GENERACIÓN Y VALORES RMS Y EFICAZ DE CORRIENTE ALTERNA

Industrialmente se produce en su casi totalidad por generadores rotativos electromecánicos movidos por motores térmicos, hidráulicos, eólicos etc.. Para pequeñas potencias se usan también convertidores electrónicos cc/ca (onduladores) que entregan formas de onda más o menos senoidales (desde trapeciales a casi senoidal pura) partiendo de corriente continua (acumuladores).

Los generadores electromecánicos se basan en la producción de tensión por inducción, cuando un conductor se mueve en un campo magnético.

Existen diversos tipos, pero el más sencillo de todos consiste en una espira que gira en un campo magnético constante, y dependiendo del ángulo de las líneas de campo respecto al vector de superficie de la espira, el voltaje inducido varía.

Para explicar este fenómeno debemos comprender las leyes de Faraday y Lenz.

LEY DE FARADAY

En 1831, los experimentos llevados a cabo simultáneamente por Michael Faraday en Inglaterra y Josep Henry en los Estados Unidos concluyeron que una corriente eléctrica puede ser inducida en un circuito si el campo magnético al que está expuesto varía.

Como consecuencia de estos experimentos, Michael Faraday enunció su Ley de Faraday:

La magnitud de la fuerza electromotiz inducida en un circuito es directamente proporcional a la velocidad con la que el flujo magnético que atraviesa la superficie del circuito varía.

 

Donde E es el campo eléctrico, dl diferencial del contorno de C, B es la densidad de campo magnético, S es una superficie cuyo borde es C y dA el diferencial de superficie.

Por tanto, hay diversas formas de generar esta fuerza electromotriz, ya sea una espira moviéndose dentro de un campo magnético, una espira sometida a un campo magnético variable, o cualquier situación que cause que el flujo a través de un circuito no sea constante.

Sus experimentos en este campo le llevaron a ser uno de los físicos más destacados del S.XIX.

Es considerado el padre del generador eléctrico, del motor eléctrico y del transformador.

En su honor fueron nombradas la constante de Faraday (cantidad constante de electricidad necesaria para liberar una cantidad estándar de sustancia en la electrólisis) y la unidad del Sistema Internacional de Medidas faradio, unidad de capacitancia. Un faradio es la capacidad de un condensador entre cuyas armaduras se mantiene una diferencia de potencial de un voltio cuando está cargado con una cantidad de electricidad igual a un culombio.

LEY DE LENZ

En 1833, Heinrich Lenz, un físico alemán, profundizando en las averiguaciones de Faraday, concluyó que el sentido de la fuerza electromotriz inducida  es tal que se opone a la causa que lo produce. Como la causa que lo produce es la variación del flujo, se opone a esta.

Por tanto, los voltajes inducidos tendrán una polaridad tal que  el campo magnético que los produce se opone siempre a las variaciones del campo existente originado por la primera corriente.

 

Donde ϕ es el flujo, B es la inducción magnética, S es la superficie del conductor y α es el ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Conocidas las leyes físicas que dictan el comportamiento de la fuera electromotriz inducida, estudiemos el caso de una espira rectangular que gira en un campo magnético constante:

 

Si suponemos w constante, el ángulo que forma el diferencial de superficie de la espira con el campo es wt, y el flujo magnético a través de la espira será F=B*S=BScos(wt).

Como la fuerza electromotriz inducida en una espira es:

 

En nuestro caso quedaría V=wBSsen(wt)

 

Por tanto, la fem varía de forma sinusoidal con el tiempo. Para determinar el sentido de la corriente hay que aplicar la ley de Lenz y estudiar la fuerza que se produce sobre un portador de carga positivo.

Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador de carga positivo que se mueve con velocidad v es el producto vectorial

En la figura, se ha dibujado el vector velocidad cuyo módulo es v=w·b/2. y el vector campo B en la posición que ocupa un portador de carga positivo representado por un punto de color rojo.

Como v y B forman el ángulo w t, el módulo de la fuerza es 

fm=qw (b/2)B·sen(w t).

El campo En =fm/q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es

En= w (b/2)B·sen(w t)

Siendo Ve la fem. 

Como puede verse en la figura, En es paralelo a los lados de longitud a de la espira, pero es perpendicular a los lados de longitud b y por tanto, el producto escalar En·dl en estos dos lados es nulo.

El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de  En (fuerza sobre la unidad de carga positiva).

TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA

Como es lógico, podemos producir la corriente alterna haciendo rotar los imanes o la espira. A la parte que gira le llamaremos rotor, y a la que permanece estática, estátor. Esto nos permite clasificar los generadores en dos tipos según su configuración física:

GENERADORES DE CAMPO MAGNÉTICO ESTÁTICO:

Son similares en construcción a los generadores de continua, en este tipo de generadores de alterna la espira rota en un campo magnético constante. En los de corriente continua la fuerza electromotriz se convierte de alterna a continua por medio de un conmutador, en nuestro caso, la fem se entrega sin transformar.

GENERADORES DE CAMPO MAGNÉTICO ROTATIVO:

Estos presentan la ventaja de que como la parte en la que se produce el voltaje es estática, se puede entregar la corriente directamente del armazón a la carga.

En este caso, el estátor consiste en un nucleo de hierro laminado con los arrollamientos sujetos a él.

Por otro lado, podemos clasificar los generadores según el tipo de corriente alterna que generan.

GENERADORES MONOFÁSICOS:

Producen una única corriente que alterna continuamente, conocida como corriente monofásica. Es la configuración más básica,y los generadores que hemos visto en las figuras anteriores corresponden a este modelo. Aunque la corriente que nos llega a casa es monofásica, eso no quiere decir que sea generada así, ya que como más adelante veremos para altos voltajes se adopta el sistema trifásico.

Como hemos visto, el esquema sería el siguiente:

GENERADORES BIFÁSICOS:

Como se puede apreciar, el esquema es muy similar, aunque en esta configuración obtenemos dos  diferencias de potencial respecto de la misma masa igual, pero con  un desfase de 90º.

La ventaja es evidente, ya que con un mismo rotor podemos lograr el trabajo de dos, pero la configuración del estátor se complica bastante ya que necesitamos el doble de pastillas de arrollamientos en él.

Suelen tener 3 cables de salida ya que podemos cortocircuitar la masa de B con la de A, y obtenemos la configuración estándar de generador bifásico de tres terminales.

GENERADORES TRIFÁSICOS:

Siguiendo la lógica con la que hemos estudiado el generador bifásico, podemos sacar un tercer voltaje del generador con la siguiente configuración:

Tanto en configuración estrella como triángulo, tenemos un generador trifásico de cuatro terminales, con los voltajes inducidos desfasados entre ellos 120º. Esta configuración es muy equilibrada y ampliamente utilizada en industria y en el transporte de electricidad en general, salvo para centrales de poca potencia

VALORES MÁXIMOS Y EFICACES DE LA CORRIENTE ALTERNA SENOIDAL

Se designa como valor eficaz de una magnitud sinusoidal a la raíz cuadrada del valor medio de su cuadrado, y es igual al valor máximo dividido por raíz cuadrada de 2

En corriente alterna la tensión eficaz tiene un concepto físico de equivalencia con una tensión de corriente continua que produjese la misma disipación térmica en la resistencia, que la que disipa la corriente alterna.

Valor eficaz de una magnitud senoidal

A este valor eficaz están asociados los efectos energéticos térmicos y electromecánicos, y por eso, los valores eficaces son los que se utilizan en mayor grado en el cálculo y en las aplicaciones de la corriente alterna..

Así una tensión eficaz de 220V sinusoidal tiene un valor máximo de 311V (independientemente de su frecuencia) y equivale energéticamente hablando a una corriente continua de 220 V.

Análogamente, las intensidades sinusoidales producidas por las tensiones tienen su valor eficaz. (que es el máximo, dividido por 1,4142..)

Obsérvese que el valor medio de la senoide, que es el valor máximo multiplicado por 2/p no coincide con el eficaz. En el siguiente video se explica detalladamente como se obtienen los valos rms y eficas de una onda senoidal.