Apuntes de Electrotecnia

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electrotecnia industrial

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CAPITULO I

CAPITULO I

CONCEPTOS BSICOS

1.1 SISTEMA ELCTRICO

Conjuntos de elementos pasivos y activos que tienen la funcin de proporcionar Energa Elctrica, industrial y domiciliaria y consta de cuatro partes Generacin, transmisin, distribucin y utilizacin

1.1.1 SISTEMAS DE GENERACIN.

Conjunto de equipos encargados de transformar cualquier tipo de Energa en Energa Elctrica entre los ms importantes tenemos:

Generacin Hidrulica.

Utiliza el agua almacenada en embalses la cual teniendo una ciada considerable adquiere una velocidad la cual hace girar las turbinas para que esta pueda generar energa electrica casi gratuita ya que el agua almacenada no cuesta como los combustibles.1.1.1.2 Generacin Trmica.

El combustible suele ser gas natural, aunque puede emplearse gas LP o disel. Sus capacidades van de 265 kW a 50,000 kW; permiten obtener eficiencias elctricas del 30% y eficiencias trmicas del 55%; los gases de combustin tienen una temperatura de 600 C; ofrecen una alta seguridad de operacin; tienen un bajo costo de inversin; el tiempo de arranque es corto (10 minutos); y requieren un mnimo de espacio fsico.

1.1.2 TRANSMISIN.

Es el enlace entre las plantas generadoras y los puntos de consumo masivo cuando las distancias son largas y normalmente se lo realiza en tensiones elevadas como ser 230 KV, 115KV.

1.1.3 DISTRIBUCIN.

1.1.3.1 Sistema de Utilizacin

Es la red encargada de conducir o transportar la energa elctrica hasta el consumidor final, grandes consumidores en Media Tensin (24.9 KV), consumidores domsticos Baja tensin (380V 220V).

Sistema Domiciliario.

Acometida.

Se denomina as a la instalacin comprendida entre la parte de la red de distribucin pblica y el equipo de medida, podrn ser areas o subterrneas o ambos sistemas combinados.

Conductor de Acometida.

Son los conductores de enlace entre la red de distribucin publica y la caja general de medicin, los cuales no debern pasar a menos de 1 metro de distancia frente a puertas ventanas balcones.

Poste Intermedio.

El poste intermedio es necesario para elevar la altura del conductor de acometida o evitar cruces en propiedades vecinas.

Canalizacin de Acometida.

Comprende el tramo desde la llegada del conductor areo al punto de sujecin hasta la caja de medida.

Caja de Medicin.

Son las cajas que alojan los elementos de medicin y proteccin principal de las instalaciones elctricas.

Para la proteccin principal de instalaciones elctricas se aceptaran nicamente interruptores termo magnticos de caja moldeada y dependiendo del tipo de alimentacin los interruptores termo magnticos debern ser del tipo:

Unipolar para sistemas de alimentacin............................ Una fase

Bipolar para sistemas de alimentacin............................... Dos fases

Tripolar para un sistema de alimentacin........................... tres fases

SISTEMA DE UTILIZACIN

1. Poste de red publica

2. Conductores de acometida

3. Bastn de llegada (canalizacin de Acometida)

4. Caja metlica de medicin

5. Bastn de salida

6. Machn para el medidor

7. Conductores al interior en forma area

8. Tablero de distribucin interna

1.1.4 Transporte y Distribucin de Energa Elctrica

Las actividades del rea de Transmisin y Distribucin de Energa estn dirigidas a satisfacer las necesidades de interconexin de sistemas elctricos para el suministro o consumo de energa.

1.2 INTRODUCCION A LA ELECTROTECNIA.La electrotecnia estudia las leyes de los fenmenos elctricos y aplicaciones tcnicas de la electricidad con fines industriales y cientficos.

La finalidad de la Electrotecnia es de proporcionar herramientas relevantes que propicien un desarrollo posterior, proporcionndole al alumno posibilidades en mltiples opciones de formacin electrotecnia ms especializada, lo que confiere a esta materia un elevado valor propedutico. En este sentido cumple el doble propsito de servir como formacin de base, tanto para aquellos alumnos que decidan orientar su vida profesional por el camino de los ciclos formativos, como para los que elijan la va universitaria encaminada a determinadas ingenieras. El primer aspecto conduce a una formacin cientfica que justifique los fenmenos elctricos, y el segundo a una formacin ms orientada a tcnicas y procedimientos. El carcter de ciencia aplicada le confiere un valor formativo relevante, al integrar y poner en funcin conocimientos procedentes de disciplinas cientficas de naturaleza mas abstracta y especulativa.

Tambin ejerce un papel de catalizador del tono cientfico tcnico que le es propio, profundizando y sistematizando aprendizajes afines procedentes de etapas educativas anteriores.

El campo disciplinar abarca el estudio de los fenmenos elctricos y electromagnticos, desde el punto de vista de su utilidad practica, las tcnicas de diseo y construccin de dispositivos elctricos caractersticos, ya sean circuitos, mquinas o sistemas complejos, y las tcnicas de calculo y medida de magnitudes en ellos.

Esta materia se configura a partir de tres grandes campos del conocimiento y la experiencia:

1. Los conceptos y leyes cientficas que explican los fenmenos fsicos que tienen lugar en los dispositivos elctricos, (como ser: Resistencias y condensadores, bobinas)

2. Los elementos con los que se componen circuitos y aparatos elctricos y su disposicin y conexiones caractersticas.

3. Las tcnicas de anlisis, clculo y prediccin del comportamiento de circuitos y dispositivos elctricos.

1.3 DEFINICIONES.

1.- Corriente elctrica

2.- Voltaje

3.- Resistencia

1.3.1 CORRIENTE ELECTRICA.

El concepto de carga elctrica es la base para la descripcin de todos los fenmenos elctricos en seguida se revisan algunas caractersticas de cargas elctricas.

La carga es bipolar lo que significa que los efectos elctricos se describen en trminos de carga positivos y negativos.

FIGURA 1

Todos los cuerpos existentes en la naturaleza son elctricamente neutros mientras no se rompa el equilibrio que existe entre el nmero de electrones y de protones que poseen sus tomos. Los cuerpos en la naturaleza tienden a estar neutros, es decir, tienden a descargarse. Cuando un conductor (C) une dos cuerpos A y B (ver figura 1) , el cuerpo A con exceso de electrones y el cuerpo B con dficit de electrones, los electrones se distribuyen uniformemente entre ambos cuerpos. El movimiento de los electrones a travs de (C) se conoce como Corriente Elctrica.

La fuerza que impulsa a los electrones a moverse se debe a la diferencia de potencial o tensin que existe entre A y B. Si la tensin es muy alta, los electrones pueden pasar de un cuerpo al otro a travs del aire, por ejemplo, el rayo. En cambio, si la tensin es baja, los electrones necesitan ciertos materiales, llamados conductores, para pasar de un cuerpo a otro. Los conductores ms importantes son los metales. La Tierra es un inmenso conductor que, dado que tiene tantos tomos, puede ganar o perder electrones sin electrizarse. Por esto, si un cuerpo electrizado se conecta a tierra, se produce una corriente elctrica, hasta que el cuerpo se descarga.

Un cuerpo neutro tiene potencial elctrico nulo

Un cuerpo con carga positiva (dficit de electrones) tiene potencial positivo

Un cuerpo con carga negativa (exceso de electrones) tiene potencial negativo

En un circuito los electrones circulan desde el polo negativo al polo positivo, este es el sentido de la corriente, la que recibe el nombre de corriente real. Pero los tcnicos usan una corriente convencional, donde el sentido del movimiento es el contrario de la corriente real, es decir, el sentido del polo positivo al polo negativo.

FIGURA 1.1 CORRIENTE ELECTRICA

En general, la intensidad de la corriente es una magnitud variable de modo que la definicin anterior se puede expresar matemticamente de la siguiente manera, si tomamos porciones muy pequeas de tiempo dt, y observamos la variacin que experimenta la cantidad de electricidad dq, en ese tiempo.

en donde

i = la corriente en amperes,

q = la carga en coulombs,

t = el tiempo en segundos

Por supuesto que si la intensidad, I, es constante la expresin anterior se puede poner como

UNIDADES DE CORRIENTE ELECTRICA:

La unidad de corriente elctrica es el amperio (A) en honor a Andre Ampere, y

para intensidades ms pequeas se usan los submltiplos:

1 miliamperio = 1 mA = 0,001 A = 1x10 3 A1 microampere = 0,000001 A = 1x10 6 A

Coulomb (C). Establece que un electrn tiene una carga negativa de 1.6021*10-19 coulomb. Dicho de otra manera un coulomb es el conjunto de cargas de aproximadamente 6.24*1018 electrones.

1.3.2 VOLTAJE, ENERGIA Y POTENCIA.

El voltaje entre 2 puntos es el costo en energa (trabajo realizado) requerido para mover una unidad de carga desde el punto ms negativo (potencial bajo) al ms positivo (potencial alto).

En caso elctrico el flujo de corriente a travs de un cable es proporcional a la diferencia de potencial entre los extremos del cable.

Figura 1.2

Modelo de Agua:

Torre de agua que es mantenida llena con el fin de entregar una presin constante en la base.

Presin depende de altura de la torre.

Agua retorna a presin cero

En modelo de agua, el equivalente del voltaje es la presin del agua.

En puntos de igual presin no hay flujo de agua. El flujo de agua entre 2 puntos depender de la diferencia de presin entre ambos.

La unidad del voltaje es el Volt (V). (Nota: dependiendo del contexto V = Volt)

La carga en un conductor, ejemplificados por electrones libres que puedan moverse de manera aleatoria. Sin embargo si queremos un movimiento ordenado de su parte, como es el caso de la corriente elctrica, debemos aplicar una fuerza externa llamada fuerza electromotriz (Fem.) Para de ese modo ejercer trabajo sobre la carga. Anteriormente definimos el voltaje a travs de un elemento como el trabajo realizado para mover una carga unitaria (+ 1 C) a travs del elemento de una terminal a la otra.

El voltaje a travs de un elemento estar designado por dos indicadores: un signo de mas o menos en el que se establece la direccin de referencia del voltaje que aparece por un elemento en la direccin de referencia especificado. En la figura 1.3(a) vemos un voltaje o (diferencia de potencial) de valor V0 Volts que pasa por un elemento, medido con un potencial mayor del lado izquierdo del elemento y un potencial menor del lado derecho. S V0 0, el lado izquierdo ser de mayor potencial, si V0 0, el lado derecho ser de mayor potencial.

En la figura 1.3 (b) el lado derecho del elemento es +25 V mayor que el izquierdo.

Figura 1.3 Especificaciones del valor de voltaje y la direccin de referencia

Como ejemplo: En la figura 1.4(a) la terminal A es + 5 V sobre la terminal B, y en 1.4(b) la terminal B es 5 V sobre A.

a) b)

Figura 1.4 Representaciones equivalentes de voltaje

Por lo tanta en la figura 1.4(a) en general VAB = - VBA o VAB = 5 V. Y VBA= - 5 V.

POTENCIA Y ENERGIA.

La potencia es la capacidad para realizar o efectuar un trabajo.

Es la relacin de la energa absorbida o entregada por unidad de tiempo, matemticamente la energa por unidad de tiempo se expresa en forma de una derivada.

La potencia asociada con el flujo de carga se obtiene directamente de la definicin de voltaje y corriente.

La ecuacin anterior muestra que la potencia asociada con un elemento bsico de circuito es simplemente el producto de la corriente en el elemento por el voltaje a travs de l. Por tanto, la potencia es una cantidad asociada con un par de terminales, y debemos ser capaces de determinar con base en nuestros clculos si se esta entregando potencia al par de terminales, o se esta extrayendo de ellas. Esta informacin se obtiene de la aplicacin e interpretacin correcta de la convencin pasiva de signos.

Si usamos dicha convencin, la ecuacin anterior es correcta si la direccin de referencia para la corriente va en la direccin de referencia para la cada de voltaje a travs de las terminales. De lo contrario la ecuacin debe reescribirse con un signo menos.

Si la potencia es positiva (esto es si P es mayor a cero), se esta entregando potencia al circuito. Si la potencia es negativa (esto es si P es menor que cero), se esta extrayendo potencia del circuito.

Por ejemplo supongamos que se han seleccionado las referencias de polaridad como se muestra en la figura 1.5 adems considrese que nuestros clculos para la corriente y el voltaje produjeron los siguientes resultados numricos:

Figura 1.5

Entonces la potencia asociada con el par terminal 1,2 es

As que el circuito en las terminales 1,2 esta absorbiendo 40W.

Ejemplo: Al transferir carga a travs de un elemento se efecta un trabajo o se esta suministrando energa, para saber si la energa esta siendo suministrada al elemento o por el elemento al resto del circuito, debemos conocer no solo la polaridad del voltaje a travs del elemento si no tambin la direccin de la corriente a travs del elemento.

El elemento esta energizado cuando una corriente positiva entra por la terminal positiva, por lo tanto esta entregando o suministrando energa al elemento.

El elemento esta entregando energa al circuito externo cuando una corriente positiva sale por la terminal positiva.

a) b) c) d)

Figura 1.6 Diferentes relaciones Voltaje - Corriente

EMBED Equation.3 La figura 1.6(a) el elemento esta absorbiendo energa. Una corriente positiva entra por la terminal positiva ese es el caso tambin en la figura 1.6(b). En la figura 1.6(c) y (d), una corriente positiva entra por la terminal negativa por tanto el elemento esta entregando energa en ambos casos.1.4 ELEMENTOS DE CIRCUITOS ELECTRICOS

1.4.1 RESISTENCIASResistencia (R) denota la oposicin que presenta un determinado material al paso de carga (electrones).

Las resistencias dependen del tipo de material (su composicin).

La resistencia se mide en Ohm ()y existen resistencias con valores entre 1 y 10 M

Resistencia con cdigo Smbolo(R)

Figura 1.71.4.2 CARACTERSTICAS

Las caractersticas ms importantes de las resistencias, tambin llamadas resistores, son:

Valor nominal: Es el valor en Ohmios que posee; est impreso en la propia resistencia en cifras o por medio del cdigo de colores.

Tolerancia: Es el error mximo con el que se fabrica la resistencia. Para comprenderlo vamos a ver un ejemplo: Una resistencia de 10 ohm. y el 5%, tiene un valor garantizado entre 10-5% y 10+ 5%, teniendo en cuenta que el 5% de 10 es 0,5 ohm., quiere decir que estar entre 9,5 y 10,5 ohm..

INCLUDEPICTURE "http://www.unicrom.com/images/resisten.gif" \* MERGEFORMATINET

1ra 2da 3ra 4ta

Significado de cada banda

La primera banda:valor base

Segunda banda:valor base

Tercera banda:valor multiplicador

Cuarta banda:Tolerancia en porcentaje

Las dos primeras bandas dan una idea del valor base de la resistencia y la tercera banda nos indica por cuanto hay que multiplicar el valor base anterior para obtener el verdadero valor de la resistencia. La cuarta y ltima banda nos da la tolerancia.: Dorado 5%, Plateado 10%, sin color 20%.

Cdigo de colores para las resistenciasColorValor baseMultiplicador

Negro0x 1

Marrn1x 10

Rojo2x 100

Naranja3x 1,000

Amarillo4x 10,000

Verde5x 100,000

Azul6x 1,000,000

Violeta7x 10,000,000

Gris8x 100,000,000

Blanco9

Potencia mxima: Es la mximo cantidad de calor que puede generar una resistencia sin antes quemarse.

1.4.3 TIPOS DE RESISTENCIAS

Hay tres tipos de resistencias: fijas, variables y especiales.

1) Las resistencias fijas son aquellas en las que el valor en ohmios que posee es fijo y se define al fabricarlas.

Las resistencias fijas se pueden clasificar en resistencias de usos generales, y en resistencias de alta estabilidad.

Las resistencias de usos generales se fabrican utilizando una mezcla de carbn, mineral en polvo y resina aglomerante; a stas se las llama resistencias de composicin, y sus caractersticas ms importantes son: pequeo tamao, soportan hasta 3 W de potencia mxima, tolerancias altas (5%, 10% y 20%), amplio rango de valores y mala estabilidad de temperatura.

Las resistencias de alta estabilidad se clasifican a su vez en:

Resistencias pirolticas: se fabrican depositando una pelcula de carbn sobre un soporte cermico, y seguidamente se raspa dicha capa de forma que lo que queda es una especie de espiral de carbn sobre el soporte cermico. Sus caractersticas ms importantes son: pequeo tamao, hasta 2 W de potencia mxima, tolerancias del 1% y 2% y coeficiente de temperatura medio.

Resistencias de hilo bobinado: se construyen con un hilo metlico de constantn o manganita arrollado sobre un tubo de porcelana. Sus caractersticas ms importantes son: tamao medio o grande, hasta 400 W de potencia mxima, baja tolerancia 0,25 % y coeficiente de baja temperatura .

Resistencias de pelcula metlica: consisten en una pelcula metlica a la que se va eliminando parte de esta capa dejando una forma similar a un hilo muy largo. Las caractersticas ms importantes son: tamao medio, pequeos valores de resistencia elctrica, hasta 6 W de potencia mxima, tolerancias de 1%, 2% y 5% y bajo coeficiente de temperatura.

En las resistencias metlicas hay que tener en cuenta que son inductivas y por tanto pueden variar el comportamiento a determinadas frecuencias.

2) Resistencias variables: son resistencias sobre las que se desliza un contacto mvil, varindose el valor, sencillamente, desplazando dicho contacto. Las hay de grafito y bobinadas, y a su vez se dividen en dos grupos segn su utilizacin que son las denominadas resistencias ajustables, que se utilizan para ajustar un valor y no se modifican hasta otro ajuste, y los potencimetros donde el uso es corriente. En la figura 1.8 se representa el smbolo de las resistencias ajustables y variables.

EMBED Visio.Drawing.5 Figura 18. Resistencias Ajustables Resistencias Variables3) Resistencias especiales: son aquellas en las que el valor hmico vara en funcin de una magnitud fsica. Las ms usuales son:

PTC (Positive Temperature Coefficien = Coeficiente Positivo con la Temperatura); aumenta el valor hmico al aumentar la temperatura de sta. NTC (Negative Temperature Coefficient = Coeficiente Negativo con la Temperatura) : disminuye el valor ohmico al aumentar la temperatura. LDR (Light Dependent Resistors = Resistencias Dependientes de la Luz) : disminuye el valor hmico al aumentar la luz que incide sobre ella. VDR (Voltage Dependent Resistors = Resistencias Dependientes de la Tensin) : disminuye el valor hmico al aumentar el voltaje elctrico entre sus extremos.La figura 1.9 refleja los smbolos elctricos, y la figura 1.10, algunos modelos.

INCLUDEPICTURE "http://webcindario.com/electro/informacion/dibujos/resistencia7.gif" \* MERGEFORMATINET Figura 1.9 Figura 1.10

1.5 CONDUCTANCIA.

La propiedad de los materiales inversa a la resistencia, la llamamos conductancia.

La conductancia representa la facilidad que ofrecen los conductores al paso de la corriente Elctrica.

La conductancia G tiene como unidad el mho y como magnitud medible se expresa:

1.6 BOBINA O INDUCTOR

1.6.1 DEFINICIN.

Una bobina es un elemento de circuito que consiste en un alambre conductor usualmente en forma de rollo o carrete. En la figura 1.11 se muestran dos bobinas tpicas y sus smbolos elctricos. Las bobinas se suelen caracterizar segn el tipo de ncleo en el que estn enrollados. Por ejemplo, el material del ncleo puede ser aire o cualquier otro material no magntico, hiero o ferrita. Las bobinas hechos con aire o con materiales no magnticos se usan ampliamente en circuitos de radio, televisin y filtros. Las bobinas con ncleo de ferrita se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta frecuencia. Note que , en contraste con el ncleo magntico que se confina el flujo (como se muestra en la figura 1.11b), las lneas de flujo para bobinas no magnticas se extienden mas all de la misma bobina, como se ilustra en la figura 1.11a.

La bobina como la resistencia y el capacitor es un elemento pasivo. La polaridad del voltaje a travs de la bobina se muestra en la figura 1.11.

Smbolo de la bobina

Figura 1.11 Dos bobina y sus smbolos elctricos

figura 1.12 Algunas bobinas tpicas1.7 CONDENSADORES CAPACITORES

1.7.1 DEFINICIN.

Un capacitor es un elemento que consiste en dos superficies conductoras separadas por un material no conductor, o dielctrico. Un capacitor simplificado y su smbolo se muestra en la figura 1.13.

Figura 1.13 capacitor y su smbolo elctrico

Hay muchas formas diferentes de capacitores y pueden clasificarse por el tipo de material dielctrico que se usa entre las placas conductoras, cada tipo tiene caractersticas que lo hacen mas apropiado en aplicaciones particulares.

Para aplicaciones generales en circuitos electrnicos (por ejemplo, acoplamiento entre etapas de amplificacin), el material elctrico puede ser aire, vaco, papel impregnado con aceite o con cera mylar, polietileno, mica, vidrio o cermica.

Los capacitores con dielctricos de cermica construidos con titanatos de bario tienen una razn de capacitancia a volumen grande debido a su alta constante dielctrica. Los capacitores con dielctricos de mica, vidrio y cermica operan satisfactoriamente a altas frecuencias.

Los capacitores electrolticos de aluminio, que constan de un par de placas de aluminio separados por un electrolito pastoso de brax humedecido pueden proporcionar valores de capacitancia altos en pequeos volmenes, se suelen utilizar en filtrado , desviacin y acoplamiento, y en aplicaciones de suministro de potencia y arranque de motores.

La capacitancia se mide en couloms por voltio faradio, los condensadores pueden ser fijos o variables y tpicamente van de miles de microfaradios (F ) a unos cuantos picofaradios (pF).

Figura 1.14 Algunos capacitores tpicos

Nota: Existen condensadores electrolticos de gran valor que en su mayora tienen polaridad, esto quiere decir que tiene una terminal positivo y una terminal negativo.Smbolo condensador(no polarizado)Smbolo condensador electroltico (polarizado)

1.8 FUENTES INDEPENDIENTES.

Una fuente de voltaje independiente es una unidad que genera o produce fuerza electromotriz que consta de dos terminales que mantiene un voltaje especifico entre sus terminales a pesar de la corriente a travs de l. El smbolo general para una fuente independiente, un circulo se muestra en la figura 1.15a.como lo indica la figura, la terminal A es volts positivo con respecto a la terminal B. La palabra positiva puede ser algo confusa. Lo que se quiere decir en este caso es que es una referencia positiva en la terminal A. El smbolonormalmente se emplea para voltajes que varan en el tiempo. Sin embargo, si el voltaje no varia con el tiempo (es decir, es constante), se utiliza algunas veces el smbolo que se muestra en la figura 1.15b. este smbolo que se usa para representar una batera, ilustra que la terminal A es V volts positiva con respecto a la terminal B, donde la lnea larga en la parte superior y la lnea corta en la parte inferior indican las terminales positiva y negativa, respectivamente, y as la polaridad del elemento.

En contraste con la fuente de voltaje independiente, la fuente de corriente independiente es un elemento de dos terminales que mantiene una corriente especifica a pesar del voltaje a travs de sus terminales. El smbolo general para una fuente independiente de corriente se muestra en la figura 1.15c, donde es la corriente especifica y la flecha indica la direccin positiva del flujo de corriente.

a) b) c)

Figura 1.15 Smbolos para a) fuente independiente de voltaje; b)Fuente de voltaje constante; c) Fuente de corriente independiente.BIBLIOGRAFA:

Anlisis Bsico de Circuitos en ingeniera.................J. David Irwin

Anlisis Bsico de circuitos elctricos........................David E. Johnson

John L. Hilburn

Johnny R. Johnson

Peter D. Scott

WWW.WIND POWER.ORG ........................................ Asociacin danesa de la Industria

CAPITULO II

CIRCUITOS RESISTIVOS

2.1 CONCEPTOS Y ELEMENTOS DE UN CIRCUITO.

Desde el punto de vista energtico, los elementos que conforman un circuito se clasifican en pasivos y activos.

2.1.1 Elemento Pasivo.

El elemento pasivo es aqul que solo recibe la energa elctrica y la transforma en otra forma de energa, como trmica, magntica, ionizacin (electrlisis), potencial, etc. Debido al cambio de forma de la energa, existe una cada de potencial (diferencia de potencial) en cada elemento. Entre estos elementos se encuentran: las resistencias condensadores o capacitores, solenoides o bobinas, transformadores, bombillos de filamento y de gas, etc.

2.1.2 Elemento Activo.

Es el que produce una transformacin permanente de la energa, generando entre los terminales del elemento una diferencia de potencial (ddp), voltaje o tensin, la cual se utiliza para suministrar energa elctrica a un elemento externo (pasivo). Los elementos activos son denominados generalmente fuente de fuerza electromotriz, fuente de voltaje o tensin. Si mantiene la diferencia de potencial constante (no varia en el tiempo), se considera una fuente de voltaje continuo, Su smbolo es:

Figura 2.0 Fuente de voltaje Continuo

Siendo de signo positivo (+) la terminal que se encuentra a mayor potencial.

2.2 CIRCUITO ELECTRICO.

Conjunto de elementos pasivos, activos o ambos, unidos entre si, a travs de los cuales circula una corriente cuando existe una fuente de tensin en el circuito.

Las propiedades de un elemento del circuito se caracterizan en funcin de dos cantidades o magnitudes fsicas bsicas e importantes: la diferencia de potencial V y la intensidad de corriente elctrica.

2.3 CIRCUITO CON RESISTENCIA EN SERIE.

Cuando dos o mas resistencias se conectan una detrs de la otra dentro de un circuito decimos que estn asociados en serie como ya se especifico en capitulo I.

Figura 2.1

Conexin en Serie Considerar dos (o mas) resistencias conectadas como muestra la figura2.1. La diferencia de potencial entre los puntos R1, R2 y R3 se puede escribir como:

Como la corriente que circula por R1, R2 y R3 es la misma por estar conectados en serie, entonces la diferencia de potencial en cada resistencia ser:

Por lo tanto,

2.4 CIRCUITO CON RESISTENCIA EN PARALELO.

Si la conexin es tal que sus extremos estn unidos entre si a los mismos puntos hablamos de asociacin en paralelo, como se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.2

Conexin en Paralelo En este caso, la diferencia de potencial entre los extremos de ambas resistencias es la misma, V.

Por tanto las corrientes que circulan por cada resistencia sern distintas, y se puede escribir como

2.5 LEY DE OHM.

La ley de Ohm establece que el voltaje a travs de una resistencia es directamente proporcional a la corriente que fluye por la resistencia.

El smbolo de circuitos de la resistencia se muestra en la figura 2.3. para el elemento la corriente I y el voltaje V. Donde la flecha indica la direccin de referencia de la corriente que entra y el signo positivo al final de la direccin de referencia del voltaje la Ley de Ohm es

Figura 2.3 Smbolo del circuito para la resistencia

Donde R0 es la resistencia en Ohms.

El smbolo utilizado para representar el Ohm es la letra griega mayscula omega () puesto que por la anterior ecuacin despejando la resistencia en funcin del voltaje y la corriente obtendramos la Ley de Ohm de la Forma:

Tambin en forma dimensional.

Al igual que en el caso anterior, si despejamos la corriente en funcin del voltaje y la resistencia, obtendramos la Ley de Ohm de la forma:

Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm nos ayudamos del siguiente tringulo que tiene mucha similitud con las frmulas analizadas anteriormente.V = I * R

I = V / R

R = V / I

Ejemplo 1:

En un circuito con una fuente de tensin de una batera de 12 voltio y una resistencia de 6 ohms, podemos establecer una relacin entre la tensin de la batera, la resistencia y la corriente I que entrega la batera, esta corriente es la que circula a travs de la resistencia.

INCLUDEPICTURE "http://www.unicrom.com/images/ley_de_ohm.gif" \* MERGEFORMATINET Figura 2.4

Entonces la corriente que circula en nuestro circuito es:

De igual manera el voltaje que se esta entregando al circuito es: V =2A*6; V =12V

Entonces si conocemos la corriente y el voltaje obtendramos que:

2.6 APLICACIN DE LA LEY DE OHM A CIRCUITOS CON RESISTENCIAS EN SERIE.

Antes de continuar recordaremos el uso de cierta nomenclatura.

2.6.1 NODO.

La unin de tres o ms ramas se denomina Nodo o Vrtice. Usualmente se escoge un nodo como el nodo de referencia, que por lo general es el nodo al que estn conectadas una mayor cantidad de ramas. La grafica de la figura (2.6) tiene cuatro nodos, a la unin de dos ramas se le denomina Nodo simple.

Figura 2.6

2.6.2 MALLA.

Se define una malla como un lazo que no contiene ningn otro lazo dentro de l. Miremos el circuito de figura 2.6, tenemos dos resistencias una tras la otra, configuracin denominada serie y es la ms simple de analizar.

Figura 2.6Analizando el circuito podemos darnos cuenta que existe una malla, por lo tanto la corriente que circula por ambas resistencias es la misma, pero la tensin Vr1 y Vr2 que existe sobre ellas es distinta.

Si no sabemos el valor de estas tensiones las podramos calcular mediante la ley de ohm diciendo que V = I * R, pero nos hallamos en el problema en que tampoco sabemos la corriente. Para calcular la corriente tenemos que hacer I = V / R, donde R es la suma de las dos resistencias por estar en serie. Teniendo el valor de la tensin podemos calcular la corriente que circula por las dos resistencias.

Entonces podemos imaginar un circuito con slo una resistencia que sea igual a 200. Aplicando la ley de Ohm encontramos una corriente de 0,05A.

Ahora que sabemos la corriente Itotal que circula por el circuito, podemos ver que tensin cae en cada resistencia.

En este caso en cada resistencia cae 5 Volts. Entonces podemos decir que un circuito con resistencias en serie es un divisor de tensin.

Ejemplo:

Se tiene el siguiente circuito elctrico se desea calcular la corriente total que entrega la fuente al circuito y las tensiones en cada resistencia.

Figura 2.7 Donde R1= 10 , R2= 50 , R3= 150 , R4= 200

2.7 APLICACIN DE LA LEY DE OHM A CIRCUITOS CON RESISTENCIAS EN PARALELO.

Para su aplicacin adecuada recurriremos al siguiente ejemplo:

Figura 2.8 Donde R1= 100 , R2= 10

Ahora tenemos dos resistencias, pero uno a lado de otro. Estn en paralelo.

En este tipo de circuito donde encontramos dos resistencias en paralelo, la corriente total se encuentra con dos caminos, la mayor corriente circulara por la menor resistencia. Para demostrar dicha afirmacin calculamos las corrientes que fluyen por cada rama I1 e I2. Sabiendo que la tensin sobre cada resistencia es de 10V.

Por lo tanto con los clculos realizados podemos demostrar que a mayor resistencia menor cantidad de corriente fluir a travs de ella, y a menor resistencia mayor cantidad de corriente.

Dos o ms resistencias que estn en paralelo (estn sus bornes unidos en un nodo) son un divisor de corriente, ya que la corriente total se dividen en las dos: ramas

Como sabemos que:

Ejemplo:

Para el circuito de la figura 2.9 calcular:

a) La resistencia equivalente Requib) Las intensidades parciales I1,I2 e I3.

c) Las potencias P1, P2 y P3 disipadas en cada resistencia.

d) La potencia total PT.

Figura2.9 Donde R1= 30 , R2= 60 , R3= 20

Solucin:

a) La resistencia equivalente es.

b) Las intensidades parciales valen.

Se puede comprobar que la intensidad total es igual a la suma de las intensidades parciales.

c) La potencia en cada resistencia es.

d) La potencia disipada total es igual a la suma de todas las potencias disipadas parcialmente

Que debe coincidir con la potencia suministrada por el generador.

2.8 LEYES DE KIRCHHOFF.

Estas leyes son validas para circuitos que contienen elementos de todo tipo: resistencias, inductores, capacitores, fuentes y otros. Estas leyes son las leyes de voltajes de Kirchhoff y la ley de corrientes de Kirchhoff.

2.8.1 LEY DE VOLTAJES DE KIRCHHOFF (LVK).

La cual postula:

La suma algebraica de los voltajes alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a cero.

Para ilustrar lo anterior, apliquemos este postulado a la trayectoria cerrada abcda de la figura 2.10, donde

Figura 2.10 Voltajes alrededor de una trayectoria cerrada

Donde el signo algebraico de cada voltaje se ha considerado positivo al ir de + a (de mayor a menor potencial) y negativo de ir de a + (de menor a mayor potencial) al atravesar el elemento.

La forma final de la LVK que se representa cuando son encontrados los voltajes de + a en el la direccin del movimiento alrededor de la trayectoria cerrada son sumados en un lado de la ecuacin y de a + en el otro lado como en la malla de la figura 2.10, nos da:

La suma de las cadas de voltaje es igual a la suma de las elevaciones de voltaje a lo largo de una trayectoria cerrada.

En general la LVK puede ser expresado de forma matemtica como:

Donde Vn es el n-simo voltaje bajo (o alto) en una malla que contiene N voltajes

Ejemplo:

Para el circuito de la figura 2.11 demostrar que la suma algebraica de las cadas de tensin a lo largo de toda la trayectoria cerrada es cero.

Figura 2.11 Ejemplo de LVK

EMBED Equation.3

2.8.2 LEY DE CORRIENTES DE KIRCHHOFF (LCK).

La ley de corrientes de Kirchhoff postula que:

La suma algebraica de las corrientes que entran por cualquier nodo son cero.

Por ejemplo las corrientes que entran al nodo de la figura 2.12 son i1, i2, -i3 e i4(ya que i3 sale , entonces -i3 entra). Por lo tanto, al aplicar LCK para este caso se tiene.

Figura 2.12 Corrientes fluyendo hacia un nodo

Analizando la ecuacin anterior donde las corriente que tienen su direccin de referencia que entra al nodo son reunidas en un lado y las que salen del nodo en el otro lado. Todos los signos de menos desaparecen, y obtenemos la siguiente ecuacin.

Por lo tanto la LCK es igual a la suma de las corrientes que entran a cualquier nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del mismo.

En general la LCK puede ser expresado de forma matemtica como:

Ejemplo:

Sume las corrientes en cada nodo del circuito que se muestra en la figura 2.13. Observe que no hay punto de conexin en el centro del diagrama, en donde la rama de 4, cruza la rama que contiene la fuente de corriente ideal Ia.

Figura 2.13 Ejemplo de LCK

Resolviendo las ecuaciones para las corrientes con esos parmetros se pueden calcular las cadas de tensin en cada resistencia y la potencia que absorbe cada resistencia independientemente.

Como un ejemplo de la LCK, encontremos la corriente i de la figura 2.14 sumando las corrientes que entran al nodo, obtenemos.

Figura 2.14 Ejemplo de LCK

2.9 CIRCUITOS DE UNA SOLA MALLA

2.9.1 DIVISOR DE TENSIN.

Figura 2.15

Dos resistencias conectadas como se muestra en la figura 2.15 (en serie) a una fuente de voltaje V0 conforman un divisor de voltaje, ya que la cada de voltaje V0 se reparte proporcionalmente en las resistencias. Esto quiere decir (para el circuito de la figura 2.15) que:

Donde:

Ejemplo:

Para el circuito de la figura 2.16 calcular.

a. El voltaje que se aplica a la resistencia de 10.

b. El voltaje que se aplica a las resistencias en paralelo.

Figura 2.16Ejemplo de Divisor de voltajes

2.10 CIRCUITO DE UN PAR DE NODOS

2.10.1 DIVISOR DE CORRIENTES.

Dos resistencias conectados en paralelo (Figura 2.17) a una fuente o fuerza electromotriz forman un divisor de corrientes, ya que en el nodo se divide la corriente elctrica segn los valores de las resistencias. As, la i0 va a ser igual (segn la ley de los nodos de kirchhoff) a la suma de las corrientes elctricas que circulan por R1 y R2, es decir: i0 = i1 + i2 en el nodo A, siendo.

En el caso que las dos resistencias sean iguales las ecuaciones quedaran de la siguiente manera.

Figura 2.17 Circuito simple en paralelo

Ejemplo:

Para el circuito de la figura calcular.

a. La resistencia equivalente del circuito

b. La corriente que entrega la fuente de tensin de 120V

c. Las corrientes I1, I2d. Las potencias parciales en cada resistencia

e. La potencia total.

fig 2.18

BIBLIOGRAFA:

Anlisis Bsico de Circuitos en ingeniera................... J. David Irwin

Anlisis Bsico de circuitos elctricos........................ David E. Johnson

John L. Hilburn

Johnny R. Johnson

Peter D. Scott

Circuitos Elctricos...................................................... James W. Nilson

Susan A. Riedel

WWW.WIND POWER.org........................................ Asociacin danesa de la industria

CAPITULO III

METODOS PARA RESOLVER

CIRCUITOS ELCTRICOS

3.1 INTRODUCCION AL METODO DE VOLTAJES DEL NODO.

Presentaremos el mtodo de voltajes de nodo empleando los nodos esenciales del circuito. El primer paso, como se muestra en la figura (3.1). es obtener un buen diagrama del circuito de forma que no haya ramas que se crucen, y marcar claramente los nodos esenciales en el diagrama del circuito. Este circuito tiene 3 nodos esenciales (ne = 3); por lo tanto, necesitamos dos (ne 1) ecuaciones de voltaje de nodo para describir dicho circuito. El siguiente paso es seleccionar una de los tres nodos esenciales como un nodo de referencia. Aunque tericamente la seleccin puede ser arbitraria, en la practica el nodo de referencia a seleccionar es con frecuencia obvio. Por ejemplo, usualmente el nodo con el mayor numero de ramas es una buena eleccin. En el circuito mostrado en la figura (3.1) el nodo inferior conecta al mayor nmero de ramas, as que lo tomaremos como nodo de referencia. Indicamos el citado nodo elegido con el smbolo , como se muestra en la figura (3.1).

Figura 3.1 Circuito con nodo de referencia y los voltajes de nodo

Despus de seleccionar el nodo de referencia, definimos los voltajes de los nodos en el diagrama del circuito. El voltaje del nodo se define como un incremento de voltaje desde el nodo de referencia a un nodo cualquiera. Para este circuito debemos definir dos voltajes de nodo, que se indican como V1 y V2 en la figura (3.1).

Ahora estamos listos para generar las ecuaciones de voltaje de nodo. Esto se hace escribiendo primero las corrientes que dejan cada rama conectada a un nodo de referencia en funcin de los voltajes y sumandos despus estas corrientes a cero de acuerdo con la ley de kirchhoff. Para el circuito de la figura (3.1).

La corriente que sale del nodo 1 para el resistor de 1 es la cada de voltaje a travs del resistor dividida por la resistencia (ley de ohm). Dicho tipo de cada de tensin en la direccin de la corriente en el resistor de 1 es (V1 10)/1. La figura (3.1) muestra estas observaciones, la rama 10 (V) - 1 con los voltajes y corrientes apropiados y si se sigue el mismo procedimiento para las dems ramas se tiene:

Una vez que se conoce los voltajes de nodo, se pueden calcular todas las corrientes de las ramas, los voltajes y las potencias de las ramas.

Ejemplo.

a) Use el mtodo de voltajes de nodo del anlisis del circuito para calcular las corrientes de las ramas Ia, Ib, Ic del circuito que se muestra en la figura (3.2)b) Calcular la potencia asociada en cada fuente, y especifique si la fuente esta entregando o absorbiendo potencia.

Figura 3.2

a) la potencia asociada con la fuente de 50 V es.

3.2 INTRODUCCION AL METODO DE CORRIENTES DE MALLA.

Figura 3.3

En el circuito de la figura (3.3) contiene 7 ramas esenciales en el que se desconoce la corriente, y cuatro nodos esenciales. Por lo tanto para resolver usando el mtodo de corrientes de malla debemos escribir cuatro ecuaciones de malla.

Una corriente de malla es la corriente que existe solo en el permetro de la malla. En un diagrama de circuitos aparece ya sea como lneas slidas cerradas, o uno casi cerrada que sigue el permetro de la malla apropiada.

Ntese que por definicin, las corrientes de malla satisfacen automticamente la ley de las corrientes de kirchhoff. Esto es en cualquier nodo del circuito, una corriente de malla dada entra y deja el nodo a la vez.

Podemos emplear el circuito de la figura (3.4) para mostrar la evolucin de la tcnica de corrientes de malla.

Figura 3.4

Ejemplo.

a) Use el mtodo de corrientes de malla para determinar la potencia asociada con cada fuente de voltaje en el circuito de la figura (3.5).

Figura 3.5

Para calcular las potencias asociadas en cada fuente necesitamos conocer las corrientes en cada uno de estos .entonces determinemos el numero de mallas de corriente.

3.3 TEOREMA DE THEVENIN Y NORTON.

Los equivalentes Thvenin y Nrton son tcnicas para la simplificacin de circuitos que se enfocan en el comportamiento de terminales y por lo tanto son de invaluable ayuda en el anlisis de circuitos.

Podemos describir mejor un circuito equivalente Thvenin refrindonos a la figura (3.6) que representa un circuito cualquiera compuesto de fuentes dependientes y resistores. Las letras a y b representan el par de terminales de inters. La figura (3.6b) muestra el equivalente de Thvenin. As, un circuito equivalente de Thvenin es una fuente de voltaje independiente VTh en serie con un resistor RTh, .que remplaza a una interconexin de fuentes y resistores. Esta combinacin en serie de VTh y RTh es equivalente al circuito original en el sentido de que, si conectamos la misma carga a travs de las terminales a, b de cada circuito, obtenemos los mismos voltajes y corrientes en las terminales de la carga. Esta equivalencia se cumple para todos los valores posibles de la resistencia de carga.

Para representar al circuito original con su equivalente Thvenin, debemos ser capaces de determinar el voltaje Thvenin VTh y la resistencia de Thvenin RTh. Primero, observamos que si la resistencia de carga es infinitamente grande, tenemos una condicin de circuito abierto. El voltaje de circuito abierto en las terminales a, b del circuito que se muestra en la figura (3.6b) es VTh. Por hiptesis, este debe ser el mismo que el voltaje del circuito abierto en las terminales a, b del circuito original. Por lo tanto, para calcular el voltaje de Thvenin VTh, simplemente calculamos el voltaje del circuito abierto del circuito original.

(a) (b)

Figura 3.6 (a) Un circuito general. (b) El circuito equivalente de thvenin

Al reducir la resistencia de carga a cero obtenemos una condicin de corto circuito. Si colocamos un cortocircuito a travs de las terminales a, b del circuito equivalente de Thvenin, la corriente de corto circuito dirigida de a hacia b es

Por hiptesis, esta corriente de cortocircuito debe ser idntica a la que existira en un corto circuito a travs de las terminales a, b de la red original. De la ecuacin anterior.

As la resistencia de Thvenin es la relacin entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito.

Figura 3.7 Un circuito empleado para ilustrar un

Equivalente de Thvenin

Para calcular el equivalente de Thvenin primero calculamos el voltaje del circuito abierto de Vab. Obsrvese que cuando las terminales a, b estn abiertas no hay corriente en el resistor de 4. Por lo tanto el voltaje del circuito abierto Vab es idntico al voltaje a travs de la fuente de corriente de 3 A, que se indica como V0. Encontrando el voltaje V0 resolviendo una sola ecuacin de voltaje de nodo. Seleccionando el nodo inferior como el nodo de referencia, obtenemos.

Por consiguiente el voltaje de Thvenin para el circuito es 32 V.

El siguiente paso es colocar un corto circuito a travs de las terminales y calcular la corriente de cortocircuito resultante.

Figura 3.8 El circuito que seala en la figura (3.7)

con las terminales a y b en cortocircuito

La figura 3.8 muestra el circuito con el corto circuito. Obsrvese que la corriente de corto circuito va en la direccin de la cada de voltaje de un circuito abierto entre las terminales a, b. Si la corriente de corto circuito va en la direccin del aumento de voltaje de un circuito abierto entre las terminales, debe colocarse un signo menos en la ecuacin de corriente de corto circuito.

La corriente de corto circuito (iSC) se encuentra fcilmente una vez que se conoce V0. por lo tanto el problema se reduce a calcular V0 con el corto circuito entre las terminales. De nuevo, si usamos el nodo inferior como el nodo de referencia la ecuacin para v0 se convierte en.

En la figura 3.9 mostraremos el equivalente de Thvenin sustituyendo los resultados numricos del voltaje de Thvenin y la resistencia de Thvenin.

Figura 3.9 El equivalente de Thvenin del circuito

Que se seala en la figura 3.8

3.4 EL EQUIVALENTE DE NORTON

Un circuito equivalente de Norton consiste de una fuente de cortocircuito independiente en paralelo con la resistencia equivalente Norton. Podemos derivarlo del circuito equivalente de Thvenin haciendo simplemente una transformacin de fuente. Por lo que la corriente de Norton es igual a la corriente de corto circuito entre las terminales de inters, y la resistencia Norton es idntica a la resistencia Thvenin.

Figura 3.10 Circuito equivalente de Norton

3.5 CIRCUITO EQUIVALENTE DELTA ESTRELLA (PI O T).

No podemos reducir los resistores interconectados de la figura 3.11 en un resistor nico equivalente entre las terminales de la fuente de tensin si nos restringimos a los simples circuitos equivalentes, en serie o en paralelo que se presentaron en el capitulo anterior.

Los resistores interconectados pueden reducirse a un nico resistor equivalente por medio de un circuito equivalente delta estrella ( ) o pi T.

Figura 3.11 Una red resistiva

Los resistores R1, R2 y Rm (o R3, Rm y Rx) en el circuito de la figura 3.11 se conoce como una interconexin delta () debido a que la interconexin se asemeja a una letra griega . Tambin se lo conoce como una interconexin pi ().

Los resistores R1, Rm y R3 (o R2, Rm y Rx) en el circuito de la figura 3.11 se conoce como una interconexin en estrella () debido a que a la interconexin puede drsele una forma similar a la letra Y. Tambin se le conoce como la interconexin (T).

La equivalencia elctrica de las configuraciones () y () como de la configuracin () y (T) se indican en las siguientes figuras.

Figura 3.12 Configuracin vista como una configuracin

Figura 3.13 Estructura Y vista como una estructura T

Figura 3.14 Una transformacin Y

La manipulacin algebraica directa para el equivalente de delta a estrella ( Y) es la siguiente ecuacin.

Y al invertir la transformacin de estrella a delta (Y ) es la siguiente ecuacin.

Ejemplo.

Determine la corriente y la potencia que suministra la fuente de 40 V en el circuito de la figura 3.16

Figura 3.15 circuito para el ejemplo

Es posible determinar con facilidad esta resistencia equivalente despus de sustituir ya sea la superior (100, 125, 25 ) o la inferior (40, 25, 37.5 ) con su Y equivalente.

Entonces se inicia el reemplazo con la superior. Despus de eso se calculan las tres resistencias Y, que estn definidas en la figura 3.14.

EMBED Equation.3 Sustituyendo los resistores en configuracin Y en el circuito que se muestra en la figura 3.16 se obtiene el circuito que se presenta en la figura 3.17.

Figura 3.16 una versin simplificada del circuito que

Se muestra en la figura 3.15

A partir de esta ultima, posemos calcular fcilmente la resistencia de la fuente de 40 V por medio de simplificacin serie paralelo.

Figura 3.18 El paso final en la simplificacin del Circuito

que se muestra en la figura 3.17

BIBLIOGRAFA:

Anlisis Bsico de Circuitos en ingeniera.................. J. David Irwin

Anlisis Bsico de circuitos elctricos ......................... David E. Johnson

John L. Hilburn

Johnny R. Johnson

Peter D. Scott

Circuitos Elctricos ...................................................... James W. Nilson

Susan A. Riedel

EMBED Visio.Drawing.5

VA

VB

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Modelo de Agua

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.5

EMBED Visio.Drawing.5

1

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_1167242661.vsdCentrales elctricas

Hidraulicas

Termicas

Otros

- De pasada

- Con embalse

- Motor diesel -Turbina a vapor -Turbina a gas

-Atomicas - Eolicas-Solar -Fotovoltaicas

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+

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B1

B.T

G

T

B5

B2

T: A.T/M.T

B3

B4

T: M.T/B.T

M.T

A.T

GENERACIN

TRANSMISIN

DISTRIBUCIN

UTILIZACIN

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