qué es el factor de potencia o coseno de “fi” (Cos ) y su estrecha
relación con los restantes tipos de potencia presentes en un circuito eléctrico de
corriente alterna.
Como se podrá observar en el triángulo de la ilustración, el factor de potencia o
coseno de “fi” (Cos  ) representa el valor del ángulo que se forma al representar
gráficamente la potencia activa (P) y la potencia aparente (S), es decir, la relación
existente entre la potencia real de trabajo y la potencia total consumida por la carga
o el consumidor conectado a un circuito eléctrico de corriente alterna. Esta relación
se puede representar también, de forma matemática, por medio de la siguiente
fórmula:
Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un
decimal menor que “1” (como por ejemplo 0,95), dicho número representará el
factor de potencia correspondiente al defasaje en grados existente entre la
intensidad de la corriente eléctrica y la tensión o voltaje en el circuito de corriente
alterna.
Lo ideal sería que el resultado fuera siempre igual a “1”, pues así habría una mejor
optimización y aprovechamiento del consumo de energía eléctrica, o sea, habría
menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor eficiencia de trabajo en los
generadores que producen esa energía
El dato del factor de potencia de cada motor es un valor fijo, que aparece
generalmente indicado en una placa metálica pegada a su cuerpo o carcasa, donde se
muestran también otros datos de interés, como su tensión o voltaje de trabajo en volt
(V), intensidad de la corriente de trabajo en amper (A) y su consumo de energía
eléctrica en watt (W) o kilowatt (kW).
Ya vimos anteriormente que la potencia de un motor eléctrico o de cualquier otro
dispositivo que contenga bobinas o enrollados se puede calcular empleando la
siguiente fórmula matemática
Si conocemos la potencia en watt de un dispositivo o equipo, su voltaje de trabajo y
su factor de potencia, y quisiéramos hallar cuántos ampere (A) de corriente fluyen
por el circuito (digamos, por ejemplo, en el caso de un motor), despejando (I) en la
fórmula anterior tendremos:
Habíamos visto también que una carga capacitiva (compuesta por condensadores o
capacitores) conectada a un circuito eléctrico de corriente alterna provoca el
adelantamiento de la sinusoide de intensidad de la corriente con relación a la
sinusoide de la tensión o voltaje. Esto produce un efecto de desfasaje entre ambas
magnitudes eléctricas, pero ahora en sentido inverso al desfasaje que provocan las
cargas inductivas.
Por tanto, cuando en la red de suministro eléctrico de una industria existen
muchos motores y transformadores funcionando, y se quiere mejorar el factor de
potencia, será necesario emplear bancos de capacitores dentro de la propia
industria, conectados directamente a la red principal. En algunas empresas grandes
se pueden encontrar también motores de corriente alterna del tipo "sincrónicos"
funcionando al vacío, es decir, sin carga, para mejorar también el factor de
potencia.
De esa forma los capacitores, al actuar sobre la sinusoide de la corriente, produce el
efecto contrario al de la inductancia, impidiendo que la corriente (I) se atrase
mucho en relación con el voltaje (V). Así se tratará de que las sinusoides se
pongan en fase y que el valor del factor de potencia se aproxime lo más posible a
“1”.
Banco de capacitores instalados en un circuito
eléctrico de fuerza, con el fin de. mejorar el
coseno de "fi" o factor de potencia en una
instalación industrial.
Potencia contratada y potencia demandada
La “potencia contratada” (la que contratamos en la empresa eléctrica), es la
potencia activa, que debe coincidir o ser superior a la suma total de toda la
carga en kilowatt (kW) instalada en una casa, fábrica, industria, empresa, etc.
Ahora bien, la “potencia demandada” es la que realmente se consume, que
puede ser menor, igual o mayor que la contratada.
Normalmente cuando la demanda o energía que consumimos durante un mes
supera a la energía que hemos contratado previamente en la empresa eléctrica,
éstas penalizan al usuario con una multa o un cobro superior al costo de los
kilowatt que se estipulan en el contrato. Por tanto, la potencia demandada no debe
superar nunca a la potencia contratada.
La foto de la izquierda muestra un metro contador
analógico, que instala la empresa eléctrica cuando
contratamos el servicio eléctrico y que podemos
encontrar todavía en muchos hogares para medir el
consumo o gasto de corriente en kilowatt-hora en
que incurrimos. En la actualidad la mayoría de los
nuevos metros contadores son electrónicos y el
consumo lo muestran en una pantalla digital o
display.
ELECCIÓN DEL SISTEMA DE ALUMBRADO
General
Localizado
General y localizado
Modularizado
Referencias:
Diseño de la Iluminación de Interiores. Mario Raitelli
¿Qué es la electricidad? José A. García A.
Descargar

Diapositiva 1