Electrónica y electricidad

ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Héctor Chévez Gallegos

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Acerca del autor Héctor Chévez Gallegos, estudió la licenciatura en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) del Instituto Politécnico Nacional. Obtuvo la Maestría en Planificación de Empresas y Desarrollo Regional en el Instituto Tecnológico de Oaxaca. Además se especializó en pruebas y mantenimiento a equipo eléctrico. Dentro de la experiencia docente ha impartido diferentes asignaturas en el área de ingeniería a nivel licenciatura en el Instituto Tecnológico de Oaxaca e Instituto Tecnológico de Villahermosa, como son: Sistemas Eléctricos de Potencia, Diseño de Líneas de Transmisión, Diseño de Subestaciones Eléctricos de Potencia, Coordinación de Protecciones en Redes de Distribución, Diseño y Construcción de Redes, Uso eficiente de la Energía, Control de Producción, Electricidad y Electrónica Industrial, Control Estadístico de Calidad, Estudio del Trabajo I, Estudio del Trabajo II, Ingeniería de Calidad, Ingeniería de Materiales entre otras. En el campo laboral se desempeñó en el Laboratorio de física de la UNAM. Fue Supervisor Técnico en la compañía Construcciones en Instalaciones Eléctricas S.A (CIESA) en la ciudad de México. En la Comisión Federal de Electricidad División Sureste, desempeñó en varios cargos como Jefe del departamento de Distribución de Zona, Jefe del área de Líneas de Subtransmisión, Subestaciones Eléctricas. En Oficinas Divisionales fue jefe de Estudios y Sistemas de Distribución en el Departamento de Planeación de Divisional. Es miembro del Colegio de Ingenieros Mecánicos Electricistas.

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Contenido

UNIDAD 1 1.1 Introducción a la electricidad

6

1.2 Conceptos de magnitudes eléctricas

20

1.3 Circuito Eléctrico

26

1.4 Medición de magnitudes eléctricas

27

1.5 Conceptos básicos de las leyes de Ohm, Kirchhoff, Lenz,

28

Faraday y Watts 1.6 Aplicaciones de los conceptos básicos de electricidad

40

UNIDAD 2

2.1 Tipos y características de generadores

55

2.2 Motores de corriente directa y alterna

86

2.3 Transformadores monofásico y trifásico

102

2.4 Reglamento de obras e instalaciones eléctricas R.O.I.E.)

134

2.5 Elementos eléctricos de control industrial (Relevadores)

157

2.6 Aplicaciones

159

UNIDAD 3 3.1 Introducción a la electrónica industrial

164

3.2 Elementos básicos de electrónica analógicos (Diodo, diodo

165

emisor de luz, transistor, SCR, TRIAC). 2

3.3 Elementos básicos de electrónica digital(compuertas lógicas,

187

tablas de verdad, temporizadores, contadores, sumadores) 3.4 Aplicación de los conceptos básicos de la electrónica.

193

UNIDAD 4 4.1 Sensores y transductores eléctricos.

198

4.2 Dispositivo de control eléctrico y electrónico.

202

4.3 Funcionamiento básico del PLC.

210

Glosario

220

Referencias

226

3

Prólogo Este libro es el resultado de más de veinte años de enseñanza, capacitación y asesoría sobre la energía eléctrica. Se ha escrito mucho sobre electricidad y electrónica, pero es difícil encontrar un texto que contenga toda la información del curso, es por ello que esta obra es una herramienta perfecta para que los estudiantes en la materia de Electricidad y Electrónica Industrial puedan reforzar conocimientos fundamentales básicos relacionados con la ley de Ohm, leyes de Kirchhoff, ley de Lenz, ley de Faraday, entre otras. Se aborda también de manera sencilla y breve los diferentes tipos de generación de energía eléctrica; se describen las características y operación de los transformadores de distribución monofásicos y trifásicos, sus conexiones, etc. Se incluye una parte importante de las maquinas rotativas que son los motores eléctricos de corriente directa y de corriente alterna. En las dos últimas unidades se habla sobre los elementos básicos electrónica analógicos, como son los diodos, transistores y aplicaciones en general. Por todo lo anterior, el contenido del presente se pone a disposición de los estudiantes, profesores y personas interesadas, para que consulten y apliquen la información aquí compilada sobre la materia de Electricidad y Electrónica Industrial, en sus respectivas áreas. Cabe mencionar que para este autor es muy importante enriquecerse de cualquier sugerencia u observación que permita la mejora del presente libro. Por último quiero expresar mi agradecimiento a la Academia de Ingeniería Industrial por la autorización y revisión del texto; a la Maestra Juanita Morejón, Presidenta de Academia; al Ingeniero Francisco Feito Pérez, por su paciencia en la revisión del trabajo en la primera edición; a todos los profesores de Ingeniería Industrial y a los estudiantes del área, por su aportación y comentarios sobre el tema.

Héctor Chévez G. Agosto de 2012. 4

Unidad

1

Electricidad básica

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1.1 Introducción a la electricidad En el estudio de la electricidad y de la electrónica se considera principalmente la producción, transmisión o transporte, distribución y utilización de la energía eléctrica y electrónica, así como el uso de la misma en las telecomunicaciones. El aprendizaje de la electricidad y, más concretamente de la electrotecnia, debe constituir para el estudiante el descubrimiento de una ciencia y técnicas esenciales en su nuevo estudio profesional y de trabajo.

Para que este aprendizaje sea a la vez atractivo y riguroso, y se relacione fácilmente con lo que cada día vemos u observamos, se ha optado por un orden que parte de lo práctico y de lo próximo, para ir después hacia fundamentos más teóricos o complejos. Por ello, se inicia el estudio con la electrodinámica, pasando después a la electrostática. El propósito de esta obra de “electricidad y de electrónica industrial” es poner al alcance de los alumnos que cursan la asignatura de electricidad y electrónica en el área de Ingeniería Industrial de los Instituto Tecnológicos y de Universidades. El desarrollo tecnológico de la electricidad, mayormente la electrónica y sus aplicaciones nos han llevado a ser una sociedad basada en el consumo intensivo de la energía.

Leyes de la corriente continua y corriente alterna La electrodinámica El estudio de la electricidad en movimiento se lleva a cabo en aquella parte de la electrología1 a la cual se designa como electrodinámica. En otras palabras la electrodinámica consiste en el movimiento de un flujo de cargas eléctricas que pasan de una molécula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor.

1www.acomas.com(Diccionario

español).

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Para poner en movimiento las cargas eléctricas o de electrones, podemos utilizar cualquier fuente de fuerza electromotriz (fem), ya sea de naturaleza química (como una batería) o magnética (como la producida por un generador de corriente eléctrica), aunque existen otras formas de poner en movimiento las cargas eléctricas. Electrología es un método de depilación permanente. Este proceso, a menudo llamado electrólisis, incluye el envío de una corriente eléctrica muy pequeña a la base del folículo piloso. Una aguja muy fina se inserta en el folículo para entregar la corriente. Esta corriente destruye el folículo para que no pueda crecer un nuevo cabello. Hay tres métodos utilizados en Electrología. El método utiliza la corriente eléctrica galvánica solamente, y se denomina electrólisis de verdad. Alternativamente, el método de termólisis utiliza el calor en lugar de corriente eléctrica para destruir los folículos pilosos. Algunos profesionales prefieren el método combinado, que utiliza tanto electricidad como calor para detener el crecimiento del cabello.2

Breve historia de la electricidad La palabra “electricidad” viene del griego elektron (electrón), que significa ámbar amarillo. Este elemento tiene la propiedad de atraer a los cuerpos más livianos después de haber sido frotada contra ciertos materiales más ligeros. Los griegos ya conocían algunos usos elementales de la electricidad estática en el año 600 A.C. Se le atribuye a Tales de Mileto uno de los siete sabios de Grecia en observar los fenómenos eléctricos cuando al frotar una barra de ámbar con un paño, notó que se atraían pequeños objetos. Los antiguos también descubrieron que una piedra negra pesada atraía con frecuencia al hierro. Esto ocurría con cierta frecuencia en Asia Menor llamada magnesia, a estas piedras se les llama magnetos, imanes o piedra imán magnetita.3

2 3

www.pagerankstudio.com Harper Enríquez (2009). Manual del instalador electricista, p. 15, editorial Limusa, México.

7

A finales del siglo XVI, alrededor del año 1600, Guillermo Gilbert, médico inglés observó que el vidrio, el azufre, algunas resinas y otras substancias tenían la misma propiedad eléctrica del ámbar y fue cuando clasificó los materiales en eléctricos y no eléctricos. En el siglo XVII Otto de Guerike, físico e ingeniero alemán inventó la primera máquina electrostática que consistía en un globo de azufre o de ámbar cubriendo con una mano mientras lo hacía girar rápidamente con la otra. Con esta máquina Guerike percibió el ruido y el fulgor de la chispa lo cual le llevó a especular sobre la naturaleza eléctrica de los relámpagos. Descubrió también el fenómeno de la repulsión eléctrica cuando dos cargas eléctricas de la misma naturaleza se rechazan. En el siglo XVIII por el año de 1773, un francés Carlos Francisco de Cisternay Dufay y el inglés Esteban Gray establecieron algunas ideas sobre la naturaleza de la electricidad mediante la observación del fenómeno de atracción y repulsión que experimentaban los cuerpos electrizados. Dufay observó que un trozo de vidrio eléctricamente cargado atraía objetos también cargados y se repelía con otros objetos cargados, lo que él llamó a este efecto “electricidad vítrea” y “electricidad resinosa”, concluyendo que existían dos tipos de electricidad. Gray quien se mantenía en contacto con Dufay, había logrado dividir como resultado de sus estudios a los cuerpos buenos y malos conductores de la electricidad. Actualmente esta clasificación se conoce como materiales conductores y no conductores. Con el descubrimiento de Gray se pudieron establecer las bases científicas para el diseño del electrómetro o electroscopio. En la segunda mitad del siglo XVIII, Benjamín Franklin realizó estudios sobre fenómenos eléctricos, en 1747 escribe su obra científica “experimentos y observaciones sobre electricidad”, en ella demostró que las nubes están cargadas de electricidad y los rayos son descargas eléctricas. Inventó el pararrayos y encontró que las cargas eléctricas son positivas y negativas. El Dr. Luis Galvani, médico, fisiólogo y físico italiano dio a conocer sus experiencias , sus estudios le permitieron descifrar la naturaleza eléctrica del impulso nervioso. Experimentando con animales, se convenció de que lo que se veía eran los resultados de lo que llamó "electricidad animal". El experimento del Dr. Galvani consistió en observar las 8

convulsiones que sufría una rana muerta en el proceso de disecación al aplicarle una pequeña corriente a la médula espinal, colocada a cierta distancia de una máquina electrostática, la cual al ser tocada con un bisturí en sus sistema nervioso manifestaba contracciones en los músculos de sus miembros inferiores; cada que esto se repetía la máquina sacaba chispa. En realidad lo que Galvani hizo fue demostrar que al aplicar la corriente en uno de los músculos de la rana la corriente se transmitía a través de éstos utilizándolos como conductores.

Alejandro Volta no convencido de los resultados del Dr. Galvani siguió investigando y tomando los trabajos o experimentos de Galvani, desarrolló el estudio de las cargas eléctricas en movimiento, en esta etapa marca el nacimiento de la electrodinámica. Volta desarrolló la primera pila voltaica.

En la época de Franklin los científicos consideraban que la electricidad era un fluido y que podía tener cargas positivas y negativas; pero en la actualidad la ciencia considera que la electricidad se produce por partículas muy pequeñas llamadas electrones y protones.4

Resumen de la historia de la electricidad.5 Tales de Mileto

Nació en la ciudad de Mileto, en el 624 a.C., y murió en el 546a.C. Fue el primero en descubrir la electricidad al frotar el ámbar y adquiere el poder de atracción sobre algunos objetos.

4Mileaf 5

(2005). Electricidad, p.1-3, editorial Limusa, México. Esta cronología fue tomada de varias fuentes en internet y libros de electricidad y electrónica.

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Guillermo Gilbert

Médico y físico nació en Inglaterra en 1540, murió en 1603.Fue uno de los primeros en realizar experimentos con la electrostática y el magnetismo, clasificó los materiales en conductores y aislantes e ideó el primer electroscopio. Descubrió la imantación por influencia, y observó que la imantación del hierro se pierde cuando se calienta al rojo. Estudió la inclinación de una aguja magnética concluyendo que la Tierra se comporta como un gran imán.

Otto de Guerike

Físico alemán, nació en 1602 y murió en 1686). Inventó la primera máquina electrostática. Investigó sobre la naturaleza de los relámpagos y fue uno de los primeros en afirmar que puede predecirse el retorno de los cometas.

Esteban Gray

Nació en 1666 y murió en 1736. Observó los tipos de materiales, los que conducen energía y los que no (bueno o malo), estableciendo las bases científicas para el diseño del electrómetro o electroscopio.

Charles Francois de

Físico francés, nació en París en 1698 y murió en 1739.

Cisternay Dufay

Descubrió la existencia de dos clases de electricidad, positiva y negativa, puso de manifiesto la repulsión entre cuerpos cargados de electricidad del mismo signo.

Benjamín Franklin

Nació el 17 de enero de 1706 en Boston, Massachusetts y murió en 1790.Fue un prolífico científico e inventor. Además del pararrayos, inventó también el llamado horno de Franklin o chimenea de Pensilvania. Estudió también las corrientes oceánicas calientes de la Costa Este de Norteamérica.

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Joseph Priestley

Nació en Hackney, Inglaterra, en 1733 y muere en 1804. Entre sus experimentos, destacó el que le llevó a aislar, por primera vez, el oxígeno (1774), demostró que la carga eléctrica se distribuye uniformemente en la superficie de una esfera hueca, y que en el interior de la misma, no hay un campo eléctrico, ni una fuerza eléctrica.

Charles Augustin de

Físico e ingeniero francés, nació en Angulema, Francia, 14

Coulomb

de junio de 1736 y murió en París Francia el 23 de agosto de 1806. Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Entre sus teorías y estudios está la teoría de la torsión recta y un análisis de falla del terreno dentro de la mecánica de suelos.

Luigi Galvani

Médico, fisiólogo y físico nació en Bolonia, Italia en 1737 y muere en 1798.Construyó la primera máquina electrostática. Dio a conocer su “electricidad animal”.

Alessandro Volta

Conocido como Alejandro Volta, físico italiano nació 1745 y murió en 1827. Famoso principalmente por haber desarrollado la pila eléctrica en 1800, capaz de producir corriente eléctrica.

André Marie Ampere

Niño prodigio, nació en Lyon, Francia, en 1775 y muere en Marsella, Francia, en 1836. Establece los principios de la electrodinámica, cuando llega a la conclusión de que la Fuerza Electromotriz es producto de dos efectos: La tensión eléctrica y la corriente eléctrica

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Hans Chistian Oesterd

Físico y químico danés, nació en Rudkobing, Dinamarca en 1777 y murió en Copenhague, 1851.Encontró la relación que existe entre la electricidad y el magnetismo. Observó que un campo eléctrico influía sobre un imán. Y así se demostró que un conductor eléctrico por el que circula una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético.

Georg Simón Ohm

Físico y matemático alemán, nació el 16 de marzo de 1789 y murió en 1854.Estudió la relación que existe entre la intensidad de una corriente eléctrica, su fuerza electromotriz y la resistencia, conocido como la ley de Ohm.

Samuel Finley Morse

Nace en Boston, Massachusetts, Estados Unidos, en 1791 – y fallece en Nueva York, en 1872. Inventó el telégrafo y la Morsa de banco con el método de transmisión ideado por él.

Michael Faraday

Nace en Newington, Gran Bretaña en 1791 y muere en 1867. Faraday descubrió que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algún medio mecánico en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera y este produce una circulación de corriente.

Charles Wheatstone

El puente de Wheatstone instrumento eléctrico inventado por Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Carlos Wheatstone en 1843.Inventó el estereoscopio, un telégrafo gráfico y un péndulo electromagnético.

Heinrich Friederich

Físico ruso nació en Dorpat en 1804 y murió en Roma en

Lenz

1865.Basándose de la ley de Faraday, Lenz estableció la relación que resulta en la transformación electromecánica. La ley de Lenz, nos dice que en todos los casos de inducción 12

electromagnética, un voltaje inducido puede causar que circule una corriente en un circuito cerrado, de manera tal que la dirección del campo magnético producido por la corriente, se opondrá al cambio producido por la corriente.

James Prescott Joule

Físico inglés, nació en Salford, Mánchester en 1818 murió en 1889. Descubrió el efecto Joule o generación de calor al paso de una corriente eléctrica, enunció la Ley de Joule. Fue el fundador experimental de la teoría mecánica del calor y determinó los equivalentes mecánico y eléctrico de la caloría.

León Foucault

Historiador y filósofo francés nació en1926 y murió en1984.Demostró experimentalmente la rotación terrestre mediante un enorme péndulo (péndulo de Foucault) que se balanceaba en el observatorio de París. Otras contribuciones, midió la velocidad de la luz, hizo las primeras fotografías del Sol e inventó el giroscopio. Demostró la rotación de la tierra, mediante su famoso péndulo y midió la velocidad de la luz, mediante espejos giratorios.

Gustav Robert

Nació en Königsberg, Prusia (actualmente Kalingrado Rusia)

Kirchhoff

en 1824y fallece en Berlín en1887. Formuló las leyes que lleva su nombre sobre los voltajes y corrientes (ley de los nodos y ley de las mallas) y las tres leyes de la espectroscopia (emisión de luz por objetos incandescentes).

James Clerk Maxwell

Nació en Edimburgo, Escocia en 1831 y muere en Cambridge, Inglaterra, en1879. Desarrolló la teoría electromagnética clásica. Demostró que era posible realizar fotografías en color utilizando una combinación de filtros rojo, verde y azul.

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Descubrió las ecuaciones llamadas ecuaciones de Maxwell, y que se definen como las relaciones fundamentales entre las perturbaciones eléctricas y magnéticas.

George Westinghouse

Nació en Nueva York en 1846 y fallece en 1914.Fue el principal responsable para la introducción de la corriente alterna para el suministro de energía eléctrica en Estados Unidos. Fundó en Pittsburgh la "Westinghouse Electric & Manufacturing Company”.

Alexander Graham

Nació en Edimburgo, Escocia, en el año 1847.Inventor del te-

Bell

léfono. En 1872 fundó una Escuela de Formación de Profesores para Sordos. Contribuyó al desarrollo de las telecomunicaciones y la tecnología de la aviación. Murió en 1922, dejó dieciocho patentes a su nombre.

Thomas Alva Edison

Nació en Milán, Ohio, EE.UU. en 1847 y murió en West Orange, Nueva Jersey, EE.UU. en 1931. Fue empresario y un prolífico inventor. Inventó el fonógrafo y la lámpara incandescente, aunque este último dicen que únicamente fue perfeccionado por él.

John Hopkinson

Ingeniero Mecánico, nació en Manchester, Inglaterra en1849 y falleció en Suiza en1898. La contribución más importante de Hopkinson fue su sistema de distribución de tres hilos, patentado en 1882. En 1883 Hopkinson demostró matemáticamente que es posible conectar dos dínamos de corriente alterna en paralelo.

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Nicola Testa

Ingeniero mecánico e ingeniero eléctrico, inventor. Nació en Smiljan (Croacia) en 1856 y murió en nueva York en 1943.Inventor de la radio. Desarrollo trabajos en electromagnetismo e ingeniería electromecánica. Contribuyó en gran medida al desarrollo de la robótica, el control remoto, el radar, las ciencias de la computación, la balística, la física nuclear y la física teórica.

Heinrich Rudolf Hertz

Físico alemán, nació en Hamburgo en 1857 y murió en 1894

(1857-1894)

a la edad de 37 años. Basándose en las ecuaciones de Maxwell, intuyó la existencia de las ondas electromagnéticas, aunque nunca pudo comprobar nada. Por medio de un oscilador elemental demostró en la práctica las predicciones de Maxwell, donde se decía que las ondas electromagnéticas no solo se propagan a través del espacio sino que poseen propiedades de reflexión refracción, polarización e interferencia y que se propagan a la velocidad de la luz.

Guglielmo Marconi

Ingeniero eléctrico nació en Bolonia en 1874 y murió en

(1874-1937)

Roma en 1937, desarrolló un sistema de telegrafía o radiotelegrafía sin hilos y obtuvo el premio nobel de física en 1909.

Edwin Howard Arms-

Ingeniero eléctrico, nació en Nueva York en 1890 y murió en

trong (1890-1954)

1954, Armstrong inventó la radio en frecuencia modulada (FM). También inventó el circuito regenerativo.

Joseph Henry(1797-

Físico estadounidense nació en Albany (Nueva York), cono-

1878)

cido por su trabajo acerca del electromagnetismo, en electroimanes y relevadores. Fue fundador del Renselaer Polytech-

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nical Institute. Descubrió la inducción electromagnética después de Faraday. Descubrió el telégrafo en 1831. A la unidad de inductancia se le llamó Henrio en su honor.

Composición de la materia La materia según el diccionario es cualquier substancia extensa e impenetrable, susceptible a toda clase de formas y por supuesto ocupa un lugar en el espacio; por ejemplo la tierra, el sol, el mar, etc. La palabra materia deriva del latín mater, madre. Se encuentran en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Cualquiera que sea su estado físico está formado por partículas denominadas moléculas. Las moléculas están constituidas por combinaciones de tipos diferentes de partículas mucho muy pequeñas llamadas átomos. Un átomo es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Los átomos están formados por un núcleo que contiene dos tipos de partículas: protones, los que tiene carga eléctrica positiva y los neutrones sin carga eléctrica. Ambas partículas tienen una masa similar. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones que tienen carga eléctrica negativa y una masa mucho más pequeña que la de los protones y neutrones. Para comprender de una manera más clara lo que es el átomo, se puede hacer una semejanza con el sistema planetario en el que el núcleo está en el centro y los electrones giran a su alrededor. En este caso los planetas giran en trayectorias establecidas alrededor del sol, estas trayectorias reciben el nombre de órbitas. En los átomos se cuenta con un núcleo alrededor del cual se desplazan en órbitas definidas, pequeñas partículas que son los protones, electrones y los neutrones. La acumulación de electrones en un cuerpo caracteriza la carga eléctrica del mismo y son numerosos a pesar de que los electrones libres constituyen una pequeña parte del número de electrones presentes en la materia.

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El núcleo de cada átomo está formado a su vez por protones y neutrones. Lo podemos imaginar como un racimo de partículas, pues neutrones y protones se encuentran en contacto unos con otros. Los electrones tienen carga eléctrica negativa (-e), los protones la misma carga, pero positiva (+e), y los neutrones no tienen carga. Los núcleos son por consiguiente positivos. La fuerza fundamental que mantiene a los electrones unidos a su respectivo núcleo es la eléctrica; sabemos que cargas opuestas se atraen y cargas del mismo signo se repelen. Figura 1.1 Imagen del átomo.

Fuente: Floyd Thomas (2005). Dispositivos electrónicos. Editorial Limusa, México, 28.

Los átomos se componen de neutrones, que son eléctricamente neutros, protones que están cargados positivamente y electrones que tienen carga negativa. Los protones y neutrones constituyen casi toda la masa de un átomo, éstos residen en el núcleo atómico, cuyo tamaño es infinitesimalmente pequeño (tabla 1.1).

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Los átomos normalmente son eléctricamente neutros, pues el número de electrones orbitales es igual al número de protones en el núcleo. A este número se le denomina número atómico, se representa con la letra Z (del alemán: Zahl, que quiere decir número) y distingue a los elementos químicos. Ahora bien, los electrones orbitales se encuentran colocados en capas. La capa más cercana al núcleo es la capa K; le siguen la capa L, la M, la N y así sucesivamente. Una clasificación de los elementos la constituye la tabla periódica, en que a cada elemento se le asocia su correspondiente Z (véase la figura 1.2). En la tabla 1.1 se dan ejemplos de algunos elementos ligeros, incluyendo el número de electrones que corresponde a cada capa; la capa K se llena con 2 electrones, la L con 8, etc. Tabla 1.2 Configuración electrónica de los elementos

Fuente: http://bibliotecadigital. Ibíd., p.2

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Se conocen más de 100 elementos. Nótese que nombrar el elemento equivale a establecer su número atómico.6 Si por algún proceso físico un electrón se separa de su átomo correspondiente, se dice que sucede una ionización. El átomo resultante, ahora con una carga neta positiva, se llama ion positivo, o átomo ionizado. La ionización puede tener lugar en cualquiera de las capas atómicas, denominándose ionización K, L y M. Cuando sucede una ionización de capa interna, como la K, queda un espacio vacante en la capa. El átomo tiene la tendencia entonces a llenar este lugar con un electrón de una capa externa. Al suceder esto, hay una emisión de radiación electromagnética (luz visible, rayos ultravioleta, o rayos X), como lo muestra la figura 1.2. Figura 1.2 Posible ionización en la capa K, un electrón de la capa L.

Fuente: bibliotecadigital. Íbid, p.3.

Los electrones en las orbitas más alejadas del núcleo están débilmente ligados al núcleo como es el caso de M que los más cercanos al núcleo, debido a la fuerza de atracción entre el núcleo cargado positivamente y los electrones cargados negativamente disminuye al aumentar la

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http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_4.htm

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distancia. Cuando un átomo absorbe energía de una fuente calorífica o de la luz los niveles energéticos de los electrones se elevan, es lo que se llama ionización.

1.2 Conceptos de magnitudes eléctricas Carga eléctrica La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas, que las caracteriza y por la cual sufren la interacción electromagnética, lo constituye el electrón y protón. Al ser de una unidad tan pequeña, se establece como unidad de carga eléctrica el coulomb ( q ), que equivale a la carga de 6.23 x 1023 electrones; pero es 1840 veces más ligero que el protón. Los electrones son más fáciles de mover. Se ha dicho que los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo de un átomo y tienen cargas eléctricas negativas. Figura 1.3 Niveles energéticos y distancia al núcleo.

Fuente: Floyd Thomas (2005). Ibíd., 30.

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Ley de las cargas eléctricas El estudio de las cargas eléctricas en reposo recibe el nombre de electrostática, la electricidad es una forma de energía llamada energía estática, es una energía almacenada que puede ser aprovechada en cualquier momento para hacer un trabajo. Las cargas eléctricas dan lugar a lo que se conoce como campo eléctrico, lo cual se puede manifestar experimentalmente. Debido a la forma en que interactúan estos campos, las partículas cargadas pueden atraerse o repelerse entre sí. La ley de las cargas eléctricas establece que las partículas que tienen cargas del mismo signo se repelen y las que tienen cargas diferentes, se atraen.

Ley de Coulomb En 1736 nace un hombre de ciencia llamado Charles Augustin (Carlos Agustin) de Coulomb quien experimentó con cargas electrostáticas formuló la ley de atracción electrostática, que se conoce Ley de Coulomb: “La fuerza que se ejerce entre dos cuerpos cargados de electricidad separados por aire, es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente entre ellos”

Si se consideran dos cargas q1 y q2, concentradas en dos puntos separados por aire y a la distancia d, la ley de Coulomb se expresa por F = k (q1 q2/d2) unidades de fuerza 21

donde: F = magnitud de la fuerza (electrostática) entre las cargas eléctricas q1 y q2 en N k = constante de proporcionalidad (en vacío es 9x109) q1, q2 = cargas eléctricas de las dos partículas en Coulomb (q ) d = distancia de separación entre los cuerpos o partículas en metros ( m )

Energía del electrón Se ha dicho que todos los electrones tienen carga negativa, pero no todos los electrones tienen el mismo nivel de energía. Los electrones orbitan al núcleo a ciertas distancias de él. Los electrones cercanos al núcleo poseen menos energía que los que orbitan más distantes. Cuanto más lejanas estén las órbitas electrónicas del núcleo, mayor será su energía.7Cada distancia discreta (órbita) al núcleo corresponde a un cierto nivel energético. En un átomo las órbitas se agrupan en bandas magnéticas conocidas como capas. Un átomo dado posee un número fijo de capas, cada capa tiene un número máximo fijo de electrones en niveles energéticos permisibles (órbitas). Las diferencias en niveles energéticas dentro de una capa son mucho menores que las diferencias en energía entre las capas.

Conductores y aislantes Para que pueda existir una corriente eléctrica a través de un conductor se debe a la posibilidad de que los electrones periféricos de sus átomos pueden dejar el átomo debido a alguna influencia externa. Y la facilidad para que esto ocurra depende de lo alejado del núcleo que estén los electrones periféricos, ya que la fuerza de atracción que ejerce el núcleo sobre ellos disminuye con la distancia. Los materiales son los mejores conductores de electricidad cuando menos electrones periféricos tengan sus átomos y más alejados se encuentran del núcleo en general los que tienen muchos electrones libres. Los átomos de los conductores tienen sólo 1 o 2 electrones de valencia.

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Floyd Thomas (2005). Dispositivos electrónicos, editorial Limusa México, p.29.

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Los conductores pueden dividirse en tres clases: metálicos, electrolíticos y gaseosos. Los mejores conductores son los metálicos entre los que se encuentran el oro, la plata, el cobre y aleaciones. Entre los conductores electrolíticos están las soluciones de ácidos, bases y sales. Los electrolíticos tienen una conductividad variable, pero sólo en el sentido electrolítico. Los materiales aislantes de la electricidad, aquellos que debido a su estructura atómica no dan lugar a una circulación ordenada de electrones y prácticamente no permiten el paso de la corriente de allí el término aislante.8Como ejemplo se puede mencionar el vidrio, la cerámica y los plásticos. Se puede decir que un conductor eléctrico es un material que ofrece pequeña o nula resistencia al paso de los electrones y un aislante eléctrico es el que presenta resistencia a la corriente eléctrica.

Ley de ohm La importancia que tiene la electricidad en nuestra vida individual y colectiva se ha hecho tan evidente que no es preciso ponderarla. Desde hace mucho tiempo ciudades y pueblos enteros por pequeños que sean necesitan energía eléctrica para su alumbrado, sus transportes, su abastecimiento de agua, sus ascensores, sus comunicaciones, para la industria, incluyendo automóviles no pueden funcionar sin energía eléctrica para el encendido. La energía eléctrica se puede transportar económicamente a grandes distancias para utilizarla donde sea más conveniente, como en los centros de población, en los trenes eléctricos, en las fábricas y en los centros industriales. El uso que se le da a la energía es muy variado, se puede usar en maniobras de ascensores, accionamiento de máquinas eléctricas, hornos eléctricos y la iluminación. Los numerosos usos y aplicaciones de la electricidad pueden conseguirse solo si se posee un conocimiento completo de las leyes de la corriente eléctrica, sus relaciones con el magnetismo, así como la manera de producirla y de obtener efectos electromecánicos y electroquímicos.

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Hermosa A. (2009). Principios de electricidad y electrónica I, editorial Alfaomega, México, p. 15.

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A principios del siglo XIX, el físico alemán Georg Simón Ohm realizó muchos experimentos sobre la electricidad, hizo varios descubrimientos importantes acerca de la resistencia eléctrica. En su honor, la unidad de resistencia se le ha llamado ohm. Se dice que un conductor tiene una resistencia de un ohm cuando una fuerza electromotriz (fem) de 1 volt produce el flujo de una corriente de 1 ampere a través de ese conductor. La ley de Ohm constituye el fundamento del cálculo de los circuitos eléctricos y electrónicos. Por medio de esta ley se pueden calcular la resistencia, la corriente y la tensión o voltaje.

Resistencia eléctrica La corriente eléctrica que circula por un conductor no depende solamente de la fuerza electromotriz aplicada en sus terminales, sino también de las propiedades del mismo. Por ejemplo si un conductor de cobre se conecta a las terminales de una pila se produce una corriente a lo largo del conductor. Si hay un contacto deficiente en una de las terminales de la pila la corriente será menos intensa, aun cuando la fuerza electromotriz (fem) o tensión permanece constante. También en el punto del contacto deficiente habrá disipación de calor. Del mismo modo si se intercala una lámpara incandescente en el circuito formado por el conductor de cobre, el filamento de la lámpara se calentará y podrá ponerse incandescente; la corriente en el circuito disminuirá. En ambos casos, el calor se manifiesta especialmente en los puntos en que están intercalados los elementos que son peores conductores. También en ambos casos disminuye la corriente por el hecho de haber intercalado un medio menos conductor, siempre que la fem permanezca constante. Esta propiedad del circuito eléctrico que tiende a oponerse a la corriente y que al mismo tiempo es causa de transformación de la energía eléctrica en calor recibe el nombre de resistencia.

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La corriente eléctrica El movimiento de electrones libres o en movimiento es lo que se llama corriente eléctrica, la que produce luz y calor, además de que proporciona la energía eléctrica para hacer funcionar los motores, calefactores, calefactores, radios, televisores, etc.; de la misma manera que ocurre con la fuerza magnética, no nos resulta visible, pero su existencia queda claramente manifiesta por los efectos que produce.

La corriente o intensidad eléctrica es el movimiento o flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material y se puede definir de la siguiente manera: “es la circulación ordenada de electrones libres a través de un conductor”. Para que este movimiento se lleve a cabo es necesario disponer de una fuerza electromotriz o tensión que impulse a los electrones para hacerlos fluir: 1) Establecer previamente el recorrido que seguirán estos electrones en el circuito eléctrico. 2) Definir los usos a los cuales se destinará el flujo eléctrico y colocar los elementos necesarios en el recorrido que realizará este flujo para aprovecharlo. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro, calibrado en amperes, se llama ampérmetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir. Las unidades de medida de la corriente eléctrica se le designa ampere y se abrevia con la letra I. Cuando esta unidad es muy grande se utiliza el miliampérmetro que es una milésima de ampere o el microampere que es una millonésima de ampere. La resistencia de un conductor determina cuanta corriente fluirá a través del conductor cuando se conecta a una fuente de tensión. Hay que tomar en cuenta en relación con el flujo de corriente. Uno de ellos es la resistencia del conductor permita el flujo de cierta cantidad de corriente, no pueda fluir más corriente de la que la fuente pueda emitir o transportar. Las fuentes tienen un límite de seguridad de corriente máxima que pueden alimentar o transportar antes de que se queme el conductor.

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El segundo factor que debe considerase es la cantidad de corriente que el conductor pueda transmitir sin peligro; tomar en cuenta que la corriente eléctrica calienta el conductor y la cubierta aislante puede dañarse y hasta quemarse totalmente.

Fuerza electromotriz o tensión(fem) Para conseguir que la corriente circule entre dos puntos es necesario que exista una diferencia de potencial, se puede llamar fuerza electromotriz o tensión (fem). La fuerza electromotriz es la energía que proviene de cualquier fuente, medio que suministre corriente eléctrica. Para ello se requiere que exista una diferencia de potencial entre dos puntos o polos, uno positivo y otro negativo. La unidad de esta fuerza es el volt. También puede designarse fuerza electromotriz como una presión o una tensión eléctrica. Se utiliza el término baja tensión las mediciones que se hacen a todos los equipos conectados en baja tensión. Existen tensiones o voltajes de media y alta tensión que se verá más adelante.

1.3 Circuito eléctrico Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones. Los generadores son dispositivos o elementos capaces de mantener una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor, dentro de estos se encuentran las plantas de generación, acumuladores (corriente continua), subestaciones eléctricas, líneas de transmisión y distribución, protecciones eléctricas, interruptores, transformadores de potencia y de distribución, entre otros. Se ha mencionado que en el estudio de la electricidad se considera principalmente la producción, la transmisión y la distribución de la energía eléctrica. Algunos suelen tratar la electricidad en reposo, llamada también electricidad estática, es la electricidad en movimiento o sea la corriente eléctrica, la que más importancia tiene en electro-

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tecnia. Si se desea conocer la potencia consumida en una parte de un circuito eléctrico, sólo es necesario intercalar un ampérmetro para medir la corriente en esa parte del circuito, y aplicar un vóltmetro para medir las tensión a los extremos de esa parte del circuito; el producto de la lectura del ampérmetro por la lectura en el vóltmetro da directamente la potencia en watt. Debido a la semejanza de las corrientes de agua con las corrientes eléctricas, muchas veces nos valemos de ellas para comprender lo relativo a la circulación de la corriente Figura 1.5 Circuito eléctrico

Fuente: elaboración del autor.

en los conductores eléctricos.9Cuando se considera el flujo de electricidad deben tenerse siempre en cuenta tres factores: 1. Corriente de flujo de electricidad a lo largo de un conductor. 2. Tensión, lo que causa la circulación de la corriente. 3. Resistencia, lo que se opone a la circulación de la corriente.

1.4 Medición de magnitudes eléctricas La importancia de los instrumentos eléctricos de medición es muy satisfactoria, ya que mediante el uso de ellos se miden e indican magnitudes eléctricas, como corriente, carga, potencial y energía, o las características eléctricas de los circuitos, como la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia. Además permiten localizar las

9Timbie

H.W. (1958). Curso básico de electricidad. Editor José Montesó Buenos Aires, p.2

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causas de una operación defectuosa en aparatos eléctricos en los cuales, no es posible apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un aparato mecánico. Figura 1.6 Circuito eléctrico (existe resistencia, corriente y tensión)

Fuente: apuntes del autor.

La información que suministran los instrumentos de medición eléctrica se da normalmente en una unidad eléctrica estándar: ohm, volt, ampere, coulomb, henry, farad, watt, joule, etc. Si se desea determinar la tensión necesaria para hacer circular una corriente a través de un conductor, se utiliza la ley de Ohm de la siguiente forma. Tensión en volt( V ) = corriente en ampere( A ) x por resistencia en ohm( ohm)

1.5 Conceptos básicos de las leyes de Ohm, Kirchhoff, Lenz, Faraday y Watt Ley de Ohm. Corriente La corriente en un circuito es igual al cociente entre la tensión y la resistencia. Corriente en ampere( A ) = Tensión en volt( V ) / resistencia en ohm( R )

Ley de Ohm. Tensión Si se desea determinar la tensión necesaria para hacer circular una corriente a través de un conductor, se utiliza la ley de Ohm de la siguiente forma. Tensión en volt( V ) = corriente en ampere(A ) x por resistencia en ohm( R ) 28

Ley de Ohm. Resistencia A veces se desea limitar la corriente en un aparato a cierto valor, si se conoce la corriente y se conoce la tensión, se utiliza la ley de Ohm para calcular la resistencia. Resistencia en ohm(R) = Tensión en volt( V ) / corriente en ampere( A ) La ley de Ohm se usa en las tres formas no es propiamente una ecuación matemática, es una proporción y podemos memorizarlos fácilmente, utilizando una forma diagramática donde se oculta el símbolo que se desea encontrar. Figura 1.7 Ley de Ohm

E

E= tensión en volt I = corriente en ampere R = resistencia en ohm

I

R

Fuente: elaboración del autor.

Leyes de Kirchhoff Las leyes Kirchhoff fueron enunciadas por primera vez en 1845 por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos y son utilizados ampliamente en ingeniería eléctrica.

Cuando se conectan entre sí dos o más elementos simples de circuito, se origina un conjunto que recibe el nombre de red. Si esa red contiene por lo menos un camino cerrado, entonces recibe el nombre de circuito. Si por otro lado, una red contiene una o más fuentes de tensión o de corriente, recibe el nombre de red activa. Para realizar el análisis de un circuito, la determinación de las relaciones entre tensiones y corrientes en cada uno de los elementos que lo constituyen, se considera que los conductores que conectan entre sí a los elementos tienen resistencia nula y que los elementos son concentrados. Las leyes mencionadas reciben el nombre de ley de los nodos y ley de las mallas. 29

La ley de los nodos de Kirchhoff Establece que: “la suma algebraica de las corrientes que entran a un nodo cualquiera de un circuito, es igual a cero en cualquier instante”, matemáticamente de la siguiente manera: ∑ I entran = ∑ I salen En el nodo de la figura 1.9 se ve que entran las corrientes i1, i2, i3 e i4 4

Σ in = i1 + i2 + i3 + i4 = 0 n=1

En esta ecuación implica que necesariamente algunas de las corrientes tienen signo negativo o, en otras palabras, un sentido de circulación contrario al que se muestra en la figura 1-9, pues el nodo no puede estar almacenando carga, ni ésta puede estarse destruyendo. Por convención, se asignará un signo positivo a las corrientes que entran al nodo y negativo a las que salen. Figura 1-8 Ley de Kirchhoff de nodos.

Fuente: elaboración del autor.

La ley de las tensiones de Kirchhoff Esta ley establece que: “la suma algebraica de las tensiones en el circuito, cualquiera que sea la naturaleza de los componentes, para un instante cualquiera, calculadas al recorrer un camino cerrado cualquiera, es igual a cero”.

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Figura 1-9 Ley de Kirchhoff de tensiones.

Fuente: Serway (1997). Electricidad y magnetismo, editorial Mac Graw Hill. México, p.41

Considerando el circuito de la figura 1-10 constituido por cuatro resistencias y una fuente. En este circuito se pueden establecer tres caminos cerrados diferentes. El primero formado por la fuente y las resistencia R1, R2 y R3; el segundo formado por la fuente y por las resistencias R1, R2 y R5 y el tercero, formado por R3 y R5. Para cada camino cerrado o malla, se puede considerar una corriente ficticia, llamada corriente de malla, que se supondrá circulando a través de todos los elementos que constituyen cada malla. Las corrientes que circulan realmente a través del circuito son las corrientes de rama, cuya relación con las corrientes de malla es simple. Si la rama es externa Ambas corrientes son iguales como en el caso de las resistencias R1 y R5 del circuito de la citada figura 1-10. Si la rama pertenece a dos mallas adyacentes, la corriente de rama es igual a la suma algebraica de las corrientes de las dos mallas, como es el caso de la resistencia R3 de ese mismo circuito.

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Figura 1-10 Ejemplo Ley de Kirchhoff de tensiones.

Fuente: González Aguilar F. (1987) Introducción al análisis de circuitos, editorial Limusa, México,p.66.

Ley de Lenz De acuerdo con los trabajos de Faraday, Heinrich Friederich Lenz, estableció en el año de 1833 una relación que resulta básica en la transformación de la energía electromecánica. Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se oponga a la variación del flujo magnético que las produjo. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:

donde: Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI(sistema internacional) es el weber (Wb). 32

B = Inducción magnética. La unidad en el SI(sistema internacional)es el tesla (T). S = Superficie del conductor. α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo. Figura 1.11 Un imán que se mueve hacia el lazo conductor estacionario induciendo corriente en a y b.

Fuente: Serway A. Raymond (2001).Ibíd., p.269.

En la figura 1.11, cuando el imán se mueve hacia el lazo conductor estacionario, se induce una corriente en la dirección que se señala(a). La corriente inducida produce su propio flujo hacia la izquierda para contrarrestar el flujo externo creciente hacia la derecha. La ley de Lenz, se puede enunciar: “Un cambio en la corriente produce una fuerza electromotriz (Fem), cuya dirección es tal que se opone al cambio de la corriente”. 10

Ley de Faraday El físico y químico británico Michael Faraday en sus estudios de electromagnetismo y electroquímica, descubrió el efecto de la inducción electromagnética. Ha servido de base para la construcción de generadores y motores eléctricos. En 1831 Faraday experimentó que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algún

10Mileaf

Harry (2005). Electricidad serie 1-7 editorial Limusa. México, p. 3-49.

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medio mecánico, en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera y este produce una circulación de corriente. En base a este descubrimiento sobre la inducción electromagnética se le dio el nombre ley de Inducción de Faraday, y puede escribirse con la fórmula:

Figura 1.12 Campo magnético en un circuito cerrado.

Fuente:Serway A. Raymond (2001) op. Cit., p.262.

Esta ecuación señala que que el voltaje inducido es directamente proporcional a la velocidad con la que cambia el flujo magnético que atraviesa una superficie con el circuito como borde. Cuando se energiza un conductor, la corriente crea un campo magnético, esto es una consecuencia del principio de la conservación de la energía. De acuerdo con las investigaciones de Faraday, se supo también el hecho de que el magnetismo se puede generar por una corriente eléctrica que pasa a través de una bobina y que los polos iguales de un imán se repelen, en tanto los contrarios se atraen. Estos fenómenos, asociados a ciertas reglas y leyes eléctricas, constituyen la base para el estudio de los generadores y motores eléctricos. La ley de Faraday se puede enunciar como “el voltaje inducido en una espira o bobina de un conductor, es proporcional al índice de cambio de las líneas de fuerza que pasan a través de una bobina”.11

11Fuente:

Harper E.(2001, op. Cit. , p.19

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Potencia y energía eléctrica La potencia eléctrica se puede definir como la capacidad de realizar un trabajo que tiene la electricidad. La energía puede ser aplicada o gastada en una forma lenta o bien puede suceder que dicha energía se manifieste en su totalidad de una manera violentísima, en cuyos dos casos se producen dos magnitudes de potencia, si las cantidades de energía puestas en juego son iguales.

Para establecer las características de un aparato eléctrico, se acostumbra a dar, no solamente el valor de la tensión sino también el valor de la energía que consume o produce. Este valor de energía consumida por unidad de tiempo se llama potencia y se mide en watt o kilowatt. Cuando se hable de una lámpara de 100 watt con una tensión de 120 volt. En los aparatos electrodomésticos la mayor o menor energía que consumen, se expresa por el término de potencia, ya se dijo que la unidad es el watt. También se pueden obtener otro tipo de energía, por ejemplo la energía mecánica para mover las turbinas de una planta hidroeléctrica, además el agua que se encuentra almacenada en las presas posee capacidad de realizar un trabajo. En las plantas de combustión interna, también se realiza trabajo mecánico, y por medio de la combustión se convierte en energía. Figura 1.13 Relaciones de Faraday.

Fuente: Harper E.(2001)op. cit, p.19

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Diferentes expresiones de la potencia Así como la ley de Ohm, puede expresarse en tres formas: 1) I = E/R, 2) E = IR, 3) R = E/I, También puede expresarse con la ecuación de potencia P = IR, puede tener tres formas como se indica a continuación: - Como E = IR, puede sustituirse en la ecuación de P = IE, obteniéndose P = I ( IR ) = I2 R - En forma similar, debida a que I = E/R, puede sustituirse en la misma ecuación y se tiene: P = (E/R) E = E2 / R - Estas tres ecuaciones son las diferentes expresiones de la potencia: P = E/R = I2 R = E2 / R Conociendo estas fórmulas, se ahorra trabajo matemático, aplicando directamente la fórmula adecuada a cada problema. Si se conoce la tensión y la corriente se aplica la fórmula P = E/R; cuando se conoce la corriente y la resistencia se aplica I2 R; y cuando se conoce la tensión y la resistencia se aplica E2 / R.

Determinación de la potencia eléctrica en un circuito eléctrico Si se desea conocer la potencia consumida en un circuito o una parte de un circuito eléctrico, lo que se hace es intercalar un ampérmetro para medir la corriente en ese circuito o en esa parte del circuito y aplicar un vóltmetro para medir la tensión a los extremos de esa parte medida; el producto de la lectura del ampérmetro por la lectura en el vóltmetro da directamente la potencia en watt. Esto en forma de ecuación se establece: Watts (consumida en el circuito) = volt (aplicados al circuito) x los ampere (la corriente en el circuito). Las mismas precauciones que se toman para aplicar la ley de Ohm deben tenerse al aplicar la fórmula de la potencia, es decir, que la tensión y la corriente deben medirse en esa parte o en todo ese circuito.

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Kilowatt y caballo de vapor Debido a que el watt es una unidad demasiado pequeña para expresar convenientemente la potencia útil de las máquinas modernas, se utiliza generalmente una unidad mil veces mayor igual a 1000 watt llamada kilowatt.

Trabajo Si se desea obtener el trabajo desarrollado por una máquina es necesario conocer el tiempo que ha funcionado y la potencia que ha estado desarrollando. Si la potencia se mide en caballos-vapor y el tiempo en horas, el trabajo se medirá en caballos-hora y es el producto de los caballos-vapor por las horas. Ahora si la potencia se mide en kilowatt y el tiempo en horas, el trabajo se medirá en kilowatt-horas y es el producto de los kilowatt por las horas. Cuando una persona utiliza energía para funcionar su fábrica, debe pagar no solamente por la potencia utilizada, sino también de acuerdo con el número de horas que utilice esa potencia.

Energía eléctrica y energía térmica La corriente eléctrica que circula por una resistencia produce una pérdida de energía en forma de calor. En los aparatos eléctricos proyectados como calentadores esta energía eléctrica transformada es útil y deseable. En otros aparatos las corrientes eléctricas se utilizan para producir movimiento, como en los motores eléctricos; para producir luz como en una lámpara. Todos estos aparatos tienen resistencia eléctrica, así también en los conductores conectados a ellos, por lo que la corriente desarrollará calor en ellos además del movimiento mecánico o de iluminación. Como resultado se tiene que ninguno de estos aparatos transforma totalmente la energía que recibe de la línea; parte de la misma se pierde en calor. Este calor se produce al vencer la resistencia eléctrica, así como se produce calor en una máquina al vencer la fricción mecánica.

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Unidades de calor La energía eléctrica puede transformarse en energía mecánica o térmica, las unidades de energía eléctrica pueden ser reducidas a unidades de calor o a unidades mecánicas. La unidad corriente de energía térmica es la caloría. Una caloría es la unidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado (1°C). El calor que se genera debido a la corriente que circula por un conductor, se puede medir por el aumento de temperatura de una determinada cantidad de agua; de esta forma se puede determinar que un watt-segundo de energía eléctrica es equivalente a 0.24 calorías. Quiere decir que una corriente de un ampere en una resistencia de un ohm producirá un calentamiento suficiente como para elevar la temperatura de un gramo de agua en 0.24°C. En forma de expresión la ecuación queda de la siguiente forma: Q = 0.24 I2 R t. Q = calor en calorías. I = corriente en ampere. R = resistencia en ohm. t = tiempo en segundos. Si I2 R = watt Entonces Q = I2 R t = watt-segundo o joule. Al factor 0.24, se le conoce como equivalente térmico de la electricidad.

Unidades de potencia y de trabajo Se ha escrito las unidades de trabajo y de potencia de uso más común en mediciones eléctricas, mediciones de calor y mediciones mecánicas. Es necesario establecer las relaciones entre las unidades a fin de recordar los conocimientos adquiridos. Primeramente se debe entender con claridad y precisión cuáles son las unidades de potencia y cuáles son las unidades de trabajo o energía. Las unidades de potencia son las mostradas en la figura 1.14.

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Figura 1.14 Círculo de memoria para usar las leyes de Ohm y Watt.

Fuente: Harper Enrique (2009). Manual del instalador electricista, editorial Limusa. México, p. 45.

Tabla 1.3 Equivalencias

a b c

a b c

a b c

Unidades de potencia Watt kilowatt = 1000 watt (kW) Mecánicas kilográmetro/segundo Caballo de vapor = 75 kgm/segundo (CV) Térmicas Caloría/segundo BTU/segundo = 252 calorías/segundo Unidades de trabajo o energía Eléctricas Watt/segundo kilowatt-hora Mecánicas kilográmetro Caballo-hora térmicas Caloría Unidad térmica inglesa Algunas equivalencias más útiles kilowatt 1.36 caballos-vapor Watt-segundo 0.24 calorías BTU 252 calorías Fuente: apuntes del autor Eléctricas

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1.6 Aplicaciones de los conceptos básicos de electricidad Electrostática La materia que nos rodea está formada por átomos. Los átomos a su vez están formados por partículas distribuidas en el núcleo y la corteza. En el núcleo nos encontramos con los neutrones (partículas sin carga y con masa) y protones (partículas con carga positiva y masa).En la corteza girando alrededor del núcleo se encuentran a los electrones (partículas con masa despreciable y carga negativa).Cuando el número de protones y electrones es el mismo tenemos átomos neutros, mientras que si el número de ambos no coincide tenemos iones, átomos cargados. Estos iones pueden ser:  Iones positivos. El número de protones es mayor que el número de electrones.  Iones negativos. El número de electrones es mayor que el número de protones. Con anterioridad se ha mencionado que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones libres y según el tipo de desplazamiento diferenciamos entre corriente continua (cc) y la corriente alterna (ca).En la corriente continua los electrones se desplazan siempre en el mismo sentido y en la corriente alterna los electrones cambian de sentido en su movimiento 50 veces por segundo en el caso europeo y 60 veces por segundo en América (México). El movimiento descrito por los electrones en este caso es sinusoidal. Figura 1.15 Representación fasorial de una onda senoidal.

Fuente: Montero R (2009) Imagen circunferencia trigonométrica y onda senoidal.

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Magnitudes básicas Por magnitud física entendemos cualquier propiedad de los cuerpos que se puede medir o cuantificar. En los circuitos eléctricos tenemos: Voltaje o tensión eléctrica. Energía por unidad de carga que hace que éstas circulen por el circuito. Se mide en volt (V). Intensidad. Número de electrones que atraviesan la sección de un conductor en la unidad de tiempo. Se mide en ampere (A).

donde: q es la carga y t el tiempo. El ampere es una unidad muy grande equivalente al paso de 6.24 x1018 electrones por segundo. Resistencia: Mide la oposición que ofrece un material al paso de corriente eléctrica. Se mide en Ohm. La resistencia que ofrece un material al paso de corriente eléctrica viene determinada por su longitud, su sección y sus características según la ecuación:

donde: R = resistencia en ohm( Ω ). L = longitud en metro (m). Ƿ = resistividad del cobre en ohm x metro ( Ω x m). S= área de la sección transversal del conductor en m2. A menudo es más conveniente pensar en términos de paso de la corriente eléctrica en vez de la resistencia, y por ello la cantidad conductividad eléctrica δ

se define como

el recíproco de la resistividad eléctrica. Las unidades para la conductividad eléctrica son (ohm x metro)-1 = Ω x m-1 .La unidad del Sistema Internacional (SI) para el recíproco del ohm el siemens. Atendiendo a esta resistencia los materiales se clasifican en dos grandes grupos: 41

Conductores. Permiten el paso de corriente eléctrica, metales y agua. Aislantes. No permiten el paso de corriente eléctrica, madera, plástico, entre otros.

Ley de Ohm Ohm realizó numerosos experimentos analizando los valores de estas tres magnitudes observando que si aumentaba la resistencia manteniendo fija la intensidad, aumentaba el voltaje. Si aumentaba la intensidad manteniendo fija la resistencia, aumentaba el voltaje. Es decir la resistencia y la intensidad son directamente proporcionales al voltaje. Estos experimentos llevaron a Ohm a enunciar su ley para el cálculo de las magnitudes básicas de un circuito eléctrico de la siguiente forma: V=I·R donde V = voltaje o tensión eléctrica I = corriente eléctrica. R = resistencia eléctrica.

Instrumentos de medida Para medir las diferentes magnitudes eléctricas, existen instrumentos específicos siendo los más utilizados el vóltmetro, el ampérmetro. Vóltmetro. Mide el voltaje o tensión eléctrica. El aparato se conecta en paralelo con el componente o generador cuya tensión se quiere medir. La resistencia interna del aparato es muy alta de modo que a través de él casi no circula corriente. Suele tener varias escalas, volt o milivolt siendo preciso elegir la escala adecuada a la tensión que se va a medir. Si trabajamos con tensiones muy elevadas debemos tener cuidado para no dañarlo. El aislamiento del aparato no es adecuado para voltajes elevados. Ampérmetro. Mide la intensidad de la corriente. Se conecta en serie con el circuito. La resistencia interna del aparato es muy pequeña por lo que apenas afecta a la corriente del circuito. También aquí debemos seleccionar la escala adecuada a la intensidad que vamos a trabajar. Si conectamos el aparato en paralelo podemos dañarlo. 42

Circuito serie. Es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente. Las cuatro resistencias conectadas en serie de la figura 1.16 tienen la misma corriente I. el voltaje en todo el circuito es la suma de los voltajes individuales. Una resistencia única equivalente Req remplaza a las cuatro resistencias: V = V1 + V2 + V3 + V4 IReq = I (R1 + R2 + R3 +R4) Req = R1 + R2 + R3 + R4 Figura 1.16 Resistencias conectadas en serie

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes de clase.

Circuito paralelo. Es una conexión donde todos los componentes tienen la misma tensión o voltaje. En los circuitos en paralelo existen uno o más puntos donde la corriente se divide y sigue trayectorias diferentes. La corriente que circula por cada uno de los componentes depende del valor de la resistencia del conductor. La resistencia equivalente de un circuito en paralelo es siempre menor que la resistencia más baja que haya en el circuito.

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Figura 1.17 Resistencias conectadas en paralelo.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes de clase.

En una conexión de cuatro resistencias en paralelo figura 1.17, la corriente total es la suma de las cuatro corrientes individuales. I = I1 + I2 + I3 + I 4 V / Req = V ( 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 ) 1/ Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4

Figura 1.18 Comparación de circuitos en serie y en paralelo

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes de clase.

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Tabla 1.4 Características de circuito serie-paralelo.

Fuente: Mileaf Harry (2005) Electricidad serie 1-7, editorial Limusa. México, p. 2-97.

En la figura 1.18, se observa los circuitos serie en paralelo son una combinación de circuito en serie y circuitos en paralelo. En la tabla 1.3 se describen las características y el comportamiento que adquieren: la corriente, la tensión o voltaje y la resistencia.

Factor de potencia En la mayoría de los equipos eléctricos que requieren magnetización para su funcionamiento y que los de cargas inductivas como son los transformadores, motores, balastros, necesitan de la energía reactiva para su funcionamiento adecuado. Ahorra energía corrigiendo tu factor. Estos equipos mencionados consumen energía activa, es decir es la energía que realiza el trabajo y se mide en kilowatt. ¿Qué es el factor de potencia? Es un indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energía, de forma general es la cantidad de energía que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia puede tomar valores entre 0 y 1. Dicho de otra forma: Factor de potencia = Es la potencia activa entre la potencia total

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Figura 1.19 Triangulo de potencias.

Fuente: elaboración del autor

Es bien importante señalar que además de los incentivos o bonificaciones que tienen contemplado la compañía suministradora por tener un factor de potencia alto, provoca reducción en la capacidad disponible de los transformadores, cables y un alto costo de energía por las pérdidas que ocasiona el sistema. La solución para reducir pérdidas eléctricas en los cables, transformadores y mejorar el factor de potencia es la instalación de capacitores de potencia en alta o baja tensión asegurando un alto ahorro en el costo de la energía.

Liberación de carga del sistema La única potencia que crea trabajo es la activa, por lo cual, si el sistema se dedica a transportar potencia reactiva su capacidad se ve disminuida notablemente. En la figura 1.20 se observa que el tener factor de potencia unitario representa la mejor opción, además que la compañía suministradora le ofrece una bonificación por tener un factor de potencia mayor al 0.9 o 90 por ciento.

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Figura 1.20 Liberación de carga en el sistema.

Fuente: apuntes del autor de General Electric en capacitores RTC.

Como se observa en los diagramas cuando se tiene un factor de potencia unitario, representa la mejor opción. Estos son diagramas esquemáticos de los calibres del conducto requerido para transportar la misma cantidad de kilowatt (potencia activa) con diferentes valores de potencia.

Reducción del calibre del conductor para transportar

los mismos 1000 kW (potencia activa) con valores de factor de potencia de 0.7 a 1.0. Tabla 1.5 Potencia necesaria del capacitor para corregir el factor de potencia.

Fuente: tomado del catálogo General Electric capacitores RTC.

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Resumen, prácticas y preguntas del capítulo 1 Combinación en serie La corriente que circula por un circuito serie es la misma en todo el circuito. La tensión a través de una combinación serie es igual a la suma algebraica de las tensiones de cada una de las partes. La resistencia en una combinación serie es la suma de las resistencias de cada una de las partes.

Combinación en paralelo La tensión aplicada a una combinación en paralelo es la misma que la tensión en cada una de sus ramas. La corriente a través de una combinación en paralelo es la suma de las corrientes de todas las ramas.

La resistencia en una combinación en paralelo es menor que la resistencia de la rama menor resistencia. Se encuentra aplicando la ley de Ohm.

La ley de Ohm se puede aplicar a cualquier circuito de la siguiente manera: a) Los amperes a través de cualquier parte de un circuito son igual a los volts aplicados a la misma parte del circuito, dividido por los ohm de esa parte del circuito. b) Las combinaciones de los circuitos en serie y en paralelo, pueden separarse en partes más pequeñas y aplicar la ley de Ohm a cada una de las partes, a fin de encontrar la distribución de tensiones, corrientes y resistencias.

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PRÁCTICAS DE MEDICIONES ELECTRICAS (CD Y CA) Núm. Nombre

01

02

03

Equipo utilizado

-Un vóltmetro -Un ampérmetro -Un multicontactos con protección de fusibles Ley de -Cinco clavijas polarizadas Ohm -Diez metros de conductor unipolar color blanco -Diez metros de conductor unipolar color negro -Diez metros de conductor unipolar color verde. -Cinco desarmadores planos Leyes de Kirch- -Una cinta aislante. -Cinco pinza de electricista. hoff -Cinco lámparas de 40 watt.

Circuitos serie circuito paralelo circuito serie-paralelo

Medición de voltaje a través de un vóltmetro

-Un vóltmetro -Un ampérmetro -Un multicontactos con protección de fusibles -Cinco clavijas polarizadas -Diez metros de conductor unipolar color blanco -Diez metros de conductor unipolar color negro -Diez metros de conductor unipolar color verde. -Cinco desarmadores planos -Una cinta aislante. -Cinco pinza de electricista. -Cinco lámparas de 40 watt. -Un vóltmetro -Un ampérmetro -Un multicontactos con protección de fusibles -Cinco clavijas polarizadas -Diez metros de conductor unipolar color blanco -Diez metros de conductor unipolar color negro -Diez metros de conductor unipolar color verde. -Cinco desarmadores planos -Una cinta aislante. -Cinco pinza de electricista. -Cinco lámparas de 40 watt.

OBSERVACIONES La ley de Ohm es la primera que gobierna los circuitos eléctricos, justamente determina la relación que existe entre la tensión o voltaje, la corriente y la resistencia. I = E/R La ley de Kirchhoff es un conjunto de consideraciones de la ley de Ohm, la cual tiene dos enunciados: 1) Ley de tensiones de Kirchhoff: “ La suma algebraica de los voltajes alrededor de cualquier lazo (camino cerrado) en un circuito, es igual a cero en todo instante" 2) Ley de corrientes de Kirchhoff: “ La suma algebraica de las corrientes que entran en un nodo cualquiera de un circuito, es cero en cualquier instante”

Existen dos formas de conectar dos o más elementos eléctricos. Decir los elementos que intervienen y en qué forma a cada uno de ellos (la corriente, la tensión y la resistencia). 1) Circuito serie. Conectar tres lámparas o resistencias en serie. 2) Circuito paralelo. Conectar tres lámparas o resistencias en paralelo.

Cuando se quiere medir la tensión que origina una corriente eléctrica, se hace uso de un vóltmetro en derivación con la línea. 1) Medir la tensión en un circuito serie. 2) Medir la tensión en un circuito en paralelo.

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04

05

-Un vóltmetro -Un ampérmetro Medición -Un multicontactos con prode cotección de fusibles rriente a -Cinco clavijas polarizadas través -Diez metros de conductor de un unipolar color blanco ampér-Diez metros de conductor metro unipolar color negro -Diez metros de conductor unipolar color verde. -Cinco desarmadores planos -Una cinta aislante. -Cinco pinza de electricista. -Cinco lámparas de 40 watt. -Un vóltmetro -Un ampérmetro -Un multicontactos con protección de fusibles Medición -Cinco clavijas polarizadas de resis- -Diez metros de conductor tencia unipolar color blanco con Diez metros de conductor unipolar color negro óhmetro Diez metros de conductor unipolar color verde. -Cinco desarmadores planos -Una cinta aislante. -Cinco pinza de electricista. -Cinco lámparas de 40 watt.

Si se desea medir la corriente eléctrica que circula en un circuito eléctrico, se hace con un medidor de corriente en el circuito de tal forma que la corriente que se desea medir pase por el instrumento, que se llama ampérmetro. 1) Medir corriente en un circuito serie. 2) Medir la corriente en un circuito en paralelo.

A veces se desea limitar la corriente en un aparato a un cierto valor. Si la tensión es conocida y es necesario determinar la resistencia que hará la corriente sea de valor deseado, se puede utilizar la ley de ohm. Directamente se puede medir la resistencia con un óhmetro o con un vóltmetro y un ampérmetro.

1) Medir la resistencia en un circuito serie. 2) Medir la resistencia en un circuito en paralelo.

Ejemplo de circuito serie- paralelo 2Ω

5Ω 1Ω

20V

1Ω

1Ω Ω 2Ω 2Ω

1Ω

1Ω 4Ω

2Ω

3Ω

1Ω

En los circuitos serie paralelo son una combinación de circuitos en serie y circuitos en paralelo. La solución de encontrar la resistencia equivalente y la corriente. Es muy sencillo, basta con aplicar las fórmulas de la ley de Ohm para resolverla, en algunos casos 50

pueden haber situaciones complicadas. Cuando se presente esta situación se puede aplicar las leyes de Kirchhoff. Ver ejemplo de la figura 1.10a. EEI-U1 PROBLEMA resistencia serie paralelo En la siguiente figura se presenta un circuito serie paralelo y se desea encontrar la resistencia equivalente total y la corriente en cada una de las resistencias.

EEI-U1 PROBLEMA Grupo de lámparas En la figura siguiente se trata de un circuito de iluminación colocados en dos grupos de lámparas. Cada rama consta de tres lámparas y cada lámpara lleva 2 ampere y en el interruptor general tiene un voltaje de 115 volt. La resistencia de los conductores AB, BC, DF y FG tiene una resistencia de 0.5 ohm cada uno. Determinar: 1) La pérdida de tensión en la línea. 2) La tensión de los bornes de cada grupo de lámparas.

51

Leer cuidadosamente las preguntas horizontales y verticales llenando correctamente los espacios (crucigrama)que aparece a continuacion: 1

9

11

19a 20

24 19b

21

20a

32

31

27

12 14

18

15

19c

30 16

29 22

10 17

33

23 26

25 3

28 2

4 5 6 7 8 13

Horizontales

Verticales

1.Es la fuerza que mueve la electricidad. (es un empujón). 2. Unidad en que se mide el voltaje o tensión 3. La primera ley de ohm-cd. 4. Si se quiere aumentar la resistencia en un conductor lo que debe hacerse es aumentar mas…… que puedo hacer es aumentar más… 5.La suma algebraica de las tensiones

20. En el circuito ….la corriente es la misma en todo el circuito.

en un circuito es igual a cero, ley de.... 6. En un circuito los elementos están de lado a lado, están en… 7. Es el elemento que se opone al paso de la corriente. 8. Aparato que sirve para medir voltaje y corriente.

elementos. 23. Es la causa de la circulación de la corrientre. 24. Aparato que mide los watts. 25. Nombre del autor de la 3a. ley de ohm. 26. La corriente se mide en … 27. Es la causa por la cual puede fluir una corriente electrica es la fuerza… 28. ¿En qué unidades se mide la resisten-

9. La resistencia en paralelo es….. que la resistencia de la rama menor 10. El valor del voltaje entre fase y neutro es…….. 11. Fórmula de pérdida de potencia o energía(E. Joule) 12. Fórmula de la potencia eléctrica 13. El cociente entre la potencia activa y la potencia aparente en un circuito se llama? 14. La tensión en un circuito se mide en…. 15. Diga la formula de la ley de Kirchhoff sobre voltajes 16. La potencia se mide en ….. 17. En un circuito en paralelo el voltaje es el………. a cada uno de sus nodos. 18. En un circuito serie se tiene la misma …………

20a. La que determina cuanta corriente puede tomar un conductor es la……. 21. La CFE instala medidores en los domicilios para medir los….. 22. La tension o voltaje aplicado en un circuito en serie es la… . de todos sus

cia de un conductor? 29. La corriente que llega es la misma que sale, primera ley de: 30. La energía que se disipa se pierde, se llama efecto 31. La corriente directa siempre fluye en el mismo…… 32. Indica la cantidad de electricidad que pasa en un segundo 33. La coriente total en un circuito en paralelo es

52

UNIDAD

2

Generadores Motores Transformadores Aplicaciones de los conceptos básicos de electricidad

53

El estudio de los sistemas eléctricos de potencia está relacionado con la generación, distribución y utilización de la potencia eléctrica. Debido al funcionamiento de estos sistemas eléctricos de corriente alterna tienen un comportamiento dinámico y por lo tanto los criterios aplicables para operarlos son muy estrictos, para evitar problemas de estabilidad dinámica que puedan llevar al sistema en situación de colapso. Para el buen funcionamiento de los sistemas se necesita de recursos humanos altamente capacitados en el modelo matemático y simulación en computadora, tener conocimiento de la operación de equipos eléctricos y electrónicos en las redes eléctricas.12 En la figura 2.1 se aprecia un sistema eléctrico de potencia iniciando con la generación de energía eléctrica pudiendo ser hidráulica, térmica, solar, geotérmica o eólica. Figura 2.1 Sistema eléctrico de potencia.

Fuente: elaboración del autor.

12

http://www.gdl.cinvestav.mx/potencia/

54

2.1 Tipos y características de generadores Dentro de las principales aplicaciones del electromagnetismo y de la inducción electromagnética, se encuentran las máquinas eléctricas, es decir aquellas máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica o la energía eléctrica en mecánica. A este grupo de máquinas se les llama giratorias, porque una de sus partes que la componen gira sobre sí misma, entre ellas se encuentra los generadores y los motores eléctricos. Existe otro importante grupo que basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética, no tienen partes en movimiento y éstas se les llama máquinas estáticas; en este grupo de máquinas lo que puede variar es la tensión o voltaje que puede subir o bajar, manteniendo la potencia casi constante. A estas máquinas se les conoce como transformadores, ver figura 2.2. Figura 2.2 Tipos de máquinas eléctricas.

Fuente: elaboración del autor.

Existen diferentes formas por medio de las cuales se puede generar energía eléctrica. En México se cuenta con plantas generadoras para abastecer actualmente la demanda nacional que es aproximadamente de 49,931.34 MW.13 Los porcentajes de la capacidad efectiva instalada nacional: hidroeléctrica 22%, termoeléctrica 45%, geotérmica 2%, carboelectrica 5%, eoloeléctrica 2%, nucleoeléctrica 3%, generación privada 21%.

13

Comisión Federal de Electricidad, septiembre de 2008.

55

De acuerdo con la proyección del Sistema Eléctrico Nacional para el 2017, la capacidad requerida será de 68437 MW. Figura 2.3 Fuente de energía disponibles.

Fuente: elaboración del autor.

Generación eléctrica La industrialización es un factor de la economía de todos los países que ejerce una influencia de primera importancia en su desarrollo. Para que un país alcance pleno desenvolvimiento es indispensable conjugar la participación de todos los sectores de su economía, con vistas a lograr un progreso conjunto y armónico.14 En los censos nacionales de 1930 destacan fundamentalmente las industrias extractivas, la de transformación y las de servicios. Las primeras obtienen las materias primas de origen animal, vegetal y mineral, que más tarde se emplearían en las industrias de transformación y el otro grupo de industrias, dentro del cual queda incluida la industria eléctrica, produciendo bienes económicos intangibles que satisfacen las necesidades humanas.

14

Reséndiz-Núñez (coordinador) (1994).El sector eléctrico en México, citado por Rodríguez R. E. en Evolución de la industria en México, editorial FCE, México, p. 15.

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Durante la Primera y Segunda Guerra Mundial fueron escenarios del crecimiento de la explotación del petróleo, el carbón y los avances tecnológicos impulsaron a las industrias principalmente a la de los automóviles privados y más recientemente una nueva fase del crecimiento económico se ha dado con el uso del gas natural. Según las proyecciones, el petróleo seguirá siendo la principal fuente de energía mundial, sobre todo en la industria del transporte. El crecimiento de la generación eléctrica va en aumento utilizando el petróleo, el carbón, el gas natural. Figura 2.4 Conformación de plantas de generación.

Fuente: elaboración del autor.

La palabra "generar" es un verbo transitivo. Significa poner en existencia, producir, o evolucionar. De esta palabra, se deriva el nombre "generador", que hace referencia a una producción. Se trata de un aparato para producir gases, vapor, etc. Se trata de una máquina para convertir la energía mecánica en eléctrica. Este principio se le llama acción del generador y se le conoce también como de inducción. El voltaje se puede inducir en un conductor que se encuentra dentro de un campo magnético, esto sucede cuando el flujo magnético se corta por el conductor. En algunos casos, se mueve el alambre; en otros, se mueve el campo y aún en otros, ambos se mueven pero a distintas velocidades.

57

Figura 2.5 Clasificación del generador eléctrico.

Fuente: elaboración del autor.

En un sistema eléctrico desde la generación hasta el consumo de energía eléctrica, se requiere mantener el suministro en forma continua, además con la calidad que requiere el usuario y con un mínimo de interrupciones en el servicio de acuerdo con la ley de energía eléctrica en México. Un sistema de generación de energía se encuentra formado por varios elementos que se interconectan entre sí. Existen muchos elementos que componen el sistema, entre ellos podemos citar: agua, carbón, petróleo, gas, material nuclear, vientos, etc. Entre las fuentes primarias de energía se encuentran los combustibles fósiles, ente estas se encuentra el carbón, petróleo, gas natural, etc. a) Combustibles vegetales como la madera, basura, desperdicios de granja, lodos, etc. b) Energía natural como la hidráulica, solar, viento. c) Química, las celdas combustibles, baterías. d) Energía nuclear como la fisión, fusión, etc. La generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía mecánica, química, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica. Es la fuente impulsora de los electrones para proporcionar la tensión eléctrica y que ésta da lugar a 58

la circulación de la intensidad a través del circuito. Para la generación industrial se recurre a instalaciones denominadas plantas o centrales eléctricas. Desde en las épocas históricas como en la civilización actual la humanidad ha estado vinculado con la energía, y existen pocas razones para dudar que en el futuro no dependa todavía más de esa energía. La misma existencia exige que aun un animal la produzca y la consuma. Hasta que el hombre encontró manera de utilizar la energía de manantiales fuera y más allá de sus propios esfuerzos físicos, su estancia en la Tierra fue muy parecida a la de los animales. La energía es la entidad esencial para la vida y el progreso, la energía como se dijo anteriormente fue probablemente la materia prima de la creación. Tal como se presenta en la actualidad y toma varias formas, pero todas tienen una cosa en común: la capacidad de producir efectos dinámicos vitales. La energía se encuentra asociada con la substancia física, pero no es una substancia en sí. Se manifiesta por el estado de excitación y de animación que asume el material que recibe energía. Desde que Nikola Tesla(1882) descubrió la corriente alterna y la forma de producirla en los alternadores, se ha llevado a cabo una inmensa actividad tecnológica para llevar la energía eléctrica a todos los lugares habitados del mundo, por lo que, junto a la construcción de grandes y diferentes tipos de centrales eléctricas, se han construido líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica para atender la demanda solicitadas por los diferentes tipos de consumidores. La demanda de energía eléctrica de una ciudad, región o país tiene una variación a lo largo del día. Esta variación es función de muchos factores, entre los que destacan: tipos de industrias existentes en la zona y turnos que realizan en su producción, climatología extremas de frío o calor, tipo de electrodomésticos que se utilizan más frecuentemente, tipo de calentador de agua que haya instalado en los hogares, la estación del año y la hora del día en que se considera la demanda. La generación de energía eléctrica debe seguir la curva de demanda y, a medida que aumenta la potencia demandada, se debe incrementar la potencia suministrada. En general los sistemas de generación se diferencian por el periodo del ciclo en el que está planificado que sean utilizados. 59

Dependiendo de la fuente primaria de energía utilizada, las centrales generadoras se clasifican en: termoeléctricas, hidroeléctricas, nucleares, eólicas, solares termoeléctricas, solares fotovoltaicas y mareomotrices. La mayor parte de la energía eléctrica generada a nivel mundial proviene de los tres primeros tipos de centrales reseñados. Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en común el elemento generador, constituido por un alternador, movido mediante una turbina que será distinta de acuerdo al tipo de energía primaria utilizada. De acuerdo con información de las empresas generadoras de energía eléctrica, consideran que para el 2018 existirán tecnologías limpias, asequibles y renovables de generación eléctrica local.

Plantas generadoras de electricidad Las centrales eléctricas son las instalaciones productoras de energía. Son instalaciones donde hay un conjunto de máquinas motrices y aparatos que se utilizan para generar energía eléctrica. Las centrales reciben el nombre genérico de la energía primaria utilizada: centrales térmicas de carbón, centrales nucleares, centrales hidráulicas o hidroeléctricas, centrales eólicas, centrales geotérmicas, solares, etc. Según el servicio que dan en el consumo global de la red, las centrales se clasifican en: 1. Centrales de base o centrales principales. Son las que están destinadas a suministrar energía eléctrica de manera continua. Estas son de gran potencia y utilizan generalmente como máquinas motrices las turbinas de vapor, turbinas de gas y turbinas hidráulicas.

2. Centrales de demanda pico. Proyectadas para cubrir demandas de energía en las horas punta. En estas horas, se ponen en marcha y trabajan en paralelo con la central principal. 3. Centrales de reserva. Como su nombre lo dice, tienen por objetivo remplazar las centrales de base en caso de avería o reparación. No deben confundirse con las 60

centrales pico o de puntas, ya que el funcionamiento de las centrales de pico es periódico (es decir, todos los días a ciertas horas) mientras que el de las centrales de reserva es intermitente. 4. Centrales de emergencia. Tienen igual cometido que las centrales de reserva citadas anteriormente; pero la instalación del conjunto de aparatos y máquinas que constituyen la central de reserva, es fija, mientras que las centrales de emergencia son móviles y pueden desplazarse al lugar donde sean necesarios sus servicios. Estas centrales son de pequeña potencia y generalmente accionadas por motores Diesel; pueden ser transportadas en vehículos, en vagones de ferrocarril, o en barcos especialmente diseñados y acondicionados para esa misión. 5. Centrales de bombeo. Estas centrales se aprovechan para utilizar bombeo cuando la demanda principal es baja, principalmente en demanda mínima. Las principales centrales eléctricas son esencialmente instalaciones que emplean en determinada cantidad una fuente de energía primaria algunas de ellas limitada en el planeta (carbón, fuel y gas) o que su utilización causa un impacto ambiental importante. A continuación se hace una breve reseña de las plantas generadoras de energía eléctrica en el mundo.

Centrales hidroeléctricas La energía hidráulica es la energía potencial de las masas de agua de los ríos y lagos. En los cursos naturales de agua, la energía hidráulica se disipa en remolinos, erosión de las riberas y causes de los ríos, choques y arranques de material de las rocas sueltas y en los ruidos del torrente. El agua es almacenada en grandes embalses o presas y luego conducida por medio de una galería o por un canal hacia un estanque de regulación; de estas instalaciones parten las tuberías de presión por las que el agua es conducida a las turbinas donde la energía potencial del agua, ya transformada en energía cinética en la turbina de presión, es nuevamente transformada en trabajo mecánico en 61

las turbinas y transmitido al generador para la conversión en energía eléctrica. La energía es transformada a las tensiones adecuadas para su trasmisión a los centros de consumo. En las centrales eléctricas los equipos primarios principales son la turbina y el generador eléctrico; los sistemas y equipos auxiliares son menos numerosos y más sencillos, reduciéndose a un sistemas de enfriamiento, lubricación, control y gobierno, también cuentan con los sistemas de protección, de medición y de toda la central en general. A pesar de la gran diversidad de esquemas hidráulicos empleados en los aprovechamientos hidroeléctricos, cada caso real puede ser una variante o combinación de dos tipos: 

Aprovechamiento por derivación.



Aprovechamiento por retención.

En el aprovechamiento por derivación, las aguas se desvían en un punto determinado del río y se conducen por medio de un canal o túnel con una pequeña pendiente para que el agua pueda circular; al final del canal se instala una cámara de presión que sirve de arranque a la tubería forzada y esta conducción lleva el agua siguiendo el flanco del valle hasta las turbinas hidráulicas situadas en el extremo inferior donde se restituye el cauce del río. Mientras que en el aprovechamiento por retención, el agua se almacena en una presa creando un desnivel o carga hidráulica desde la superficie del agua hasta la base de la cortina. El agua se conduce a través de la tubería de presión hasta las turbinas localizadas al pie de la presa. En la turbina, la energía cinética se transfiere al generador donde se transforma en energía eléctrica. La energía eléctrica obtenida, generalmente es de media tensión (13.8, 23, 33 kV)

que

después es elevada a una tensión (115, 230, y 400 kV) para su transporte para llegar a las subestaciones y de allí a los consumidores.

62

Figura 2.6. Esquema de una central hidroeléctrica

Fuente: Arriola Valdés E.(1994). El sector eléctrico de México. Recursos energéticos primarios y tecnologías de generación de electricidad, p.75.

Centrales termoeléctricas convencionales Estas centrales usan como fuente energética primaria combustóleo o gas natural. Actualmente el sector eléctrico utiliza combustóleo en aquellas unidades alejadas de los centros urbanos y gas en las plantas cercanas a ciudades (Arriola Eduardo 1994:76). El calor que desprende la combustión del combustible fósil convierte el agua en vapor de agua. El combustible se introduce en la caldera con la misión de desprender calor suficiente para calentar los tubos con agua. La caldera o generador de vapor transforma el poder calorífico del combustible en energía térmica, la cual es aprovechada para llevar el agua a la fase de vapor. Este vapor ya sobrecalentado se introduce a la turbina donde su energía cinética se convierte en mecánica que se transmite al generador para producir energía eléctrica. Para evitar que el funcionamiento de las centrales termoeléctricas clásicas pueda dañar el entorno natural, estas plantas tienen incorporados una serie de sistemas y elementos 63

que afectan a la estructura de las instalaciones, como es el caso de las torres de refrigeración. La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce por la emisión de residuos a la atmósfera (procedentes de la combustión del combustible) y por vía térmica, (calentamiento de las aguas de los ríos por utilización de estas aguas para la refrigeración en circuito-abierto). Por lo que se refiere al primero de los aspectos citados, esa clase de contaminación ambiental es prácticamente despreciable en el caso de las centrales termoeléctricas de gas y escasa en el caso de las de fuel-oil, pero exige, sin embargo, la adopción de importantes medidas en las de carbón. La combustión del carbón, en efecto, provoca la emisión al medio ambiente de partículas y ácidos de azufre. Para impedir que estas emisiones puedan perjudicar al entorno de la planta, dichas centrales poseen chimeneas de gran altura -se están construyendo chimeneas de más de 300 metros- que dispersan dichas partículas en la atmósfera, minimizando su influencia. Además, poseen filtros electrostáticos o precipitadores que retienen buena parte de las partículas volátiles en el interior de la central. Por lo que se refiere a las centrales de fuel-oil, su emisión de partículas sólidas es muy inferior, y puede ser considerada insignificante. Sólo cabe tener en cuenta la emisión de hollines ácidos -neutralizados mediante la adición de neutralizantes de la acidez y la de óxidos de azufre minimizada por medio de diversos sistemas de purificación. En cuanto a la contaminación térmica, ésta es combatida especialmente a través de la instalación de torres de refrigeración. Como se señalaba anteriormente, el agua que utiliza la central, tras ser convertida en vapor y empleada para hacer girar la turbina, es enfriada en unos condensadores para volver posteriormente a los conductos de la caldera. Para efectuar la operación de refrigeración, se emplean las aguas de algún río próximo o del mar, a las cuales se transmite el calor incorporado por el agua de la central que pasa por los condensadores. Si el caudal del río es pequeño, y a fin de evitar la contaminación térmica, las centrales termoeléctricas utilizan sistemas de refrigeración en circuito cerrado mediante torres de refrigeración. 64

Figura 2.7 Esquema de una central termoeléctrica convencional.

Fuente: Arriola Valdés E.(1994). Ibíd., p.76.

En este sistema, el agua caliente que proviene de los condensadores entra en la torre de refrigeración a una altura determinada. Se produce en la torre un tiro natural ascendente de aire frío de manera continua. El agua, al entrar en la torre, cae por su propio peso y se encuentra en su caída con una serie de rejillas dispuestas de modo que la pulverizan y la convierten en una lluvia muy fina. Las gotas de agua, al encontrar en su caída la corriente de aire frío que asciende por la torre, pierden su calor. Por último, el agua así enfriada vuelve a los condensadores por medio de un circuito cerrado y se continua el proceso productivo sin daño alguno para el ambiente.

Centrales Turbo Gas Una central turbo gas es una instalación industrial en la que se produce energía eléctrica para emergencias, basada en el ciclo de una turbina de gas, utilizando como combustible diésel o gas. 65

La generación de energía eléctrica en las centrales turbo gas se logra aprovechando directamente, en los álabes de las turbina la energía cinética que resulta de la expansión de aire y gases de combustión comprimidos y a altas temperaturas. La turbina está acoplada al rotor del generador dando lugar a la producción de energía eléctrica. Los gases de combustión después de trabajar en la turbina se descargan directamente a la atmósfera. La Comisión Federal de Electricidad cuenta con una central turbo gas el "Ciprés" en Ensenada, B.C., para generación de energía eléctrica. La Central Turbo Gas "Ciprés" recibe como materia prima combustible diésel el cual es suministrado por Petróleos Mexicanos por medio de carros-tanque para llenar los tanques de almacenamiento de la planta. El diesel almacenado en los tanques de recepción se transporta por medio de bombeo a los denominados tanques de día. Una vez transportado el diesel al tanque de día, pasa a los motores de combustión interna donde en presencia de oxígeno se efectúa la combustión y se libera la energía química del diesel transformándose en calor y movimiento (energía mecánica); dicha combustión se realiza en el motor. La energía calorífica liberada por la combustión se transforma en energía cinética, la cual se utiliza para lograr el movimiento de un generador eléctrico, al momento de mover dicho generador la energía cinética se transforma en mecánica para finalmente ser transformada en energía eléctrica mediante el generador eléctrico mencionado. La Central Turbo Gas "Ciprés", cuenta con una capacidad proyectada de generación de 2,326 MWh (megawatt-hora) al año.

Centrales geotérmicas La energía geotérmica es energía calorífica renovable producida en las profundidades de la tierra. El calor ahí generado es llevado casi a la superficie por conducción térmica y por intrusión de la capa de magma originado a gran profundidad, esto ocurre en ciertas zonas volcánicas. Las manifestaciones geotérmicas se pueden observar fácilmente en géisers y en aguas termales. Lo que sucede es que el agua de los mantos freáticos se 66

calienta para formar recursos hidrotérmicos naturalmente, formando agua caliente y vapor. Los recursos hidrotérmicos son utilizados debido a la existencia de tecnología de perforación de pozos y conversión de energía para generar electricidad o para producir agua caliente para uso directo. La energía de la Tierra, es extraída de la reserva subterránea a la superficie por medio de pozos de producción perforados a 2000 m de profundidad con una temperatura en el fondo de 310º C. El vapor es separado del líquido en naves especiales para la liberación de presión y alimenta a las turbinas, que lo transforman en los generadores en electricidad. El fluido geotérmico extraído es inyectado nuevamente a partes de la periferia de la reserva para mantener presión en la misma. Figura 2.8 Ciclo de la turbina de gas.

Fuente: Arriola Valdés E.(1994). Íbib, p.77.

67

Figura 2.9 Diagrama esquemático de una central geotérmica.

Fuente: Arriola Valdés E.(1994.Ibíb., p.85.

Si la reserva se va a utilizar para la aplicación de calor directo, el agua geotérmica es alimentada normalmente a su intercambiador de calor antes de ser inyectada de regreso a la tierra. El agua caliente, de la salida del intercambiador de calor, es utilizada para la calefacción de casas, invernaderos, para secado de vegetales, en lavanderías y en una gran variedad de usos alternos.

El agua caliente y el vapor existen en muchas locaciones de subsuelo en el mundo. Muchos más recursos hidrotermales podrían ser utilizados con tecnología disponible y si su desarrollo fuera promovido activamente por los gobiernos y la iniciativa privada.

Los usos de la energía geotérmica en nuestro país datan desde 1956 con la implementación de la primera planta geotérmica en el estado de Hidalgo. Todos los desarrollos geotérmicos en México se encuentran bajo la responsabilidad de la Comisión Federal de Electricidad. Actualmente México cuenta con una capacidad instalada de 958 MW (megawatt) con tres plantas geotérmicas: Cerro Prieto en Baja California con

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720 MW(megawatt), Los Azufres en Michoacán con 188 MW(megawatt) y Los Humeros en Puebla con 40 MW(megawatt), con lo que se ocupa el tercer lugar mundial detrás Estados Unidos con 2.254GW (gigawatt) y Filipinas con (1.98 GW)(gigawatt).

En fechas próximas la CFE iniciará los trabajos de perforación y operación en pozos geotérmicos en la región de las Tres Vírgenes, en el estado de Baja California Sur, donde ya funcionan plantas que generan 10 MW(megawatt). La energía geotérmica representa el 4% aproximadamente del total de la producción eléctrica en México. En la región norte de Baja California, en donde se encuentra Cerro Prieto, el porcentaje es de un 70%.

La energía geotérmica es un recurso doméstico, de bajo costo, confiabilidad y ventajas ambientales que superan a las formas de producción de energía convencionales. La energía geotérmica contribuye tanto a la generación de energía, produciendo electricidad como con usos directamente de calor, sirve para reducir la demanda de energía, mediante ahorros en electricidad y gas natural a través del uso de bombas geotérmicas así como para calentar o para enfriar edificios. Solo una pequeña fracción de nuestros recursos geotérmicos son explotados hoy en día, muchos más podrían ser activados en el corto plazo con los incentivos apropiados. El uso de la energía hidrotérmica es económico y hay en varios sitios de alto grado. La piedra seca y caliente, el magma y la energía geotérmica presurizada en la tierra tienen un inmenso potencial.

Centrales nucleoeléctricas En una central nuclear, al igual que en una central térmica, la energía calorífica liberada por el combustible se transforma en energía mecánica y después en energía eléctrica. El calor producido hace que el agua se vaporice y el vapor formado es enviado a la turbina que hace funcionar un generador para obtener finalmente energía eléctrica. Sin embargo, en una central térmica clásica, el calor proviene de la combustión con el oxígeno del aire de un combustible fósil como el carbón, el combustóleo, gas, etc., dentro de la caldera, mientras que en una central nuclear, el calor proviene de la fisión de los núcleos de uranio dentro de un reactor nuclear. El calor producido dentro del reactor es 69

recogido por un fluido que pasa alrededor del combustible y que se llama refrigerante o fluido portador del calor (Arriola Eduardo, Valdés 1994:81). El vapor que alimenta la turbina puede ser producido directamente dentro del reactor o mediante el uso de un intercambiador, pero en todos los casos ese vapor después de entrar a la turbina pasa por un condensador donde se enfría al entrar en contacto con los tubos dentro de los cuales pasa el agua de enfriamiento que se toma del mar, de un río o bien de los acuíferos subterráneos, la central de Laguna Verde en Veracruz, el agua para el enfriamiento la toma del mar. La Central Nuclear Laguna Verde es la única Central Nuclear de México, cuenta con 2 unidades generadoras de 682.5 MW cada una. Los reactores son marca General Electric, tipo Agua Hirviente (BWR-5), contención tipo Mark II de ciclo directo. Con la certificación del organismo regulador nuclear mexicano, la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardas (CNSNS), la Secretaría de Energía otorgó las licencias para operación comercial a la unidad 1 el 29 de julio de 1990 y a la unidad 2 el 10 de abril de 1995, ver figura 2.5 es una planta similar a la instalada en Laguna Verde, en el estado de Veracruz. La planta nuclear es propiedad de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y la única de su tipo con el objetivo de producir energía eléctrica de manera comercial en el país. La Central se encuentra ubicada sobre la costa del Golfo de México en el "km 42.5 de la carretera federal Cardel-Nautla, en la localidad denominada Punta Limón municipio de Alto Lucero, Estado de Veracruz, cuenta con un área de 370 ha; geográficamente situada a 60 km al noreste de la ciudad de Xalapa, 70 km al noroeste de la Ciudad de Veracruz y a 290 km al noreste de la Ciudad de México. El centro urbano más cercano a la Central vía terrestre es la Ciudad de Veracruz (75 km).

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Figura 2.10 Diagramas esquemático de una central nucleoeléctrica tipo BWR.

Fuente: Arriola Valdés E.(1994). Ibíb., p.83.

La Central Nuclear Laguna Verde es propiedad del Gobierno Federal de México y es administrada por la Comisión Federal de Electricidad (CFE), a través de la Gerencia de Centrales Nucleoeléctricas. Además está sujeta a la supervisión de organismos tanto nacionales como internacionales, que tienen como objetivo asegurar que la Central sea operada de forma segura, cumpliendo con las regulaciones nucleares nacionales e internacionales. Entre los organismos mencionados más importantes se encuentran los siguientes: Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias (CNSNS). Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Asociación Mundial de Operadores Nucleares (WANO). Los componentes principales de un reactor nuclear son: Un Núcleo compuesto básicamente por el combustible, el moderador y el refrigerante. Un sistema de control y seguridad para regular el ritmo de la liberación de energía.

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Un contenedor hermético, dentro del cual se encuentra el material nuclear, que constituye un blindaje biológico para la protección de los trabajadores. Un sistema de extracción de energía o sistema de enfriamiento para transportar el calor producido (Arriola Eduardo 1994:82). En las centrales nucleares el combustible utilizado con más frecuencia es el uranio, en su forma natural o en una forma creada artificialmente que es el uranio enriquecido, en la cual se aumenta la proporción del isótopo fisionable o sea el uranio 235. En febrero de 2007 la CFE anunció que planea el aumento de la capacidad instalada de la Central en un 20%. La licitación internacional para efectuar dicho aumento de potencia fue ganada por la empresa española Iberdrola. El contrato de OIEA con dicha empresa asciende a 605.04 millones de dólares estadounidenses. La Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde, fue acreedora al Premio Nacional a la Calidad 2007 (México 2007) por ser la mejor empresa en el ramo de energía y cumplir con todos los requerimientos para operar con calidad de manera segura y confiable. En noviembre de 2009, la Fundación Iberoamericana para la Calidad otorga el Premio Oro Iberoamericano a la Calidad en la ciudad de Estoril, Portugal en la Cumbre Iberoamericana de Jefes de Estado y de Gobierno. La Central Nucleoeléctrica Laguna Verde, ha sido reconocida nacional e internacionalmente por la excelencia en la gestión, en congruencia a la ejecución de su estrategia y de sus sistemas organizacionales de Clase Mundial, siendo referencia para otras centrales de generación en México y el mundo. Otros reconocimientos importantes son Industria Limpia y Excelencia Ambiental, otorgado por la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente y el Reconocimiento de Empresa Socialmente Responsable promovido por el Centro Mexicano para la Filantropía. El 16 de Septiembre de 2010 por primera vez en su historia, suspende operaciones ante el golpe de la tormenta tropical lo cual deriva en dejar de producir energía eléctrica durante la contingencia.

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Sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico genera una corriente continua al excitar la radiación solar los electrones de ciertos semiconductores como el silicio, sulfuro de cadmio, el fosfuro de indio, etc. Un sistema fotovoltaico se compone de múltiples componentes, incluyendo células solares, conexiones mecánicas y eléctricas, reguladores, baterías, etc. La base de generación son células fotovoltaicas, cuya corriente típica es del orden de 0.2 ampere a 0.5 volt. Conectando células en serie o en paralelo se obtienen voltajes o corrientes mayores (figura 2.6). La electricidad generada puede ser almacenada, usada directamente, subida al sistema eléctrico o hacer una combinación para utilizar una parte directamente y subir a la red lo que no utilicemos, a esto le llamamos planta solar híbrida. Figura 2.11 Vista de una célula solar y su circuito eléctrico.

Fuente: www.textos científicos.com/energía solar.

Figura 2.12 Instalación típica de los paneles solares.

Fuente: www.textos científicos.com/energía solar.

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Muchas personas haciendo conciencia y un gran interés de ayudar al medio ambiente a través de energías limpias se han dado a la tarea de construir sus propios sistemas voltaicos a partir de paquetes o kits. Hay recomendaciones para construir estos sistemas a medio día y en un día sin nubes en el ecuador, el poder del sol es de aproximadamente 1kW/m 2, en la superficie de la tierra, en un plano que es perpendicular a los rayos del sol. Por esto, los nuevos sistemas fotovoltaicos utilizan seguidores solares, también llamados heliostatos, para seguir al sol a lo largo del día y aumentar la eficiencia del sistema. Sin embargo, estos seguidores añaden un costo a la inversión inicial y requieren de un mantenimiento regular, es por esto que algunos instaladores optan por asegurar los paneles fotovoltaicos al suelo. Para lograr una buena eficiencia los paneles se instalan viendo hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur. El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 y las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en 1880. Sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio monocristalino que actualmente dominan la industria fotovoltaica. Las primeras celdas de este tipo tenían una eficiencia de conversión de solo 1%; ya para 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6% en condiciones normales de operación, mientras en el laboratorio se lograron eficiencias cercanas a 15%. Las primeras aplicaciones prácticas se hicieron en satélites artificiales. En 1958 fueron utilizadas para energizar el transmisor de respaldo del Vaguard 1 (satélite artificial), con una potencia de cinco miliwatt. Desde entonces las celdas fotovoltaicas han proporcionado energía a prácticamente todos los satélites artificiales.

Central eólica La fuerza del viento ha sido utilizada por la humanidad desde épocas más remotas de su historia, primero para el transporte de personas y mercancías a través de los mares en barcos de vela y luego mediante mecanismos más complejos para la molienda de granos y el bombeo de agua. Al paso del tiempo la tecnología de las máquinas eólicas

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ha evolucionado hasta un punto tal que en nuestros días constituye una opción muy importante para la generación de energía. La tecnología eólica para la generación eléctrica cobra importancia en un momento en que la humanidad busca alternativas de generación con menor impacto ambiental. En la población de La Venta, estado de Oaxaca, México, la Comisión Federal de Electricidad construyó una planta piloto de 1.5 MW para la generación de energía eléctrica, incorporándose a los países que cuentan con esta modalidad de generación eléctrica. Este tipo de energía convierte la energía del viento en energía eléctrica mediante una aeroturbina que hace girar un generador. La energía eólica está basada en aprovechar un flujo dinámico de duración cambiante y con desplazamiento horizontal. La cantidad de energía obtenida o generada es proporcional al cubo de la velocidad del viento. La energía eólica es un tipo de energía renovable cuya fuente es la fuerza del viento. La forma típica de aprovechar esta energía es a través de la utilización de aerogeneradores o turbinas de viento. Los aerogeneradores pueden ser de eje horizontal, que son los más comunes hoy en día, o también los hay de eje vertical. Uno de los problemas más frecuentes que presentan los aerogeneradores es su gran tamaño así como las vibraciones y ruido que provocan. Por esta razón suelen ubicarse en zonas alejadas de viviendas. Sin embargo empresas y científicos de todo el mundo siguen trabajando para construir aerogeneradores más pequeños, o silenciosos que puedan ubicarse en zonas urbanas. Uno de los problemas que más preocupa en el campo de la generación de la energía eólica es la variabilidad de la fuente, es decir del viento. Los aerogeneradores, en general, están preparados para funcionar en forma óptima cuando el viento sopla dentro de un rango determinado de velocidades. Por un lado se requiere cierta velocidad mínima para mover las aspas, por el otro lado existe también un límite máximo.

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Figura 2.13 Planta de generación eólica.

Fuente: http:www.bing.com/imágenes/generación eólica

Por ejemplo lo más común es que esos límites sean con vientos de velocidades de entre 3 y 24 metros por segundo. Al mínimo se llama velocidad de conexión, o sea lo mínimo para generar algo de electricidad, y al máximo se llama velocidad de corte, o sea cuando ya es contraproducente, ya que podría romper el mecanismo. Los aerogeneradores pueden trabajar solos o en parques eólicos, sobre tierra formando las granjas eólicas, sobre la costa del mar o incluso pueden ser instalados sobre las aguas a cierta distancia de la costa en lo que se llama granja eólica marina. Desde 1997, la Agencia Internacional de Energía comenzó el Acuerdo de Implementación para la Cooperación en la Investigación y Desarrollo de Sistemas de Generación Eoloeléctrica (planta eólica). Hasta 1995 se habían integrado 16 países. Casi todos han establecido programas gubernamentales para apoyar la investigación y desarrollo tecnológico en el tema. México ingresó a dicho acuerdo en 1997 y es uno de varios países

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más que están explorando la posibilidad de emprender la generación eoeléctrica en escala significativa (Borja Díaz 1998:4). En la actualidad este tipo de máquinas se ofrecen comercialmente en capacidades que van de 200 a 1,500 kW. Sus rotores tienen diámetros entre 27 y 63 metros y se instalan en torres que alcanzan hasta los 60 metros de altura.

La energía eólica: una realidad en México El Parque Piedra Larga en el Istmo de Tehuantepec, estado de Oaxaca, actualmente se encuentra en su fase II de construcción, se puso en funcionamiento el 30 de octubre de 2012. Con una inversión de 200 millones de dólares, 65 instalaciones del Grupo Bimbo cuentan con 90 megawatt de capacidad instalada de energía eólica, bajo la modalidad de autoabastecimiento. Este Parque produce 333 Gigawatt/hora anuales a partir de 45 aerogeneradores de 2 megawatt cada una, construidas por la empresa Ibérica GESA. Piedra Larga es un proyecto en sociedad de la empresa Desarrollos Eólicos Mexicanos (DEMEX), filial de Renovalia Energy de España, encargada de la construcción, operación, junto con Grupo Bimbo y sus filiales en todo el país (excepto 2 que se encuentran en la Península de Baja California, zona desconectada del Sistema Eléctrico Nacional). Adicionalmente bastecerá a las empresas “amigas” del Grupo Bimbo, como Papalote, Museo del Niño, Grupo Calidra y Frialsa Frigoríferos. El contrato de DEMEX y Grupo Bimbo tiene vigencia a 18 años, con posibilidad de ampliarlo por dos periodos más de cinco años cada uno, y se prevé recuperar la inversión en 15 o 16 años. Piedra Larga evitará anualmente el consumo de combustibles y la emisión de gases a la atmósfera en aproximadamente: 

65 millones de litros de Diesel



180 mil toneladas de CO2

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Uno de los principales beneficios del parque es la cero emisión de gases contaminantes a la atmósfera y al no hacer uso de combustibles fósiles, por lo que contribuye a aminorar el cambio climático. En la CFE se produce la energía eléctrica utilizando diferentes tecnologías y diferentes fuentes de energético primario. Tiene centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, carboeléctricas, geotermoeléctricas, eoloeléctricas y una nucleoeléctrica”, confirma la página web de la CFE (www.cfe.gob.mx). Cabe mencionar que los parques eólicos de Oaxaca no son proyectos de la CFE( artículo publicado en la Unión de Morelos), pero contribuyen a reducir el consumo de energía eléctrica producida de manera tradicional, sobre todo porque están o estarán integrados a la red nacional de la CFE. La luz que consumimos en casa es producto de la CFE y existe una campaña permanente para disminuir nuestro consumo tanto en casa como en las oficinas e instituciones a lo largo y ancho del país. Hasta que logremos un porcentaje importante de consumo de luz que provenga de fuentes alternativas de energía (como la eólica), deberíamos hacer mayores esfuerzos por reducir nuestro uso. La cantidad de carbono emitido a la atmósfera por los productores y consumidores de energía eléctrica es terrible y una de las causantes más importantes del calentamiento global. Ahorrar energía eléctrica es una de las más importantes tareas ecológicas desde 2010 que nos toca a todos. Es recomendable revisar que en casa no tengamos ninguna fuga de electricidad y es esencial desenchufar cualquier aparato – incluyendo la televisión cuando no se esté utilizando, al irse a dormir, la regla de oro es revisar que no se deje conectado ningún aparato que siga consumiendo luz, aún apagado. La excepción, por supuesto, es el refrigerador. Los focos ahorradores también impactan mucho en disminuir nuestro consumo de luz y veremos que los estados de cuenta reflejarán nuestros esfuerzos y pagaremos menos. La contaminación de los ruidos, la acústica de los aparatos de sonido lastiman los oídos, los pobres pájaros no saben qué hacer y seguramente se estresan mucho, la triste realidad es que estamos contaminado y nos preocupa muy poco el cuidado del medio ambiente y el cambio climático. El parque tendrá una producción de energía eléctrica estimada anual de 933.30 GWh (gigawatt-hora) en la modalidad de autoabastecimiento de las empresas. Firmas como 78

Cemex, Wal-Mart de México y Bimbo planean instalar en Oaxaca más de 5 mil megawatt de capacidad eólica en los próximos 5 años (Reforma, Negocios, p. 17). Históricamente las primeras aplicaciones de la energía eólica fueron la impulsión de navíos, la molienda de granos y el bombeo de agua, y sólo hasta finales del siglo pasado la generación de energía eléctrica. Actualmente las turbinas eólicas convierten la energía cinética del viento en electricidad por medio de aspas o hélices que hacen girar un eje central conectado, a través de una serie de engranajes (la transmisión) a un generador eléctrico. En lo que respecta a capacidad instalada, para finales de 1997 a nivel mundial se tenían instalados alrededor de 7700 MW. En México se cuenta con la central eólica de la Ventosa en Oaxaca, operada por CFE, con una capacidad instalada de 1.5 MW y una capacidad adicional en aerogeneradores y aerobombas, según el Balance nacional de energía de 1997, de alrededor de 2.4 MW (conuee.gob.mx). La investigación y desarrollo de nuevos diseños y materiales para aplicaciones en aerogeneradores eólicos, hacen de esta tecnología una de las más dinámicas, por lo cual constantemente están saliendo al mercado nuevos productos más eficientes con mayor capacidad y confiabilidad. Existen varias ventajas competitivas de la energía eólica con respecto a otras opciones, como son: 

Se reduce la dependencia de combustibles fósiles.



Los niveles de emisiones contaminantes, asociados al consumo de combustibles fósiles se reducen en forma proporcional a la generación con energía eólica.



Las tecnologías de la energía eólica se encuentran desarrolladas para competir con otras fuentes energéticas.



El tiempo de construcción es menor con respecto a otras opciones energéticas.



Al ser plantas modulares, son convenientes cuando se requiere tiempo de respuesta de crecimiento rápido.

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Aplicaciones y tecnologías de los sistemas eólicos Descripción Un sistema conversor de energía eólica se compone de tres partes principales: el rotor, que convierte la energía cinética del viento en un movimiento rotatorio en la flecha principal del sistema; un sistema de transmisión, que acopla esta potencia mecánica de rotación de acuerdo con el tipo de aplicación, aplicación para cada caso, es decir, si se trata de bombeo de agua el sistema se denomina aerobomba, si acciona un dispositivo mecánico se denomina aeromotor y si se trata de un generador eléctrico se denomina aerogenerador. El rotor puede ser de eje horizontal o vertical, éste recupera, como máximo teórico, el 60% de la energía cinética del flujo de viento que lo acciona. Está formado por las aspas y la maza central en donde se fijan éstas y se unen a la flecha principal; el rotor puede tener una o más aspas. Un rotor pequeño, de dos aspas, trabaja a 900 revoluciones por minuto (rpm), en tanto que uno grande, de tres aspas y 56 metros de diámetro, lo hace a 32 rpm. El rotor horizontal de tres aspas es el más usado en los aerogeneradores de potencia, para producir electricidad trifásica conectada a los sistemas eléctricos de las empresas suministradoras (Estrada Alejandro, 2010). México cuenta con un enorme potencial eólico. Entre los sitios identificados con viento de alta calidad se encuentran sus zonas costeras, especialmente en los estados de Baja California, Baja California Sur, Sonora, Oaxaca y Yucatán. Desafortunadamente, dicho potencial se ha explotado poco. Para el presente trabajo se analizó zonas rurales con potencial para la generación de energía a partir de los vientos en México, considerando los aspectos sociales y económicos involucrados en el desarrollo de proyectos de energía eólica. Los resultados indican que además del desarrollo tecnológico requerido, se deben fortalecer los aspectos legales que fomenten e incentiven la producción de energía eólica, y establecer regulaciones y normas ambientales que protejan al ambiente y a las poblaciones de vida silvestre.

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Potencial de aprovechamiento de la energía eólica para la generación de energía eléctrica en zonas rurales de México Los investigadores15describen que la obtención de electricidad por medio centrales eólicas es una alternativa para obtener energía eléctrica no contaminante, que evita daños ambientales tanto locales como transfronterizos y que al compararla con otras formas de producción de energía, tales como las centrales térmicas o las núcleo eléctricas, resulta la más cercana a la sustentabilidad. Las plantas eoloeléctricas no utilizan combustibles como el carbón, combustóleo o cualquier derivado del petróleo o gas natural. Tampoco emiten contaminantes al aire, ni provocan el efecto invernadero o consumen agua u otro tipo recurso natural. Además, si se las compara con una planta nucleoeléctrica, las centrales eólicas no generan residuos peligrosos ni presentan03781844/06/04/240-06 $ 3. 00/0riesgos a gran escala para las poblaciones cercanas (Caldera, 2000). En algunos países como la India, el gobierno ha ofrecido incentivos financieros que incluyen el subsidio de capital, subsidio de intereses y beneficios de impuestos con el fin de promover el desarrollo y la diseminación de tecnologías de energía renovable. Sin embargo, dichos incentivos financieros han cambiado con el tiempo en su tipo, magnitud, enfoque y cobertura geográfica (Chandrasekar y Kandpal, 2004). La generación de energía eléctrica en México por medios eólicos representa actualmente alrededor del 2% de la producción total, lo cual parecería una producción incipiente, y quizás un área estéril para la inversión. Sin embargo, acorde con potencial eólico estimado para México y los avances tecnológicos e investigaciones en energía renovable realizadas por la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) el recurso tiene un potencial de generación entre 3000 y 5000MW (Borja-Díaz, 1999; Hiriart, 2000; Ramírez et al., 2000) Esta potencialidad representa alrededor del 14% de la capacidad total de generación eléctrica instalada actualmente en todo México. Las zonas con el mayor potencial eólico se ubican en la región del Istmo de Tehuantepec, en Oaxaca, en la parte correspondiente a la costa del Pacífico, así como

15

González Ávila, L. Beltrán Morales, et al

81

en sitios en los estados de Baja California Sur, Coahuila, Hidalgo, Quintana Roo y Zacatecas (CONAE,2004).

Potencial de Producción La producción de energía eólica es dependiente del calentamiento de la superficie terrestre por acción de la radiación solar, lo que provoca los vientos. En las zonas ecuatoriales se produce una gran absorción de radiación solar, en comparación con las zonas polares; el aire caliente se eleva en los trópicos y es remplazado por masas de aire frío superficial que proviene de los polos. Este ciclo se cierra con el desplazamiento del aire, en la alta atmósfera, hacia los polos. Aunado a lo anterior está la rotación de la tierra y los cambios estacionales de la radiación solar incidente, que provocan variaciones en la magnitud y dirección de los vientos dominantes en la corteza terrestre (Moragues y Rapallini, 2004). Además del movimiento general de la atmósfera, se presentan fenómenos locales que originan viento; tal es el caso de la brisa marina y terrestre, debidas al calentamiento desigual de las masas de aire. Este viento es trasformado por aeromotores, máquinas eólicas, aerogeneradores y turbinas eólicas que convierten la energía cinética del viento en energía mecánica para que a su vez esta produzca electricidad. En México se han realizado prospecciones del recurso energético eólico a un nivel exploratorio y de reconocimiento puntual, y pequeñas redes anemométricas realizadas por parte de instituciones federales mexicanas han servido para confirmar la factibilidad de áreas para establecer un parque o central eólica. A continuación se describen las zonas con potencial eólico de México, así como las zonas con vientos técnicamente aprovechables y económicamente viables en las regiones siguientes: a) Sur del Istmo de Tehuantepec. Comprende un área de 1000km2 y podría asimilar una capacidad instalada del orden de 2000 a 3000 MW, con un factor de planta (FP) medio de 0.45. Las zonas más propicias para generar electricidad son zonas aledañas a La Venta, Oaxaca, donde en 1994 se instaló una planta eoloeléctrica con una capacidad 1.575kW, conformada por siete aerogeneradores de 225kW y denominada La Venta (Caldera, 2000). Otra área con gran potencial eólico ubicada en este mismo estado es 82

la denominada como La Ventosa, que en los últimos años ha tenido un desarrollo económico y promoción gubernamental (Borja y González, 2000). b) Península de Baja California. Es una zona con una barrera eólica natural perpendicular a los vientos occidentales. Tal es el caso de las áreas cercanas a los pobladas de La Rumorosa y zonas aledañas, así como el paso entre la Sierra de Juárez y la Sierra de San Pedro Mártir (Caldera, 2000). Estudios realizados por Jaramillo et al. (2004) en Baja California Sur indican que en la estación denominada El Cardón presenta condiciones favorables de producción de energía eólica rural con un factor de capacidad cercano al 25%. El nivel de costos de producción estimado fue entre 4.5 y 6.2 centavos de USD/kWh y un costo de inversión de entre 1000 y 1100 USD/kWh, lo que indica que esta zona es una de las más adecuadas para el desarrollo de proyectos eólicos. Otras zonas que también se han considerado con gran potencial eólico son Laguna de San Ignacio, San Juanico y Punta Eugenia, donde se han realizado estudios preliminares de su potencial (Druk, 2000). c) Península de Yucatán. Es un área de vientos alisios de primavera y verano, lo que hace que zonas como Cabo Catoche, la costa de Quintana Roo y el oriente de Cozumel hayan sido consideradas áreas con un gran potencial eólico (Caldera, 2000). d) Altiplano Norte. Incluye desde la región central del estado de Zacatecas hasta la frontera con los EEUU (Caldera, 2000; IIE, 2004). e) Región Central. En ella prevalecen vientos alisios de verano, desde Tlaxcala a Guanajuato. Los vientos complementan estacionalmente a los del altiplano norte y en el sur del Istmo de Tehuantepec. La complejidad orográfica de esta zona da por consecuencia que ciertos pasos y mesetas sean apropiados para su explotación energética (Caldera. 2000). En esta región ya se han establecido con éxito pequeños proyectos eólicos e híbridos para electrificar comunidades rurales remotas (Gutiérrez-Vera, 1992). Con respecto al litoral mexicano y sus islas, se trata de áreas con grandes posibilidades para producir energía eólica a pequeña escala. En la figura 1 se muestran áreas detectadas con potencial eólico como son Laguna Verde en Veracruz y la Isla del Carmen ubicada en Laguna de Términos, en Campeche, entre otras. La CFE y el IIE, junto con varios 83

gobiernos estatales, han llevado a cabo estudios y mediciones de las velocidades del viento en distintos puntos del territorio.

Experiencias de proyectos eólicos en México A nivel gubernamental, la CFE reporta que las principales fuentes de producción de energía eléctrica son las centrales eólicas de La Ventosa en Oaxaca y Guerrero Negro en Baja California Sur. A continuación se describen las características generales de los principales proyectos eólicos gubernamentales desarrollados en México: La Venta, Oaxaca. Este proyecto fue una de las primeras centrales eólicas en México. Se ubica en el estado de Oaxaca, en el Istmo de Tehuantepec. Dicho proyecto fue puesto en marcha en 1994 y fue la primera planta en ser integrada a la red eléctrica en México y América Latina. Su capacidad instalada es de 1575MW (CFE, 2004). En términos generales, La Venta ha tenido buenos resultados en comparación con otras centrales eólicas del mundo, y actualmente están en fase de diseño y licitación los proyectos La Venta II, III y IV (CFE, 2004). El potencial existente ha llevado a que esta zona sea considerada para ser integrada al sistema nacional de electricidad como otra fuente de energía eléctrica. La Ventosa, Oaxaca. Análisis realizados por el IIE en La Ventosa han estimado un potencial de 2000MW, que se pueden generar a partir de plantas de poder eólico en esta zona (Jaramillo y Borja, 2004). La Ventosa está delimitada por el primer nivel topográfico que se encuentra a 100m sobre el nivel del mar, desde el puerto de Salina Cruz y hasta los lí-mites entre Oaxaca y Chiapas (Jaramillo y Borja, 2004). Guerrero Negro, Baja California Sur. El proyecto eólico se ubica en el municipio de Mulegé, en las afueras de la población de Guerrero Negro, en el estado de Baja California Sur, dentro de la zona de Reserva de la Biosfera de Vizcaíno Tiene una capacidad de 600MW y consta de un solo aerogenerador que opera de forma automática. El factor de planta promedio con el que opera la planta fue 18% y en términos generales ha mostrado eficiencia para proporcionar electricidad a las poblaciones aledañas (Vázquez, 2001; CFE, 2004; IIE, 2004b). Otro proyecto reportado en Baja California Sur se ubica en el área El Cardón, donde se han instalado 15 aeroturbinas (Jaramillo et al., 2004) 84

que alcanzan un factor de aire-turbina de 25%, por lo cual es un sitio considerado favorable para el desarrollo de energía eólica a nivel rural. San Juanico, Baja California Sur. El proyecto se ubica en la comunidad San Juanico, localizado en el litoral del Océano Pacífico, en el municipio de Comondú, Baja California Sur, donde el servicio de electricidad ha mejorado el nivel de vida de las poblaciones. La planta eólica está constituida por 3 sistemas que operan en paralelo: con energía solar, eólica y termoeléctrica a partir de diesel. Esta planta híbrida trabaja con 100kW de viento, utilizando aerogeneradores de 10kW cada uno, celdas solares de 17kW y un motor generador diesel de 80kW. (Vázquez, 2001; Gutiérrez, 2004). Puerto Alcatraz, Baja California Sur y Norte. Este proyecto se ubica en las áreas de Baja California Sur y Norte, y el objetivo para establecerlo fue el de incrementar la calidad de vida de los habitantes de poblados aislados como Puerto Alcatraz, localizado en la isla Santa Margarita (Vázquez, 2001). La planta de Puerto Alcatraz tiene una capacidad de 77.3kW y está constituida por 3 aerogeneradores de 5kW cada uno, 2 arreglos fotovoltaicos de 1,15kW cada uno, y una máquina diesel de 60kW. Además, cuentan también con una batería de 200kWh, 120V CD y un inversor de 15kW (Vázquez, 2001). Lo anterior lleva a considerar el desarrollo de la energía eoloeléctrica en ambientes como las islas, que son lugares donde la generación eólica es una buena alternativa de obtener electricidad de una forma limpia, relativamente barata y socialmente aceptable, que cubra los requerimientos de las poblaciones nativas y el turismo. A este respecto Koroneos et al., (2004) realizó un estudio en la isla de Lesbos en Grecia, acerca del uso de diferentes fuentes de energía renovable, en el que se incluía aeroturbinas. Los resultados indicaron que la generación de electricidad por medios eólicos era una buena alternativa por su bajo costo y mantenimiento, y que podía ir remplazando parcialmente las formas típicas de generación de electricidad en las islas cercanas. Ramos Arizpe, Coahuila. La compañía cementera Apasco adquirió en 1997 un aerogenerador que fue instalado en el municipio de Ramos Arizpe, estado de Coahuila. Este aerogenerador trabaja bajo la modalidad de autoabastecimiento con 38KW a un nivel bajo. Se ha detectado que la zona tiene un gran potencial eólico (IIE, 2004b; Jaramillo et al., 2004), aunque en estos últimos años este proyecto sufrió ciertas vicisitudes. 85

Cozumel Quintana Roo. El proyecto eoloeléctrico que fue presentado ante la autoridad ambiental (Secretaria de Desarrollo Social) en 1994 como una central de 30MW con una estimación de producción anual 75millones de kWh y una disponibilidad de planta de 28.5%. El número de turbinas a establecer era de 60. Este proyecto fue promovido por la compañía Cozumel 2000 y el gobierno del estado de Quintana Roo, y se considera que reduciría la erogación del pre-supuesto del estado por pago de la energía eléctrica consumida en el alumbrado público, a la par de ser una forma de di-versificación del suministro de energía (Fuerza Eólica, 2000).

2.2 Motores de corriente directa y alterna El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. El principio de operación de las máquinas eléctricas obedece a algunas leyes fundamentales del electromagnetismo, estas leyes son básicamente: 1. Ley de inducción de Faraday. Fuerza electromotriz inducida en un circuito conductor cerrado debida al flujo producido por un imán. Esta ley establece si el flujo magnético concatenado(enlazado) con un circuito conductor cerrado varía, se induce una fuerza electromotriz en el circuito.

Si ø representa el flujo concatenado con el circuito y døla variación de flujo durante el tiempo dt, entonces el valor de la fem inducida es proporcional a la velocidad de variación del flujo dø/dt. El sentido de la fem inducida viene determinado por la ley de Lenz, lo cual establece que la intensidad producida por la fem inducida se opone a la variación del flujo.

Cuando el sentido de la intensidad tiende a oponerse debido a la posición del flujo la fem y la intensidad tienen el mismo sentido, por lo tanto la fem debe considerarse negativa respecto a la variación del flujo concatenado. Si el flujo concatenado con el circuito aumenta, o sea si dø/dt es positivo, la corriente producido por la fem inducida hace disminuir el flujo; si el flujo concatenado con el 86

circuito disminuye, o sea, si dø/dtes negativa, la corriente producida por la fem inducida aumenta el flujo. De acuerdo con lo anterior, la ley de Faraday puede escribirse así: e = - dø/dt . 10-4 volt o sea, la fem inducida en el circuito es igual a la velocidad de disminución del flujo concatenado con el circuito. En esta ecuación ø viene en maxwell y t en segundos. Si una bobina tiene N espiras y el mismo flujo circula en todas, el voltaje inducido en toda la bobina estará dado por e = - Ndø/dt . 10-4 volt donde e = voltaje inducido en la bobina N = número de vueltas de alambre en la bobina Ø = flujo que circula en la bobina 2. Ley de Kirchhoff del circuito eléctrico. Esta ley establece “en cada malla de una red, la suma de todas las fem aplicadas e inducidas es igual a la suma de todas las caídas de tensión resistivas”. ∑(V + e) = ∑ IR 3. Ley del circuito del campo magnético (ley de Ampere). También se establece una relación parecida a la ecuación 2.1 para el circuito magnético. Si Hl es la intensidad de campo magnético en el elemento dl del circuito magnético, N es número de espiras que están atravesadas por el flujo magnético, e “I” la intensidad que circula por el enrollamiento, entonces la ecuación correspondiente es: ʃHl dl = NI en esta ecuación establece que la ”integral curvilínea de la intensidad de campo magnético a lo largo de un camino cerrado es igual a la suma de ampervueltas con los cuales este camino enlazado”

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Figura 2.14 Flujo producido por una bobina.

Fuente: Liwschitz Miguel (1972). Máquinas de corriente continua, editorial CECSA, México,p.31

4. Ley de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magnético(ley de Biot-Savart).Intensidad y sentido de la fuerza. Cuando un conductor por el cual circula una corriente se coloca en un campo magnético se ejerce una fuerza sobre él. Si el sentido de las líneas de inducción forma un ángulo α con el sentido de la intensidad en el conductor esta fuerza es: f = 8.85 x 10-8 BIL senα libras donde L es la longitud del conductor en el campo magnético en pulgadas I la intensidad en ampere, y B la densidad de flujo(en líneas por pulgada cuadrada) en el que está situado el conductor.

En las máquinas eléctricas, las líneas de inducción y los conductores son siempre perpendiculares entre sí.16 Por consiguiente, en las máquinas eléctricas, f = 8.85 x 10-8 BIL libras El sentido de la fuerza f sobre el conductor puede determinarse mediante la regla de la mano izquierda.

16

Liwschitz Miguel (1972).Op.cit., p.34

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Figura 2.15 Fuerza ejercida sobre un conductor y sentido de la corriente por el circula corriente en un campo magnético.

Fuente:Liwschitz Miguel (1972). op. cit.,p.33

5. Ley de la dirección de la fem inducida (Ley de Lenz).El signo menos en la ecuación 2.2 es una expresión de la ley Lenz, en la cual establece que la dirección del voltaje inducido en la bobina es tal que si los extremos de ésta estuvieran en corto circuito, se produciría en ella una corriente que generaría un flujo opuesto al cambio del flujo inicial.

Principios fundamentales de las máquinas eléctricas de corriente continua Los principios fundamentales sobre los cuales se basan las máquinas eléctricas, ya sean estáticas o rotatorias son aquellos donde interviene el electromagnetismo y de la inducción electromagnética y son válidos para todas las máquinas en forma independiente del grupo a que pertenezcan. En un campo magnético dentro del cual se tiene un conductor en forma de espira, a partir de ese circuito básico se pueden tener las condiciones siguientes: 

El principio de los motores eléctricos.



El principio de los generadores eléctricos.



El principio de los transformadores.

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Principio básico de funcionamiento de un motor corriente continua Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la corriente. Esta fuerza es directamente proporcional a tres magnitudes: intensidad de campo, intensidad de la corriente y longitud del conductor que queda dentro del campo. Los principios fundamentales sobre los cuales se basan las máquinas eléctricas, ya sean estáticas o rotatorias son aquellos donde interviene el electromagnetismo y de la inducción electromagnética y son válidos para todas las máquinas en forma independiente del grupo a que pertenezcan. Los primeros sistemas de potencia en los Estados Unidos fueron sistemas de corriente continua(c.c.), pero hacia los años de 1890, los sistemas de potencia de corriente alterna(c.a.) fueron primando sobre los sistemas c.c. A pesar de este hecho, los motores c.c. continuaron siendo una parte importante de la maquinaria comprada cada año hasta los años de 1960.17 Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la corriente. Existen tres magnitudes que actúan directamente proporcional que son: la intensidad del campo, intensidad de la corriente y la longitud del conductor que queda dentro del campo. De acuerdo con la figura 2.16, teniendo los dos lados de la espira recorridos por la corriente directa en sentidos opuestos, en éstas aparecen fuerzas en el sentido contrario por lo que la resultante es un par que hace que la espira gire perpendicularmente a las líneas de flujo. La fuerza que produce ese par de giro se obtiene con la expresión:

17Chapman

Stephen J. (2000). Maquinas Eléctricas, editorial Mc Graw Hill Interamericana S.A. Colombia, p.546.

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Figura 2.16 Principio del motor eléctrico

Fuente: Harper E. (1984). Curso de Máquinas de Corriente Continua, editorial Limusa. México, p.76

F = BIL cosɸ donde:

F = fuerza en newton. B = densidad del flujo magnético(weber/m2) L = longitud de un lado de la espira en m. ɸ = ángulo que forma el eje transversal de la espira con la dirección del flujo magnético.

de la fórmula anterior se obtiene la expresión que permite calcular el par de giro T = BIL d cosɸ donde d es la distancia entre los dos conductores. La expresión para el par puede escribirse en función del área de la espira, cuyo valor es A = Lxd, como se sabe el flujo magnético en términos de la densidad de flujo y el área de la espira que corta es: ɸ = BxA, se tiene: T BIL d cos ɸ = BIA cosɸ = ɸ I cosɸ( newton-metro)

91

Figura 2.17 Posición de la espira con respecto al flujo.

Fuente: Harper E. (1984). Ibíd, p.76

De todo lo anterior se puede describir que el momento del par es directamente proporcional a la cantidad de flujo magnético que atraviesa la espira y a la corriente que conduce.18 La construcción de las máquinas de corriente continua, están compuestas de: a) Un inductor que lo constituye el campo magnético. b) Un inducido sobre el cual se produce el fenómeno del electromagnético de inducción. c) Un conmutador o colector de laminaciones con su sistema de escobillas y porta escobillas que tiene la función de rectificar la corriente que se induce en el rotor bajo la forma de corriente alterna(en el generador) para obtener la corriente continua. Las máquinas de corriente continua tienen principalmente las siguientes partes: magnéticas, eléctricas y mecánicas. Partes magnéticas. Son las partes del material magnético que tienen la función de contener al flujo magnético en forma eslabonada y constituyen lo que se conoce como el núcleo magnético de la máquina y está compuesta por el núcleo magnético o polos de la máquina en la parte fija o estática de la máquina y el núcleo magnético del rotor.

18:

Harper E. (1984). Ibíd, p.77.

92

Partes eléctricas. Está compuesta por los devanados del inductor, que son bobinas devanadas en los polos y el devanado de armadura (inducido) constituyen las bobinas localizadas en la parte giratoria de máquina, que se reconoce como la armadura. Partes mecánicas. Son las que se necesitan para la realización del movimiento rotatorio o giratorio compuesta de: el árbol, los cojinetes o chumaceras, el sistema de lubricación. En resumen un motor eléctrico de corriente continua está compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético. El estator está constituido por el yugo o carcaza que es básicamente un cilindro de acero, fierro y hasta de chapa laminada, su sección es de forma variable y no se encuentra sujeta a variaciones de flujo, su trabajo es más bien mecánico, ya que tiene la función de soportar los polos con las tapas. Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:  Motor

serie.

 Motor

compound.

 Motor

shunt.

 Motor

eléctrico sin escobillas.

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:  Motor

paso a paso.

 Servomotor.  Motor

sin núcleo.

93

Figura 2.18 Vista del estator.

Fuente: Harper E. (1984). Ibíd, p.89

Motores de corriente alterna El motor es una máquina motriz que convierte la energía eléctrica en energía mecánica de rotación o par, como su nombre lo indica, es un motor de corriente alterna porque funciona con corriente alterna. Hay dos tipos de motores eléctricos de corriente alterna, el motor síncrono y el motor de inducción. Cada uno de estos tipos puede ser monofásico o trifásico. Desempeñan un papel importante en la vida diaria para todo tipo de aplicaciones en instalaciones domésticas, comerciales e industriales. En aplicaciones industriales son más comunes los motores trifásicos debido a su eficiencia comparada con los motores monofásicos. La fuente de alimentación como ya se mencionó pueden ser trifásicos o monofásicos y se clasifican en: motores de corriente alterna síncronos y motores de corriente alterna de inducción. En aplicaciones industriales es más notorio utilizar motores síncronos donde requieren una velocidad constante o una corrección del factor de potencia. Los motores de inducción y los motores síncronos son similares en muchos aspectos, pero tienen algunos detalles diferentes.

94

En páginas anteriores se mencionó que en el año de 1831 Michael Faraday descubrió que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algún medio mecánico en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera y este produce una circulación de corriente. También se dijo Heinrichi Lenz, basándose en los descubrimientos de Faraday observó que la inducción electromagnética el voltaje inducido puede ser la causa de que circule una corriente en un circuito cerrado, de tal manera que la dirección del campo magnético producido por la corriente se opone al cambio producido por la corriente.

Motor asíncrono o motores de inducción Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motores eléctricos de corriente alterna. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of ElectricalEngineers (Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888.19 Los motores de inducción se clasifican por el número de fases. 1) Monofásicos. 2) Bifásicos. 3) Trifásicos. Por el tipo de rotor pueden ser: 1) De rotor devanado. 2) De rotor jaula de ardilla. Se pueden fabricar de varios polos, en base a la frecuencia y la velocidad de operación. Las trifásicas están desfasadas entre sí 120°. Según el teorema de Ferraris, “cuando por estas bobinas circula siempre un sistema de corrientes trifásicas, se induce un

19http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_as%C3%ADncrono

95

campo magnético giratorio que envuelve el rotor”. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor (ley de Faraday).

Entonces se da el efecto Laplace (o efecto motor): “todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento”. Simultáneamente se da el efecto Faraday (o efecto generador): “en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión”. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento. El motor de inducción está constituido principalmente por: 1) Estator. 2) Rotor. 3) Carcaza. 4) Auxiliares (tapa anterior y posterior, chumaceras, tornillos de sujeción, cajas de conexiones, base o soporte). Estator. El estator de los motores de inducción está formado por paquetes de láminas de acero al silicio troqueladas.

96

El estator de los motores representa una de las partes del circuito magnético del motor. El contenido de silicio, depende de las densidades de flujo usuales, está constituido por paquetes de lámina troquelada en forma de ranuras, con objeto de que el embobinado del estator pueda alojarse en dichas ranuras. En las ranuras del estator se alojan las bobinas del estator. Rotor. El rotor de los motores de inducción es de dos tipos: 1) Jaula de ardilla. Recibe este nombre porque es parecida a una jaula de ardilla. Aquí el embobinado está constituido por barras que se vacían sobre el rotor destinado para este fin; por lo general, las barras son de aluminio y al fundirse el rotor, debido a las formas que se les da, quedan unidas entre sí en cortocircuito en la forma de una jaula de ardilla. 2) Rotor devanado. Se le llama así porque su bobinado está devanado en las ranuras. Está formado por paquetes de láminas troqueladas, montadas sobre la flecha o eje. Las bobinas de devanan sobre las ranuras y su arreglo depende del número de polos y de fases. La flecha es el elemento que proporciona la energía mecánica a la carga. Carcaza o soporte. Recibe también el nombre de soporte por ser el elemento que contiene el estator y los elementos auxiliares del motor. Auxiliares. Son los elementos necesarios para el funcionamiento de éste y dependen del tipo de motor.

97

Figura 2.19 Arranque motor de inducción.

Fuente: elaboración del autor.

Arranque de motores de inducción Los motores de inducción pueden conectarse directamente de la red, pero en muchos de los casos presentan problemas al hacerlo. En estos motores de inducción pueden ser puestos en marcha conectándolos simplemente a la red; sin embargo, la corriente de arranque requerida puede causar una caída en el voltaje del sistema de potencia, tal que haga inaceptable el arranque a través de la línea. En motores de inducción trifásicos a veces es necesario limitar la corriente de arranque para no afectar a otras cargas conectadas al mismo alimentador, y ésta se puede limitar

98

mediante el uso de impedancias en serie en cada línea del motor o mediante el uso de transformadores que reduzcan el voltaje aplicado al motor. 20 Figura 2.20 Motor jaula de ardilla y rotor devanado.

Fuente: Harper E. (2002). Curso de transformadores y motores de inducción 4ª edición, editorial Limusa. México p. 323.

El primer caso es el que se tratará en este trabajo, sin embargo el uso de autotransformadores frecuentemente da mejores resultados, por lo cual conviene explicar sus ventajas y luego pasaremos al cálculo de los valores de impedancia que se deben agregar en serie cuando se usa impedancia en serie. Se debe tener especial cuidado de no reducir demasiado la corriente de arranque, ya que en la misma proporción que se reduce la corriente de arranque se está reduciendo 20

Rodríguez B. Javier (2012). Selección de arrancadores para motores de c.a.(mty.itesm.mx/etie/deptos ./ie/ profesores/jrodrigu/con1/mcal../.

99

el voltaje aplicado al motor y el par de arranque del motor depende de este voltaje al cuadrado. Puede ocurrir que si se reduce demasiado el voltaje al motor el par de arranque no permita que el motor empiece a girar o que el proceso de arranque sea muy lento, lo cual puede provocar que el motor se sobrecaliente y sufra daños (si la corriente se redujo a un valor mayor que la corriente nominal). En los motores de jaula de ardilla, la corriente de arranque puede variar con gran amplitud dependiendo en principio de la potencia nominal del motor y de la resistencia efectiva del rotor en las condiciones de arranque. Para determinar la corriente de arranque de un motor de inducción trifásico, lea el voltaje nominal, la potencia nominal y la letra de código en su placa de características, la potencia aparente de arranque del motor será: La letra código limita la cantidad de corriente que el motor puede tomar en condiciones de arranque, que indican los kilovoltampere de arranque por HP nominal para un motor. Cada letra código se extiende hasta el límite inferior siguiente clase superior, pero no lo incluye. Tabla 2.1 Letras código NEMA para determinar la corriente de arranque de motores. Letra código Nominal

Rotor bloqueado kVA/HP

Letra código Nominal

Rotor bloqueado kVA/HP

A

0-3.15

L

9.00-10.00

B

3.15-3.55

M

10.00-11.00

C

3.55-4.00

N

11.20-12.50

D

4.00-4.50

P

12.50-14.00

E

4.50-5.00

R

14.00-16.00

F

5.00-5.60

S

16.00-18.00

G

5.60-6.30

T

18.00-20.00

H

6.30-7.10

U

20.00-22.40

J

7.7-8.00

V

22.40 y superiores

K

8.00-9.00

Fuente: Chapman Stephen J(2000). Máquinas eléctricas, editorial Mc Graw Hill Interamericana S.A. Colombia, p.440.

100

Figura 2.21 Vistas de rotores jaula de ardilla y rotor devanado.

Fuente: Harper E. (2002). Op.cit. cit. P.324.

101

2.3 Transformadores monofásico y trifásico Transformadores de distribución Los transformadores de distribución son usados ordinariamente para bajar la tensión (voltaje) de los sistemas de distribución al valor de utilización. Los transformadores de distribución se conectan a los alimentadores primarios generalmente a través de unos fusibles y suministran los circuitos secundarios a los cuales está conectado el servicio del cliente. Los fusibles que van colocados en las terminales de alta tensión del transformador o en las líneas conectadas a su secundario y evitan de esta manera una interrupción completa en todo el alimentador, o sea en todo el circuito de baja tensión del transformador en cuestión. Descripción Las partes más importantes del exterior del transformador de distribución son: a) El tanque. b) Boquillas aislantes. c) Grifo purga. d) Conexión a tierra. Las partes más importantes del transformador de distribución son: a) El núcleo.

c) Los taps.

b) Las bobinas.

d) Tarugos

El núcleo es de un material especial laminado (acero-silicio) aisladas entre si y sirve para canalizar y aumentar la intensidad del campo magnético, las bobinas, generalmente están hechas de alambre para magneto y superpuestas en varias capas de alambre en espiral. Los taps normalmente se encuentran en las bobinas de alta tensión del transformador y sirven para hace variar el número de vueltas de la bobina, los tarugos son de madera tratada y tiene como finalidad soportar el núcleo así como guardar la separación entre las bobinas primarias y secundarias. 102

El aceite en el transformador, cumple dos funciones importantes a saber: para el enfriamiento interior del transformador cuando está en servicio y como aislamiento (entre partes vivas y el tanque). Figura 2.22 Partes del transformador.

Fuente: elaboración del autor.

Clasificación de transformadores Los transformadores se pueden clasificar de acuerdo a: 

Su utilización.



Por el número de fases.



En función de las condiciones del servicio.



Por su operación.



Por el tipo de enfriamiento.



En función de lugares de instalación.



Por la construcción la construcción o forma del núcleo.

103

Figura 2.22a Clasificación de los transformadores.

Fuente: elaboración del autor.

Circuitos trifásicos Como se ha dicho en páginas anteriores, los transformadores desempeñan un papel importante en la utilización de la energía eléctrica y dentro de sus características estos transformadores se pueden conectar de diferentes maneras, dependiendo de las necesidades del servicio.

104

En las redes de distribución es necesario instalar banco de transformadores monofásicos en conexiones trifásicas y transformadores trifásicos. En este apartado se hablará exclusivamente de conexiones de transformadores trifásicos.

Conexión Delta- Delta En el lado primario está en Delta y en lado secundarios también está en Delta. Para el suministro de energía eléctrica trifásica con buen factor de utilización, no hay problemas de sobretensiones producidas por terceras armónicas o de interferencia telefónicas. Figura 2.22b. Conexión transformador Delta- Delta.

Fuente: elaboración del autor con apuntes CFE.

El inconveniente en esta conexión es cuando se conectan tres transformadores monofásicos, en una de las fases con el neutro da un voltaje en baja tensión de 190 volts. Se recomienda tener precaución e indicar en la red que no se debe conectar servicios a 120 volts.

Conexión Delta-Estrella-aterrizada En el lado primario está en delta y en lado secundarios está en estrella aterrizada. Las cargas conectadas en el lado secundario están equilibradas con factor de potencia unitarios. No hay ninguna dificultad en las corrientes de tercera armónica, ya que la existencia en delta permite una trayectoria para estas corrientes. En el lado secundario permite proporcionar servicio de tres fases a cuatro hilos. El desequilibrio en la tensión es muy pequeño debido a que en el lado primario tienen una conexión en delta.

105

Figura 2.22c Conexión Delta-Estrella aterrizada.

Fuente: elaboración del autor.

Comportamiento de la tensión o voltaje Al referirnos a las tensiones en el circuito trifásico será necesario distinguir: a) Voltaje de línea (Vl) o sea voltaje de fase a fase, es el que hay entre dos fases de la línea de alimentación. b) Voltaje de fase (Vf) es el que existe entre cualquiera de las fases y el neutro. El voltaje de línea que se ilustra en la figura 2.23, es medido entre las fases A y B habrá otro entre B y C y otro entre Ay C. El voltaje de fase puede ser medido entre la fase A y el neutro (N), entre la fase B y el neutro (N) y entre la fase C y el neutro (N). Para saber cuál es el valor del voltaje de línea bastará con hacer una sola medición entre dos de cualquiera de las tres fases. Voltaje de línea= 220 volt. Este voltaje será siempre el voltaje nominal, a veces habrá 218 o 230 volt, etcétera, pero todos referidos a 220 volt. Y para saber cuál es el voltaje de fase, también se hace una sola medición entre cualquiera de las tres fases y el neutro.

106

Figura 2.23 Comportamiento de la tensión.

Fuente: apuntes del autor.

Voltaje de fase =127 volt Comparando ahora el voltaje de línea con el voltaje de fase encontraremos una relación. Voltaje de línea / voltaje de fase = 220V/127V = 1.73

Comportamiento del circuito con cargas equilibradas El circuito trifásico estará equilibrado cuando las cargas conectadas en cada una de las fases sean iguales y por consiguiente, las corrientes en cada una de ellas serán También iguales. Figura 2.24 Comportamiento del circuito con cargas equilibradas.

Fuente: apuntes del autor.

107

La intensidad de corriente en el hilo neutro es nula en este caso, no debe llevar carga, siempre y cuando el circuito esté equilibrado, es decir que todas las fases tengan la misma corriente. Figura 2.25 Comportamiento del circuito rotura del hilo neutro.

Fuente: apuntes del autor.

En estas condiciones, se rompe el hilo neutro de la línea de alimentación. No sucede nada anormal, puesto que el neutro no está conduciendo corriente. “Una función del neutro en la conexión estrella es la que proporciona el voltaje de fase”

Comportamiento del circuito con cargas desequilibradas Cuando las tres corrientes medidas en las fases son diferentes o cuando por lo menos una de ellas es diferente a las otras dos, se tiene cargas desequilibradas. Se tiene las lecturas de corriente en ampere: Fase A (IA) = 3 A; Fase B (IB) = 2A; Fase C (IC) = 1A; Neutro (IN) = 1.7 A Como el hilo neutro lleva corriente, nos da a entender que la carga del transformador de distribución está desequilibrada. Como consecuencia del desequilibrio de las cargas, por el neutro circula una corriente llamada “corriente de desequilibrio”. “En la conexión estrella con cargas y desequilibradas, la función del hilo neutro es conducir la corriente de desequilibrio”.

108

Figura 2.26 Comportamiento del circuito rotura del hilo neutro.

Fuente: apuntes del autor.

Al medir los voltajes se observa que a pesar de que las corrientes en las fases son diferentes, los voltajes de fase son iguales. El neutro con cargas desequilibradas, mantiene los voltajes de fase equilibrados. Si en las condiciones anteriores, se rompe el neutro, el desequilibrio es más notorio, ya que, no solamente las corrientes estarán desequilibradas. Figura 2.27 Comportamiento del circuito rotura del hilo neutro.

Fuente: apuntes del autor.

También en los voltajes se notará el desequilibrio quedando como sigue: La fase con mayor carga quede con bajo voltaje con respecto al voltaje de fase (menor que 127 volt), las otras dos fases se sobretensionan (mayor de 127 volt).

109

Si un transformador de 30 kVA de capacidad, está tomando a plena carga 1.31 Ampere por el lado de 13,200 volt, por el lado de baja tensión de 220 volt, estará entregando 60 veces la corriente. Se aprecian en la figura anterior dos cosas importantes: 1. El lado de alta tensión, o primario del transformador, es un lado de alto voltaje y por ello hay mucho aislamiento que se ve en las boquillas de porcelana grandes. también se ve que es de poca corriente (amperaje) y por lo mismo de conductores relativamente delgados. Figura 2.28 Transformador de distribución a plena carga.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

2. El lado de baja tensión, o secundario del transformador, es un lado de bajo voltaje y por ello poco aislamiento que reflejan las 4 boquillas de porcelana pequeñas. también es un lado de alta carga (amperaje) y por ello se requieren conductores más gruesos. Se puede apreciar que en lado primario la corriente es del orden de 1.31 110

amperes y en lado secundario es de 78.6 ampere, pasa más carga o corriente, por lo tanto donde pasa más corriente el conductor es más grueso, en cambio donde pasa menos corriente le conductor es más delgado. Si se toma como ejemplo que carga lleva un transformador trifásico de 45 kVA en el lado primario y en el lado secundario, de acuerdo con los datos del diagrama de la figura 2.29, obtenemos que la corriente en el lado primario es: IL = 45 kVA entre 1.73 por 220 volt = 1.97 A. En el lado secundario es: I L = 45 kVA entre 1.73 por 220 volt = 118.2 A. Figura 2.29. Forma diagramática para obtener la potencia aparente.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

La potencia aparente es la capacidad del transformador en kVA, el voltaje de línea en los transformadores monofásicos es la medición entre el neutro y fase o de fase a fase. La corriente de línea es la medición en cada fase, en los circuitos equilibrados no debe haber corriente en el neutro. De igual forma la potencia aparente en los transformadores trifásicos o mediciones trifásicas se obtiene con la medición del voltaje entre líneas por la corriente de cada fase. PA(potencia aparente) = VL (voltaje de línea) x IL (corriente de línea).

Determinación de la corriente nominal (IN) La corriente nominal, también conocida como “corriente normal de plena carga” (IN), para el caso de transformadores trifásicos se puede determinar con la ayuda del triángulo siguiente:

111

Figura 2.30. Forma diagramática para obtener la corriente IN.

kVA= Capacidad del transformador. VL = Voltaje de línea del lado que se desea calcular la corriente.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

Ejemplo un transformador de distribución de 30 kVA, 13200/220 volt. La corriente nominal en el lado de 13 200 volts será:

La corriente nominal en el lado de 220 volt será:

Recomendaciones prácticas Sabiendo que el voltaje de baja tensión entre fases es siempre de 220 volt, la corriente nominal será: IN = 2.627 x kVA la carga en ampere en el lado de 220 volt. Si quiere calcular la corriente en el lado de 13200 V, bastará con dividir entre 60 (que es la relación de transformación) y se consigue la corriente en lado de 220 volt. En el trabajo es más práctico aún, contar con la siguiente tabla.

112

Tabla 2.2 Valores de corrientes nominales en transformadores trifásicos. CORRIENTE NOMINAL EN AMPERE kVA 15 30 45 75 112.5

LADO DE 220 VOLT (B.T.) 39.4 78.8 118.2 197.0 295.5

LADO DE 13,200 VOLT (A.T.) 0.65 1.31 1.96 3.27 4.92

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

En esta tabla se podrá comprobar que la corriente en el lado de 220 volt(B.T.), son 60 veces mayores que la corriente respectivos en el lado de 13200 volt(A.T.).

Medición de la corriente de carga 1. La corriente medida (Im) en un transformador de 30 kVA energizado, lleva cargas el secundario: fase “a” 50 ampere, fase “b” 40 ampere y en la fase “c” lleva una corriente de 28 ampere, la corriente medida Im resultó ser de 39 ampere la suma de las tres corrientes entre tres [ Im= (Ia + Ib + Ic)/3 ] Se resta de la corriente de la plena carga (IN) que es de 78 ampere y el resultado será la “corriente disponible” (ID) que con esta capacidad disponible el transformador podrá alimentar a nuevos servicios. ID= IN– Im

ID= 39 ampere; ID = 78 – 39 = 39 ampere.

Puesto que la corriente medida de 39 amperes es la mitad de la plena carga de 78 amperes. Resulta que el transformador está trabajando a la mitad de su capacidad o sea el 50%. 2. Basándonos en que el “voltaje de Línea” (VL) del secundario del transformador es de 220 volt, los kVA disponibles se pueden determinar así:

113

Figura 2.31 Forma diagramática para obtener la capacidad disponible. Donde:

(kVA)D = 0. 38 x ID. (kVA)D = 0.38 ID ID = Corriente disponible. (kVA)D = kVA disponibles. 0.38 = número constante. (kVA)D = 0.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

En nuestro ejemplo la ID= 39 ampere; entonces: (kVA) D = 0.38 X 39 = 14.85

(aproximadamente15 kVA disponibles en el transfor-

mador). 3. Puesto que el factor de potencia (F.P.) mínimo aceptado por C.F.E. es de 90% , para expresar los (kVA)D en kW disponibles (kW) D, bastará con utilizar el triángulo siguiente: Figura 2.32. Forma diagramática para obtener la capacidad kW disponibles.

(kW)D = (kVA) x 0.90 donde: (kW)D = kilowatt disponibles. (kVA)D= kVA disponibles. 0.90 =Factor de potencia(mínimo aceptable). Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

En el ejemplo, los (KVA)D = 15 y por lo tanto los(KW)D, serán: (kW )D = 15 x 0.90 kW D = 13.50kW (carga disponible) 114

Esta carga está disponible en el transformador lo cual podrá alimentar además de la que tiene otros nuevos servicios. La capacidad disponible es para cargas trifásicas a 220 volt o para el triple de cargas monofásicas a 127 volt. El voltaje secundario, puede aumentarse de dos formas: 

Aumentando las vueltas al secundario.



Quitando vueltas al primario.

Puesto que los taps del transformador de distribución se encuentran en el primario, solamente se puede cambiar mediante el número de vueltas de las bobinas primarias y por lo tanto si se trata de elevar el voltaje en el secundario se quitaran vueltas al primario. De acuerdo con la tabla 2.2 el voltaje nominal del transformador es 13200 volt, o sea que viene de fábrica en el tap 2 y de acuerdo a las necesidades del servicio se verá si se deja en este tap o requiere cambiarse. Tabla 2.3 Regulación de la tensión en el transformador de distribución. CAMBIADOR DE DERIVACIONES (TAPS) Posición del tap

Volt (A.T.)

I

Conexión (Interior del tanque) 1-2

II

2-3

13200

III

3-4

12870

IV

4-5

12540

V

5-3

12210

13530

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

En las figura 2.33 se aprecia que los taps(derivaciones) se encuentran es las bobinas de alta tensión y de acuerdo con la figura, al pasar por los taps desde la posición I hasta la posición V u otra posición inmediata, se le estarán quitando vueltas al primario(A.T.) del transformador y por lo tanto el voltaje secundario aumenta. En cambio al pasar de la posición V hasta la I u otra inmediata, se estarán aumentando vueltas al primario y el voltaje secundario disminuirá. 115

Para aumentar el voltaje secundario, los cambiadores (taps) deben quitar vueltas a la bobina primaria, esto hace al pasar del I al II del II al III, etc. Para disminuir el voltaje secundario, los taps deben aumentar vueltas a la bobina primarias, esto lo consiguen al pasar del V,IV, III, etc.

Taps del trasformador de distribución trifásico En este caso, el funcionamiento de los taps(derivador) es el mismo que en el transformador monofásico, pero en lugar de uno solo existirá tres cambiadores de derivación idénticos. En la placa de características del propio transformador se ilustra la conexión de sus bobinas y sus derivaciones, como se muestra enseguida:

Figura 2.34 Conexión de bobinas y sus derivaciones de un transformador trifásico.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

116

Figura 2.33 Cambiador de derivaciones.

Fuente: Harper E.(2005). Pruebas y mantenimiento a equipos eléctricos, editorial Limusa. México, p.168.

117

En la figura 2.34 se observa que cada una de las bobinas primarias cuenta con seis derivaciones (taps) en la posición I (ver tabla 2.2) se conectan las derivaciones 1 con 2 y por ello habrá el máximo de vueltas propias para disminuir el voltaje secundario debido a alto voltaje primario. En la posición II, se conecta 2 con 3; en la posición III, se conecta 3 con 4; en la posición IV se conecta 4 con 5 y en la posición V se conecta 5 con 3. Si en la especificación del transformador es +2, -3 quiere decir que el tap nominal es el tap II (13 200 V) hay dos taps arriba y dos taps abajo(sin contar el nominal). De acuerdo con lo anterior se puede deducir que los taps de los transformadores normalmente son cinco y están colocados en lado primario del transformador. La variación de voltaje o tensión que hay entre taps es 2.5% haciendo un total de 10% de los cinco taps en baja tensión. CONEXIONES DE LOS SECUNDARIOS DE LOS TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS DE DISTRIBUCIÓN 1. Polaridad aditiva. Se usa en transformadores cuyo voltaje de alta tensión es como máximo 8660 volt. Figura 2.35 Polaridad aditiva del transformador de distribución.

Conexión en paralelo para 120 V

Conexión serie para 120/240 V

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

3. Polaridad sustractiva. Es la más usada en transformadores monofásicos cuyo voltaje del lado de alta tensión es 13200 volt. 118

Conexión Delta-Estrella.- esta conexión tiene la ventaja de que las cargas se pueden balancear mejor que cuando hay conexión delta en el secundario. Para esta conexión las bobinas secundarias quedan conectadas en paralelo para dar 120 volt, entre las terminales X1 y X2.

Banco de tres transformadores monofásicos en Delta-Estrella aterrizada Como cada transformador entrega en el secundario 120 volt, el voltaje de fase (voltaje entre cada fase y neutro) será de 120 volt, o sea: Van = 120 volt. Vbn = 120 volt. Vcn = 120 volt. Figura 2.36 Polaridad sustractiva del transformador de distribución.

Conexión en paralelo para 120 V X1 X2 = 120 V

Conexión serie para 120/240 V

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

Debido a la conexión estrella del secundario, el voltaje de línea V L (voltaje entre cada dos fases) será 1.73 veces mayor que el volteje de fase de 120 volt, teniéndose en consecuencia que: VL = 120 X 1.732 = 207.83 volt, aproximadamente 208 volt. Por lo tanto los voltajes de línea serán: Vab = 208 volt 119

Vbc = 208 volt Vca = 208 volt Figura 2.37 Tres transformadores monofásicos conexión Delta-Estrella aterrizada.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

En caso de fallar un transformador monofásico de la figura 2.39, por ejemplo el número 3, se podrá retirar quedando sin servicio solamente los usuarios de la fase “c” y los servicios trifásicos. Se podría hacer también que la fase “c” se alimentara de la fase “a” o de la fase “b”, o de ambas, seccionando la fase “c” en el punto más conveniente, en cuyo caso solamente resultarían afectados los servicios trifásicos por el tiempo que dure la reposición del transformador averiado. No es práctica cambiar la conexión delta estrella a conexión delta abierta a menos que sea una solución definitiva y no transitoria, mientras se repone el transformador dañado por las razones siguientes: 1. Habría que cambiar la conexiones de las bobinas de baja tensión que se encuentran en paralelo a conexión serie (figura 2.37) para lo cual habría que destapar cada transformador con los inconvenientes de estar en intemperie, etc. 2. Como en la Delta Abierta una fase de 180 volt con el neutro, sería necesario cambiar todas las acometidas de esa fase y pasarlas a las otras dos fases donde halla 110 volt sobrecargándolas posiblemente.

120

Por las anteriores razones la conexión “Delta-Estrella” en transformadores monofásicos no se usa muy extensamente, en cambio se prefiere la conexión Delta-Delta. Conexión Delta-Delta cerradas. La conexión “delta- delta cerradas“, tiene la ventaja de poderse continuar fácilmente el servicio del banco de tres transformadores, cuando se tiene que retirar un transformador, quedan dos transformadores restantes en “DeltaDelta” abiertas, aunque tienen el inconveniente que no se pueden balancear fácilmente las cargas del banco de transformación, ya que una fase de 190 volt al neutro y no deben llevar servicios de 110 volt. Las bobinas de baja tensión se conectan en serie para poder sacar el neutro y para tener 220 volt de línea. El neutro se podrá sacar de cualquiera de los tres transformadores, pero siempre de la boquilla central X2 las fases alimentadas por ese mismo transformador, darán un voltaje de 110 volt, respecto a ese neutro como se aprecia. Figura 2.38 Tres transformadores monofásicos conexión Delta-Delta cerradas.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

Conexión Delta abierta-Delta abierta Esta conexión es la más indicada cuando un banco de transformación de tres transformadores se daña uno de ellos. En la figura 2.40 se ha dañado un transformador monofásico y quedan dos transformadores monofásicos, como se aprecia en la figura.

121

Figura 2.39 Dos transformadores monofásicos conexión Delta abierta-Delta abierta.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes en CFE.

Transformador monofásico con retorno por tierra Nikola Tesla en 1890, demostró que se podría transmitir la energía eléctrica usando un solo conductor y un retorno por tierra en lugar de un conductor de retorno, aprovechando la conductividad eléctrica de la tierra. En la década de 1920 Lloyd Mandeno intensificó la utilización del sistema SWER (por sus siglas en inglés) sistema monofásico con retorno por tierra. En México este sistema se está utilizando ya hace más de 30 años con buenos resultados. Dentro de las ventajas se puede mencionar como el más económico por las siguientes razones: a) Utiliza un solo conductor. b) Por reducción de peso de la estructura, se puede maximizar las distancias o claros interpostales entre estructuras. c) Debido al peso del conductor y la estructura se puede utilizar la transmisión en todo tipo de terreno. Las desventajas se pueden mencionar las siguientes: a) Con este sistema la corriente de transmisión está muy limitada. b) Se requiere mantener los valores de resistencia de tierra, tanto en la subestación como en el punto de instalación del transformador monofásico retorno por tierra.

122

Figura 2.39a Conexión transformador retorno por tierra.

Fuente: CFE Estructura 1TR1A, p.6

En un sistema con neutro corrido donde se instalen transformadores monofásicos con conexión YT en el lado de alta tensión, la conexión al neutro y a tierra se hace a una placa soldada al tanque del transformador. Es muy importante aclarar que en esta conexión hay que tomar en cuenta la resistividad del terreno.

Principio de funcionamiento del transformador La bobina primaria en el transformador se alimenta con una corriente alterna la cual engendra una imantación variable. Esta imantación producida por la bobina primaria se dispersa en el espacio y no se aprovecha en su totalidad. Figura 2.40 Bobina primaria de un transformador.

Fuente: apuntes de autor en CFE.

123

Figura 2.41 Imantación de las bobinas cuando se energizan

Fuente: apuntes de autor en CFE.

Para poder aprovechar al máximo esta imantación producida por la bobina primaria se acostumbra normalmente introducir un núcleo para que se canalicen todas las líneas de fuerza producidas. Estas líneas de fuerza son aprovechas para inducir en la bobina secundaria un voltaje en sus extremos con capacidad para producir trabajo eléctrico.

Figura 2.42 Comportamiento de la tensión y corriente en las bobinas.

Fuente: apuntes de autor en CFE.

Conexiones internas del transformador Cuando los usuarios hacen uso del servicio, se ve que aparece una tensión y corriente en el lado secundario. En el lado primario disminuye la corriente y la tensión aumenta 124

o dicho de otra forma la tensión en lado primario del transformador alcanza un valor mayor (13200 volt) y la corriente en el lado primario es menor. Si hay clientes o consumidores conectados en la red secundaria, podemos medir la tensión en lado secundario alcanzando valores de 220 volt si es un transformador trifásico; la corriente en este caso alcanzará un valor mayor que el primario y, esto es debido a la relación de transformación que se verá más adelante. Los transformadores de distribución, deberían de ser trifásicos, para obtener de ellos el mayor aprovechamiento en cuanto a los servicios de fuerza y de alumbrado. La conexión más común en estos es delta en el primario y estrella en al secundario. En este tipo de conexión se puede obtener del transformador dos voltajes de diferente valor aplicables a la red de distribución (220/27 volt).La conexión estrella se distingue de la conexión delta, ya que proporciona un circuito con tres fases, cuatro hilos, uno de ellos común a las tres fases llamado neutro.

Fuente: apuntes de autor.

Características de placa Todos los transformadores están provistos exteriormente con una placa de características; los datos de mayor importancia son las siguientes: 

Capacidad en kVA.



Tensión en el primario.



Relación de transformación (tensión de operación).

125



Frecuencia.



Por ciento (%) de impedancia.



Temperatura.

Figura 2.44 Medición de tensión y corriente en el primario y secundario del transformador.

Fuente: apuntes de autor en CFE.

El primario del transformador de distribución está conectado a 13 200 volt y la tensión en el secundario es de 127 volt, cuando el transformador es trifásico y cuando es bifásico o monofásico, los voltajes son de 120 volt. De acuerdo con lo expresado anteriormente la bobina primaria contiene más vueltas que la bobina secundaria.

Fuente: apuntes del autor en CFE.

126

Relación de transformación La tensión de entrada con respecto a la tensión de salida dependerá del número de vueltas que tenga cada bobina; comparando nuestros ejercicios experimentales tenemos: Suponiendo que la polaridad resultó sustractiva, el diagrama de las bobinas estará como se muestra en la figura 2.46.

Figura 2.46 Tres devanados del transformador trifásico.

Fuente: apuntes de transformadores del autor.

Conexión Delta.- Cada bobina deberá quedar conectada entre dos fases diferentes y por ello cada bobina de alta tensión deberá soportar el voltaje de línea del “circuito primario”, 13 200 volt casi siempre. La corriente será pequeña y por ello el calibre del conductor de estas bobinas será más delgado que el de otras bobinas conectadas en formas diferentes. Al ejecutar la conexión deberá tenerse el cuidado de conectar la salida (h2) de una bobina, con la entrada (h1) de la siguiente bobina, como en la conexión serie, así: Figura 2.47 Proceso de la conexión delta cerrada

Fuente: apuntes del autor.

127

Para finalizar, bastará con conectar la h2 de la bobina 3, con la h1 de la bobina 1 del circuito primario, como se ilustra enseguida.

Figura 2.48. Conexión delta cerrada.

Fuente: apuntes del autor.

Conexión Estrella.- Cada bobina deberá proporcionar un voltaje de 127 volt que es llamado voltaje de fase. El voltaje de línea que resulta de esta conexión es de 220 volt (127 x 1.73 = 220 volt). La corriente será mayor que en alta tensión (A.T.) y por tanto el calibre del conductor de las bobinas será más grueso y tendrá menos vueltas para reducir el voltaje. Figura 2.49. Conexión estrella con neutro exterior en el secundario.

Fuente: apuntes del autor.

Al realizar la conexión estrella deberá tenerse el cuidado de formar el neutro solamente con puntas de igual polaridad, con puras X1 o con puras puntas X2. Si las puntas X1 debe formar el neutro; la conexión queda mostrada en la figura 2.24.

128

NOTA: Téngase en cuenta que la siguiente conexión está en baja tensión y por consiguiente hay mucha carga (amperaje) requiere de conductores más gruesos en sus bobinas.

Los voltajes que se obtienen: VOLTAJE DE FASE

VOLTAJE DE LÍNEA

Xo X1

=

127 volt

X1

X2

=

220 volt

Xo X2

=

127 volt

X1

X3

=

220 volt

Xo X3

=

127 volt

X2

X3

=

220 volt

Figura 2.50 Transformador con cconexión delta estrella aterrizada.

Conexión delta estrella

Fuente: apuntes del autor.

Prueba de relación de transformación La prueba de relación de transformación tiene como objetivo principal la determinación de la relación entre el número de vueltas del devanado primario y el secundario o de voltajes del primario al secundario, o la relación de corrientes del secundario al primario en los transformadores, y se obtiene de la forma siguiente: donde: Np = Número de vueltas del devanado primario. Ns = Número de vueltas del devanado secundario.

129

Vp = Tensión en las terminales del devanado primario. Vs = Tensión en las terminales del devanado secundario. Ip = Corriente en el devanado primario, y Is = Corriente en el devanado secundario.

Figura 2.51 Medición de relación de transformación.

Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Transformer_under_load.svg

Mediante la aplicación de esta prueba es posible detectar fallas en el interior del transformador como son: cortocircuitos entre espiras, falsos contactos, circuitos abiertos. En la práctica se prefiere la primera definición; ésta incluye la necesidad de que el transformador se excite en vacío, es decir sin carga, puesto que si existieran corrientes en los devanados, las tensiones que se medirían no serían iguales a las fuerzas electromotrices inducidas debido a que se producirían caídas de voltajes en las resistencias y reactancias de dispersión (Pérez A., 1991:35). Para determinar la relación de transformación en un transformador existen tres métodos: 1. Método de los vóltmetros. 2. Método de los potenciómetros. 3. Método del transformador patrón (TTR).

130

Figura 2.52 Conexión para la prueba de relación de transformación (TTR).

Los tres métodos consisten en aplicar a uno de los devanados una tensión alterna, y detectar el valor del voltaje inducido en el otro devanado. El método más utilizado para esta prueba es el método del transformador patrón, utilizando el medidor de relación de vueltas TTR (Transformer Turn Ratio), que opera bajo el principio de que cuando dos transformadores tienen la misma relación y polaridad y se excitan en paralelo, con la más mínima diferencia en la relación de alguno de ellos, se produce una corriente entre ambos relativamente grande. El transformador patrón (TTR) está formado básicamente por:

un transformador de

referencia con relación ajustable de 0 a 130, una fuente de excitación de corriente alterna, un galvanómetro detector de cero corrientes y un juego de terminales de

131

prueba. El por ciento de diferencia entre la relación de transformación teórica y real medida, se calcula con la expresión:

% diferencia =

relación teórica−relación media relación teórica

x100

Como regla general el por ciento de diferencia no debe ser mayor de 0.5%, con algunas excepciones. La prueba de relación de transformación se aplica a autotransformadores, transformadores de potencia, transformadores de distribución, transformadores de potencial, transformadores de corriente y reguladores de voltaje. 21 También esta prueba es un valioso auxiliar para conocer el estado de los transformadores de potencia en los siguientes casos: a) Determinación de condiciones reales del transformador después de la operación de protecciones primarias. b) Identificación de espiras en corto circuito. c) Determinación cantidad de espiras en bobinas de transformadores. d) Investigación de problemas relacionados con corrientes circulantes y distribución de carga en transformadores en paralelo.

Polaridad de los transformadores de distribución La polaridad de un transformador se define como la designación de las direcciones instantáneas relativas de corriente en sus terminales (Norma C57.12.80). La prueba de polaridad se realiza para determinar el desplazamiento angular expresado en grados entre el vector que representa la tensión de línea a neutro de una fase en el lado primario y el vector que representa la tensión de línea a neutro en la fase correspondiente en el lado secundario, es decir cómo se encuentran devanadas unas con respecto a otras las bobinas de un transformador de modo que la dirección del

21

Chévez G. H. (2002). Pruebas y Mantenimiento a Equipo Eléctrico, p.49.

132

voltaje en el lado secundario se puede conocer cuando se conecten en paralelo los transformadores. Si al devanado primario se conecta una fuente de corriente directa de un potencial, tal que, no exceda la corriente nominal y al mismo tiempo se conecta un vóltmetro de cero central y se observa el sentido de deflexión de la aguja, las terminales del vóltmetro se transfieren al devanado secundario, conectando en las terminales X1 y X2 las terminales que estaban en H1 y H2. Se desconecta repentinamente la fuente de corriente directa y se observa el desplazamiento de la aguja del vóltmetro. Si la aguja se deflexiona en el mismo sentido original, la polaridad es aditiva y si deflexiona en sentido contrario, la polaridad es sustractiva (Pérez P., 1991:165). La polaridad de un transformador monofásico puede ser aditiva o sustractiva. Si dos terminales adyacentes de dos devanados son conectadas juntas y se aplica voltaje a uno de los devanados en el lado primario, entonces: a) La polaridad es aditiva si el voltaje entre las dos terminales de los devanados secundarios es mayor que el voltaje aplicado en el lado primario. b) La polaridad es sustractiva si el voltaje entre las dos terminales de los devanados del lado secundario es menor que el voltaje aplicado en el lado primario. Figura 2.53 Polaridad de acuerdo al orden de colocación de las terminales.

Fuente: apuntes CFE, prueba de relación de transformación.

133

En los transformadores monofásicos se identifica una terminal en el lado primario con una en el lado secundario que tenga la misma polaridad, la posición relativa de estas terminales en el arreglo global se identifica con la nomenclatura de la figura 3.2.

2.4 Reglamento de obras e instalaciones eléctricas (ROIE) Instalaciones eléctricas En el diseño de una instalación eléctrica residencial o comercial, es fundamental el conocimiento de los distintos componentes que intervienen en las mismas diseñadas y ensambladas de tal forma que sirva para entregar o recepcionar en forma segura la potencia eléctrica de que se trate.

¿Qué es una instalación eléctrica? Se le llama instalación eléctrica al conjunto de tuberías conduit metálicos, tubos conduit no metálicos, coples, bases-ducto, canalizaciones de otro tipo o forma, cajas de conexión, cajas registros, materiales de unión entre tuberías, dispositivos de protección (fusibles, interruptores termo magnéticos), cables y conductores eléctricos, necesarios para conectar e interconectar una o varias fuentes de alimentación con los receptores.

Los materiales Es muy importante que los materiales que se utilicen en una instalación eléctrica sean los adecuados, preferentemente estén de acuerdo a las normas vigentes, para evitar que éstos fallen por sobrecargas o cortocircuitos en la instalación. 1. El cable conductor recomendado debe ser tipo TW, con aislamiento para 600 volt en baja tensión. El calibre de este conductor dependerá de la carga que se maneje en la instalación, preferentemente calibre 12 y 14 (fase, neutro y tierra) dentro de la instalación, calibre 10 para la alimentación principal del interruptor general al centro de carga, donde se encuentran los interruptores para cada circuito derivado.

134

Es muy importante usar cable con forro de diferente color para distinguir la fase y el neutro, la tierra debe ser color verde o cable desnudo. 2. Lo más apropiado para la canalización de los cables es el tubo conduit metálico precisamente no es el más barato, puede usarse el tubo conduit PVC flexible de 13 mm o el de 19 mm. 3. En los lugares donde se ubiquen lámparas deberán alojarse en cajas cuadradas u octogonales de 13 mm. 4. En los muros donde se instalan contactos y apagadores deberán instalarse chalupas de 13 mm. 5. Si la casa requiere de dos o más circuitos colocar caja rectangular de 19 mm. 6. Se deberá contar con un centro de carga para los circuitos derivados. Los interruptores termomagnéticos de los circuitos derivados deberán ser de 15 ampere para llevar como máximo 1500 watt. 7. El interruptor general o interruptor de seguridad (cartuchos con contactos de casquillo) deberá ser de 30, 60 y 100 ampere.

Los interruptores de seguridad deben ser los normalizados, entre estos están los autorizados por la “National Electric Manufacturers Association” (NEMA), los interruptores de seguridad (SAFETY SWITCHES) y los interruptores de seguridad Código Nacional Eléctrico (NEC). En los interruptores de seguridad se encuentran los de: servicio ligero, servicio normal y servicio pesado.

Los interruptores de servicio ligero se recomiendan en instalaciones residenciales, edificios comercios pequeños y en donde el número de operaciones no sean muy frecuentes. Los interruptores para servicio normal, preferentemente en instalaciones industriales para protecciones individuales de motores. Los interruptores de servicio pesado su uso debe ser donde el número de operaciones es muy frecuente.

135

8. Los interruptores termomagnéticos conocidos como pastillas, se distinguen por la forma de conectarse a las barras colectoras de los tableros de distribución o centros de carga.

Pueden ser de un polo, de dos polos y de tres polos, con capacidades que van de 15 a 600 ampere. Para los servicios domiciliarios se recomiendan para circuitos domésticos los de 15 ampere para un polo, de dos y tres polos de 15 a 600 ampere. El autor recomienda para los circuitos domésticos sean de 15 ampere equivalente a 1500 watt de carga y los de 20 ampere para los aires acondicionados conectados a 220 volt. Tabla 2.4

Conductores para instalaciones eléctricas en baja tensión Los conductores eléctricos que se utilizan en las instalaciones eléctricas regularmente es el cobre, aunque existen otros tipos de conductores, se prefiere el cobre por las siguientes razones: 136

Alta conductividad. Resistencia mecánica. Flexibilidad. Bajo costo. Dentro de los mismos conductores de cobre, existen tres tipos dependiendo de su clasificación: a) Conductores de cobre suave o recocido. Este conductor tiene una conductibilidad eléctrica del 100%. Con aislamiento protector para instalaciones tipo interior, dentro de ductos, tubos conduit, etc. b) Conductores de cobre semiduro. Tienen mayor resistencia mecánica que los conductores de cobre suave o recocido, su conductividad eléctrica alcanza los 96.6%. c) Conductores de cobre duro. Tienen alta resistencia mecánica, menor elongación que los de cobre semiduro y una conductividad eléctrica no menor de 96.16%. En la tabla 2.5, se muestra el calibre del conductor, su diámetro, el área en mm 2, su equivalencia en circular mil(CM) y el diámetro total incluido el aislamiento del conductor. Además en la tabla están separados los que pertenecen a alambres (un hilo) y cables(varios hilos).

Es muy necesario considerar los siguientes conceptos: 1. La temperatura. Los conductores deben utilizarse de manera que la temperatura no les afecte, ya que de lo contrario se dañaría su aislamiento. 2. Locales húmedos. Tener cuidado en lugares húmedos donde se tenga la posibilidad de que se acumule la humedad. Los conductores deben tener aislamiento de hule resistente a la humedad como lo es el aislamiento termoplástico con forro de plomo. 3. La corrosión. Evitar que los conductores estén expuestos a aceites, grasas, líquidos u otras substancias que pueda dañar el conductor. Se podrá usar conductor con un aislamiento adecuado para estas condiciones de trabajo.

137

Alambres y cables con aislamiento tipos: TW, THW, Vinanel 900, Vinanel-Nylon

En la tabla 2.6, se mencionan las características de los conductores aislados de cobre de 1 a 3 conductores en conduit basados en un temperatura ambiente de 30°C. Los conductores se utilizan en instalaciones eléctricas en el interior con ambiente húmedo y seco. Tensión nominal de 600 volts, temperatura máxima a 60°C. El aislamiento de los cables se designa como:

A = Aislamiento de asbesto. MI = Aislamiento mineral. R = Aislamiento de hule. SA = Aislamiento de silicio-asbesto. T = Aislamiento termoplástico. V = Aislamiento de cambray barnizado. X = Aislamiento de polímero sintético barnizado.

Los cables también se designan por su medio de operación como: H = Resistente al calor hasta 75°C. HH = Resistente al calor hasta 60°C. Si no hay asignación, significa 60°C. W = Resistente a la humedad. UF = Para uso subterráneo.

138

Tabla 2.5 Características de conductores de cobre.

Fuente: Becerril L. Diego (2002). Íbid, P.93

139

Tabla 2.6

Fuente: Enríquez Harper (1998).Guía práctica para el cálculo de instalaciones eléctricas, editorial Limusa, México,p.73

140

Muchos cables están diseñados y certificados para ser usados en varias condiciones ambientales, tales cables son de multiuso y están marcados. Por ejemplo, un cable marcado TW indicaría 60°C, con aislamiento termoplástico capaz de ser usado en ambientes húmedos. El tipo THW indica 75°C, con aislamiento termoplástico para uso en ambientes húmedos. El tipo XHHW representa un cable con aislamiento sintético de polímero trenzado para operar hasta 90°C.

En toda instalación eléctrica, hay que tomar en cuenta las caídas de tensión, ésta es directamente proporcional a la resistencia que presentan los conductores eléctricos y a la intensidad de corriente que circula por ellos, esta caída de tensión la podremos calcular con la expresión E = RI conocida como la segunda ley de Ohm. Si tomamos en cuenta la longitud, la sección transversal y la resistividad del cobre, la resistencia de los conductores eléctricos que está dada por la expresión ya enunciada anteriormente podemos obtener la resistencia:

Uno de los objetivos de una buena instalación y de acuerdo con la Norma Oficial Mexicana es hacer que todos los materiales y equipos que se va a utilizar en la instalación estén dentro de los valores permitidos por la norma. Tabla 2.6a Caídas de tensión máximas permitidas según la Norma Oficial Mexicana. Sistema

Tensión o voltaje 127 220

ALUMBRADO 3% Alimentadores principales 1% Circuitos derivados 2% FUERZA 4% Alimentadores principales 3% Circuitos derivados 1%

1.27

2.2

2.54

4.4 6.6 2.2

Fuente: Adaptado de Becerril L.D. (2002) Instalaciones eléctricas, p.112.

141

TABLA 2.7

Cuando ya se tiene conocimiento de los conductores eléctricos a utilizar, su calibre comercial, tipo de aislamiento, capacidad de conducción de los conductores eléctricos dentro de los tubos conduit y en la intemperie, los coeficientes de corrección por temperatura y por agrupamiento, el factor de relleno, las caídas de tensión máximas permitidas, ya se puede proceder a verificar en las tablas los datos requeridos para su instalación.

142

Tabla 2.8

Fuente: Enríquez Harper (1998)Íbid, p.78

143

Símbolos eléctricos Para representar los diagramas y figuras eléctricas, se hacen a través de los símbolos eléctricos. Los más utilizados en el presente texto son los que a continuación se señalan y describen:

144

145

146

Fuente: elaboración del autor.

147

Figura 2.54 Diferentes equipos de protección en B.T.

Fuente: Becerril L. D. (2002) Instalaciones eléctricas Prácticas, p.77.

148

Conexiones de lámparas, apagadores y contactos En las lámparas para 127 volts, la fase deberá ir a la parte alta del casquillo (punto central) y el neutro al casquillo, con lo anterior se evita que al aflojar la lámpara, la persona toque accidentalmente la fase(hilo de corriente) al hacer contacto con la parte roscada siendo ello peligroso, máxime si se está sobre parte húmeda o buena conductora de la electricidad. Respecto a la posición de las cajas de conexión en que se deban instalar apagadores y contactos, hay necesidad de observar lo siguiente: La altura de los apagadores en forma general, se ha establecido para su comodidad de su operación entre 1.20 y 1.35 m sobre el nivel del piso terminado. La altura de las cajas de conexión en las que se deban instalar solo contactos, está sujeta a las características de los locales, es así como se tienen tres alturas promedio con respecto al nivel del piso terminado.22

En áreas o locales secos Como salas, comedores, recámaras, cuartos de costura, salas de juegos, pasillos, bibliotecas, oficinas, etc., la altura de los contactos debe ser entre 30 y 50 cm con respecto al nivel del piso terminado.

En locales o aéreas con pisos y muros húmedos Áreas con pisos y muros húmedos como lo son cocinas y baños, cuartos de lavado y planchado, se debe disponer de dos alturas promedio para la localización de los contactos con respecto al nivel del piso terminado, originadas ambas por el servicio específico al que se destinen y para evitar en lo posible la humedad en las cajas de conexión , consecuentemente en los contactos entre sí, lo que los dañaría considerablemente ocasionando oxidaciones en las partes metálicas y un envejecimiento rápido reduciendo su vida útil. 22

Becerrril L. diego O. (2002). Instalaciones eléctricas prácticas, pp. 34-36.

149

En baños En los baños en general, es recomendable instalar apagadores y contactos a la misma altura y de ser posible en las mismas cajas de conexión.

En cocinas En las cocinas principalmente de interés social, es común disponer de un solo contacto y éste instalado en la misma caja de conexión en donde se localiza el o los apagadores. En cocinas de casas habitación con todos los servicios y residencias en general, es aconsejable instalar los contactos a dos diferentes alturas con respecto al nivel del piso terminado: a) Unos contactos a la misma altura que los apagadores inclusive en las mismas cajas de conexión, para prestar servicio múltiples aparatos eléctricos portátiles como licuadoras, batidoras, tostadores de pan, etc. b) Otros contactos deben localizarse aproximadamente entre 70 y 90 cm, con respecto al nivel del piso terminado, altura que se considera ideal para ocultar la extensión de los aparatos eléctricos fijos, como estufas, hornos de microondas, lavadoras de loza, etc.

Para obtener la carga de alumbrado general y contactos se obtiene multiplicando el área de la casa habitación por la carga correspondiente en base a la tabla 2.9. En base a la magnitud de la carga en casas habitación, se aplican factores de demanda para las cargas de alumbrado y contactos:

150

Tabla 2.9 Cargas de alumbrado general en locales.

Cargas en watt por metro cuadrado

Tipo de local Auditorios Bancos

10 30

Bodegas o almacenes

2.5

Casas habitación

20

Clubes o casinos

20

Edificios industriales

20

Edificios de oficinas

30

Escuelas

20

Estacionamientos comerciales

5

Hospitales

20

Hoteles, moteles y departamentos amueblados

20

Iglesias

10

Peluquerías y salones de belleza

30

Restaurantes

20

Tiendas

30 Fuente: NOM-001-SE-1996(1998). Guía práctica para el cálculo de instalaciones eléctricas, editorial Limusa, México, p.314.

Tabla 2.10 Factores que se deben considerar en base a las cargas instaladas. Watt o volt-ampere

Factor de demanda

0 - 3000 watt

100 %

3001- 120 000

35 %

Más de 120 000

25 %

Fuente: NOM-001-SE-1996(1998). Guía práctica para el cálculo de instalaciones eléctricas, editorial Limusa, México, p.315.

151

Aplicación de los sistemas Monofásico. Una fase dos hilos (1F – 2H), se utiliza en instalaciones de alumbrado y contactos sencillos, cuando la mayoría de las cargas son monofásicos donde se va a instalar la fase el neutro y la tierra física. La carga total instalada hasta los 4000 watt. Bifásico. Dos fases tres hilos (2F – 3H), se utiliza cuando la carga total instalada rebasa a los 4000 watt, pero que no rebase los 8000 watt, en estos casos deben tomarse en cuenta los factores de la tabla 2.10. En este sistema los valores de tensión o voltaje entre fases son 220 volt, fase y neutro 127volt. Trifásico. Tres fases cuatro hilos (3F – 4H), se utiliza para cargas monofásicas y trifásicas, independientemente del valor de las cargas, los valores de voltaje o tensión secundaria son: entre fases 220 volt, entre fase y neutro 127 volt. Del mismo modo hay que tomar en cuenta los factores de demanda de la tabla 2.10.

Nota aclaratoria. Los valores de voltaje en este sistema se están considerando que el transformador de distribución es trifásico con conexión delta- estrella aterrizada. Cuando se trate de transformadores monofásicos los valores de tensión o voltaje van a cambiar ligeramente.

152

Figura 2.55 Ejemplo de instalación casa habitación. Localización de lámparas, contactos y apagadores.

153

Figura 2.56 Ejemplo de instalación eléctrica de una casa habitación.

154

Figura 2.57 Ejemplo de cableado circuito cuatro, cinco, seis y siete (C4,

155

C5, C6 y C7)

Tabla 2.10 Ejemplo de cuadro de cargas de una casa habitación.

156

2.5 Elementos eléctricos de control industrial (relevadores) Relevadores eléctricos Los sistemas de distribución industriales representan grandes consumidores de energía eléctrica, como son plantas petroquímicas, de hacer, de papel y otros procesos industriales similares. Dentro de estos sistemas se encuentran los comerciales, parques industriales, urbanos, residenciales y distribución rural. Todos son importantes y para que la energía tenga continuidad requieren que se protejan para evitar que se presenten fallas. Muchas de las fallas que se presentan en las instalaciones eléctricas son prácticamente inevitables, no solo desde un punto de vista técnico, también económicamente. Las soluciones que se adopten pueden resultar prohibitivas desde el punto de vista económico, razón por la que es necesario considerar que no es posible evitar con certeza la presencia de fallas por lo que para evitar en lo posible las fallas y disminuir sus efectos es necesario disponer de los dispositivos de protección apropiados.23 Los circuitos eléctricos y electrónicos, están constituidos por una gran variedad de dispositivos encargados del transporte de la corriente eléctrica desde una de las terminales de una fuente de tensión hasta la otra terminal de la misma fuente, para realizar un trabajo o cumplir con un objetivo deseado. Es decir que la corriente fluya en forma ininterrumpida a través de las conexiones y los componentes de dicho circuito.

Es evidente que el conocimiento de la estructura y del funcionamiento de los circuitos eléctricos, es imprescindible para manejarlos correctamente, pues de ello y de su seguro funcionamiento depende que cumplan a cabalidad con el objetivo para lo cual son diseñados.

23

Enríquez Harper G. (2000) Fundamentos de protección de sistemas eléctricos por relevadores, editorial Limusa, México, p.43.

157

La función de la protección por relevadores La función de la protección por relevadores es originar el retiro rápido del servicio de cualquier elemento de un sistema de potencia cuando sucede la falla o cuando empieza a funcionar en forma anormal que pueda ocasionar daño e interfiera de otra manera con el funcionamiento eficaz del sistema. El equipo de protección que se usa en estos casos para las fallas son los interruptores que son capaces de desconectar el elemento defectuoso cuando el equipo de protección se los manda. Los interruptores están localizados de tal manera que cada equipo por proteger que puede ser un generador, transformador, buses, líneas de transmisión , líneas de distribución, etc., pueda desconectarse inmediatamente del sistema. Aunque la función principal de la protección por relevadores es reducir los efectos de los cortocircuitos, surgen otras condiciones anormales de funcionamiento que también necesitan esta protección, por ejemplo cuando se trata de protección de los generadores y de motores.

Características de un relevador El relé o relevador es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Ya que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, una forma de amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba “relevadores”. De ahí “relé”. Los contactos de un relé pueden ser normalmente abiertos (NA o NO (Normally Open)), por sus siglas en inglés), normalmente cerrados (Normally Closed)(NC) o de conmutación.

158



Los contactos normalmente abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos.



Los contactos normalmente cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado.



Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto Normalmente Abierto y uno Normalmente Cerrado con una terminal común.

2.6

Aplicaciones

Debido a la confiabilidad del equipo, tiene su campo de aplicación principalmente en las plantas eléctricas (hidroeléctricas, termoeléctricas, geotérmicas), en subestaciones de potencia, en subestaciones de distribución, en industrias donde cuentan con líneas de transmisión y distribución. Hay varios tipos de relevadores, por ejemplo los electromecánicos, los de estado sólido que funciona con tiristores, Triacs. Los relevadores térmicos sirven para proteger los motores para que abra o cierre cuando hay una sobrecarga. Los relevadores auxiliares lógicos, también llamados enclavamientos, se utilizan para secuencias de operación y mando, para evitar que se produzcan accidentes, aunque últimamente están siendo remplazados por los PLCs (secuencias lógicas programables).

159

Cuestionario de la unidad 2 Problema1 Calcular la corriente primaria y secundaria de un transformador trifásico de 112.5 kVA, de 13200/220 volt. Respuesta: en el lado primario 4.92 A; en el secundario 295.2 A. Problema2 ¿En la conexión de un transformador trifásico delta-estrella aterrizada, como se encuentran las cargas conectadas en el secundario? Respuesta: equilibradas. Problema 3 En los transformadores conectados en la red de distribución con relación de voltaje de 13200/220volt, normalmente vienen conectados en el tap 2, solicitados por el cliente. Si en una instalación, se quejan de bajo voltaje y el personal especializado verifica que efectivamente en el lado secundario y primario del transformador hay bajo voltaje, suponiendo que se encontró en lado secundario 100 volt entre fase y neutro y en el primario 12970 volt. ¿En qué posición deberá moverse el tap para que en el secundario se tenga 120 volt? Respuesta: tap 3. Problema 4 ¿A qué velocidad operará un motor de inducción de 8 polos, 60 ciclos por segundo, si el deslizamiento es de 0.92%? Respuesta: La velocidad síncrona del motor es: Ns =

120 f p

Ns= velocidad síncrona del motor (rpm) f = frecuencia (ciclos por segundo) p = número de polos

160

Formula del deslizamiento:

𝑠=

Ns−Nr Ns

Nr = velocidad del rotor del motor (rpm) Despejando Nr de la fórmula se obtiene: Nr = Ns ( 1 – s) Problema 5 La placa de un motor de inducción de 60 ciclos, indica una velocidad de 720 rpm, si la velocidad en vacío es de 745 rpm, calcular: el deslizamiento. Respuesta:

Aplicando la fórmula del deslizamiento se tiene:

Nr = 720 rpm, se despeja Ns =

𝑠=

Ns−Nr Ns

120 f p

Problema 6 Calcular la corriente en el primario y secundario de un transformador de 15 KVA, 13200/ 220 volt. Respuesta: Aplicando la fórmula del triángulo visto en la página 111, se tiene: La corriente nominal en el lado de 13 200 volt será 1000 x 15

I = 1.73 x 13200 = 0.65 𝐴 La corriente nominal en el lado de 220 volt será: 𝐼=

1000 x 15 = 39.41 𝐴 1.73 x 220

Problema 7 ¿Cuál es la corriente de arranque de un motor de inducción trifásico de 15 HP, 220 volt, letra de código K? 161

La fórmula que se usa es la siguiente:

𝑰=

𝐇𝐏 𝐱 𝐆 ( √𝟑 ) 𝐕

HP = capacidad del motor G = valor de la letra de código, tabla 2.1 V = la tensión o voltaje que opera el motor

El valor de la corriente es:

𝐼=

15 x 6.30 x 1000 1.73 x 220

= 248.29 𝐴

Problema 8 Calcular la capacidad del interruptor general en una instalación eléctrica de una casa habitación trifásica, con una carga total de 7 977 watt y que calibre de conductores es el recomendado hasta el centro de cargas que se encuentra a 10 metros de dicho interruptor?

162

Unidad

3

Electrónica industrial básica

163

3.1 Introducción a la electrónica industrial Todos los aparatos modernos están hechos de materiales semiconductores, tales como diodos, transistores y circuitos integrados. Un elemento semiconductor es un componente electrónico construido con un material semiconductor. Semiconductores no significa que los materiales sean conductores a medias sino que su conductancia eléctrica puede ser controlada de forma permanente o dinámica variando su estado desde conductor a aislante. Debido a su uso en dispositivos tales como los transistores (y por tanto en computadoras) y en los láseres, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores y la mejora de los materiales existentes es un importante campo de estudio en la ciencia de materiales.24 Los materiales semiconductores se clasifican en dispositivos de: un elemento, de dos elementos y de tres elementos. Dentro de los dispositivos de un elemento también llamados mónodos, están construidos por un solo bloqueo capa de un material semiconductor, a ellos pertenecen los termistores, los varistores y los foto-resistores. Los semiconductores de dos elementos están formados por dos bloques o capas de material semiconductor, dentro de éstos están los varactores, los rectificadores y las celdas solares. Los semiconductores de tres elementos son aquellos formados por tres capas o bloques o capas de material semiconductor; dentro de estos tipos pertenecen los transistores, tetrodo transistores y los circuitos integrados. En la figura 3.1 se muestran algunos de estos dispositivos electrónicos en varias configuraciones de encapsulados comunes usados en la industria.

24

wikipedia.org/wiki/Anexo:Materiales_semiconductores

164

3.2 Elementos básicos de electrónica analógicos (Diodo, diodo emisor de luz, transistor, SCR, TRIAC)

Figura 3.1 Diodos, transistores y circuitos integrados.

Fuente: Floy L. Thomas(2005). Ibíd., p.27.

Diodos semiconductores Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un sentido (entra y sale). Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; 165

consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. Se clasifican de acuerdo al material de que están hechos, su técnica de construcción, la función que desempeñan y la potencia que manejan. De acuerdo al material con que son fabricados los diodos son: de germanio, silicio y selenio. En base a su estructura interna: de punta de contacto y de juntura o de unión. Por su función pueden ser: diodos rectificadores, estabilizadores y detectores. Po su potencia, pueden ser de baja o alta potencia.

Estructura interna de los diodos Como se dijo anteriormente el diodo está constituido por dos bloques de material semiconductor, uno con material tipo P o positivo y el otro con material tipo N, al conjunto se le conoce como juntura o simplemente unión PN. Figura 3.2 Estructura interna de los diodos.

Material tipo P

Material tipo N

Unión PN

Fuente: Moreno Jacobo (1988). Electrónica educativa, editorial Trillas México, pp.36-37

Figura 3.3 Barrera de potencial de los diodos

Barrera de potencial

Difusión de cargas a través de la unión Fuente: Moreno Jacobo (1988),op. cit. pp.36-37

166

Funcionamiento del diodo Si a una unión PN se le aplica una tensión eléctrica externa, se observará que cuando el polo positivo de la fuente se energiza queda conectado con el material tipo P(ánodo) y el negativo con el tipo N (cátodo), la corriente eléctrica atravesará fácilmente las unión, cuando esto sucede se dice que el diodo conduce. En cambio si se invierte la polaridad de los polos de la fuente en la unión, se observará que la corriente eléctrica casi no pasa a través del diodo. Entonces se dice que la unión no conduce. Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna. Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circula-

167

ción de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital. Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores.

Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta.

168

En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos: 

Elevación de su temperatura.



Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina).



Incrementando la iluminación.

Con relación a este último punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias dependientes de la luz (LDR – Light-dependant resistors), varían su conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben. En dependencia de cómo varíen los factores de los puntos más arriba expuestos, los materiales semiconductores se comportarán como conductores o como aislantes. La conductividad eléctrica de los cuerpos materiales (σ) constituye la capacidad que tienen de conducir la corriente eléctrica. La fórmula matemática para hallar la conductividad es la siguiente:

Como se puede apreciar en esta fórmula, la conductividad (σ) se obtiene hallando primeramente el resultado de la recíproca de la resistencia (o sea, 1/R) multiplicándolo a continuación por el resultado que se obtiene de dividir la longitud del material (L) entre su área (A). En esa fórmula se puede observar también que la resistencia (R) es inversamente proporcional a (σ), por lo que, a menor resistencia en ohm de un cuerpo, la conductividad resultante será mayor.

Transistores Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales que tiene la propiedad de amplificar la corriente y la potencia eléctrica.

169

Los transistores son dispositivos electrónicos semiconductores que cumplen funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador, con tres terminales de conexión. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia").Un voltaje o corriente muy pequeña en una terminal puede controlar grandes cantidades de corriente a través de los otros dos pines . Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, reproductores mp3, teléfonos celulares, etc. Con el descubrimiento del transistor en 1948, comenzó la miniaturización de los equipos electrónicos, al propiciar el desarrollo de componentes electrónicos pasivos como resistores, capacitores, etc., también de pequeños componentes. Existen dos familias principales: transistor de unión bipolar y transistor de efecto de campo. Figura 3.4 Elementos de un transistor bipolar y símbolo.

Fuente: Moreno Jacobo (1988). op cit. p.57.

170

Transistor de unión bipolar El transistor de unión bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos, o tríodo. El transistor de unión bipolar (BJT) se construye con tres regiones de semiconductor dopadas, separadas por dos uniones PN. Las tres regiones se denominan emisor, base y colector Figura 3.5 Símbolos estándar para representar el transistor de unión bipolar (BJT)

Fuente: Steren(2001). El ABC de la electrónica, p.50.

Figura 3.6 Polarización en directa-inversa de un transistor bipolar

Fuente: Floy, op cit p. 175.

A fin de que el transistor opere correctamente como amplificador, las dos uniones PN deben estar correctamente polarizadas mediante voltajes externos.

171

En la figura 3.6 se muestra el arreglo de polarización apropiado para ambos transistores, NPN y el PNP. Observe que ambos casos la unión base-emisor (BE) está polarizada en directa, y que la unión base-colector (BC) lo está en inversa.

Utilización de los transistores bipolares Cuando la base de un transistor NPN se aterriza (cero Volts), no fluye corriente del emisor al colector (el transistor está apagado). Si la base es polarizada directamente por al menos 0.6 Volts, fluirá una corriente del emisor al colector (el transistor está encendido). Cuando se opera únicamente en estos dos modos, el transistor funciona como interruptor. Si la base se polariza directamente, la corriente de emisor a colector seguirá las variaciones de una corriente de base mucho más pequeña. El transistor entonces funciona como un amplificador. Esta explicación se aplica a un transistor en el cual el emisor es la conexión común de tierra tanto para la entrada como para la salida y se le llama circuito de emisor-común.25 Tierra (0 volts) y el voltaje positivo de la batería ( + V). Por lo tanto el transistor se apaga o se enciende. La resistencia de base típica es de 5000 a 10000 ohm. (Si la resistencia es reemplazada por un alambre, la lámpara se puede encender o apagar desde una distancia considerable). Figura 3.7 Interruptor de transistor bipolar

Fuente: Steren(2001). Op.cit. p.51.

25

Steren 2001. El ABC de la electrónica, p.50

172

Figura 3.8Amplificador de corriente continua con transistor bipolar

Fuente: Steren(2001). Op.cit. p.51.

La resistencia variable polariza directamente al transistor y controla la corriente de entrada (base emisor). El medidor indica la corriente de salida (colector-emisor). La resistencia en serie protege el medidor de corriente excesiva. En un circuito en operación, la resistencia variable puede estar en serie con un segundo componente que tenga una resistencia que varía con la temperatura, luz , humedad, etc., (El agua es la resistencia variable de un medidor de humedad). Cuando la señal de entrada cambia rápidamente, se utiliza un amplificar mostrado en la figura 3.9. Figura 3.9Amplificador de corriente continua con transistor bipolar

Fuente: Steren(2001). Op.cit. p.51.

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Transistor de efecto de campo El transistor de efecto de campo fue descubierto antes que el transistor (1930), pero no se encontró una aplicación útil ni se disponía de la tecnología necesaria para fabricarlos masivamente. Es por ello que al principio se usaron transistores bipolares y luego los denominados transistores de efecto de campo (JFET). En los últimos, la corriente entre el surtidor o fuente (source) y el drenaje (drain) se controla mediante el campo eléctrico establecido en el canal. Por último, apareció el MOSFET (transistor FET de tipo Metal-Óxido-Semiconductor). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (CI). El transistor de efecto de campo de unión es un tipo FET que opera con una unión polarizada en inversa para controlar la corriente en un canal. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En las terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal. En la figura 3.10 se muestra la estructura básica de un JFET de canal N. a cada extremo del canal N se conectan las terminales; el drenaje está en el extremo superior y la fuente, en el inferior. En el material tipo N se difunden dos regiones tipo P para formar un canal y ambas regiones tipo P se conectan al conductor de la compuerta.

174

Figura 3.10 estructura básica de dos tipos de JFET.

Fuente: Steren(2001). Op. Cit. p. 53.

Rectificador controlado de Silicio (SCR) El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y a (gate). La compuerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se des-excita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo

175

hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero). Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de compuerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la compuerta y el ánodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

Figura 3.11 Estructura básica y símbolo del SCR

Fuente:http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pag_scr/pag_scr.htm

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Algunas características del TRIAC

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179

Ejemplo ilustrativo: Construcción de un inyector de señales En esta actividad se dan las instrucciones necesarias para la construcción de un instrumento muy sencillo para la prueba y reparación de un instrumento de los aparatos de radio, inyector de señales. El inyector de señales produce un tren de ondas que se puede inyectar o introducir a un amplificador de audio o de radiofrecuencia para comprobar su funcionamiento.

De esta manera se puede verificar si se ha ensamblado bien o si hay algún componente defectuoso o también podemos reparar aparatos de radio o amplificadores de sonido con él.

Con algunos componentes conocidos, como resistencias, condensadores, transistores se forma un circuito inyector de señales, que es un oscilador o sea un generador de ondas. El circuito completo para el inyector de señales se muestra en las figuras A13, A14 y A15. Figura 3.12 Circuito inyector de señales.

Fuente:EDISSA/CEKIT. Curso básico de electrónica aplicada, p.136.

180

Figura 3.13Componenetes y circuito impreso inyector de señales.

Fig. A14

Fig. A15

Fuente:EDISSA/CEKIT. Curso básico de electrónica aplicada.

Este circuito se puede ensamblar en un circuito impreso cuyo dibujo se reproduce en la figura A14 e instalando sus componenetes como se indica en la figura A15. El circuito impreso se puede fabricar utilizando el kit 550 de CEKIT que incluye la lámina de baquelitacobrizada, el lapicero especial y el ácido para rebajar el cobre.

Para fabricar el inyector de señales debe conseguirse los materiales que se detallan a continuación: Lista de materiales 1 Transistores Ppnp 2n3906. 1 Condensador de cerámica de 0.001 µF. 1 Condensador de cerámica de 0.005 µF. 1 Condensador de cerámica de 100 pF. 2 Resistencias de 82 kΩ. 2 Resistencias de 82 kΩ. 2 Resistencias de 82 kΩ. 1 Conector para bateria de 9 volts. 1 Circuito impreso CEKITK13

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Todos estos materiales incluyendo el circuito impreso y un completo manual de instrucciónes se encuentran en el Kit13 de CEKIT.

Amplificador de audio con transistores Al ensamblar este kit, se obtiene un circuito que amplifica una señal débil de audio y la entrega a un parlante(bocina) con una potencia mayor. Esta señal puede venir de un micrófono o un tocadiscos de cristal. También puede servir este circuito como un trazador de señales para ayudar en la reparación de radios y amplificadores. El circuito amplificador de audio está formado por dos etapas amplificadoras con un transistor cada una. La señal de entrada proveniente de un micrófono u otra fuente similar, se aplica a la base del primer transistor Q1 por medio del condensador C1. Este transistor por ser NPN está debidamente polarizado con voltajes positivos en la base y el colector por medio de las resistencias R1 Y R2 y trabaja con configuración de emisor común. Figura 3.14Diagrama esquemático

Fuente: EDISSA/CEKIT, op.,cit.

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Lista de materiales 1

Transistor NPN 2N3904.

1

Transistor PNP 2N301.

1

Condensador electrolítico de 10 µF a 16 volts.

1

Condensador de cerámica de 0.1µF.

1

Resistencia de 1 MΩ ½ watts.

1

Resistencia de 22 MΩ ½ watts.

1

Resistencia de 10 MΩ ½ watts.

1

Parlante de 8 Ω 1 watts.

1

Conector para pila de 9 volts.

6

Terminales para circuito impreso.

1

Circuito impreso.

Debido al efecto de amplificador de corriente, aparece un voltaje alto en R2 o sea en el colector de Q1. Esta señal se acopla o pasa a la segunda etapa por medio del condensador C2 y llega a la base de Q2. Figura 3.15Circuito impreso y guía para el montaje de componentes.

Fuente: Curso básico de electrónica aplicada, EDISSA/CEKIT

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El transistor Q2 es un transistor de potencia tipo PNP y también está conectado en configuración de emisor común. Como este transistor es PNP la polarización es de signo contrario al tipo NPN; el colector y la base son ahora negativos y el emisor es positivo. La señal que llega a la base produce una corriente que es amplificada en el circuito de salida formado por el emisor, el colector, R4 y el parlante. De esta manera se produce el proceso de amplificación de audio ya que el micrófono convierte ondas sonoras en una débil corriente eléctrica del orden de milivolt y en el parlante se convierte corriente eléctrica en ondas sonoras audibles. Para operar el circuito, se conecta un micrófono de cristal por medio de un cable blindado a las terminales de entrada, se conecta la pila de 9 volt y escuche los resultados.

Problema ilustrativo: Para el circuito de la fuente de alimentación que se muestra en la figura 3.14, un vóltmetro de corriente alterna mide 80 volts entre A y B. Encuentre lo siguiente: a) El voltaje de carga máximo. b) El voltaje de carga mínimo. c) La corriente de carga en (cd). d) El voltaje de corriente directa (cd) a través de la carga, si C fuera removido.

Figura 3.16 Rectificador y fuente de alimentación.

Fuente: Cogdell J.R. (2000) Ibíd., p. 121.

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Un TRIAC o Tríodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los transistores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta. El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control tiristores. El Triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. (ver imagen en página 164). El Triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta. Como el Triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa. La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el Triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera: La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el Triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba). Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla(la puerta o compuerta). Lo interesante es que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción. 185

Recordar que el tiristor solo conduce cuando ha sido disparada(activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor. Entonces si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume

Ejemplo ilustrativo: Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes(circuito de control de fase). Figura 3.17Conexión de dos tiristores conectados en paralelo.

Donde: Ven = el voltaje aplicado al circuito (ac) L= lámpara P = potenciómetro C = condensador R = resistor T = Triac A2 = ánodo 2 del Triac A3 = ánodo 3 del Triac G = puerta o compuerta del Triac (gate) Fuente: Adaptado de www. unicrom. com

El Triac controla el paso de la corriente alterna de la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el Triac) y el de corte (cuando la corriente no circula)

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Figura 3.18Aplicación del Triac en lámparas incandescentes.

Fuente: Adaptado de www. unicom. com

Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga de un capacitor causando que se incremente o se reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta. La diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferencia de tiempo) que existe entre los dos orígenes de las mismas. En este momento se utiliza el término de tiristor como sinónimo de SCR.

3.3 Elementos básicos de electrónica digital (compuertas lógicas, tablas de verdad, temporizadores, contadores, sumadores Las computadoras digitales utilizan el sistema de números binarios, que tiene dos dígitos 0(cero) y 1(uno). Un dígito binario se denomina un bit. La información está representada en las computadoras digitales en grupos de bits. Utilizando diversas técnicas de codificación los grupos de bits pueden hacerse que representen no solamente números binarios sino también otros símbolos discretos cualesquiera, tales como dígitos 187

decimales o letras de alfabeto. Utilizando arreglos binarios y diversas técnicas de codificación, los dígitos binarios o grupos de bits pueden utilizarse para desarrollar conjuntos completos de instrucciones para realizar diversos tipos de cálculos. La información binaria se representa en un sistema digital por cantidades físicas denominadas señales, Las señales eléctricas tales como voltajes existen a través del sistema digital en cualquiera de dos valores reconocibles y representan una variable binaria igual a 1(uno)ó 0 (cero). La lógica binaria tiene que ver con variables binarias y con operaciones que toman un sentido lógico. La manipulación de información binaria se hace por circuitos lógicos que se denominan compuertas. Las compuertas son bloques del hardware que producen señales en binario 1 ó 0 cuando se satisfacen los requisitos de entrada lógica. Las diversas compuertas lógicas se encuentran comúnmente en sistemas de computadoras digitales. Cada compuerta tiene un símbolo gráfico diferente y su operación puede describirse por medio de una función algebraica. Las relaciones entrada - salida de las variables binarias para cada compuerta pueden representarse en forma tabular en una tabla de verdad. A continuación se detallan los nombres, símbolos, gráficos, funciones algebraicas, y tablas de verdad de las compuertas más usadas.

Compuerta AND Cada compuerta tiene dos variables de entrada designadas por A y B y una salida binaria designada por x. La compuerta AND produce la multiplicación lógica AND: esto es: la salida es 1 si la entrada A y la entrada B están ambas en el binario 1: de otra manera, la salida es 0. Estas condiciones también son especificadas en la tabla de verdad para la compuerta AND. La tabla muestra que la salida x es 1 solamente cuando ambas entradas A y B están en 1.

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El símbolo de operación algebraico de la función AND es el mismo que el símbolo de la multiplicación de la aritmética ordinaria (*). Las compuertas AND pueden tener más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si todas las entradas son 1.

Compuerta OR La compuerta OR produce la función sumadora, esto es, la salida es 1 si la entrada A o la entrada B o ambas entradas son 1; de otra manera, la salida es 0. El símbolo algebraico de la función OR (+), es igual a la operación de aritmética de suma. Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier entrada es 1.

189

Compuerta NOT El circuito NOT también llamada compuerta inversora. Esta compuerta entrega en su salida el inverso de la entrada (invierte el nivel lógico de una señal binaria). Produce el NOT, o función complementaria. El símbolo algebraico utilizado para el complemento es una barra sobra el símbolo de la variable binaria. Si la variable binaria posee un valor 0,

la

compuerta

NOT

cambia

su

estado

al

valor

1

y

viceversa.

El círculo pequeño en la salida de un símbolo gráfico de un inversor designa un inversor lógico. Es decir cambia los valores binarios 1 a 0 y viceversa. Nota: X=Ã Esto significa si a la entrada tenemos un “1” lógico, a la salida hará un “0” lógico y si a la entrada tenemos un “0” lógico a la salida habrá un “1” lógico. La “A” testada significa negado.

Compuerta Separador (yes) Un símbolo de triángulo, por sí mismo designa un circuito separador, el cual no produce ninguna función lógica particular puesto que el valor binario de la salida es el mismo de la entrada. Este circuito se utiliza simplemente para amplificación de la señal. Por ejemplo, un separador que utiliza 5 volts para el binario 1, producirá una salida de 5 volts cuando la entrada es 5 volts. Sin embargo, la corriente producida a la salida es muy superior a la corriente suministrada a la entrada de la misma. De ésta manera, un separador puede excitar muchas otras compuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corriente aplicada a la entrada del separador.

190

Compuerta NAND Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolo gráfico, que consiste en una compuerta AND seguida por un pequeño círculo (quiere decir que invierte la señal). La designación NAND se deriva de la abreviación NOT - AND. Una designación más adecuada habría sido AND invertido puesto que es la función AND la que se ha invertido. Las compuertas NAND pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función AND.

Compuerta NOR La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza el símbolo de la compuerta OR seguido de un círculo pequeño (quiere decir que invierte la señal). Las compuertas NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función OR. 191

Temporizador Los temporizadores son mecanismos eléctricos mediante los cuales se puede hacer la puesta en marcha o desconexión de algún equipo con retardos. Funcionan o hacen una operación por cierto tiempo, donde el tiempo es ajustado de acuerdo al uso dado. Los temporizadores pueden ser programados o ser componentes físicos, pero en todos los casos, los más utilizados son de retardo a la conexión de la señal que los activa o bien de retardo a la desconexión de la señal que los activa. El temporizador con retardo a la conexión mide el tiempo que es verdadera la señal que lo activa, luego el tiempo a medir comienza desde la “conexión” de dicha señal. El de retardo a la desconexión mide el tiempo que es falsa la señal que lo activa, luego el tiempo a medir comienza desde la “desconexión” de dicha señal.

Contador El contador es un elemento capaz de llevar el cómputo de las activaciones de sus entradas, por lo que resulta totalmente memorizar sucesos que no tengan que ver con el tiempo pero que se necesiten realizar un determinado número de veces. En electrónica digital, un contador es un circuito secuencial construido a partir de biestables y puertas lógicas capaz de realizar el cómputo de los impulsos que recibe en la entrada destinada a tal efecto, almacenar datos o actuar como divisor de frecuencia.

192

Habitualmente, el cómputo se realiza en un código binario, que con frecuencia será el binario natural o el BCD natural (contador de décadas). Una operación muy frecuente en los procesos es contar el número de veces que se cumple una determinada condición, tal es el caso de repetir cierto número de ciclos o contar piezas fabricadas. Cuando el valor de la cuenta llega al valor pre ajustado en el contador, casi siempre se necesita una señal de confirmación. Un contador se puede definir con dos funciones y una variable: Una de las funciones será la entrada del contador por la que recibe los impulsos a contar, la otra función ha de permitir poner la cuenta a cero si el contador es ascendente o bien ponerla en el valor pre-ajustado si es descendente. La variable o señal de salida del contador se activa cuando se ha cumplido el número de impulsos pre-ajustado.

Sumadores En electrónica un sumador es un circuito lógico que calcula la operación suma. En los computadores modernos se encuentra en lo que se denomina Unidad Aritmético Lógica (ALU). Generalmente realizan las operaciones aritméticas en código binario decimal o BCD exceso 3, por regla general los sumadores emplean el sistema binario. En los casos en los que se esté empleando un complemento a dos para representar números negativos el sumador se convertirá en un sumador-substractor (Adder-subtracter). Las entradas son A, B, C (entrada) que son la entradas de bits A y B, y C (entrada) es la entrada de acarreo. Por otra parte, la salida es S y C (salida) es la salida de acarreo.26

3.4 Aplicación de los conceptos básicos de electrónica El propósito de una fuente de alimentación de corriente continua (c.c.) en cualquier sistema eléctrico es suministrar a todas las partes del sistema un voltaje de c.c. constante y suficiente corriente de c.c. a partir de los cuales operan todos los circuitos.

26

http://es.wikipedia.org/wiki/Sumador

193

Los dispositivos semiconductores se utilizan en todos los aparatos modernos. Entre estos dispositivos se encuentran los de un elemento (termistores, varistores, foto-resistores), los de dos elementos (varactores, rectificadores, celda solar) y los de tres elementos (transistores, tetrodo transistores, circuitos integrados). Los circuitos electrónicos pueden ser fabricados simultáneamente uniendo transistores individuales, diodos y resistencias en un pequeño chip de silicio. Los componentes son conectados uno al otro con alambres de aluminio depositados en la superficie de chip, el resultado es un circuito integrado. Los temporizadores, pueden operar como comparador, el op-amp (amplificador operacional) puede ser utilizado como un temporizador.

Circuitos impresos No se requiere de sockets, pero los pines de los componentes se deben colocar en las guías de cobre del circuito. Los diseñadores utilizan dos tipos, que son: tarjetas de rejilla perforada pregrabada tiene una plataforma en una laminilla de cobre en cada orificio y la tarjeta de circuito impresos personalizados son fabricadas aplicado una cinta o cubierta química a la laminilla de cobre limpia de una tarjeta fenólica.27

Cuestionario capítulo 3: 1. Rectificador controlado de silicio (SCR) formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. ¿Es un diodo o un transistor o qué es? 2. ¿Cuáles son los tipos básicos de transistor? 3. ¿Cuántos tipos y cuáles son las polarizaciones del diodo?

27

Steren, op cit., p.92

194

4. Es un dispositivo de seguridad que permite el flujo de corriente en un solo sentido e impide que regrese por el mismo conducto ¿cómo se llama este elemento?........ 5. ¿Explique cómo se polariza un transistor? 6. Es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. ¿Cómo se llama? 7. ¿Cuál es el funcionamiento del transistor? 8. Existen varios factores que alteran el funcionamiento el transistor, pero principalmente el transistor es muy sensible a los efectos….? 9. Es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc. ¿Cómo se llama? 10. ¿Cuál es el símbolo que identifica al SCR? 11. El germanio y el silicio, en forma pura, son: conductores (

), aisladores (

).

12. Una vez que se activa un diodo, al aumentar el voltaje en el diodo se produce una: mayor (

) menor (

) circulación de corriente en el diodo.

13. El voltaje de polarización directa de un diodo de silicio debe ser igual o mayor que _____V para que el diodo pueda conducir de manera apreciable. 14. Un diodo ideal se comporta como un interruptor ______ cuando tiene polarización directa y como un interruptor ________ cuando tiene polarización inversa. 15. Las polaridades de las baterías de un transistor NPN son (inversas, idénticas) en relación con las baterías de un transistor PNP. 16. La unión emisor-base de un transistor tiene polarización __________; la unión colector-base tiene polarización________.

En la siguiente tabla, anotar el nombre de cada uno de los símbolos, más utilizados en electrónica.

195

196

Unidad

4

Aplicación de la electricidad y electrónica industrial

197

4.1 Sensores y transductores eléctricos

Sensores En la actualidad existe una gran variedad de productos para optimizar el desempeño de tus aplicaciones, como sensores inductivos, fotoeléctricos, capacitivos, magnéticos, sensores de visión, ultrasonidos e interruptores mecánicos. También existen sensores para distancia y evaluación de posicionamiento para aplicaciones que requieren retroalimentación continua.28 Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica o un detector de resistencia y temperatura (RTD por sus siglas en inglés Resistance Temperature Detector), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica como en un termopar (unión de dos metales distintos que produce un voltaje llamado efecto Seebeck), una corriente eléctrica como en un fototransistor (transistor sensible a la luz). Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, robótica.29

28

http://www.negocioswebserver.com/Balluff/2011. http://es.wikipedia.org/(actualizado el 02 nov2011.

29

198

Sensores mecánicos Son interruptores que se activan por la pieza de seguimiento. Existen varios tipos y tamaños, dependiendo de la aplicación. Estos sensores tienen dos posiciones diferentes, dentro y fuera, abierta o cerrada y que sirven para definir el estado del monitor de escenario.

Sensores ópticos En la actualidad están presentes en casi todo tipo de equipo que utiliza algún tipo de supervisión, tienen una variedad, pero los que se utilizan en las impresoras de fotodiodo y transistor. Veamos cuáles son estos componentes: El fotodiodo es un sensor de diodo de semiconductores en los que el cruce se encuentra expuesto a la luz. La energía luminosa para mover los electrones de la banda de conducción, reduciendo la barrera potencial para aumentar el número de electrones que puede pasar si se aplica el sesgo inverso. La corriente en el fotodiodo es del orden de decenas de miliampere (mA) con alto brillo, y la respuesta es rápida. Hay fotodiodos para todas las bandas de longitudes de onda, desde rayos ultravioleta a los infrarrojos, dependiendo del material. El fotodiodo se utiliza como un sensor en el mando a distancia en los sistemas de fibra óptica, lector de códigos de barras, un escáner (escáner de imágenes a la computadora), lápices ópticos (que puede escribir en la pantalla del ordenador), toque el disco compacto (CD), la fotometría y la detección indirecta de la posición y velocidad.

Foto-transistor Se trata de un transistor cuya base de unión de colección está expuesta a la luz y actúa como un diodo foto-. El transistor amplifica la corriente, y proporciona algunos mA con alto brillo. Su velocidad es inferior a la del fotodiodo.

199

Aplicaciones de los fototransistores. Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos PIN (diodo PIN, estructura de tres capas). También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad. Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto.

El foto diodo es saturar la foto-transistor con un haz de luz, cambia la situación actual en la foto-transistor, e indica una posición particular. Una hoja de plástico interrumpe el paso de la luz cambiar el estado del sensor.

Codificador óptico Es un tipo de sensor de retroalimentación que capta los reflejos luminosos y los convierte en señales de retroalimentación. En el mercado existen un sinfín de codificadores ópticos entre éstos está Video jet (Videojet Tecchnologies Inc.) fabricantes de codificadores, impresoras y marcaje láser son expertos en inyección de tinta continua, codificación, sobre impresión por transparencia térmica.30 La fuente de luz es generalmente el LED y un fotodiodo sensor o fototransistor. Este tipo de sensor es muy preciso y práctico en sistemas digitales (codificador absoluto), se pueden usar en robots, máquinas herramientas, CNC y otros.

Sensor de papel Es un dispositivo que cambia su comportamiento bajo la acción de una magnitud física y puede ser directa o indirectamente una señal que indica la magnitud. La función de este sensor consiste generalmente de un sistema óptico habilitado por una paja de plástico para indicar la presencia o ausencia del documento, el sistema óptico es normalmente un fotodiodo (emite luz) y una foto del transistor (para bajar la luz) cuando la

30

www.videojet.com

200

función desencadena la cuchilla de la luz para el fotodiodo el fototransmisor se interrumpe causando el transistor para conducir y salir del CPU indicando presencia de papel.

Transductores Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada a otra diferente a la salida. La base es sencilla, se puede obtener la misma información de cualquier secuencia similar de oscilaciones, ya sean ondas sonoras (aire vibrando), vibraciones mecánicas de un sólido, corrientes y voltajes alternos en circuitos eléctricos, vibraciones de ondas electromagnéticas radiadas en el espacio en forma de ondas de radio o las marcas permanentes grabadas en un disco o una cinta magnética. Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen algo de energía por lo que la señal medida resulta debilitada:

Tipos de transductores 

Transductor electroacústico



Transductor electromagnético.



Transductor electromecánico.



Transductor electroquímico.



Transductor electrostático.



Transductor fotoeléctrico.



Transductor magnetoestrictivo.



Transductor piezoeléctrico.



Transductor radioacústico.

201

Ejemplos: 

Un micrófono es un transductor electroacústico que convierte la energía acústica (vibraciones sonoras, oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje).



Un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario. Un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras.



Otros ejemplos son los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas y éstas generan el código de la tecla presionada.



Otro ejemplo es el sistema de alarma de un automóvil, el cual transforma los cambios de presión dentro del vehículo a la activación de dicha alarma. Algunas de estas son termistores, galga extensiométrica, piezoeléctricos, termostatos.

En automatización hay que disponer de elementos que nos adapten las magnitudes de referencia (variables de entrada) en otro tipo de magnitudes proporcionales a las anteriores, de manera que éstas últimas sean interpretables por el sistema y así se pueda realizar un buen control del proceso.

4.2 Dispositivos de control eléctrico y electrónico Dispositivos de control eléctrico Al inicio de la industrialización las máquinas fueron gobernadas esencialmente a mano e impulsadas desde un eje común de transmisión o de línea. Dicho eje de transmisión era impulsado por un gran motor de uso continuo el cual accionaba mediante una correa tales máquinas en el momento que fuese necesario. Una de las desventajas principales que este sistema de transmisión de potencia fue que no era conveniente para una producción de nivel elevada.

202

El funcionamiento automático de una máquina se obtiene exclusivamente por la acción del motor y del control de la máquina. Este control algunas veces es totalmente eléctrico y otras veces suele combinarse al control mecánico, pero los principios básicos aplicados son los mismos.

Tipos de controles eléctricos Control manual. Este tipo de control se ejecuta manualmente en el mismo lugar en que está colocada la máquina; es el más sencillo y conocido, es generalmente el utilizado para el arranque de motores pequeños a tensión nominal. El control manual se caracteriza por el hecho de que el operador debe mover un interruptor o pulsar un botón para que se efectúe cualquier cambio en las condiciones de funcionamiento de la máquina o del equipo en cuestión. Control semiautomático. Los controladores que pertenecen a esta clasificación utilizan un arrancador electromagnético y dispositivos pilotos manuales tales como pulsadores, interruptores de maniobra, combinadores de tambor o dispositivos análogos. Quizás los mandos más utilizados son las combinaciones de pulsadores a causa de que constituyen una unidad compacta y relativamente económica. El control semiautomático se usa principalmente para facilitar las maniobras de mano y control en aquellas instalaciones donde el control manual no es posible. Control automático. Este control automático está formado por un arrancador electromagnético o contactor controlado por uno o más dispositivos pilotos automáticos. La orden inicial de marcha puede ser automática, pero generalmente es una operación manual, realizada en un panel de pulsadores e interruptores.

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En algunos casos el control puede tener combinación de dispositivos manuales y automáticos. Si el circuito contiene uno o más dispositivos automáticos, debe ser clasificado como control automático. Los contactores son dispositivos electromagnéticos, en el sentido de que en ellos se producen fuerzas magnéticas cuando pasan corrientes eléctricas por las bobinas del hilo conductor que estos poseen y que respondiendo a aquellas fuerzas se cierran o abren determinados contactos por un movimiento de núcleos de succión o de armaduras móviles.

Dispositivos de control electrónico En la actualidad existe una gran variedad de dispositivos electrónicos y desarrollan una gran variedad de tareas; los principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, el procesado, la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica. En general la electrónica barca las siguientes áreas de aplicación  Electrónica

de control  Telecomunicaciones  Electrónica de potencia

Sistemas electrónicos Un sistema electrónico es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en dividirlos en las siguientes partes: 1. Entradas . Sensores electrónicos o mecánicos que toman las señales (en forma de temperatura, presión, etc.) del mundo físico y las convierten en señales de corriente o voltaje. Ejemplo: el termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc.

206

2. Circuitos de procesamiento de señales . Consisten en piezas electrónicas conectadas juntas para manipular, interpretar y transformar las señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores. 3. Salidas. Actuadores u otros dispositivos (también transductores) que convierten las señales de corriente o voltaje en señales físicamente útiles. Por ejemplo: un visualizador (display ) que nos registre la temperatura, un foco o sistema de luces que se encienda automáticamente cuando esté oscureciendo.

Señales electrónicas Es la representación de un fenómeno físico o estado material a través de una relación establecida; las entradas y salidas de un sistema electrónico serán señales variables. En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de tensión o corriente éstas se pueden denominar comúnmente señales. Las señales primordialmente pueden ser de dos tipos: 

Variable analógica. Son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores comprendidos entre dos límites. La mayoría de los fenómenos de la vida real dan señales de este tipo. (presión, temperatura, etc.)



Variable digital. También llamadas variables discretas, entendiéndose por estas, las variables que pueden tomar un número finito de valores. Por ser de fácil realización los componentes físicos con dos estados diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas variables, que por lo tanto son binarias. Siendo estas variables más fáciles de tratar (en lógica serían los valores V y F) son los que generalmente se utilizan para relacionar varias variables entre sí y con sus estados anteriores.

Componentes electrónicos Se denomina componente electrónico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrónico. Se suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito. 207

Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos. De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas: 1. Según su estructura física: 

Discretos: son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores.



Integrados: forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.

2. Según el material base de fabricación: 

Semiconductores.



No semiconductores.

3. Según su funcionamiento: 

Activos. Proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control.



Pasivos. Son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel. Según el tipo de energía:



.Electromagnéticos. Aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores).



Electroacústicos. Transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos, altavoces, bocinas, auriculares).



Optoelectrónicos. Transforman la energía luminosa en eléctrica y viceversa (diodos LED, células fotoeléctricas).

208

Elementos activos Los elementos activos son aquellos que son capaces de generar una tensión o una corriente y suministrar potencia a una carga dada. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. En la actualidad existe un número elevado de componentes o elementos activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con los componentes pasivos. En la siguiente tabla se muestran los principales componentes activos junto a su función más común dentro de un circuito. Tabla 4.3 Componentes activos y su función.

209

Elementos pasivos Son aquellos que no necesitan una fuente de energía para su correcto funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito. Dentro de estas están los R, L y C. Estos elementos disipan o almacenan energía eléctrica o magnética, constituyéndose así como receptores de carga de un circuito. La R resistencia o resistor se utiliza para caracterizar un componente de un circuito cuyo comportamiento se podría considerar como un elemento puro. La bobina L se refiere a un componente de un circuito principal característica es la inductancia y C capacitor o condensador indica un componente idealmente a un elemento C puro. Estos tres elementos pueden sintetizarse a través de una adecuada combinación de R, L y C.

4.3 Funcionamiento básico del PLC(controlador lógico programable) Es un equipo electrónico, diseñado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales. Para que un PLC logre cumplir con su función de controlar, es necesario programarlo con cierta información acerca de los procesos que se quiere secuenciar. Esta información es recibida por captadores, que gracias al programa lógico interno, logran implementarla a través de los accionadores de la instalación. 210

Un PLC es un equipo comúnmente utilizado en maquinarias industriales de fabricación de plástico, en máquinas de embalajes, entre otras; en fin, son posibles de encontrar en todas aquellas maquinarias que necesitan controlar procesos secuenciales, así como también, en aquellas que realizan maniobras de instalación, señalización y control. Dentro de las funciones que un PLC puede cumplir se encuentran operaciones como las de detección y de mando, en las que se elaboran y envían datos de acción a los preaccionadores y accionadores. Además cumplen la importante función de programación, pudiendo introducir, crear y modificar las aplicaciones del programa. Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los controladores lógicos programables, o PLCs, presentan ciertas desventajas como es la necesidad de contar con técnicos calificados y adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento. Hoy en día, los PLCs no sólo controlan la lógica de funcionamiento: 

De máquinas.



Plantas.



Procesos industriales.

Sino que también pueden realizar: 

Operaciones aritméticas.



Manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores: proporcional integral derivativo (PID).

Los PLCs actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido. 211

Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizados son el diagrama de escalera ladder(lenguaje de programación), preferido por los electricistas, lista de instrucciones y programación por estados, aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de interpretar y mantener. Un lenguaje más reciente, preferido por los informáticos y electrónicos, es el diagrama de bloques FBD (en inglés Function Block Diagram) que emplea compuertas lógicas y bloques con distintas funciones conectados entre sí. En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operaciones, desde los más simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID(Proporcional Integral Derivativo) y funciones de comunicación multiprotocolos que le permitirían interconectarse con otros dispositivos. Un controlador lógico programable está constituido por un conjunto de tarjetas o circuitos impresos, sobre los cuales están ubicados componentes electrónicos; tiene la estructura típica de muchos sistemas programables, como por ejemplo una microcomputadora. La estructura básica del hardware de un consolador Programable propiamente dicho está constituido por:  Fuente de alimentación  Unidad de procesamiento central (CPU)  Módulos de interfaces de entradas/salidas (E/S)  Módulo de memorias  Unidad de programación

En algunos casos cuando el trabajo que debe realizar el controlador es más exigente, se incluyen Módulos Inteligentes.

212

La principal diferencia con otros dispositivos son las conexiones especiales de entrada/salida. Estas conexiones conectan el PLC a sensores y actuadores. 

Los PLC leen interruptores.



Indicadores de temperatura.



Las posiciones de complejos sistemas de posicionamiento.



Algunos incluso pueden llegar a utilizar visión artificial.

En los actuadores, los PLC pueden operar: 

Motores eléctricos y neumáticos.



Cilindros hidráulicos o diafragmas, relevadores magnéticos y solenoides.

Las conexiones de entrada/salida pueden estar integradas en un solo PLC o el PLC puede tener módulos de entrada/salida unidos a una red de ordenadores que se conecta al PLC. Los PLC fueron inventados como recambio para sistemas automáticos que podrían llegar a usar cientos o miles de relés y contadores A menudo, un solo PLC puede programarse para remplazar miles de relés. Los controladores programables fueron inicialmente adoptados por la industria del automóvil, donde la revisión del software remplazó a la rescritura o rediseño de los controles cada vez que cambiaban los modelos que se producían. Los primeros PLCs funcionaban con lógica en escalera (ladder) que tenía mucha similitud con los diagramas eléctricos. Los electricistas eran capaces de evitar los errores en los esquemas eléctricos utilizando lógica de escalera. Esta notación fue elegida para reducir las necesidades de aprendizaje de los técnicos existentes. La funcionalidad de los PLC ha evolucionado a lo largo de los años para incluir control de relés secuenciales, control de movimiento, control de procesos, sistemas de control distribuidos y establecimiento de redes. El tratamiento de datos, el almacenaje, la energía del proceso y las capacidades de la comunicación de algún PLC moderno son aproximadamente equivalentes a las computadoras de escritorio. Una programación como 213

la de los PLCs combinada con hardware de entrada y salida remota, permite a un ordenador de sobremesa igualar en ciertas aplicaciones a un PLC.

Prácticas de laboratorio Practica 1 Encendido por ausencia de luz. Material utilizado: R1 = 100 kΩ R2 = LDR(fotorresistencia) R3 = 2.2 kΩ R4 = 330 Ω Q1 = NPN BC547 D1 = Diodo LED

Funcionamiento Cuando la fotorresistencia recibe luz, disminuye su resistencia (50-1000 Ω), por lo que el divisor de tensión formado por R1 y LDR, prácticamente toda la tensión de la pila estará en extremos de R1 y casi nada en extremos de la LDR, en estas condiciones no le energía a la base, el transistor estará en corte y el diodo no lucirá. Cuando la luz disminuye, la resistencia de la LDR aumenta lo suficiente para que le llegue energía a la base del transistor, conduzca y se encienda el diodo LED.

214

Práctica 2 Encendido por presencia de luz.

Material utilizado: R1 = 1.0 kΩ R2 = LDR(fotorresistencia) R3 = 2.2 kΩ R4 = 330 Ω Q1 = NPN BC547 D1 = Diodo LED

Funcionamiento Cuando la fotorresistencia (LDR) recibe luz, disminuye su resistencia (50-1000 Ω), por lo que en la R1 habrá una caída de tensión suficiente como para hacer que circule energía por la base del transistor, que conduzca y se encienda el LED. Cuando la luz disminuye, la resistencia de la LED aumenta; en estas condiciones toda la tensión estará prácticamente en la LDR y casi nada en R1 con lo que no circulará suficiente energía por la base del transistor y éste permanecerá en corte y el diodo LED apagado. Práctica 3 Temporizador a la desconexión.

Material utilizado: R3 = 2.2 kΩ C1 = 2.2 μ F Q1 = NPN BC547 L1 = lámpara P1 = pulsador NA

215

Funcionamiento Al inicio la lámpara está apagada, ya que por la base no circula energía, el transistor está en corte. Cuando se acciona el pulsador, circula energía por la base, se activa el transistor y la lámpara se enciende. A la vez, el capacitor se carga. Al soltar el pulsador la lámpara sigue prendida durante un tiempo; ahora la energía de base la proporciona el capacitor; cuando éste se descarga, el transistor se bloquea y la lámpara se apaga.

Práctica 4 Detector de humedad.

Material utilizado: T1 = NPN BC547 T2 = NPN BD137 R1 = 2 kΩ R2 = 2 kΩ R3 = 220 Ω

Funcionamiento Al introducir los electrodos en agua o en un trapo húmedo, llega una pequeña energía a la base de T1, permitiendo éste el paso de la energía hacia la base de T2 que se satura y enciende la lámpara. Cuando no se tenga humedad, no pasará energía por el circuito de transistores y la lámpara permanecerá apagada. Si se sustituye la lámpara por un relevador que desconecte una bomba de agua cuando T2 esté en saturación y la conecte cuando esté en corte, se tiene un sistema de riego automático.

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Práctica 5 Memoria. Material utilizado: T1 = NPN BC547 T2 = NPN BC547 R1 = 330 Ω R2 = 100 kΩ R3 = 100 kΩ R4 = 330 Ω D1, D2 = Diodos LED P1, P2 = Pulsador NA

Funcionamiento En este circuito se demuestra que se recuerda lo último que se hizo. Al principio uno de los diodos está apagado, suponer que es el D1, en este diodo pasa una pequeña energía que activa T2, por lo que D2, queda iluminado. Si se pulsa P2, la energía deja de llegar a la base de T2, éste se bloquea y se apaga D2; sin embargo sigue pasando una mínima energía a través de R4 y R3 por lo que se activa T1 y se enciende D1. Aunque se suelte P2 sigue sin llegar energía a la base de T2, ya que toda la energía pasa a través de T1 y D1 permanece encendido. Si se pulsa P1, la energía deja de llegar a la base de T1, por lo que D1 se apaga y se enciende D2 (al este circuito se le llama flip-flop). Practica 6 Luz intermitente. Material utilizado: T1 = NPN BC547 T2 = NPN BC547 R1 = 330 Ω R2 = 22 kΩ R3 = 22 kΩ R4 = 330 Ω C1 = Cap. electrolítico 100 μ F C2 = Cap. electrolítico 100 μ F

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Funcionamiento En este circuito se iluminará alternativamente D1 o D2. Los dos transistores trabajan en conmutación, es decir cuando uno conduce (saturación) el otro no (corte) y viceversa. Al conectar la alimentación suponiendo que D1 se enciende y D2 está apagado, no obstante por D2 circula una pequeña energía y no es suficiente para encenderlo que pasa por R4 atraviesa C1 y llega a la base de T1, por lo que D1 sigue encendido y C1 cargándose. Cuando C1está cargado impide el paso de la energía, bloquea T1 y D1 se apaga. Ahora circula una pequeña energía a través de D1(insuficiente para encenderlo) para encenderlo y R1 hasta la base de T2 por lo que éste conduce, se enciende D2 y comienza a cargarse C2. Mientras C2 se carga C1 se descarga a través de R3. Después el proceso se repite. Práctica 7 Temporizador con dos transistores.

Material utilizado: T1 = NPN BC547 T2 = NPN BD137 R1 = 100 Ω R2 = 2.2 kΩ P1= 50 kΩ R4 = 330 Ω Diodo 1N4007 C = Cap. electrolítico 2200 μ F P = Pulsador NA Relevador para 9 V

Funcionamiento Se utiliza dos transistores conectados como se ve en el circuito (montaje Darlington), para aumentar la ganancia del circuito. La poca energía pasa en el T2 lo satura y, como consecuencia cuando la energía llegue a T2 aumentando el tiempo máximo de funcionamiento del circuito. Ajustando el valor del potenciómetro se puede regular el tiempo de descarga del capacitor y, por tanto, el tiempo, en que estará activado el relevador. Cuando la energía suministrada por el capacitor sea muy pequeña, el relevador volverá a su posición de reposo. 218

Práctica 8 Activación de relevador por luz Material utilizado: T1 = NPN BC547 T2 = NPN BD137 LDR(fotorresistencia) R1 = 2.2 kΩ P1 = 5 kΩ D1 = Diodo 1N4007 Relevador para 6 V

Funcionamiento Cuando la luz incida directamente sobre la fotorresistencia (LDR), su resistencia disminuye y aumenta la energía en la base de T1, lo cual hace que ambos transistores se saturen, y por lo tanto, el relevador se activará y su contacto se cerrará. Por el contrario, cuando no incida luz sobre la LDR, aumenta su resistencia y disminuye el potencial de base de T1, por lo que ambos transistores se cortarán, el relevador se desactiva y su contacto permanecerá abierto. El potenciómetro permite un ajuste fino de las condiciones ambientales de luz.

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Glosario Aislador. Material que no permite el paso de la corriente eléctrica. Acoplamiento. Proceso de hacer que la salida de un tipo de circuito sea compatible con la entrada de otro, de modo que los circuitos puedan operar correctamente al conectarlos entre sí. Analógico. Caracterización de un proceso lineal en que una variable asume un conjunto continuo de valores. Ancho de banda. Características de algunos circuitos electrónicos, que especifica el rango de frecuencias utilizables que pasan de la entrada a la salida. Ánodo. La terminal positiva de un diodo y de otros dispositivos electrónicos. Armónicas. Frecuencias contenidas en una forma de onda compuesta, las cuales son múltiplos enteros de la frecuencia de repetición. Atenuación. Reducción en el nivel de potencia, corriente o voltaje. Audio. Relacionado con el rango de frecuencias de las ondas sonoras que puede percibir el oído humano. Autoinductancia. En una espiral conductora, es igual al flujo magnético de la espiral, causada por la corriente que circula a través de ella, dividido por esa corriente. Base. Una de las regiones del semiconductor en un transistor de unión bipolar. La base es muy estrecha en comparación con las demás regiones. Base común. Configuración de un amplificador con BJT en que la base es la terminal común (conectada a tierra). Bipolar. Que se caracteriza tanto por electrones y huecos libres como por portadores de corriente. ca. Corriente alterna. cd. Corriente directa, también se le puede llamar corriente continua (cc). Caída (en dB). Decremento en la ganancia de un de un amplificador por encima o por debajo de las frecuencias críticas. Capacitancia. Carga dividida por la diferencia de potencial eléctrico. 220

Cascada. Arreglo de circuitos donde la salida de uno de ellos es la entrada del siguiente. Cátodo. La terminal negativa de un diodo y otros dispositivos electrónicos. Circuito integrado. Tipo de circuito en el que todos los componentes están construidos sobre una pequeña pastilla (chip) de silicio. CD. Disco compacto (Compac Disc). Colector. Una de las tres regiones de semiconductor de un BJT. Colector común. Configuración de un amplificador con BJT en que el colectores la terminal común. Compuerta. Una de las tres terminales de un FET. Conductor. Material que permite muy bien el paso de la corriente eléctrica. Conductividad térmica. Densidad de flujo térmico dividido por el gradiente de temperatura. Corriente. Flujo de electrones libres. Corriente de carga. Cantidad de corriente obtenida en la salida de un circuito a través de una impedancia. Corriente de falla. Corriente en el circuito derivado originada por la falla. Cortocircuito. Conexión intencional o accidental de dos puntos de un circuito por una impedancia de valor despreciable. Curva característica. Gráfica de la corriente contra el voltaje en un diodo o un transistor. Década. Incremento o decremento en diez veces el valor de una cantidad. Densidad de flujo térmico. Flujo térmico dividido por el área considerada. Diac. Dispositivo semiconductor de cuatro capas con dos terminales (tiristor)capaz de conducir corriente en cualquier dirección cuando es activado de manera apropiada. Diagrama esquemático. Diagrama simbólico de un circuito eléctrico o electrónico. Digital. Caracterización de un proceso en el que una variable asume uno de dos valores posibles. Diodo. Dispositivo electrónico con dos terminales que permite el paso de corriente en una sola dirección. 221

Diodo emisor de luz(LED). Tipo de diodo que emite luz cuando fluye por él corriente directa. Diodo Schottky. Diodo en el que se usan solamente portadores mayoritarios, diseñado para operación a alta frecuencia. Diodo Shockley. Tipo tiristor de dos terminales que conduce corriente cuando el voltaje del ánodo al cátodo alcanza un valor de ruptura especificado. Diodo zener. Diodo diseñado para limitar el voltaje a través de sus terminales en polarización en inversa. Display. Visualizador, es un dispositivo de ciertos aparatos electrónicos que permite mostrar información al usuario de manera visual. Drenaje. Una de las tres terminales de un FET. Drenaje común. Configuración de un amplificador con FET en que el drenaje es la terminal conectada a tierra. Efecto piezoeléctrico. Propiedad de un cristal en la cual un cambio en el esfuerzo mecánico de deformación produce un voltaje a través del cristal. Electrón. Partícula básica de carga eléctrica negativa. Electroluminiscencia. Proceso de liberar energía luminosa mediante la recombinación de electrones en un semiconductor. Emisor. Una de las tres regiones semiconductoras de un BJT. Entrada. Terminal de un circuito a la cual se aplica primero una señal eléctrica. Etapa. Uno de los circuitos amplificadores en una configuración multietapa. Factor de calidad. Razón entre la frecuencia central de un filtro paso-banda y el ancho de banda de éste. Falla. Perturbación que impide la operación normal. Falla de aislamiento. Disminución o desaparición accidental de la resistencia de aislamiento entre un conductor y tierra o entre conductores. Falla a tierra. Falla de aislamiento entre un conductor y tierra. Fotodiodo. Diodo en el cual la corriente inversa.

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Fototransistor. Transistor en la corriente de base es producida cuando la luz incide sobre la región de la base del semiconductor fotosensible. Flujo térmico. Flujo de calor a través de una superficie. Flujo magnético. El flujo magnético que atraviesa un elemento de superficie es igual al producto escalar del elemento de superficie y la densidad de flujo magnético. Frecuencia. Número de ciclos dividido por el tiempo. Fuente. Una de las tres terminales de un FET. Fuente común. Configuración de un amplificador. Fuente de poder. Circuito que suministra el voltaje de corriente directa y la corriente idónea a fin de operar un sistema. Fuerza electromotriz. Para que exista una corriente eléctrica requiere de algo que fuerce a que los electrones circulen ordenadamente y es la fuerza electromotriz (fem) cuya unidad es el volt. Fusible. Dispositivo protector que se abre cuando la corriente excede de cierto valor límite permitido. Galga extensiométrica o extensímetro. Es un sensor, para medir la deformación, presión, carga, torque, posición, entre otras cosas. Ganancia. Cantidad en que una señal eléctrica se incrementa o amplifica. GW (gigawatts).Equivale a un millón de kilowatts. GWh (gigawatts-hora).Equivale a un millón de kilowatt-hora (1 000 000 kWh). Hardware. Es todo lo físico que podemos ver en una computadora. Impedancia. Es una magnitud que establece la relación (cociente) entre el voltaje y la corriente. La impedancia puede representarse como la suma de una parte real y una parte imaginaria: Z = R + j X; donde R es la parte resistiva o real y X es la parte reactiva o imaginaria de la impedancia. Interruptor controlado de silicio (SCS). Tipo de tiristor de cuatro terminales que tiene dos terminales de compuerta las cuales se usan para accionar el dispositivo a encendido o apagado. Ionización. Remoción o adición de un electrón de o a un átomo neutro, de modo que el átomo resultante (ion), tenga carga neta positiva o negativa. 223

Intensidad de campo eléctrico. Fuerza ejercida por un campo eléctrico sobre una carga eléctrica puntual, dividida por el valor de la carga. kW (kilowatt ). Equivale a mil watts. kWh (kilowatt hora). Equivale a mil watthora (energía consumida en hora u horas) mA (miliampere). Es una milésima parte de un ampere. MWh (megawatt hora). Es igual a un millón de watthora) Neutrón. Partícula sin carga que se encuentra en el núcleo del átomo. Núcleo. Parte central de un átomo. Número atómico. Número de electrones en un átomo neutro. Peso atómico. Numero de protones y neutrones en el núcleo de un átomo. PID (Proporcional Integral Derivativo). Es un mecanismo de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctiva que ajuste el proceso. Pin. Es un número de identificación. Polarización. Aplicación de voltaje de corriente directa a un transistor otro dispositivo a fin de obtener un modo de operación específico. Polarización en directa. Condición en la cual una unión pn conduce corriente. Polarización en inversa. Condición en la cual una unión pn bloque el paso de la corriente. Protón. Partícula básica de carga positiva. Radiación. Proceso de emisión de energía electromagnética o luminosa. Rectificador. Dispositivo electrónico que convierte corriente alterna (ca) en corriente directa (cd) con pulsaciones; un componente de una fuente de poder. Rectificador controlado de silicio (SCR). Tipo de tiristor de tres terminales que conduce corriente cuando es accionado por un voltaje en la terminal de compuerta única y permanente encendido hasta que la corriente del ánodo es menor que un valor especificado.

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Resistencia térmica. Diferencia de temperaturas dividida por el flujo térmico. RTD. Es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Salida. Terminal de un circuito, de la cual se obtiene el voltaje final. Saturación. Estado de un BJT en el cual la corriente del colector ha alcanzado un máximo y es independiente de la corriente e base. Semiconductor. Material ubicado entre los conductores y los aisladores en cuanto a sus propiedades de conducción. Silicio. Material semiconductor. Sobrecarga. Potencia suministrada o carga superior a aquella para la cual está prevista una instalación o una componente particular de una instalación. Software. Es todo el conjunto intangible de datos y programas de la computadora. Terminal. Punto de contacto externo sobre un dispositivo eléctrico o electrónico. Termistor. Resistor sensible a la temperatura, con coeficiente de temperatura negativo. Termopar. Termopar es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia . Tiristor. Clase de dispositivo semiconductor de cuatro capas (pnpn). Transistor. Dispositivo semiconductor usado para aplicaciones en amplificación y conmutación. Transistor de efecto de campo de unión (JFET). Uno de los dos tipos primordiales de transistores de efecto de campo. Transistor de efecto de campo (FET). Tipo de transistor unipolar controlado por voltaje en el que se usa un campo eléctrico inducido para controlar la corriente. Transistor de unión bipolar (BJT). Transistor constituido por tres regiones de semiconductor dopadas separadas por dos uniones pn. Triac. Tiristor de tres terminales capaz de conducir corriente en cualquier dirección cuando se activa de manera apropiada.

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Tríodo. Se denomina tríodo a la válvula termoiónica de tres electrodos, ánodo, cátodo y rejilla de control Unión pn. Frontera entre dos tipos diferentes de materiales semiconductores.

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