Suministro de electricidad

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La energía eléctrica es trasportada y distribuida a nuestros hogares, oficinas y fábricas en forma de corrientes alternas con un voltaje de 110 voltios 60 Hertz. ¿Qué significa esto?
Los grandes generadores de corriente eléctrica están basados en el uso de una maquina giratoria de otra forma de energía: Una turbina hidráulica, un motor de gasolina, disel, etc. El motor gira una bobina de alambre de cobre entre un campo magnético. Sobre la bobina se genera un potencial eléctrico importante. Como la bobina cambia mucho de posición el voltaje inducido cambia de polaridad un número de veces proporcional a la velocidad de giro.
En resumen la corriente eléctrica generada es alternada, es decir cambia de polaridad dependiendo del giro de la maquina generadora. En el caso de Colombia se ha normalizado para que todos los generadores produzcan corrientes que cambien 60 veces por segundo y por eso decimos que es de 60 Hertz. Estados Unidos y gran parte de los países Americanos usamos 60 Hertz, pero en Europa y el sur de América (Argentina, Uruguay, Chile) la frecuencia es 50 Hertz.
La electricidad siempre se presenta entre dos puntos que llamamos polos entre los cuales se presenta una diferencia de tensión que se mide en Voltios. En nuestras casas tenemos un enchufe eléctrico de dos polos con un diferencial de tensión de 110 voltios. Un polo es positivo y el otro negativo. Cual es cual no lo podemos precisar ya que él está alternándose 60 veces por segundo.
Pero el cambio de polaridad no es instantáneo. Como la electricidad fue generada en una máquina que estaba rotando, el voltaje en un instante es cero, poco a poco empieza a aumentar hasta llegar a un máximo luego decrece hasta llegar de nuevo a cero, en ese instante la polaridad se invierte aumentando a un máximo igual al anterior pero con polaridad inversa después decrece para retornar a cero e iniciar de nuevo el ciclo.
Recordemos que el voltaje fue inducido en una bobina que rota describiendo un circulo por lo tanto el voltaje sigue la forma de una onda igual a una definida por una rama de las matemáticas llamada trigonometría. La forma de onda se llama “SENO” y por tanto decimos que la electricidad tiene forma sinusoidal.
Si nosotros aplicamos un voltímetro a los dos polos de nuestro enchufe de 110 voltios, la aguja del voltímetro tendría que moverse a izquierda y derecha del punto cero 60 veces por segundo. Como la aguja tiene inercia mecánica le queda imposible moverse 60 veces por segundo y opta por quedarse en el valor medio que es cero.
Para medir el voltaje de una corriente alterna debemos usar un voltímetro preparado para este propósito es decir un “voltímetro de corriente alterna”. Básicamente estos voltímetros miden el voltaje en una sola dirección pero seguimos teniendo problemas porque la aguja debería moverse desde cero a un máximo 60 veces por segundo lo cual es imposible. Entonces la aguja, debido a su inercia, se queda en un valor promedio entre el máximo y el mínimo cero.
Los voltímetros de corriente alterna indican un valor que se llama RMS que es igual a el voltaje pico dividido por la raíz cuadrada del número 2.
Luce complicado! No, tiene su lógica.
RMS es el acróstico en ingles de Root Mean Squere que traducido a español seria Raiz Media Cuadratica.
Cuando usamos corriente continua el valor del voltaje es constante en el tiempo y la potencia disipada esta dada por la ley Potencia = Voltaje por Corriente. Pero si usamos una corriente alterna el voltaje esta cambiando entre cero y un máximo o pico, entonces que valor de voltaje debemos usar?
La respuesta viene de trigonometría para una onda sinusoidal. El voltaje RMS produce el mismo efecto en potencia que el mismo valor en corriente continua.
Cuando nosotros medimos en un enchufe 110 voltios RMS tenemos una corriente alternas cuyos picos son 110 multiplicado por la raíz cuadrada de dos. La raíz cuadrada de dos es equivalente a 1.414 por lo tanto el valor pico será de 110 x 1.414 = 155.5 voltios pico.
Si conocemos el valor pico entonces el valor RMS será Vpico dividido por raíz cuadrada de dos lo que es equivalente a multiplicar el valor pico por 0,707.
Como hemos comentado antes, la corriente es generada haciendo girar una bobina entre un campo magnético, pero podríamos poner otra bobina en el mismo eje rotor y entonces tendríamos dos generadores usando un solo campo magnético. Podemos poner la otra bobina paralela a la primera, en esta configuración la onda inducida en la segunda bobina es idéntica a la primera. Otra forma de poner dos bobinas sería una perpendicular a la otra. Si las bobinas están perpendiculares ambas generaran corrientes alternas de 60 Hz con el mismo valor de voltaje RMS pero en un instante dado las dos bobinas tendrán voltajes diferentes. Podemos decir que las dos son ondas sinusoidales pero que están desfasados 90 grados correspondientes a la configuración perpendicular de las bobinas. Cuando una bobina se encuentra en voltaje pico la otra esta con valor cero y viceversa.
Ahora consideremos el caso de tres bobinas puestas sobre el mismo eje rotor, lo lógico sería que las pusiéramos igualmente espaciada. Como el circulo son 360 grados, las bobinas las distribuiríamos formando ángulos de 120 grados. Los voltajes inducidos en las bobinas tendrán el mismo valor RMS y el mismo valor pico, también tendrán las mismas frecuencias pero si nosotros consideramos cuales son los valores en un instante del tiempo, estos serán diferentes.
Este concepto de tres generadores diferentes con voltaje y frecuencia iguales pero generando una corriente alterna separadas 120 grados nos conduce al concepto de “fase” que es el ángulo en que las bobinas están localizadas sobre el eje rotor.
En la generación de electricidad es muy común usar tres bobinas sobre el mismo eje porque resulta muy eficiente. Un extremo de las tres bobinas se unen en lo que llamaríamos conexión común mientras que los otros extremos se conectan a circuitos diferentes que llamaremos polos. Como usamos una configuración con tres fases este sistema se llama “trifásico” es decir de 3 fases.

Para conectar una máquina de estas necesitamos un cable para el polo común y tres cables para cada uno de los polos, en total 4 cables para transportar 3 fuentes de energía. En otra configuración necesitaríamos dos cables por fuente, en total 6 comparado con solo 4 de la solución trifásica lo que resulta más eficiente.
En una distribución de energía eléctrica trifásica se tiene tres cables o polos y una conexión común. La conexión común por lo general se conecta al potencial eléctrico de la tierra.
En un casa comúnmente llega una distribución trifásica, es decir en cuatro cables, uno de ellos es el polo común. Entre el polo común, llamado comúnmente neutro, otro de los cables existe un voltaje RMS de 110 voltios. (155 voltios pico). Esta distribución en dos cables (neutro y un polo) se utiliza para alimentar los diferentes dispositivos eléctricos que se usan en una casa. Los diferentes aparatos eléctricos se distribuyen en tres circuitos separados alimentados por cada una de las tres fases y el común o neutro.
La pregunta que surge es que si hay 110 voltios RMS entre el común y un polo, ¿cuál sería el voltaje entre dos polos?
El problema se resuelve usando las matemáticas y más concretamente la trigonometría. Se puede pensar que el voltaje de 110 voltios es parte de un triángulo Isósceles (dos lados iguales) separados 120 grados. El voltaje entre los dos polos es el valor del tercer lado del triángulo. La respuesta es que el lado seria la raíz cuadrada de 3 veces el valor de un lado. Aproximadamente 1.73 veces el valor del lado. Si el voltaje es de 110 voltios, entre polos seria 110 x 1.73 = 190.5 voltios.

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Un comentario Agrega el tuyo

  1. Oscar Robledo dice:

    Apreciado Maestro Eugenio, me ha gustado mucho su explicación de este tema, así que medí con el voltímetro para AC, y me dio 120 voltios más o menos, y cuando medí entre las fases, me marcó 208 voltios, lo que confirma el factor de RAIZ de 3 (1.71)

    Muchas Gracias

    Felicitciones

    Oscar

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