Corriente continua: introducción

Transcripción

1 nota técnca Corrente contnua: ntroduccón Introduccón os tpos de tensón contnua y alterna, a través de la hstora de la energía eléctrca, han pasado por dversas épocas de relatvas supremacías y de convvenca; desde que Thomas Alba dson comenzara con su dstrbucón en tensón contnua para almentar los crcutos de lumnacón en un sector de Nueva York, la aplcacón sguó crecendo aún a pesar del hecho de que George Westnghouse mpulsara la dea de Ncola Tesla referente a la convenenca de la corrente alterna, de modo que ncó un período de aplcacón compartdo. Aunque por sus característcas funconales las máqunas de corrente contnua tenen su fuerte en lo que hace a la regulacón de velocdad y par, el desarrollo tecnológco en el campo de la electrónca ha hecho que se puderan hacer aplcacones de potenca con los motores de corrente alterna, con lo cual se produjo un cambo rreversble en favor de estos últmos en lo que hace a su aplcacón. Aun así, en la actualdad es notoro, aun desde el ámbto de la enseñanza, cómo no se le presta la debda atencón a los temas relaconados con las aplcacones de la tensón contnua, a pesar de que los estudos de la electrotécnca comenzan justamente con ella, con la ley de Ohm, para luego contnuar con los de la tensón alterna. Indudablemente, la convenenca de utlzar uno u otro tpo de tensón para cada una de las aplcacones es el resultado de estudos específcos, de acuerdo a las exgencas funconales de las cargas. A contnuacón, veremos algunos aspectos del empleo de la tensón contnua, así como de algunos de los fenómenos que se producen en lo que hace a las nstalacones eléctrcas para este tpo de tensón destnadas a certos tpos de crcutos como pueden ser los de control o de otras aplcacones comunes. Aunque por sus característcas funconales las máqunas de corrente contnua tenen su fuerte en lo que hace a la regulacón de velocdad y par, el desarrollo tecnológco en el campo de la electrónca ha hecho que se puderan hacer aplcacones de potenca con los motores de corrente alterna, con lo cual se produjo un cambo rreversble en favor de estos últmos en lo que hace a su aplcacón. Crcutos de la corrente contnua a dstrbucón y el consguente uso de la tensón contnua tenen plena vgenca en el ámbto de las nstalacones eléctrcas de los sstemas de generacón y dstrbucón de la energía eléctrca, así como tambén en algunas aplcacones de las plantas ndustrales, como puede ser el control. stos usos se hacen en dstntos tpos de crcutos, los cuales a su vez presentan de alguna manera dstntas 10 Ingenería léctrca Mayo 2016

2 jerarquías funconales, aunque todos ellos deben ser efcentes, confables y seguros, por eso es necesaro calcular, proyectar y selecconar cada uno de los componentes a fn de poder cumplr con estos objetvos. Tpos Se puede consderar la aplcacón de tensones contnuas en los sguentes tpos de crcutos: Traccón: ferrocarrles, vagones cargadores, etc. levacón: ascensores, puentes grúas, etc. amnacón: stands de lamnacón, transportadores, bobnadoras tanto para acero redondo como para chapas. Procesos electrolítcos: galvanzado, latonado, etc. Vehículos fuera de ruta: autoelevadores, zorras, etc. Auxlares en los crcutos de control que emplean PC. Control de máqunas y equpos, en general. Crcutos de servcos generales de estacones transformadoras y de manobra; y comando y control de subestacones transformadoras y plantas generadoras. Instalacones fotovoltacas. Ilumnacón de emergenca. Sstemas de segurdad: vglanca, proteccón, alarmas, etc. Sstemas de comuncacones en sus dstntas tecnologías. Fuentes de corrente contnua a fuente de tensón contnua por excelenca es la batería de acumuladores, aunque tambén hay convertdores estátcos de dstntos tpos y máqunas eléctrcas como las dínamos (menos frecuentes). n algunos casos se utlzan combnacones adecuadas de los dos prmeros. Tensones as tensones empleadas varían según las aplcacones, salvando aquellas especales o de produccón (procesos electrolítcos o ndustrales varos), se puede decr que en general pueden ser: Traccón: 700 a V. Vehículos fuera de ruta: 24 V. Ilumnacón de emergenca: 12 V. Para servcos generales de estacones transformadoras y de manobra: 220, 110 y 48 V. Sstemas de alarmas por ncendo o ntrusón: 12 V. Formas de la tensón contnua Se defne a la corrente eléctrca contnua como el desplazamento de los electrones en un msmo sentdo a lo largo de un determnado crcuto en forma nvarable con el tempo (ver fgura 1). = I = constante Im Fgura 1. Corrente contnua. t Fgura 2. Corrente pulsante. t Mayo 2016 Ingenería léctrca 11

3 nota técnca a necesdad de convertr la tensón alterna en contnua hzo que se utlzaran los denomnados rectfcadores, los cuales, dependendo del tpo, entregan una corrente que no es exactamente nvarable con el tempo y que se denomna pulsante (ver fgura 2). n este caso, la corrente eléctrca en lugar de tener un valor constante tendrá un valor medo (Im) que deberá ser tendo en cuenta de acuerdo a la aplcacón que se haga. Instalacones eléctrcas para la dstrbucón y uso as nstalacones eléctrcas que utlzan tensón contnua están construdas con el msmo tpo funconal de materales que las de alterna. Se debe resaltar que las dferencas se encuentran en los elementos destnados a realzar la nterrupcón y proteccón, fundamentalmente en estos últmos, los cuales presentan característcas constructvas acordes con este tpo de tensón y de corrente eléctrca. Parámetros de los crcutos eléctrcos n los crcutos eléctrcos, los parámetros tales como resstenca, nductanca y capacdad nunca exsten en estado puro, es decr, son combnacones de estos, aunque en certos casos alguno de ellos puede ser más preponderante que otros. n los más smples o que nos pueden nteresar en forma especal, es la combnacón de resstenca e nductanca, como el caso de los relés, o determnadas canalzacones eléctrcas. Crcutos eléctrcos con resstenca e nductanca os crcutos eléctrcos destnados a los sstemas de tensón contnua tenen dos valores que nteresan especalmente para tener en cuenta: a corrente eléctrca que crcula en forma permanente. l pco o máxmo valor que esa corrente eléctrca pueda llegar a alcanzar en el régmen transtoro debdo al cerre del crcuto o en caso de cortocrcuto. as nstalacones eléctrcas que utlzan tensón contnua están construdas con el msmo tpo funconal de materales que las de alterna. Para llegar a comprender el orgen y el mecansmo de la evolucón de estos valores con el tempo de la corrente eléctrca contnua, se hace necesaro analzar un crcuto eléctrco formado por una resstenca y una nductanca conectadas en sere, comúnmente denomnado crcuto tpo -, almentado con una tensón contnua, como nos muestra la fgura 3. n ella podemos ver en forma esquemátca la fuente de tensón (), una resstenca que representa a toda la del crcuto (), de la msma manera, una autonduccón (con su correspondente coefcente de autonduccón ) y un nterruptor, todos undos por los cables. Así, se ha formado un crcuto eléctrco - sere. Mentras el nterruptor se encuentre aberto, no hay tensón aplcada al crcuto eléctrco o sobre los elementos ( y ) que lo componen, con lo cual la corrente eléctrca a través de ellos es nula ( = 0). Cuando se cerre el nterruptor, crculará una corrente eléctrca y, durante los prmeros nstantes, tendrá lugar lo que se denomna como proceso transtoro y, luego de haber transcurrdo un determnado tempo, la corrente eléctrca habrá alcanzado un valor constante en el tempo, mentras el nterruptor se encuentre cerrado. Fgura 3. Crcuto - sere 12 Ingenería léctrca Mayo 2016

4 Al cerrar el nterruptor (consderaremos que t = 0), la corrente eléctrca comenza a varar en cantdades nfntesmales (o sea, dferencalmente), tendendo a alcanzar el valor fnal o estable que será: I = / (1) S llamamos a la varacón dferencal de corrente eléctrca como d y a la varacón dferencal del tempo como dt, el perodo de varacón de la corrente eléctrca será: dt = d/dt (2) en un crcuto nductvo es acompañada por una fuerza electromotrz que se opone a la tensón aplcada, cuya expresón es: = (I/t) [V] (3) en donde: : nductanca o autonduccón en henry I: corrente eléctrca en amperes t: tempo en segundos Con lo cual, nos quedará la sguente ecuacón dferencal: Ahora ben, toda varacón de la corrente eléctrca = + (d/dt) (4) = Pendente = = 0,632 = 1 - t -ampere 0 0 T = Tempo - seg. Fgura 4. Varacón de la corrente en el crcuto -. Mayo 2016 Ingenería léctrca 13

5 nota técnca s necesaro destacar que para t = 0, o sea, cuando = 0, la caída de tensón será: = 0 (5) ntonces, la fem nducda es: (d/dt) = (6) Y tambén, que cuando la corrente eléctrca alcanza el valor /: (d/dt) = 0 (7) esolvendo esta ecuacón, se obtene como expresón de la corrente: = / (1 -(/)t ) (8) sendo e = 2,718 la base de los logartmos neperanos. a fgura 4 es la representacón de esta últma ecuacón. a relacón /, que se representa con la letra grega tau (τ), y es la que caracterza al crcuto eléctrco, se denomna constante de tempo del crcuto. S se reemplaza esta relacón en la ecuacón anteror y se resuelve, se obtendrá que: la corrente eléctrca contnúa varando con la rapdez ncal, y alcanza el valor fnal / en segundos, se deduce que: (d/dt) at t = 0 = (/)/(/) = / (10) esumendo: a constante de tempo τ del aumento de la corrente eléctrca es gual a / segundos. n este últmo tempo, la corrente eléctrca alcanza el 63,2% de su valor fnal. s el tempo que sería necesaro para que la corrente eléctrca alcance su valor fnal /, s se mantuvera la rapdez de varacón ncal / ncal. Tambén es posble ver, a través de estas fórmulas y de su representacón gráfca, que el aumento del valor de la resstenca no afecta el régmen ncal, aunque acelera la llegada al valor de /, mentras que un aumento de tende a dsmnur el régmen ncal del crecmento de la corrente eléctrca sn afectar el valor fnal /. Bblografía: ABB, notas técncas. Ssknd, Charles (1965). Crcutos eléctrcos, Buenos Ares, Hspano-Amercana Sobrevla, Marcelo A. (2008). lectrotecna, Santa Fe, dtoral Alsna. r = / (1 -[(/)(/)] ) = / [1 (1/ +1)] = 0,632 / (9) sta fórmula expresa que la corrente eléctrca aumentará hasta el 63,2% de su valor fnal / en un tempo gual a / segundos, a partr del nstante en que se cerra el nterruptor. a rapdez ncal de la varacón de la corrente eléctrca consttuye tambén una medda mportante de las propedades nductvas de un crcuto. S se supone que Por Ing. Alberto us Farna alberto@ngenerofarna.com.ar sta nota contnuará en las próxmas edcones 14 Ingenería léctrca Mayo 2016