Electric Id Ad Industrial

A U N I T N O C N Ó I C A C U D E

Electricidad Industrial Edición N°2

diciembre 2002

Lugar de Edición

INACAP Capacitación Especialista Técnico

Hernán Alvarado Palacios Número de Serie MAT-0100-07-009

ÍNDICE UNIDAD I Generalidades de la ingeniería PRINCIPIOS DE GENERACIÓN DE LA ELECTRICIDAD

3 3

UNIDAD II Proceso de producción de electricidad en centrales eléctricas TIPOS DE CENTRALES ETAPAS ETAP AS DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA

5 5 7

UNIDAD III Principios de la electricidad y ley de Ohm TENSIÓN ELÉCTRICA O DIFERENCIA DE POTENCIAL CORRIENTE ELÉCTRICA RESISTENCIA ELÉCTRICA LEY DE OHM DENSIDAD DE CORRIENTE TRABAJO, POTENCIA Y RENDIMIENTO LA FUERZA ENERGÍA CINÉTICA ENERGÍA TÉRMICA POTENCIA ENERGÍA ELÉCTRICA

8 8 9 12 14 18 18 18 19 19 20 22

UNIDAD IV Circuitos eléctricos serie y paralelo CIRCUITO SERIE EN CORRIENTE CONTINUA CIRCUITO PARALELO EN CORRIENTE CONTINUA

22 22 23

ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICAC TELECOMUNICACIONES IONES Página 2 de 25

UNIDAD I Generalidades de la ingeniería eléctrica PRINCIPIOS DE LA GENERACIÓN DE LA ELECTRICIDAD Como definición de la electricidad es un tipo de Energía invisible capaz de realizar un trabajo de transformación en luz calor movimiento, etc. El nombre Electricidad, se supone, es debido a que este tipo de energía se produce debida a la separación o movimiento de ciertas partes constituyentes del átomo, denominadas electrones. La electricidad puede ser producida por diferentes procesos según sea el grado de utilización que se le quiera dar. Entre los principios de producción se encuentran:

Electricidad producida por frotamiento Al frotar materiales con determinadas características se obtiene una tensión eléctrica producto de un desequilibrio de cargas.

Electricidad producida por tracción o presión en cristales Al variar la tracción o la presión aparece una diferencia de cargas entre las superficies de determinados cristales, por ejemplo el cuarzo, El valor de la diferencia de cargas depende de la intensidad del esfuerzo exterior.

Electricidad producida por calor Al calentar el punto de contacto de dos metales diferentes aparece una pequeña tensión. El valor de esta tensión depende de la temperatura. Este fenómeno se utiliza para efectuar medidas de temperatura, usando lo que se denomina par termo eléctrico o termocupla.

ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Página 3 de 25

Electricidad producida por luz Cuando la luz incide sobre determinados materiales (silicio, germanio, selenio), provoca una separación de cargas. Este fenómeno se utiliza, por ejemplo, en los fotómetros, y para la obtención de tensión en los satélites artificiales.

Electricidad producida por procesos químicos Cuando se sumergen dos conductores diferentes en un líquido conductor, también se produce una separación de cargas, fenómeno que se utiliza en todas las fuentes de tensión electroquímicas.

La celda voltaica Una pila química voltaica es una combinación de materiales que se usan para convertir energía química en energía eléctrica. La pila química consiste de dos electrodos de distinta especie de metal o de compuesto metálico y un electrolito, que es una solución capaz de conducir corriente eléctrica. Se forma una batería cuando se conectan dos o más celdas.

Electricidad producida por electromagnetismo Se obtiene al mover una bobina en un campo magnético, o la mover un imán en una bobina fija. Este procedimiento se utiliza, por ejemplo, en los generadores de las centrales eléctricas, como también en la dínamo de una bicicleta.


UNIDAD II Proceso de producción de electricidad en centrales eléctricas La producción de energía eléctrica tiene como objetivo, disponer de un potencial de valor deseable para alimentar determinados sistemas industriales y/o consumos tales como viviendas. Para producir la energía es necesario disponer de una máquina motriz que se mueva a través de un eje a una máquina giratoria que produce tensión alterna, denominada alternador. Este alternador puede ser movido, por ejemplo, a través de un motor de explosión. Otro sistema muy utilizado es el sistema hidráulico, en donde el agua cumple la función de mover turbinas, las cuales las encargadas de generar el potencial alterno, ya sea por un efecto de presión de agua o por caída de agua. El otro método para mover a un alternador, es disponer de una turbina del tipo térmica, la cual es movida por vapor de agua que circula a elevada a presión. Los alternadores en general, son máquinas de grandes potencias, preparadas para producir tensiones que fluctúan entre 5KV. a 13,8KV. Aproximadamente.


Tipos de centrales Una central eléctrica esta constituida por una máquina motriz que mueve a un generador de tensión alterna del tipo trifásico, cuyas tensiones generadas están desfasadas entre sí, en un ángulo de 120º. Como se índico anteriormente, existen diferentes tipos de centrales, dentro de las cuales se pueden destacar las hidráulicas y las térmicas. En el caso de la central del tipo hidráulica se distinguen, entre las mas utilizadas, las siguientes:

a)

Una que funciona por efecto de una caída de agua de gran altura, donde un tubo metálico sirve de conductor al agua, y la lleva hacia un par de turbinas colocadas en los extremos del eje que mueve al alternador. Este tipo de turbina se denomina Pelton y se dispone en forma horizontal. La turbina pelton (tipo cuchara), dispone de dos entradas de agua de iguales volúmenes, esto implica que para cada unidad existen dos válvulas de acceso, y en cada válvula el agua se divide a través de dos inyectores, los cuales hacen girar la turbina en un sentido anti horario. Todo generador del tipo alterno necesita mantener una frecuencia constante, y para este propósito cada unidad deberá llevar un regulador de frecuencia que normalmente es del tipo mecánico denominado taquímetro, el cual funciona montado en el eje de la misma máquina operando por efecto de la fuerza centrífuga. Cada unidad lleva en un extremo del eje un componente denominado excitatriz, el cual, es generador de C.C. que envía su energía generada a los polos inductores del rotor de la máquina.

b)

El otro tipo de central hidráulica es la denominada de presión de agua, la cual dispone de un embalse de grandes dimensiones, y bajo el nivel del agua se ubica una tubería por donde entrará con una elevada presión hacia las tuberías. Según lo anterior, este tipo de central queda generalmente ubicada aguas abajo del muro que contiene el agua, y en muchos casos, este tipo de central queda ubicada en el interior del muro. La tubería utilizada en este tipo de centrales es la denominada Francis, si se dispone de un gran volumen de agua, en cambio si el volumen de agua disponible es bajo, se emplea una tubería denominada Kaplan. Tanto la tubería Francis como la Kaplan, normalmente trabajan dispuestas verticalmente.


Diagrama en bloques de una central hidroeléctrica

A: Bocotoma. B: Tunel de Aduccion. C: Desarenador. D: Sifón. E: Cámara de Carga. F: Tubería de Presión. G: Chimeneas de Equilibrio. H: Turbinas. I: Alternador. J: Patio de Alta.

Etapas de un sistema eléctrico de potencia En forma general, existen siete etapas en un sistema eléctrico de potencia, las cuales se detallan en la siguiente figura.

Gerenación

Patio de Alta

Transmición

Reducción

Distribución

Reducción

Consumidor


UNIDAD III Principios de la electricidad y ley de Ohm TENSIÓN ELÉCTRICA O DIFERENCIA DE POTENCIAL Debido a la fuerza de su campo eléctrico, una carga eléctrica tiene la capacidad de efectuar un trabajo al mover a otra carga por atracción o repulsión. La capacidad de una carga para realizar un trabajo se llama potencial. Cuando dos cargas no son iguales, debe haber entre ellas una diferencia de potencial. Una forma práctica de definir el concepto de tensión eléctrica es: Tensión eléctrica es la fuerza o presión que se ejerce sobre los electrones para que se desplacen a través de un circuito eléctrico La unidad de medida de la tensión o diferencia de potencial es el Volt. (V), se mide con un instrumento denominado Vóltmetro o Voltímetro.

Unidades de Medida

1

Mega Volt

(MV) 1000000

(V)

/ 1 x 106

(V)

1

Kilo Volt

(KV)

1000

(V)

/ 1 x 10³

(V)

1

Volt

(V)

1

(V)

1

mili Volt

(mV) 0,001

(V)

/ 1 x 10-3

(V)

1

micro Volt

(uV)

(V)

/ 1 x 10-6

(V)

0,000001


CORRIENTE ELÉCTRICA Flujo de electrones En un conductor, los electrones libres son cargas que podemos poner en movimiento con facilidad relativa aplicando una diferencia de potencial. Si entre los extremos de un alambre de cobre se aplica una diferencia de potencial, el voltaje aplicado hace que los electrones se desplacen.

Flujo Conversal Flujo de electrones Electrones Libres en Movimiento

Conductor

-

+ Batería 1.5 (v)

Movimiento de electrones producido por una diferencia potencial El movimiento o flujo de electrones, orientados en un sólo sentido, a través de un conductor, se denomina Corriente Eléctrica.


Intensidad de corriente eléctrica La cantidad de electrones (carga eléctrica) que se desplazan por un cuerpo conductor en el tiempo de un segundo se denomina Intensidad de Corriente Eléctrica. Se designa por I, su unidad de medida es el Amper y se mide con un instrumento denominado ampérmetro o amperímetro. La definición de corriente puede expresarse por la siguiente ecuación:

I= Q T Donde:

I : Intensidad de corriente en amperes Q : Carga Eléctrica en coulomb T : Tiempo en segundos

1

Mega Amper

(MA) 1000000 (A)

/ 1 x 106

(A)

1

Kilo Amper

(KA) 1000

(A)

/ 1 x 103

(A)

1

Amper

(A) 1

(A)

1

mili Amper

(mA) 0,001

(A)

/ 1 x 10-3 (A)

1

micro Amper

(mA) 0,000001 (A)

/ 1 x 10-6 (A)

Efectos de la corriente eléctrica Efecto calórico En los aparatos tales como calefactores, cautines, planchas, hornos a resistencia, etc. Se utiliza el efecto calórico de la corriente eléctrica que circula por un delgado hilo metálico, y provoca un calentamiento de éste.


Efecto Lumínico Los gases también pueden conducir una corriente eléctrica en determinadas condiciones. En los fluorescentes y en las lámparas de vapor de sodio se utiliza para la obtención de la luz.

Efecto Magnético Todo conductor por el que circula una corriente, crea en la periferia de este un campo magnético. Este efecto puede aumentarse enrollando los conductores de algún núcleo.

Efecto Fisiológico Se presenta cuando circula la corriente a través del cuerpo humano o de animales, dando lugar a convulsiones de la musculatura.

RESISTENCIA ELÉCTRICA La resistencia es la oposición al flujo de corriente. Para aumentar la resistencia en un circuito, se usan componentes denominados resistores o resistencias. Un resistor es un objeto cuya resistencia al paso de la corriente tiene un valor específico conocido. La resistencia se mide en Ohms y en las ecuaciones representa con el símbolo R. Un ohm se define como la cantidad de resistencia que limita la corriente en un conductor a un Amper cuando el voltaje aplicado al conductor es de un volt.

Resistores fijos Un resistor fijo es el que tiene un sólo valor de resistencia, y permanece constante en condiciones normales. Los dos tipos principales de resistores fijos son los que tienen alguna composición de carbono y los de alambre tipo devanado.


Código de colores 1 Franja

3 Franja

2 Franja

Color

1º Franja

2º Franja

Tolerancia

3º Franja

Tolerancia

Ninguno

---

---

---

±20%

Plata

---

---

0-2

±10%

Oro

---

---

0-1

±5%

Negro

---

0

00

---

Café

1

1

01

±1%

Rojo

2

2

0²

±2%

Naranja

3

3

0³

---

Amarillo

4

4

04

---

Verde

5

5

05

±0,5%

Azul

6

6

06

--

Violeta

7

7

07

---

Gris

8

8

08

---

Blanco

9

9

09

---

Datos para la interpretación del código de colores de un resistor fijo.


Para utilizar esta tabla, se debe disponer el resistor de tal manera que las franjas que se encuentran mas juntas queden a la izquierda.

Ley de OHM La intensidad de la corriente eléctrica ( I ) es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado ( V ) e inversamente proporcional a la resistenc ia ( R ) Lo anterior se puede expresar como:

I=

V R

Resistencia y caida de tensión en los conductores Coeficiente de Resistividad [ r ] Los distintos materiales presentan un diferente grado de oposición al paso de la corriente, teniendo todos el mismo largo y sección. El coeficiente se define como el grado de oposición que presenta un determinado material conductor, al paso de la corriente eléctrica por unidad de largo y sección. También en conocida como resistividad específica . En la electrotécnica suele emplearse también el inverso de la resistividad, la cual se denomina conductividad.


Resistividad y conductividad de materiales

Material

Resistividad x

²

Conductividad x

Plata

0,016

62,000

Cobre

0,018

56,000

Oro

0,022

44,000

Aluminio

0,028

36,000

Zinc

0,060

16,700

Latón

0,070

14,300

Hierro

0,100

10,000

Platino

0,106

9,400

Estaño

0,110

9,100

Plomo

0,208

4,800

66,667

0,015

Carbón

²

Resistividad y conductividad de algunos materiales Resistencia de los conductores La resistencia de los conductores depende del largo, de la sección y del tipo de material del cual esta constituido.

R c = p L S Caída de tensión en los conductores (Vp) Debido a que los conductores presentan un determinado nivel de resistencia al paso de la corriente eléctrica, existirá entonces una caída de tensión o diferencia de potencial en éstos. Lo anterior toma importancia en el caso de las instalaciones eléctricas, debido a que según la normativa eléctrica chilena este no debe ser mayor a un 3%, ni mayor a un 5% en el punto más desfavorable de la instalación.


0

0

Final

Inicial

0

CARGA

0 Perdida

AL analizar la situación anterior, podemos por simple inspección darnos cuenta, que la tensión que llega a la carga o voltaje final, está definida por la diferencia de tensiones que existe entre la fuente (Voltaje inicial), y la caída de tensión existente en el conductor o voltaje de pérdida. c

Donde:

=

I

-

p

: Voltaje final en la carga. I : Voltaje inicial. p : Voltaje de pérdida. c

Al realizar el análisis mediante l ley de Ohm, el voltaje de pérdida quedará definido por las siguientes ecuaciones: Según la ley de Ohm:

=IxR


Transformando la expresión anterior en términos del voltaje de pérdida, se tiene: p

Donde

= I x Rc

p : Tensión de Pérdida. I : Intensidad de Corriente de Carga. Rc : Resistencia del Conductor.

Reemplazando en la expresión anterior, se tiene: p= I x

p L S

Densidad de Corriente La densidad de corriente indica cuantos amperes circulan por cada mm 2 de sección de conductor:

d= Donde :

I S

d : Densidad de corriente en [A / mm²] I : Intensidad en [A] S : Sección del conductor en mm²

Antes de construir una instalación eléctrica, se debe calcular la densidad de la corriente eléctrica, de modo que las líneas cumplan con los siguientes requisitos para impedir su calentamiento


Sección ( mm² )

Corriente ( A ) Cobre Corriente ( A ) Aluminio

1,0

12

---

1,5

16

---

2,5

21

16

4,0

27

21

6,0

35

27

10,0

38

38

Densidad de corriente admisible para algunos conductores.

Trabajo Potencia y Rendimiento Los aparatos y máquinas eléctricas llevan a cabo muchos trabajos. Todos los trabajos deben poder medirse, ya que debemos pagar los costos y por lo tanto necesitamos una base para el cálculo. A tal fin nos ocuparemos en principio de la forma mas elemental de trabajo: el de levantar cargas. Para construir las pirámides, puentes y catedrales, ya en tiempos antiguos había que levantar cargas muy pesadas. Esto se realizaba con fuerza humana y animal, y frecuentemente, se necesitaban varias décadas para construir la edificación. La ingeniosidad del hombre invento máquinas simples, como son las palancas, el aparejo y a polea, para que el trabajo fuera menos duro. Esto fue posible por que el ser humano comprendió que parra un trabajo determinado, se necesita menos fuerza si al mismo tiempo se aumenta el trayecto y/o el tiempo (regla de oro de la mecánica).

La fuerza Para levantar una carga se requiere de una fuerza que debe ser tanto mayor cuanto más pesada sea la carga. La fuerza F(llamada también peso), necesaria para levantar una masa, es igual al producto de la masa m de la carga y la aceleración de gravedad. En nuestro planeta esta magnitud tiene un valor aproximado de 9,81% m/s 2, aunque varía con la altura sobre el nivel del mar y la latitud.


Lo anterior puede expresarse por la siguiente ecuación:

F = PE = m c g Donde:

F ó P E : Fuerza o peso en Newton m : Masa del cuerpo en kg. g : Aceleración de gravedad

Trabajo El trabajo W es directamente proporcional

a la fuerza y la distancia, es decir:

W=Fcd Donde:

W : Trabajo en Joules F : Fuerza de Newton d : Distancia es metros

Energia potencial Al elevar un cuerpo a una altura determinada, este cuerpo, al volver a bajar y mediante un dispositivo adecuado, puede levantar a otro cuerpo. Debido a su posición, el cuerpo ha adquirido la capacidad para efectuar un trabajo. La capacidad para efectuar un trabajo se llama Energía. Un Cuerpo levantado dispone, debido a su posición, de la denominada energía potencial.

Energía cinética La energía potencial no es la única clase de energía. Con el impulso adquirido en una llanura, un ciclista puede subir un trecho determinado, sin necesidad de aplicar fuerza. Tan sólo debido a su movimiento ha adquirido la capacidad efectuar trabajo. Esta clase de energía debida al movimiento se denomina energía cinética .


Energía Térmica El calor también es una forma de energía. Por ejemplo, el sol evapora el agua y eleva el vapor a grandes alturas. Allá se condensa para caer en forma de lluvia que se recoge en embalses y vuelve a precipitarse para accionar una máquina. Las máquinas y turbinas a vapor son máquinas motrices térmicas que transforman energía térmica en otras formas de energía.

Potencia Para cualquier trabajo, no sólo es importante que el trabajo como tal se efectúe, sino también el tiempo empleado y la calidad de este. Al efectuar mas trabajo en un tiempo dado, aumenta la productividad o potencia. La potencia P es el cociente del trabajo y del tiempo, es decir:

P = W t Donde :

P : Potencia en Watt W : Trabajo en Joules t : Tiempo en segundos Potencia eléctrica Según sabemos el trabajo es el producto de la fuerza por la distancia. La distancia es el producto de la velocidad por el tiempo. Ecuaciones:

W = F x d Reemplazando:

P= W t

Fxd =Fx d t t


Donde:

F (fuerza mecánica ) : corresponde a la tensión Eléctrica V d (desplazamiento / tiempo) : corresponde a la Intensidad de Corriente t Según lo anterior podemos decir que la potencia eléctrica será:

P = V x I (w) La Potencia Eléctrica se designa por la letra P, su unidad de medida es el Watt, y se mide con un instrumento denominado Wattmetro En la práctica la potencia utiliza las siguientes conversiones: 1 1 1

KW = 1000 HP = 746 CV = 736

Watt Watt Watt

Energía eléctrica El término de Energía Eléctrica es el que corresponde al normalmente utilizado en la física clásica, y significa la cantidad de potencia o trabajo que desarrolla un elemento en un periodo de tiempo. En el caso de la electricidad la energía se determina por las siguientes expresiones:

E =P x t O también:

E = V x I x t La Unidad de medida utilizada en forma práctica es el Kilo Watt hora.


Rendimiento En vista de las inevitables pérdidas de energía en conductores, bobinados, etc., pérdidas por fricción, como por ejemplo en los cojinetes del eje de un motor, siempre se pierde parte de la energía generada por la fuente; sólo la otra parte de esta energía se convierte en trabajo útil. La relación entre la Potencia o Energía absorbida y la Potencia o Energía útil, se denomina Rendimiento .

Wv = Wq Donde:

: Rendimiento W v : Energía útil Watt W q : Energía consumida en Watt

Puesto que la energía útil es siempre menor que la energía absorbida, el rendimiento siempre será menor que uno.


UNIDAD IV Circuitos eléctricos serie y paralelo Circuito serie en corriente continua Un circuito serie es un circuito en el que sólo hay un camino por el que fluye la corriente.

R1 V =

R2

R3 En los circuitos serie se cumplen las siguientes propiedades: 1.-La intensidad de corriente I es la misma en todas partes del circuito. Esto significa que la corriente que fluye por R1 es la misma que por R2, por R3 y es igual a la corriente que proporciona la batería.

IT = I1 = I2 = I3 =...= I

n

2.-De acuerdo a la ley de Kirchhoff de los voltajes, se afirma que el voltaje aplicado a un circuito cerrado es igual a la suma de las caídas de voltaje en ese circuito .

R1 | V1 V =

R2 | V2

R3 | V3


De acuerdo al circuito anterior se tiene que:

V T = V 1 + V 2 + V 3 Para un circuito de n cargas:

V T = V 1 + V 2 + V 3 + ... + V n 3.- La resistencia total de un circuito serie es igual a la suma de las resistencias individuales que lo conforman. En un circuito de n cargas conectadas se tiene que:

R T = R 1 + R 2 + R 3 + ... + R

n

Circuito Paralelo en corriente continua Un circuito paralelo es un circuito en el que hay varios caminos por los que se reparte en forma proporcional a la resistencia, la corriente total entregada por la fuente de alimentación

Vt

R1

R2


En los circuitos paralelos se cumplen las siguientes propiedades:

1.-El voltaje entregado por la fuente de alimentación V T es el mismo en todas las partes del circuito. Esto significa que el voltaje en R 1 es el mismo que en R 2 y en R 3 . Si el circuito en de n cargas conectadas, se tiene que:

V T = V 1 = V 2 = V 3 = ........ = V n 2.- Aplicando la ley de Kichhoff de la corriente se puede afirmar que la suma de las corrientes

de las ramas de un circuito paralelo es igual a la corriente entregada a dicho circuito por la fuente de alimentación, o corriente total.

|t

=

|1

V t

R1

|2

R2


De acuerdo a este circuito se tiene que:

IT = I 1 + I 2 + I 3 Para un circuito de n cargas:

IT = I1 + I2 + I3 +............ + I n 3.-La resistencia equivalente de un circuito paralelo es igual a la suma de los recíprocas de las resistencias parciales. Para n receptores conectados, se tiene que:

I RT

I R1

=

I R2

+

+

I R3

I R

+

n

Resolviendo la expresión anterior se demuestra que los circuitos paralelos La resistencia total o equivalente es menor que la menor de las resistencias parciales conectadas .

RT =

I I R 1

+

I R 2

+

I R 3

+

I

R n


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