Manual Teórico Práctico del Módulo Autocontenido Transversal: Aplicación de Corriente Alterna Para las carreras de Profesional Técnico-Bachiller en:

Manual Teórico Práctico del Módulo Autocontenido Transversal: Para las carreras de Profesional Técnico-Bachiller en: Mantenimiento de Sistemas Automáticos Sistemas Electrónicos de Aviación e-cbcc Capacitado por: Educación-Capacitación Basadas en Competencias Contextualizadas 1

PARTICIPANTES Suplente del Director General Joaquín Ruiz Nando Secretario de Desarrollo Académico y de Capacitación Marco Antonio Norzagaray Director de Diseño de Curricular de la Formación Ocupacional Gustavo Flores Fernández Coordinadores de Área: Jaime G. Ayala Arellano Grupo de Trabajo para el Diseño del Módulo Especialistas de Contenido Asociacion Mexicana de Ingenieros Mecanicos y Electricistas A.C Especialista Pedagógico Asociacion Mexicana de Ingenieros Mecanicos y Electricistas A.C Revisor del Contenido ----------------- Revisión Pedagógica ------------------ Revisores de Contextualización Agustín Valerio Guillermo Prieto Becerril Manual del curso módulo Autocontenido Transversal Aplicación de Correinte Alterna Mantenimiento de Motores y Planeadores y sistemas Electrónicos de Aviación D.R. 2003 CONALEP. Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, incluida la portada, por cualquier medio sin autorización por escrito del CONALEP. Lo contrario representa un acto de piratería intelectual perseguido por la Ley Penal. E-CBCC Av. Conalep N 5, Col. Lázaro Cárdenas, C.P. 52140 Metepec, Estado de México. Índice I. Mensaje al alumno 4 II. Como utilizar este manual 5 III. Propósito del módulo autocontenido 8 2

IV. Normas de competencia laboral 9 V. Especificaciones de evaluación 10 VI. Mapa curricular del módulo autocontenido 11 Capitulo 1 Introducción a la Corriente Alterna 12 1.1 Componentes de la corriente alterna 15 1.2 Características de la corriente alterna 22 1.3 Terminología de la corriente a alterna 26 Capitulo 2 Aplicación de la corriente alterna 29 2.1 circuitos con corriente alterna 31 2.2 impedancia 34 2.3 Tipos de transformadores 51 Capitulo 3 Generación y uso de la corriente alterna 61 3.1 Generadores 63 3.2 Tipos de generadores 68 Capitulo 4 Equipos mediadores y convertidores de corriente 94 4.1 Equipos medidores 96 4.2 Equipos de medición 112 4.3 Equipos convertidores de energía 141 Practicas y Listas de cotejo 156 Autoevaluacion de conocimientos 258 Respuestas a la autoevaluacion de conocimientos 259 Glosario de Términos 261 Referencias Documentales 263 I. MENSAJE AL ALUMNO CONALEP TE DA LA BIENVENIDA AL CURSO- MÓDULO AUTOCONTENIDO TRANSVERSAL MANEJO DEL PROCESO ADMINISTRATIVO! EL CONALEP, a partir de la Reforma Académica 2003, diseña y actualiza sus carreras, innovando sus perfiles, planes y programas de estudio, manuales teóricoprácticos, con los avances educativos, científicos, tecnológicos y humanísticos predominantes en el mundo globalizado, acordes a las necesidades del país para Contextualizadas, con el fin de ofrecerte una alternativa efectiva para el desarrollo de conocimientos, habilidades y actitudes que contribuyan a elevar tu potencial productivo y, a la vez que satisfagan las demandas actuales del sector laboral, te formen de manera integral con la oportunidad de realizar estudios a nivel superior. Esta modalidad requiere tu participación y que te involucres de manera activa en ejercicios y prácticas con simuladores, vivencias y casos reales para promover un 3

conferir una mayor competitividad a sus egresados, por lo que se crea la modalidad de Educación y Capacitación Basada en Competencias Contextualizadas, que considera las tendencias internacionales y nacionales de la educación tecnológica, lo que implica un reto permanente en la conjugación de esfuerzos. Este manual teórico práctico que apoya al módulo autocontenido, ha sido diseñado bajo la Modalidad Educativa Basada en Competencias Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica aprendizaje integral y significativo, a través de experiencias. Durante este proceso deberás mostrar evidencias que permitirán evaluar tu aprendizaje y el desarrollo de competencias laborales y complementarias requeridas. El conocimiento y la experiencia adquirida se verán reflejados a corto plazo en el mejoramiento de tu desempeño laboral y social, lo cual te permitirá llegar tan lejos como quieras en el ámbito profesional y laboral. 4

II. CÓMO UTILIZAR ESTE MANUAL Las instrucciones generales que a continuación se te pide que cumplas, tienen la intención de conducirte a vincular las competencias requeridas por el mundo de trabajo con tu formación de profesional técnico. Redacta cuáles serían tus objetivos personales al estudiar este curso-módulo autocontenido. Analiza el Propósito del curso-módulo autocontenido que se indica al principio del manual y contesta la pregunta Me queda claro hacia dónde me dirijo y qué es lo que voy a aprender a hacer al estudiar el contenido del manual? Si no lo tienes claro, pídele al docente te lo explique. Revisa el apartado Especificaciones de evaluación, son parte de los requisitos por cumplir para aprobar el curso-módulo. En él se indican las evidencias que debes mostrar durante el estudio del mismo para considerar que has alcanzado los resultados de aprendizaje de cada unidad. Es fundamental que antes de empezar a abordar los contenidos del manual tengas muy claros los conceptos que a continuación se mencionan: competencia laboral, competencia central, competencia básica, competencia clave, unidad de competencia (básica, genéricas específicas), elementos de Analiza la Matriz de contextualización del autocontenido transversal operación de Herramientas de Cómputo. Puede ser entendida como la forma en que, al darse el proceso de aprendizaje, el sujeto establece una relación activa del conocimiento y sus habilidades sobre el objeto desde un contexto científico, tecnológico, social, cultural e histórico que le permite hacer significativo su aprendizaje, es decir, el sujeto aprende durante la interacción social, haciendo del conocimiento un acto individual y social. Competencia, criterio de desempeño, campo de aplicación, evidencias de desempeño, evidencias de conocimiento, evidencias por producto, norma técnica de institución educativa, formación ocupacional, módulo autocontenido, módulo integrador, unidad de aprendizaje, y resultado de aprendizaje. Si desconoces el significado de los componentes de la norma, te recomendamos que consultes el apartado Glosario, que encontrarás al final del manual. Analiza el apartado Normas Técnicas de Competencia Laboral, Norma Técnica de Institución Educativa. Revisa el Mapa Curricular del módulo autocontenido transversal operación de Herramientas de Cómputo. Esta diseñado para mostrarte esquemáticamente las unidades y los resultados de aprendizaje que te permitirán llegar a desarrollar paulatinamente las competencias laborales requeridas por la ocupación para la cual te estás formando. Revisa la Matriz de Competencias del autocontenido transversal operación de Herramientas de Cómputo. Describe las competencias laborales, básicas y claves que se contextualizan como parte de la metodología que refuerza el aprendizaje lo integra y lo hace significativo En el desarrollo del contenido de cada capítulo, encontrarás ayudas visuales como las siguientes, haz lo que ellas te sugieren. Si no lo haces no aprendes, no desarrollas habilidades, y te será difícil realizar los ejercicios de evidencias de conocimientos y los de desempeño. 5

Realiza la lectura del contenido de cada capítulo y las actividades de aprendizaje que se te recomiendan. Recuerda que en la educación basada en normas de competencia laborales la responsabilidad del aprendizaje es tuya, pues eres quien desarrolla y orienta sus conocimientos y habilidades hacia el logro de algunas competencias en particular. 6

IMÁGENES DE REFERENCIA Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica Estudio Individual Investigación documental Consulta con el docente Redacción de trabajo Comparación del resultado con otros compañeros Repetición del ejercicio Trabajo en equipo Sugerencias o notas Realización del Ejercicio Resumen Observación Consideraciones sobre seguridad e higiene Investigación de campo Portafolio de evidencias 7

III. Propósito del módulo autocontenido Este módulo está diseñado para desarrollar habilidades en el manejo de electrónica básica, que los alumnos de la carrera de P.T.-B. en Mantenimiento de Sistemas Automáticos, requieren para instalar, operar y dar mantenimiento a controles y sistemas de automatización. Resulta de vital importancia el estudio de éste módulo dentro de la carrera, debido a que los módulos restantes aplicarán las competencias desarrolladas en este módulo. El propósito dará como resultado un desarrollo incremental del alumno para competir en el ambiente laboral de este país, contribuyendo el buen desarrollo y desempeño del puesto que tenga a su cargo, destacando por el conocimiento que este obtenga con el modulo aquí presentado. Este modulo basado en lo que se denomino competencias contextualizadas crea en el alumno una base de los conocimientos que se deben de tomar en cuenta para así facilitar al alumno el porque de cada tema y porque la importancia de este. Como se ha mencionado a lo largo de este contexto el propósito principal de este modulo es que el alumno obtenga el mayor beneficio que pueda para así sobresalir y que este destaque por sus habilidades y que de mayor confianza a todo aquel alumno que egrese del CONALEP. Además de que los conocimientos adquiridos gracias a este modulo sirvan para que el individuo aplique lo que aprendió durante el transcurso de su vida, y que por lo tanto forme parte de su formación como técnico y como persona. 8

IV. NORMAS TÉCNICAS DE COMPETENCIA LABORAL Para que analices la relación que guardan las partes o componentes de la NTCL o NIE con el contenido del programa del curso módulo autocontenido de la carrera que cursas, te recomendamos consultarla a través de las siguientes opciones: Acércate con el docente para que te permita revisar su programa de estudio del cursomódulo autocontenido de la carrera que cursas, para que consultes el apartado de la norma requerida. Visita la página WEB del CONOCER en www.conocer.org.mx en caso de que el programa de estudio del curso - módulo ocupacional esta diseñado con una NTCL. Consulta la página de Intranet del CONALEP http://intranet/ en caso de que el programa de estudio del curso - módulo autocontenido está diseñado con una NIE 9

V ESPECIFICACIONES DE EVALUACIÓN Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica Durante el desarrollo de las prácticas de ejercicio también se estará evaluando el desempeño. El docente, mediante la observación directa y con auxilio de una lista de cotejo, confrontará el cumplimiento de los requisitos en la ejecución de las actividades y el tiempo real en que se realizó. En éstas quedarán registradas las evidencias de desempeño. Las autoevaluaciones de conocimientos correspondientes a cada capítulo, además de ser un medio para reafirmar los conocimientos sobre los contenidos tratados, son también una forma de evaluar y recopilar evidencias de conocimiento. Al término del curso-módulo deberás presentar un Portafolios de Evidencias1, el cual estará integrado por las listas de cotejo correspondientes a las prácticas de ejercicio, las autoevaluaciones de conocimientos que se encuentran al final de cada capítulo del manual y muestras de los trabajos realizados durante el desarrollo del curso-módulo, con esto se facilitará la evaluación del aprendizaje para determinar que se ha obtenido la competencia laboral. Deberás asentar datos básicos, tales como: nombre del alumno, fecha de evaluación, nombre y firma del evaluador y plan de evaluación 1 El portafolio de evidencias es una compilación de documentos que le permiten al evaluador, valorar los conocimientos, las habilidades y las destrezas con que cuenta el alumno, y a éste le permite organizar la documentación que integra los registros y productos de sus competencias previas y otros materiales que demuestran su dominio en una función específica (CONALEP. Metodología para el diseño e instrumentación de la educación y capacitación basada en competencias, Pág. 180). 10

VI. Mapa curricular del módulo ocupacional Aplicación de Corriente Alterna Módul 90 Hrs. Unidad de Aprendizaje 1. Inducción a la corriente alterna. 2. Aplicación de la corriente Alterna. 3. Generación y uso de la Corriente alterna 4. Equipos Medidores y convertidores de Corriente. 1.1. Identificar los Componentes de la corriente alterna. 5 hrs. 1.2 Identificar las Características de la corriente alterna 5 hrs. 1.3. Identificar 15 Hrs. la terminología 25de Hrs. la corriente alterna. 25 Hrs. 525 hrs. Hrs. 2.1. Identificar Los circuitos con corriente alterna. 9 hrs. Resultados de Aprendizaje 2.2. Identificar la inductancia en la corriente alterna. 7 hrs. 2.3. Identificar los diferentes tipos de transformadores. 9 hrs. 3.1. Identificar los Generadores de Corriente Alterna. 14 hrs. 3.2. Identificar los Motores de Corriente Alterna. 11 hrs. 4.1. Identificar los Equipos Medidores. 12 hrs. 4.2. Identificar los Equipos Convertidores de Energía. 13 hrs. 11

1 INTRODUCCIÓN A LA CORRIENTE ALTERNA Al finalizar la unidad, el alumno identificara los componentes, las características y la terminología de la corriente alterna. 12

Mapa curricular del módulo ocupacional Aplicación de Corriente Alterna Módul 108 Hrs. Unidad de Aprendizaje 1. Inducción a la corriente alterna. 2. Aplicación de la corriente Alterna. 3. Generación y uso de la Corriente alterna 4. Equipos Medidores y convertidores de Corriente. 1.1. Identificar los Componentes de la corriente alterna. 5 hrs. 1.2 Identificar las Características de la corriente alterna 5 hrs. 1.3. Identificar 15 Hrs. la terminología 25de Hrs. la corriente alterna. 25 Hrs. 525 hrs. Hrs. 2.1. Identificar Los circuitos con corriente alterna. 9 hrs. Resultados de Aprendizaje 2.2. Identificar la inductancia en la corriente alterna. 7 hrs. 2.3. Identificar los diferentes tipos de transformadores. 9 hrs. 3.1. Identificar los Generadores de Corriente Alterna. 14 hrs. 3.2. Identificar los Motores de Corriente Alterna. 11 hrs. 4.1. Identificar los Equipos Medidores. 12 hrs. 4.2.. Identificar los Equipos Convertidores de Energía 13 hrs. 13

1. INTRODUCCIÓN A LA CORRIENTE ALTERNA Sumario Componentes de la corriente alterna Características de la corriente alterna Terminología de la corriente alterna RESULTADO DE APRENDIZAJE 1.1. Identificar los Componentes de la corriente alterna. 1.2. Identificar las Características de la corriente alterna 1.3. Identificar la terminología de la corriente alterna Qué es corriente alterna? La corriente es el movimiento de electrones libres a lo largo de un conductor conectado a un circuito en el que hay una diferencia de potencial. La corriente fluye en tanto exista una diferencia de potencial. Si la polaridad de la diferencia de potencial no varía, la corriente siempre fluirá en una dirección y se denominara corriente. Existe un tipo de corriente eléctrica que no siempre fluye en la misma dirección, sino que alterna y fluye primero hacia una dirección y luego se invierte y fluye hacia la otra. A este tipo de corriente se le llama corriente alterna o c-a. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica En todo circuito la corriente fluye de la terminal negativa de la fuente hacia la terminal positiva, por tanto es obvio que para haber flujo de corriente alterna la polaridad de la fuente debe alternar o cambiar de dirección. Las fuentes que pueden hacer esto se llaman fuentes de potencia de c-a. Los circuitos alimentados por fuentes de energía de c-a y que, por lo tanto, tienen corriente alterna, se llaman circuitos de c-a. En forma similar, la potencia consumida en un circuito, de c- a es potencia de c-a. 1.1 Componentes de la corriente alterna 14

Movimiento angular La espira de alambre en el generador sencillo que se describió anteriormente, giraba con el campo magnético. Y, como se sabe, la rotación es movimiento en círculo, tal como la rotación de la hélice de un aeroplano. Más tarde se encontrará que con frecuencia es necesario hablar acerca de la tensión que resulta de cada posición de la espira de alambre al girar. Para esto, es preciso comprender lo que significa movimiento angular y la forma en que se expresa. El movimiento angular es un movimiento en círculo y generalmente se describe dividiendo la circunferencia de un círculo en 360 partes iguales. Si de los extremos de cualquiera de estas partes se trazan líneas al centro del círculo, a la distancia entre dichas líneas se le llama grado. Puesto que esto se puede hacer en cada una de las '360 longitudes iguales, existen 360 grados en el círculo. Una línea de la circunferencia al centro del círculo se llama radio. De manera que la distancia entre dos radios cualesquiera de un círculo se mide en grados. Esta distancia se mide siempre en sentido inverso a la rotación, de las manecillas del reloj, de un radio al otro. En la práctica, un radio corresponde al cuerpo u objeto que está girando. El otro radio es un punto de referencia, a partir del cual se mide la posición del primero. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica una forma de onda en papel milimétrico, con lo cual se obtiene una representación gráfica de la corriente y la tensión. Una forma de onda muestra la magnitud y dirección de la corriente o la tensión en cualquier instante. Para granear una forma de onda, se definen los dos ejes como se ilustra en la figura. Un eje, generalmente el vertical, es el de corriente o de tensión y se grafica con el número adecuado de divisiones de corriente o tensión. Generalmente, el otro eje es el eje de tiempo, y se divide en unidades adecuadas de tiempo, por ejemplo, segundos. Con los ejes identificados, se puede graficar la corriente o tensión en cada unidad de tiempo, como un punto en la gráfica. Y cuando todos los puntos se unen con una línea continua, la figura resultante es la forma de onda. A veces, cuando se estudian fuentes de potencia de c-a, se desea conocer cómo varía la tensión de un generador al cambiar la posición de la armadura durante su rotación. En este caso, en lugar de marcar el eje horizontal en unidades de tiempo, se dividiría en grados de rotación. Entonces, la forma de onda indicará la magnitud y polaridad de la tensión para cada posición de la armadura. Formas de onda de c-a A menudo es muy útil saber cómo cambian la corriente y la tensión al transcurrir el tiempo. La forma más fácil de hacer esto consiste en graficar 15

Formas de onda de c-a y de c-c La polaridad y magnitud de una corriente o una tensión continuas nunca cambian. Por lo tanto, la forma de onda de una tensión continua de 2 volts sería una línea recta. Una corriente o una tensión alternas cambian tanto en magnitud como en polaridad. Esto puede apreciarse por la forma de onda de una corriente alterna. Cuando la onda está arriba de la línea de corriente cero, la corriente fluye en una dirección, a la que se le llama dirección positiva, en este caso. Cuando la onda está abajo de la línea de corriente cero, como se muestra en color, la corriente ha invertido su sentido y fluye en la dirección opuesta. Obsérvese que la corriente representada por la onda, fluye primero en una dirección; luego se invierte y fluye en la otra dirección, repitiéndose las inversiones nuevamente; las dos primeras inversiones se realizan en un tiempo de 8 segundos. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica La onda sinusoidal La tensión producida por el generador simple de c- a descrito anteriormente, tiene una forma de onda característica que es importante en el estudio de toda la teoría de circuitos de c-a. Esta forma de onda representa la tensión de salida del generador durante una revolución completa de la armadura. La tensión comienza en cero cuando la armadura no corta líneas magnéticas de fuerza. Al girar la armadura, la tensión aumenta desde cero hasta un valor máximo en una dirección. Luego disminuye otra vez hasta cero. En este punto la tensión cambia de polaridad y aumenta hasta que llega a un máximo con esta polaridad opuesta. Luego disminuye nuevamente hasta cero. Entonces, la armadura del generador ha completado una revolución. La distancia de cualquier punto de la onda al eje de tiempo es la magnitud de la corriente en ese instante. Así, en un segundo, la corriente tiene un valor de 1 ½ amperes, como lo indica el punto de la onda. En forma similar, a 8 segundos no hay distancia entre la onda y el eje de tiempo, de manera que la corriente es nula. En cada revolución que realice la armadura, la tensión variará en esta misma forma. La onda que representa esta variación de tensión en una revolución completa de la armadura, recibe el nombre de onda sinusoidal. Recibe este nombre del hecho de que la tensión generada en cualquier punto del recorrido de la armadura es proporcional al seno del ángulo entre el campo magnético y la dirección de movimiento de la armadura. 16

Simetría en las formas de onda Quizás el lector haya notado en la página anterior que la parte de la onda sinusoidal que queda abajo del eje horizontal tiene la misma forma que la parte de arriba del eje, ambas tienen la misma altura y varían de la misma manera. En otras palabras, si la parte negativa de la onda se hiciese girar con respecto al eje y se hiciera coincidir con la parte positiva, ambas mitades de la onda serían idénticas. Esta simetría entre las partes positiva y negativa de las ondas es característica de las tensiones y corrientes alternas. Cuando la onda no es simétrica con respecto al eje horizontal no se trata de c-a pura. Por lo tanto, la corriente o tensión alternas se pueden definir como aquellas que cambian periódicamente de dirección y que, en ambas direcciones varían exactamente en la misma forma. Al trabajar con c-a, el lector conocerá bien otras ondas además de la sinusoidal. Dos de las más comunes, con las cuales habrá de familiarizarse, son la onda cuadrada y la onda diente de sierra. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica En realidad, la corriente y la tensión no pueden cambiar entre sus valores máximos y cero instantáneamente. Sin embargo, estos cambios se efectúan tan rápidamente que, desde el punto de vista práctico, se pueden considerar instantáneos. Se observará que esto ocurre con mucha frecuencia en el campo de la electricidad. Muchas cosas suceden con tal rapidez que se pueden considerar, y se les llamará instantáneas, a pesar de que, estrictamente, no lo sean. Ondas cuadradas Un tipo muy común de onda en la cual la magnitud de la corriente o la tensión no varían continuamente, se llama onda cuadrada. En una onda cuadrada, la corriente o tensión aumenta instantáneamente de cero a un valor máximo. Luego, no varía, sino que se mantiene a este, valor máximo durante un período, después del cual la corriente o la tensión hacen instantáneamente tres cosas: 1) Disminuye a cero. 2) Invierte su dirección. 3) Aumenta hasta su valor máximo en esta dirección opuesta. Cómo se genera una onda cuadrada Si un interruptor en el circuito cambia de posición alternativamente entre A y B, la onda de tensión en la resistencia será una onda cuadrada. Por ejemplo, cuando el interruptor está primeramente en la posición A la corriente fluye de la batería E1 hacia el resistor e instantáneamente se constituye una caída de 2 volts en el resistor. Esta tensión se mantiene en 2 volts mientras el interruptor se encuentre en A Se mantiene en este valor máximo negativo durante un tiempo y luego disminuye instantáneamente a cero. Por lo tanto, la onda está formada de una serie de líneas rectas, según se ilustra. 17

incremento igual o unidad de tiempo, la corriente o la tensión cambian en una cantidad diferente. Por ejemplo, en el primer segundo, la corriente puede variar de cero a cinco amperes, o aumentar 5 amperes. En el siguiente segundo puede pasar de 5 a 8 amperes; o sea, un aumento de 3 amperes; y en el siguiente segundo puede elevarse a 10 amperes; o sea, aumentar 2 amperes. Por lo tanto, en incrementos iguales, de 1 segundo, la corriente ha tenido aumentos de 5, 3 y 2 amperes. Si después de 3 segundos el interruptor cambia a la posición B, la tensión producida por la corriente E1 en el resistor disminuye hasta cero. Entonces, la corriente de E; fluye a través del resistor en dirección opuesta y produce una caída de 2 volts en el resistor. La tensión sigue siendo de 2 volts, pero la polaridad está invertida en relación con la que E2 produjo anteriormente. Si después de 3 segundos se quita el interruptor de la posición B, la corriente de E2 cesa y la tensión en el resistor baja a cero. La tensión en el resistor ha completado así una onda cuadrada completa. Si el interruptor se regresa a la posición A y se repite.el proceso, se generará otra onda cuadrada. Este es un cambio no lineal de corriente. Para cambiar linealmente, la corriente o la tensión deben variar cantidades iguales en intervalos de tiempo iguales. Esto significa que en el ejemplo anterior hubiera tenido que pasar de cero a 5 amperes en el primer segundo, de 5 a 10 amperes en el segundo siguiente y de 10 a 15 amperes en el tercer segundo. Su aumento lineal seria de 5 amperes por segundo. En una onda, un cambio lineal de la corriente o la tensión se representa con una recta inclinada. Ondas diente de sierra Probablemente se ha notado que las ondas reciben sus nombres, según sus formas. Por lo tanto, una onda cuadrada es cuadrada, o posiblemente rectangular, y una onda sinusoidal tiene la forma de curva que representa la variación de un seno trigonométrico. Existe otra onda muy común y, en cuanto se sepa su nombre, probablemente se tendrá una buena idea de su forma. A ésta se le llama onda diente de sierra y se asemeja mucho a los dientes de una sierra común. Para comprender cómo se produce una onda "diente de sierra", primero se debe saber lo que es un aumento lineal de corriente o tensión. Ya se sabe que un cambio instantáneo en corriente o tensión se representa por medio de una onda, por una línea recta vertical. Por ejemplo, las líneas curvas de una onda sinusoidal, indican que la corriente o la tensión cambian en forma no lineal. Esto significa que en cada La onda diente de sierra comienza en cero y aumenta linealmente a su valor máximo, en una dirección. Luego, instantáneamente desciende a cero, invierte su dirección y aumenta a su valor máximo en esta otra dirección. En el instante en que llega a su valor máximo, comienza a disminuir linealmente, nuevamente a cero. c-c fluctuante Se sabe que toda corriente tiene una magnitud y una dirección. En el caso de corriente directa, tanto la magnitud como la dirección son constantes y nunca cambian. En el caso de corriente alterna, ambas cambian, invirtiéndose periódicamente la dirección y variando la magnitud entre cero y algún valor máximo, en ambas direcciones. Existe otro tipo de corriente en 18

la cual la magnitud varía pero la dirección nunca cambia. A esta corriente se le llama c-c fluctuante, en virtud de que se puede considerar como una corriente directa cuyo valor fluctúa o cambia. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica La onda para una tensión o una corriente de este tipo es idéntica a una onda de c-a, excepto porque se encuentra completamente arriba del eje horizontal. La referencia de c-c para este tipo de onda es la línea horizontal que divide a la mitad a la onda de manera que una mitad queda arriba y la otra abajo. Así pues, la componente de c-a varía con respecto a la referencia de c-c. Por medio de dispositivos llamados transformadores y capacitores se puede separar la componente de c- a de su referencia de c-c y convertirla en tensión o corriente alterna pura que varía con respecto a cero. Puesto que la c-c fluctuante nunca cambia de dirección, la onda de cualquier corriente directa fluctuante o de tensión, está completamente encima del eje horizontal (cero). Nunca baja del eje o se vuelve negativa. Sin embargo, la forma de la onda puede ser similar a cualquier onda de c-a. Transmisión de potencia eléctrica Componente de c-a La corriente continua fluctuante es similar a la c-c común en que no cambia de dirección. También es similar a la c-a, ya que varía en magnitud. Algunos tipos de c-c fluctuante se pueden considerar como combinaciones de c-a y c-c a menudo se hace esto en circuitos eléctricos reales. Una tensión o una corriente continua se combinan con una tensión o una corriente alterna y se produce c-c fluctuante. Cuando esto sucede, la magnitud de la c-c varía en la misma forma que la de- la c-c. La variación de c-a se llama componente de c-a y a la c-c se llama nivel de referencia de c-c. En un circuito eléctrico ideal, toda la energía producida por la fuente, la carga la convertirá en alguna forma útil, por ejemplo luz o calor. Sin embargo, en la práctica, es imposible construir un circuito ideal. Parte de la energía que procede de la fuente se consume en los conductores de interconexión del circuito y parte se consume dentro de la misma fuente de potencia. Este consumo de energía fuera de la carga es energía desperdiciada o potencia desperdiciada, por lo que su valor debe mantenerse al mínimo posible. La mayor parte de estas pérdidas de potencia son en forma de calor generado cuando la corriente del circuito fluye a través de la resistencia en el alambrado y la resistencia interna de la fuente. Estas resistencias generalmente son muy bajas y que, en consecuencia, las pérdidas de potencia serán muy pequeñas. No obstante, una excepción importante a esto ocurre cuando el alambrado entre la fuente y la carga es muy largo, como en el caso de la transmisión de potencia eléctrica desde las estaciones generadoras hasta los usuarios. Estas líneas de fuerza eléctrica con las que el lector seguramente está familiarizado, pueden tener longitudes de cientos de kilómetros. Aun un alambre de cobre de gran diámetro, cuya 19

resistencia es muy baja, tiene una resistencia total considerable cuando se trata de cientos de kilómetros. Podría usarse el alambre de plata, que tiene la resistencia más baja de todas, pero esto no reduciría sustancialmente la resistencia total y su costo sería excesivo. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica las pérdidas de potencias es reducir la corriente. Sin embargo, los usuarios de energía eléctrica necesitan tener, grandes corrientes al final de la línea de transmisión. Por lo tanto, lo más conveniente es un método por el cual se transmitan bajas corrientes por las líneas de transmisión, pero se pueden obtener altas corrientes al final de la línea. Esto es posible con potencia producida por c-a. En las líneas se envían corrientes relativamente bajas y, cuando llegan al punto donde debe consumirse, se convierten en corrientes elevadas. Transmisión de potencia de c-a Cómo pueden entonces, transmitirse grandes cantidades de potencia eléctrica a través de grandes distancias sin grandes pérdidas en las líneas de transmisión? Esto no se puede hacer con c-c. Sin embargo, es relativamente fácil lograrlo con c-a. Pérdidas de potencia por transmisión Al transmitirse energía eléctrica, una parte de ésta se convierte en calor a lo largo de la línea de transmisión. Esta pérdida en forma de calor es directamente proporcional a la resistencia y al cuadrado de la corriente. Esto se puede apreciar en la siguiente fórmula para pérdida de potencia: P = I 2 R Así, las pérdidas en forma de calor o de potencia (P) se pueden reducir si se baja la corriente (I) que lleve la línea de transmisión o la resistencia (R) del conductor, o bien, ambas. Sin embargo, la resistencia tiene mucho menos efecto en la pérdida de potencia que la corriente, ya que la corriente está elevada al cuadrado. Tal vez parezca raro que se pueda transmitir potencia eléctrica con baja corriente en la línea de transmisión y, en cambio, obtener potencia con alta corriente al final de la línea. Para comprender esto debe tenerse presente la relación que hay entre potencia eléctrica, tensión y corriente, según la siguiente ecuación: P = EI Se concluye de esta ecuación que puede producirse la misma potencia eléctrica (P) con muchas combinaciones de corriente (I) y tensión (E). Por ejemplo, puede obtenerse una potencia de 1,000 watts con una tensión de 100 volts y una corriente de 10 amperes, o con una tensión de 200 volts, y una corriente de 5 amperes, o bien, con una tensión de 1,000 volts y una corriente de un ampere. Si se duplicara la resistencia, las pérdidas de potencia serían el doble, pero si se duplica la corriente, las pérdidas de potencia se cuadruplican. Así que la mejor manera de reducir Por lo tanto, hay muchas maneras de obtener una potencia de un millón de watts en una línea de transmisión; por ejemplo, puede obtenerse con una tensión de 1,000 volts y, en este caso, la corriente sería de 1,000 amperes y muy grandes las pérdidas de potencia en la línea. También 20

puede obtenerse esa misma potencia con una tensión de 100,000 volts y una corriente de sólo 10 amperes y las pérdidas de potencia serían mucho menores. Al final de la línea de transmisión, la combinación de tensión y corriente se puede convertir a cualquier otra combinación de tensión y corriente que produzca un total de un millón de watts. Los dispositivos que se utilizan para convertir potencia de c-a de una combinación de valores de tensión y corriente a otra se llaman transformadores y se estudiarán más adelante en este mismo volumen. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica Longitud de onda (metros) = 300.000,000/frecuencia La longitud de onda para un ciclo de una tensión 60 cps será pues de 5,000,000 de metros. Así, pues, longitud de onda es sólo otra forma de expresar la frecuencia. La longitud de onda no es muy importante en aplicaciones de potencia eléctrica pero suele tener aplicación en el campo de las comunicaciones. 1.2. Características de la corriente alterna Longitud de onda Se recordará, de lo estudiado en el volumen 1, que aunque cada uno de los electrones que integran la corriente eléctrica recorren un conductor en forma relativamente lenta, el campo eléctrico o impulso que produce el flujo de corriente, avanza en un conductor aproximadamente a 300,000 kilómetros por segundo. Puesto que la corriente avanza a una velocidad definida, sólo puede recorrer cierta distancia durante determinado tiempo. Y puesto que la frecuencia en realidad es una medida del número de ciclos por determinado tiempo, es posible calcular hasta dónde puede llegar la corriente durante un ciclo de tensión alterna. Esta distancia recibe el nombre de longitud de onda y es la distancia que puede recorrer la corriente en el tiempo que requiere la terminación de un ciclo completo de tensión alterna. En una tensión de 60 cps, por ejemplo, un ciclo tarda un sesentavo de segundo. Y, puesto que la corriente recorre 300,000 kilómetros en un segundo, sólo puede avanzar 5,000 kilómetros. Puesto que la longitud de onda de una tensión alterna depende de su frecuencia y de la velocidad con la que el impulso eléctrico recorre el conductor, se puede calcular según la siguiente ecuación: Longitud de onda = velocidad de la corriente/frecuencia Por lo que respecta a la electricidad básica, la velocidad de la corriente es igual a la velocidad de la luz: 300,000 kilómetros por segundo. Entonces, la ecuación para la longitud de onda será: Frecuencia En una onda de c-a, la variación de tensión o corriente, por ejemplo, de cero a un máximo y nuevamente a cero, en la dirección positiva; y de cero a máximo y nuevamente a cero, en la dirección negativa, constituye un ciclo completo. Al número de ciclos generados en un segundo se le conoce como la frecuencia de la tensión o de la corriente y se expresa en ciclos por segundo, o cps. Cuanto mayor sea el número de ciclos producidos en un segundo, más alta es la frecuencia. Esto significa que cuanto más rápidamente gire la armadura del generador, mayor número de ciclos genera en cada segundo y en consecuencia, la frecuencia de la tensión de salida será más alta. Si el generador simple girara a una velocidad de 10 revoluciones por segundo, la frecuencia sería de 10 cps; a 100 revoluciones por segundo, la frecuencia sería de 100 cps. La mayor parte de la potencia eléctrica que se genera en los Estados Unidos tiene una frecuencia de 60 cps. En la mayor parte de los aparatos eléctricos hay una anotación de que el aparato debe usarse sólo en 60 cps. Estos aparatos están diseñados para esta frecuencia estándar de alimentación y si se conectan a una fuente que tenga una frecuencia diferente, pueden averiarse o bien no trabajar correctamente. 21

cualquier punto de una onda sinusoidal tiene cierto ángulo de fase. Las frecuencias eléctricas vigentes en otros países varían desde 25 a 125 cps. Por ejemplo, muchos de los países de Europa y Sudamérica emplean energía eléctrica con una frecuencia estándar de 50 cps. En algunos casos especiales - por ejemplo en sistema eléctrico aeronáutico - la frecuencia de la energía eléctrica empleada puede ser de 400 a 1,000 cps. Fase La salida de un generador simple de c-a varía en forma de onda sinusoidal. Por lo tanto, si dos de estos generadores se ponen a funcionar, cada uno generará una salida sinusoidal completa después de una revolución. Si los generadores se hacen funcionar en el mismo instante y giran exactamente a la misma velocidad, las dos formas de onda comenzarán y terminarán simultáneamente. También alcanzarán sus valores máximos y pasarán por cero al mismo tiempo. Entonces se dice que las dos formas de onda "coinciden" entre si y que las tensiones que representan están en fase. De aquí se concluye que el término jase se usa para indicar la relación de tiempo entre tensiones y corrientes alternas. El que dos corrientes o tensiones estén en fase no significa que sus magnitudes sean iguales. Las magnitudes máximas se alcanzan al mismo tiempo, pero sus valores pueden ser diferentes. Aunque generalmente se usa el término fase para comparar la relación de tiempo de dos ondas, también se puede usar para indicar un punto de una onda en determinado instante. Como se mostró anteriormente un ciclo completo se puede representar por grados. Con frecuencia, los grados reciben el nombre de ángulos de fase. La fase del máximo positivo es de 90 grados y del máximo negativo es de 270 grados. La onda sinusoidal es nula cuando los ángulos de fase son 0, 180 y 360 grados. Así, se puede considerar que Relaciones de fase Puesto que los valores instantáneos de corriente y tensión en un circuito de c-a que contiene sólo resistencia siguen la ley de Ohm, esto significa que en cualquier instante en que la tensión sea cero, la corriente será también cero cuando la tensión es máxima, la corriente también debe ser máxima, puesto que la resistencia es constante. Cuando la tensión se invierte, haciéndose negativa, la corriente también se invierte, debido a que siempre fluye de negativo a positivo. Así, en todo instante la corriente está exactamente en fase con la tensión aplicada. Por lo tanto, en un circuito resistivo de c-a, la corriente y la tensión están en fase. Esto ocurre no solamente por lo que se refiere a la corriente total del circuito y a la tensión de la fuente, sino que también ocurre en lo que respecta a la tensión y corriente en todas las partes del circuito. 22

Diferencia de fase Si dos generadores idénticos arrancan al mismo tiempo y giran a la misma velocidad, sus valores máximo y mínimo ocurrirán simultáneamente, de manera que ambas salidas estarán en fase. Pero si un generador se arranca después del otro, sus valores máximo y mínimo de salida ocurrirán después de los valores correspondientes al otro generador. En el caso que se considera, ambas salidas están defasados, o, dicho de otra mantera, existe una diferencia de fase entre ambas salidas. La magnitud de la diferencia de fase depende de cuánto atraso tenga una salida con respecto a la otra. La diferencia de.fase se puede expresar en fracciones de ciclo. Luego si una salida comienza cuando la otra acaba de completar la mitad de un ciclo, la diferencia de fase es de medio ciclo, sin embargo, la diferencia de fase se mide generalmente en grados para mayor precisión. Y puesto que una onda sinusoidal completa corresponde a 360 grados, una diferencia de fase de medio ciclo será una diferencia de fase de 180 grados; una diferencia de fase de un cuarto de ciclo será una diferencia de 90 grados, etcétera. Los términos adelantado y atrasado se usan para definir las posiciones relativas en el tiempo, de dos tensiones o corrientes que estén fuera de fase. La que está adelante en el tiempo, se dice que está adelantada, en tanto que la otra estará atrasada. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica frecuencia, longitud de onda y fase, existen otros términos relativos a la c-a que se usan muy a menudo y que el lector debe conocer. Por ejemplo, a veces a la mitad de un ciclo se le llama alternación. Otro término de aplitud. La amplitud de una corriente o tensión alterna es el valor máximo que esa corriente o tensión alcanza. Es igual en la dirección positiva que en la negativa. En una onda, la amplitud es la distancia del eje horizontal al punto más alto de la onda sobre el eje, o bien, al punto más bajo, abajo del eje. La amplitud con frecuencia Se conoce también como valor pico. Otro término que debe conocerse es período. El período de una magnitud alterna - por ejemplo una tensión o una corriente alterna - es el tiempo que tarda dicha magnitud en efectuar un ciclo completo. Si se conoce la frecuencia, el período se puede calcular con facilidad. Por ejemplo, para una tensión de 60 cps, se generan 60 ciclos en un segundo. Por lo tanto, se requiere 1 /60 de segundo para generar un ciclo. Así pues, el período se obtiene dividiendo la unidad entreoía frecuencia: Periodo = 1 frecuencia Otros términos relativos a la c-a El lector ya conoce la mayor parte de los términos que se usan normalmente para describir tensiones y corrientes alternas y sus formas de onda. Sin embargo, además de los términos de ciclo, El período se indica en segundos y la frecuencia en ciclos por segundo o cps. Ciclo La frecuencia de un voltaje o corriente es el número de ciclos generados en un tiempo determinado (cada segundo), por lo tanto según 23

la figura especifica que la frecuencia de tal voltaje es de 3 cps. 1.3. Terminología de la corriente alterna Valores de tensión de c-a Especificar el valor de tensión o corriente continua no es problema, ya que los valores de c-c no cambian. Por otra parte, los valores de c-a, tanto de tensión como de corriente, varían constantemente, de manera que no es fácil especificarlos. Antes de que se pueda dar el valor de una tensión o corriente alterna, generalmente hay que determinar qué tipo de valor se necesita. Y esto, a su vez, depende de la forma en que se desee emplear el valor. El más obvio probablemente sería el valor pico que, según se ha dicho, es la amplitud o valor máximo de la tensión o la corriente. Otro valor que se usa algunas veces es el valor pico-pico, al cual es el doble del valor pico. En una onda, el valor pico es la distancia vertical del valor máximo positivo al valor máximo negativo. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica Ocasionalmente, el valor instantáneo de una tensión o corriente puede ser importante. Este es el valor de un instante determinado según el instante seleccionado, este valor puede ser cualquiera entre cero y el valor pico. En la mayor parte de los casos, ninguno de estos valores (pico, pico-pico o instantáneo) son suficientes para dar los valores reales de tensiones y corrientes alternas. En su lugar, generalmente se usan otros dos valores, llamados valor medio y valor efectivo. Valores medios El valor medio de una tensión o una corriente alternas es el promedio de todos los valores instantáneos d rante medio ciclo, o sea, una alternación. Puesto que durante medio ciclo la tensión o la corriente aumentan de cero al valor pico y luego disminuyen a cero, el valor promedio debe encontrarse en algún punto entre cero y el valor pico. Para una onda sinusoidal pura, que es la forma de onda más común en los circuitos de c- a, el valor promedio es 0.637 veces el valor pico. Para tensión esto se expresa mediante la ecuación: EMED = 0.637 pico Por ejemplo, si la tensión pico de un circuito es de 100 volts, la tensión media será: EMED = 0.637 EPICO = 0.637 X 100 = 63.7 volts La ecuación para calcular la corriente media en función de corriente pico es idéntica a la que se dio para e1 caso de la tensión. Debe tenerse cuidado de no confundir el valor medio, que es el promedio de medio ciclo, con el promedio de un ciclo completo. Puesto que ambos medios ciclos son idénticos, excepto porque uno es positivo y el otro negativo, el promedio sobre un ciclo completo, sería cero. 24

Valores efectivos Aunque los valores medios de una tensión o una corriente alternas son útiles, no tienen relación con valores correspondientes en c-c. Puede saberse que en un circuito fluye una corriente alterna cuyo valor medio es 10 amperes, pero esto no proporciona información sobre cómo se compararía con 10 amperes de c-c en el mismo circuito. Puesto que muchos equipos eléctricos tienen circuitos tanto de c-a como de c-c, es muy útil si se pueden expresar corrientes y tensiones alternas en valores que se relacionen con c-c. Es posible hacer esto gracias al uso de valores efectivos. El valor efectivo de una tensión o corriente alterna es el que, en un circuito que sólo contenga resistencia, produce la misma cantidad de calor que la producida por una- tensión o corriente continua del mismo valor. Por lo tanto, una corriente alterna cuyo valor eficaz sea de 1 ampere, genera el mismo calor en una resistencia de 10 ohms que una corriente directa de 1 ampere. El valor efectivo también se llama raíz cuadrática media, o rom, debido a la forma en que se obtiene: es igual a la raíz cuadrada del valor medio de los cuadrados de todos los valores instantáneos de corriente o tensión, durante medio ciclo. En una onda sinusoidal pura, el valor efectivo es 0.707 veces el valor pico. Por lo tanto, las ecuaciones para calcular los valores efectivos de corriente y tensión son las siguientes: EEF = 0.707 pico EEF = 0.707 pico Por lo tanto, para una tensión pico de 100 volts el valor rcm de una tensión alterna sería 70.7 volts. Esto significa que un resistor conectado a una fuente de c-a de 100 volts, producirá el mismo calor que si se colocara en una fuente de c-c de 70.7 volts. El valor efectivo se usa para clasificar tensiones y corrientes alternas. La tensión de 110 volts que llega a los hogares es el valor rcm. También lo es la tensión de potencia de 220 volts para usos industriales. Colegio Nacional de Educación Profesional Técnica Valores de conversión Al trabajar con circuitos de c-a, a menudo será necesario convertir a otros valores los dados o medidos de tensión o de corriente alterna. Por ejemplo, puede ser necesario convertir un valor medio a un valor pico, o quizá un valor eficaz a valor medio. Para todas las conversiones entre valores pico, medio y efectivo, existen seis ecuaciones básicas que pueden aplicarse. Mediante la ecuación apropiada, es fácil convertir cualquiera de estos valores, a otro. En seguida aparecen las seis ecuaciones que se emplean para convertir valores de tensión y corriente. En algunos casos, puede ser necesario convertir a 0 de valores pico-pico. Para esto es preferible usar las ecuaciones para valor pico y tener presente que el valor pico-pico es lo doble del valor pico y, recíprocamente, que el valor pico es la mitad del valor pico-pico. 25

2 APLICACIONES DE LA CORRIENTE ALTERNA Al finalizar la unidad, el alumno identificara los circuitos con corriente alterna, la inductancia en la corriente alterna y los diferentes tipos de transformadores. Mapa curricular del módulo ocupacional Aplicación de Corriente Alterna 26 Módul 108 Hrs.

1.1. Identificar los Componentes de la corriente alterna. 5 hrs. 1.2 Identificar las Características de la corriente alterna 5 hrs. 1.3. Identificar la terminología de la corriente alterna. 5 hrs. 2.1. Identificar Los circuitos con corriente alterna. 9 hrs. Resultados de Aprendizaje 2.2. Identificar la inductancia en la corriente alterna. 7 hrs. 2.3. Identificar los diferentes tipos de transformadores. 9 hrs. 3.1. Identificar los Generadores de Corriente Alterna. 14 hrs. 3.2. Identificar los Motores de Corriente Alterna. 11 hrs. 4.1. Identificar los Equipos Medidores. 12 hrs. 4.2. Identificar los Equipos Convertidores de Energía 13 hrs. 27

2. Aplicaciones de la Corriente Alterna Sumario Circuitos con Corriente Alterna Impedancia. Tipos de Transformadores: RESULTADO DE APRENDIZAJE 2.1. Identificar Los circuitos con corriente alterna 2.2. Identificar la inductancia en la corriente alterna. 2.3. Identificar los diferentes tipos de transformadores. Por qué se utiliza la corriente alterna? función deseada, especialmente en el interior de equipo eléctrico. Las primeras fuentes de energía eléctrica que usaron ampliamente proporcionaban corriente directa. Pero, mientras mejor se conocían las características de la corriente alterna, ésta fue sustituyendo a la corriente directa como la forma de energía más usada en el mundo. Actualmente, de toda la energía que se consume en el mundo, cerca del 90% es de corriente alterna. En Estados Unidos este porcentaje es aún mayor. Es cierto que aun allí hay colonias en las ciudades más antiguas en donde todavía se usa energía eléctrica de c-c; sin embargo, también en estas colonias se está cambiando gradualmente a c-a. Cuáles son las razones de este cambio? Por qué es nueve veces mayor el consumo de energía de c- a que de c-c? Básicamente, hay dos razones para esto. Una de ellas es que, por lo general, la c-a sirve para las mismas aplicaciones que la c-c y, además, es más fácil y barato transmitir c-a desde el punto donde se produce hasta el punto donde se consumirá. La segunda razón para el amplio uso de la c-a es que con ella se pueden hacer ciertas cosas y sirve para ciertas aplicaciones en las cuales la c-c no es adecuada. No debe pensarse que se dejará de usar la c-c y que toda la electricidad utilizada será de c-a. Hay muchas aplicaciones en donde sólo la c-c puede efectuar la 2.1 Circuitos Circuitos resistivos de c-a En un circuito la resistencia es la única propiedad que se opone al flujo de la corriente, a que lo reduce. La resistencia también se opone al flujo de la corriente de un circuito de c-a, aunque en este caso no siempre es la única propiedad que lo hace. Posteriormente se verá que los circuitos de c- a tienen otras propiedades que, igual que la resistencia, afectan la relación de corriente y tensión en un circuito. Sin embargo, el tipo más simple de circuito de c-a contiene sale resistencia. Además, en la misma forma que un circuito de c- c, esta resistencia incluye la resistencia particular de las cargas, la fuente de energía y los conductores. 28