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FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD INDUSTRIAL TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCION Propósitos del módulo ____________________________________________________ 1

SECCION 1 - FUERZAS ELECTRICAS Y EL FLUJO DE ELECTRICIDAD Introducción ______________________________________________________ Iones, Atomos y Electrones Libres ____________________________________ Corriente __________________________________________________________ Voltaje____________________________________________________________ Circuitos __________________________________________________________ Repaso 1 __________________________________________________________

3 4 6 7 9 10

SECCION 2 - CARGAS ELECTRICAS, ENERGIA Y TRABAJO Introducción ______________________________________________________ Resistencia ________________________________________________________ Ley de Ohm ______________________________________________________ Energía Eléctrica Realiza Trabajo Eléctrico ______________________________ Electromagnetismo __________________________________________________ Repaso No 2 ______________________________________________________

13 14 15 22 24 26

SECCION 3 - USOS INDUSTRIALES DE ENERGIA ELECTRICA Introducción ______________________________________________________ Corriente Directa __________________________________________________ Corriente Alterna __________________________________________________ Voltaje y Corriente __________________________________________________ Corriente Alterna Trifásica ____________________________________________ Repaso 3 __________________________________________________________

29 30 30 32 34 36

RESUMEN ________________________________________________________ 38 GLOSARIO ________________________________________________________ 41 RESPUESTAS ______________________________________________________ 44

ATENCION El personal de operaciones usa tecnología para alcanzar metas específicas. Un objetivo clave del programa de entrenamiento es promover la comprensión de la tecnología que el personal operativo, usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza la relacion trabajo-habilidades mediante el suministro de información adecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedan aplicar in mediatamente. La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento de la información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado para que reflejen los principios científicos puros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunos casos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.

FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD INDUSTRIAL EQUIPOS PARA OLEODUCTOS. © 1995 IPL Technology & Consulting Services Inc. Reproduction prohibited (March 1996) IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC. 7th Floor IPL Tower 10201 Jasper Avenue Edmonton, Alberta Canada T5J 3N7 Teléfono Fax

+1 (403) 420 8489 +1 (403) 420 8411

Referencia - 2.16 Indust Elec November, 1997

HABILIDADES DE ESTUDIO Para que el aprendizaje de los módulos sea más efectivo, se sugiere tener en cuenta las siguientes recomendaciones. 1. Trate de que cada periodo de estudio sea corto pero productivo (de 10 a 45 minutos). Si usted ha establecido que estudiará durante los cinco dias de la semana un total de dos horas por día, separe los tiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cinco minutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semana de auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Por ejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio, deberá contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener el ritmo de la mayoría de los programas de aprendizaje. 2. Cuando usted esté estudiando establezca conexiones entre capítulos y tareas. Entre más relaciones logre hacer le será más fácil recordar la información. 3. Hay cuestionarios de autoevaluación al final de cada sección del módulo. Habitualmente el responder a estos cuestionarios incrementará su habilidad para recordar la información. 4. Cuando esté leyendo una sección o un módulo, primero de un vistazo rápido a toda el material antes de comenzar la lectura detallada. Lea la introducción, conclusiones y preguntas al final de cada sección. A continuación como una tarea separada estudie los encabezados, gráficos, figuras y títulos. Despues de esta excelente técnica de revision previa, usted estará familiarizado con la forma como está organizado el contenido. Después de la lectura rápida continue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza lo que ya usted ha estudiado y además le clarifica el tema. Mientras usted este realizando esta lectura deténgase al final de cada sub-sección y pregúntese “¿Que es lo que he acabado de leer?” 5. Otra técnica de estudio útil es escribir sus propias preguntas basadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de los módulos.

6. Cuando esté tomando notas en el salón de clases considere la siguiente técnica. Si usa un cuaderno de de argollas escriba solo en las página de la derecha. Reserve las página de la izquierda para sus propias observaciones, ideas o áreas en las que necesit e aclaraciones. Importante: escriba las preguntas que su instructor hace, es posible que usted las encuentre en el cuestionario final. 7. Revise. Revise. Revise, El revisar el material aumentará enormemente su capacidad de recordar. 8. El uso de tarjetas para notas, le ayudará a identificar rápidamente áreas en las cuales usted necesita repasar antes de un exámen. Comience por ordenar a conciencia las tarjetas después de cada sesión de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escríbala en una cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definición. Esto es aplicable para todos los módulos. Por ejemplo, simbolos químicos/que representan; estación terminal/definción; una sigla(acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y se este preaparando para una prueba, ordénelas con el lado que contiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificar si usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por qué gastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque las tarjetas que no pudo identificar, le indican las áreas en las cuales necesita reforzar su estudio. 9. Adicionalmente estos módulos tienen identificados métodos de enseñanza específica para ayudar a la comprensión del tema y su revisión. Los términos (palabras, definiciones), que aparecen en negrilla están en el glosario. Para relacionar la información de los términos y su significado, los números de las páginas aparecen en las definiciones del glosario con el objeto de identificar donde apareció el término por primera vez en el téxto. Las definiciones que en el glosario no tienen ningún número de página es importante de igual manera entenderlas, pero están completamente explicadas en otro módulo.

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

Los mayores gastos para operar un oleoducto son los costos de energía requerida para bombear el petróleo. En la mayoría de los casos, la energía utilizada es la electricidad. El entendimiento de lo que es la electricidad y como funciona es de gran valor para el operador del oleoducto debido a que decisiones efectivas de operación pueden resultar en ahorros de millones de dólares/año. Este módulo describe los fundamentos de electricidad.

Este módulo presenta información sobre los propósitos siguientes: • • • •

Describe la electricidad en su nivel átomico Explica que es la corriente, el voltaje y los circuitos eléctricos. Explica que es la resistencia, el electromagnetismo y la energía. Describe los usos industriales de la energía eléctrica.

NINGUNO

INTRODUCCION

PROPOSITOS DEL MODULO

PRE-REQUISITOS

1

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

SECCIÓN 1

FUERZAS ELECTRICAS Y EL FLUJO DE ELECTRICIDAD En la industria de ductos la electricidad es la fuente de energía más utilizada. Esta energía acciona los motores de las bombas de gran tamaño, los calentadores y los equipos de iluminación. Para entender los fundamentos de energía eléctrica, es importante estar enterado de sus fuentes y propiedades básicas. Esta sección describe la teoría atómica básica y provee una introducción a los electrones y a las fuerzas que los mueve. Además, está sección define el voltaje e introduce los circuitos eléctricos, distinguiendo las configuraciones en serie y en paralelo. Después de completar esta sección usted será capaz de comprender los propósitos siguientes: • • • • • •

INTRODUCCION

OBJETIVOS

Entender la definición de un electrón. Reconocer las capas orbitales, la capa Valencia y el electrón Valencia. Relacionar las características entre los iones y los electrones libres. Identificar el flujo de electricidad. Identificar el término voltaje (diferencia de potencial). Diferenciar entre los circuitos eléctricos en serie y en paralelo.

3

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

IONES, ATOMOS Y ELECTRONES LIBRES.

Todos los átomos son los bloques que forman el mundo material y están constituídos de un núcleo (centro) que contiene a los protones y a los neutrones. La fuerza que mantiene unidos a los protones y a los neutrones en un átomo se denomina enlace átomico. Los átomos también contienen electrones (ver figura 1) que se mueven alrededor del núcleo en un patron orbital a differentes distancias; similar a los planetas en el sistema solar que se mueven alrededor del sol a diferentes distancias. La fuerza que mantiene a los planetas de alejarse del sol es la atracción gravitacional al sol. La fuerza que mantiene a los electrones de alejarse del núcleo es la atracción eléctrica a los protones en el núcleo. Cada protón posee una carga eléctrica positiva. Cada electrón posee una carga eléctrica negativa. En un enlace eléctrico, las cargas opuestas se atraen entre si. Un protón atrae a un electrón, por lo tanto un átomo con 25 protones tiende a tener en sus capas 25 electrones.

Núcleo

Electrón

Figura 1 Estructura atómica Un átomo consiste de un núcleo el cual contiene a los protones y a los neutrones, los electrones giran alrededor del núcleo.

En ésta figura tridimensional, los electrones giran alrededor del núcleo de la misma forma que los planetas giran alrededor del sol

Un átomo cuyo número de protones es Núcleo igual al número de electrones no tiene carga eléctrica (ni positiva, ni negativa). Electrón Tipicamente, el número de protones de un átomo es igual a su número de electrones. En ésta figura bi-dimensional se presenta un Sin embargo, esta regla tiene sus excep- átomo de carbón con dos electrones en la primera capa, 8 en la segunda y dos en la ciones. Los electrones giran en capas alrededor del núcleo. Los electrones que se encuentran en las capas más próximas al núcleo están unidos al átomo mediante enlaces eléctricos con los protones. Cada capa puede sostener cierto número de electrones, mientras mayor sea la distancia existente entre el electrón y el núcleo, menor será la fuerza de atracción entre ambos. Se le denomina capa de valencia a la capa más alejada del núcleo del

4

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

átomo. Los electrones existentes en la áltima capa se les denomina electrón valencia. Debido a la distancia entre este electrón y el núcleo, su fuerza de atracción es débil. Debido a la poca fuerza de atracción, el electrón de esta áltima capa podría separarse del átomo (ver figura 2 ). Cuando esto ocurre el átomo contiene más protones que electrones y su carga es positiva neta. Los electrones que se separan pueden unirse a otro átomo dándole a ese átomo una carga negativa neta. Los electrones que son capaces de moverse de un átomo se llaman electrones libres y son la base de la electricidad. Los átomos que poseen una carga positiva neta ó una carga negativa neta se llaman iones. Los iones ejercen fuerza sobre los electrones libres mediante la atracción o repulsión de ellos. Un ión con una carga positiva neta atrae electrones, mientras que un ión con una carga negativa neta repele electrones Figura 2 Capa de Valencia Los electrones en la capa orbital exterior de un átomo se llaman electrones valencia. Los electrones valencia pueden dejar la capa de valencia para unirse a otro átomo, formando iones.

Un electrón deja una capa de valencia de una átomo para entrar a la capa de valencia de otro átomo

Capa de Valencia

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

CORRIENTE

Los electrones tienden a moverse fácilmente dentro de ciertos materiales y no así en otros. Ciertos materiales como cobre poseen un electrón libre en la capa de valencia de sus átomos. Estos electrones libres no se encuentran muy unidos al núcleo del átomo y están libres de realizar movimientos de un átomo a otro a través de toda la materia. La materia con alta densidad de electrones libres como el cobre, permiten el flujo de electricidad más facilmente que la materia con pocos electrones relativamente libres, tales como porcelana (ver figura 3). Los materiales en los cuales los electrones se movilizan libremente, se dice que son buenos conductores. Contrariamente los materiales en los cuales no se movilizan facilmente, como por ejemplo la porcelana, se dice que son buenos aisladores. Sin la influencia exterior, los electrones libres se movilizan al azar a través de todos los materiales conductores. Barra de cobre Gran cantidad de electrones libres e e e e e e e e e ee e e e e e e

Taza de porcelana Pocos electrones libres e e

Figura 3 La Densidad de los Electrones Libres varía El cobre contiene muchos electrones libres, mientras que la porcelana contiene pocos electrones libres.

Los electrones pueden ser inducidos a fluir en una dirección contínua a través de un conductor, tal como un pedazo de cable de cobre. Los conductores como el cable de cobre se utilizan en extensiones, líneas de fuerza eléctrica y motores eléctricos. Un cable de cobre actuará de conducto para el flujo de electrones, de la misma manera un tramo de tubo actuará de conducto para el flujo de fluídos como se indica en la figura 4. Un flujo contínuo de carga en un conductor se llama corriente eléctrica. Aunque el flujo de corriente es el resultado del movimiento de electrones, el flujo de corriente convencional representa el movimiento de las cargas positivas. La corriente I se expresa en amperios (amps) la cual es una medida de la tasa de flujo de la carga. La tasa de flujo de un amperio es equivalente a 6,24 x 18 electrones por segundo.

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FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

La carga de un electrón es negativa e igual en magnitud a 1,602 × 10-19 C. 1 Amp = 1 c/s = (No. de electrones)(1.60219 x 10-19 C/electron)/s No. de electrones = 6.24 × 1018 Por lo tanto la tasa de flujo de un amperio es equivalente a 6,24 x 1018 electrones/segundo.

a) Petróleo fluyendo través de un oleoducto Petróleo

b) Electrones fluyendo a través de un cable de cobre

e

e

e e

e

Figura 4 Flujo de electrones Un oleoducto actúa de conducto para el flujo de petróleo mientras que un cable de cobre actúa de conducto para el flujo de electrones.

Para que los electrones fluyan continuamente en la misma dirección a través de un conductor, debe existir algo que ocasione su movimiento. La fuerza impulsora detrás del flujo de electrones se llama voltaje. Debido a que el voltaje es la fuerza que mueve a los electrones, algunas veces también se le refiere como fuerza electromotriz (emf). Otro término utilizado para el voltaje es la diferencia de potencial, la cual se refiere a la diferencia en carga entre dos puntos que pueden potencialmente causar que los electrones fluyan. Los tres términos son iguales porque definen el voltaje como una diferencia neta en carga entre dos puntos. Un punto tiene exceso de electrones mientras que el otro tiene escasez de electrones. La cantidad de la diferencia en carga entre los dos puntos se mide en voltios (V). Si los dos puntos se conectan mediante un conductor (ver figura 5), los electrones tenderán a fluir desde el punto cargado negativamente a través del conductor hacia el punto cargado positivamente hasta que las cargas se igualen. Cuando las cargas se igualan, ya no existe una diferencia en potencial.

VOLTAJE

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

e

I

Cable de cobre

e

I e

e –

e

+

+ Fuente de voltaje Una batería es una fuente de voltaje

I

– e I

Diagrama del circuito

Figura 5 El voltaje impulsa el flujo de electrones. El lado negativo y positivo de una batería son puntos de cargas eléctricas diferentes. Cuando estos puntos se conectan mediante un material conductivo como el cable de cobre, resultará el movimiento de los electrones en el flujo de la corriente eléctrica.

El voltaje es una medida para determinar la fuerza que mueve a los electrones desde un punto cargado negativamente hasta otro punto cargado positivamente. El voltaje no es una medida para calcular los electrones que se movilizan desde un punto cargado negativamente hasta otro punto cargado positivamente. Se puede usar analogía entre la transferencia de fluídos en un oleoducto y la transferencia de electrones en un cable conductivo. (Ver figura 6). Los electrones fluyen a través de un cable eléctrico como el fluído fluye a través de un tubo hasta el otro extremo. La fuerza que impulsa el fluído a través del tubo se debe a la diferencia en desnivel(head) desde un extremo del tubo hasta el otro extremo. La fuerza que impulsa a los electrones a fluir a través del cable es una diferencia en carga eléctrica (voltaje) desde un extremo del cable hasta el otro extremo. El desnivel(head) es una medida para determinar la fuerza aplicada al flujo y no para determinar la cantidad de fluído que esta disponible. El voltaje es una medida para calcular la fuerza aplicada a los electrones y no para calcular los electrones que estan disponibles.

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FUNDAMENTOS

Baja carga eléctrica

Alto Nivel

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

e e

+

e – Bajo Nivel

Alta carga eléctrica

e

Figura 6 El desnivel (head) ocasiona que el fluído fluya, El Voltaje ocasiona el flujo de electrones. La diferencia en desnivel (head) desde la parte superior hasta la parte inferior de la colina ocasiona el flujo del fluído, mientras que la diferencia en carga eléctrica (voltaje), ocasiona el flujo de electrones.

Cada vez que un punto con carga negativa se conecta a un punto con carga positiva mediante un conductor, de tal manera que se permita el flujo de electrones a través del conductor entre la diferencia de potencial, un circuito eléctrico se ha formado. Un circuito eléctrico es un paso conductivo a través del cual los electrones fluyen desde un punto de alta carga eléctrica hasta un punto de baja carga eléctrica. Un circuito eléctrico puede ser simple, permitiendo solamente un + – paso para el flujo de electrones o Paso de flujo simple y puede ser más complejo permisencillo Circuito en seri tiendo más de un paso para el flujo de electrones (ver figura 7). I Cualquier porción de un circuito eléctrico, donde los electrones tienen un solo paso del flujo es un Circuito en paralelo circuito en serie. Cualquier porción de un circuito eléctrico, donde los electrones tienen dos ó – + mas pasos posibles es un circuito en paralelo.

I

Circuito en paralelo

CIRCUITOS

Figura 7 Circuitos en serie y en paralelo Un circuito con solamente un paso de electrones es un circuito en serie y un circuito con mas de un paso de electrones es un circuito en paralelo.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

REPASO 1

1. Los átomos están constituídos por protones, electrones y neutrones. El núcleo de un átomo consiste de _________

a) b) c) d)

protones y electrones electrones y neutrones protones y neutrones solamente electrones

2. El enlace eléctrico es el enlace entre ___________

a) b) c) d)

protones y neutrones electrones y neutrones protones y electrones ninguna de las anteriores

3. ____________se mueven en órbitas lo más alejado del núcleo.

a) b) c) d)

Los protones Los electrones valencia Los iones Ninguna de las anteriores

4. Los átomos que poseen una carga positiva neta ó una carga negativa neta se conocen como ________

a) b) c) d)

iones electrones libres quarks capas de valencia

5. Los iones que poseen una carga positiva neta son capaces de repeler a los electrones

a) verdadero b) falso 6. Los materiales que poseen una alta densidad de electrones libres y permiten el flujo fácil de electricidad se conocen como

a) b) c) d)

10

aisladores conductores resistores inductores

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

7. Los materiales que posee una baja densidad y no permiten el flujo fácil de electricidad se conocen como

a) b) c) d)

aisladores conductores resistores inductores

8. El flujo contínuo de carga en un conductor se conoce como __________ eléctrico

a) b) c) d)

voltaje carga corriente circuito

9. La corriente es la tasa de flujo de la carga y se mide en unidades llamadas _________

a) b) c) d)

voltios Ohms amperios ninguna de las anteriores

10. El voltaje es _________

a) un flujo de corriente eléctrica b) una medida de los electrones disponibles para fluir de un punto a otro c) una diferencia neta en carga entre dos puntos d) la fuerza que impulsa el flujo de electrones e) ambas c) y d) 11. El paso conductivo a través del cual los electrones fluyen desde un punto de alta carga eléctrica hasta un punto de baja carga eléctrica se conoce como

a) b) c) d)

corriente un circuito potencial un resistor

11

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

12. Un circuito que provee más de un paso para el flujo de electrones se conoce como un circuito______

a) b) c) d)

en serie variable en paralelo efectivo

13. Un circuito que provee un solo paso para el flujo de electrones se conoce como un circuito _______

d) b) c) d)

en serie variable en paralelo efectivo

Las respuestas se encuentran al final del módulo.

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FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

SECCION 2

CARGAS ELECTRICAS, ENERGIA Y TRABAJO

La Sección 1 describe y analiza el voltaje, la corriente y los circuitos. La sección 3 desarrolla los principios básicos de la electricidad para analizar los usos de la energía eléctrica para realizar trabajo átil. Esta sección presenta la resistencia eléctrica y la Ley de Ohm. También se describe el proceso básico de la energía eléctrica para ser convertida a energía calorífica ó energía mecánica para realizar trabajo util.

Después de ésta sección usted será capaz de comprender los propósitos siguientes:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

• Reconocer el uso de la Ley de Ohm para relacionar entre si el voltaje, la corriente y la resistencia. • Identificar el electromagnetismo. • Ilustrar la conversión de energía eléctrica a energía calorífica o a energía mecánica. • Reconocer la energía y el trabajo.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

RESISTENCIA

así como el flujo de fluídos experimenta resistencia al flujo en una tubería debido a la fricción, también los electrones experimentan resistencia al flujo en un cable. En algunos materiales tales como el cobre y el oro, la resistencia al flujo de electrones es muy bajo debido a que los electrones en la capas de valencia de estos materiales pueden ser liberados de sus núcleos facilmente. Sin embargo en otros materiales debe ser superada para que pueda fluir una corriente eléctrica. Esta mayor resistencia se debe a que es dificil para los electrones liberarse del núcleo en las capas de valencia de estos átomos. La oposición al flujo de electrones, ó a la fricción eléctrica, se conoce como resistencia. La resistencia origina la energía calorífica así como la fricción en una tubería con fluídos crea energía calorífica (ver figura 8). Aunque la resistencia a la corriente es mas obvia en algunos materiales que en otros, la misma existe hasta cierto valor en todos los materiales - incluyendo buenos conductores como el cobre y el oro.

Petróleo

+

I

–

a) Calor generado por la fricción en una tubería con fluidos

b) Calor generado por una resistencia en un conductor

Figura 8 Pérdidas por fricción a) Una tubería con el flujo de fluídos experimenta fricción, la cual causa que la pérdida de energía se libere en forma de calor. b) Un cable con una corriente eléctrica experimenta resistencia la cual ocasiona que la pérdida de energía se libere en forma de calor.

Algunas veces una válvula parcialmente cerrada en un oleoducto se utiliza para impedir el flujo de fluídos en el mismo. A veces también se coloca un pedazo de material con mayor resistencia en un cable para impedir el flujo de electrones. En un circuito eléctrico a esto se le llama comunmente resistor. Como se ha observado, la oposición a la corriente eléctrica se denomina Resistencia (R) y se mide en unidades llamadas Ohms (Ω). Un Ohm es una medida para determinar cuanta corriente se impide. La inclusión de un resistor en un circuito eléctrico con frecuencia se llama carga.

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FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

Las cargas eléctricas están presentes en bombillos, calentadores eléctricos, computadores y motores eléctricos. Los distintos tipos de cargas eléctricas se describen en el módulo SISTEMAS DE POTENCIA ELÉCTRICA INDUSTRIAL Válvula parcialmente cerrada

Petróleo

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

Resistor

Figura 9 Resistencia al flujo En un oleoducto, una válvula parcialmente cerrada impide el flujo. En un circuito un resistor impide la corriente.

Georg Ohm, un físico Alemán quién vivió durante los comienzos del siglo XVIII, fué el primero en registrar en sus observaciones de que existe una relación matemática entre el voltaje (V), la corriente (I) y la resistencia (R) en un circuito eléctrico.

Ohm encontro que cuando un conductor que contiene un resistor se coloca a través de una fuente de voltaje formando un circuito en serie, la corriente (I) en el circuito es igual al voltaje (V) dividido entre la resistencia (R). Esta relación matemática se conoce como la Ley de Ohm: Matemáticamente: en donde:

I =

V/R

I

Voltaje (Voltios, V)

=

R =

LEY DE OHM

RESISTORES EN CIRCUITOS EN SERIE

Resistencia (Ohms,Ω)

i.e.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

En la mayoría de los casos, la resistencia en los cables conductivos es tan baja que es insignificante; R es simplemente la oposición a la corriente causada por la carga resistiva, tal como un serpentín calentador.

EJEMPLO La Ley de Ohm puede ser utilizada (ver figura 10) para calcular la corriente en un circuito con una fuente de potencia de 12 V y un resistor simple de 3 Ohms. Figura 10 Corriente a ser calculada

+

–

I=? V = 12 v

R=3

Una batería de 12V junto con un cable de cobre y un resistor de 3 Ohms forman un circuito en serie. La corriente se calcula utilizando la Ley de Ohm.

Los valores conocidos en un circuito no son siempre el voltaje y la resistencia. Algunas veces se conocen el voltaje y la corriente, pero no la resistencia. En este caso se puede usar nuevamente la Ley de Ohm , reordenando la fórmula para calcular la resistencia.

Matemáticamente:

R =V / I I = V R I = 12 V 3Ω I = 4A

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FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

+

–

I = 10 A V = 12 v

R=?

Figura 11 Resistencia a ser calculada. Una fuente de potencia de 12 V, un cable de cobre y un resistor forman un circuito en series con una corriente de 10 A. La Ley de Ohm se utiliza para determinar la resistencia.

Se conecta una fuente de potencia de 12 V con un cable de cobre para formar un circuito en serie a través del cual fluye una corriente de 10A (ver figura 11). Cáal es la resistencia total presentada por el resistor en el circuito? I = V R R= V I R = 12 v 10 A R =1.2 Ω

EJEMPLO 2

Cuando un circuito contiene más de un resistor arreglado en serie (resistores en forma de cadenas), todavía se mantiene la Ley de Ohm. Sin embargo, la resistencia total para el circuito debe ser calculada mediante la combinación de todos los resistores. La corriente debe ser la misma a través de cada uno de los resistores, debido a que existe solamente un paso para el flujo de electrones. De este modo, IT = I1 = I2 = I3 = … = In Aunque la corriente a través de todos los resistores es idéntica, el voltaje entre los resistores es diferente. Esto se debe a que parte del voltaje se ha consumido durante el paso de la corriente a través de cada uno de los resistores. La Ley de Ohm se puede usar para calcular el voltaje entre cada resistor, ya que la resistencia y la corriente están determinados: V1 = I1 × R1

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

El voltaje total para todo el circuito en serie es la suma de los voltajes individuales a través de cada uno de los resistores. matemáticamente: VT = V1 + V2 + V3 + ... + Vn La resistencia total de los resistores arreglados en serie se puede calcular mediante el uso de la ley de Ohm: RT = VT IT RT = V1 + V2 + V3 + ... + Vn I1 I2 I3 In

ó ó

Simplemente,

RT = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

La resistencia total presentada por resistores máltiples arreglados en serie es la suma de cada uno de los resistores individuales. En otras palabras para calcular la resistencia total de un circuito en serie simplemente se suman los resistores individuales.

EJEMPLO 3

Determine la corriente si se conecta una fuente de potencia de 12 V con un cable de cobre para formar un circuito en serie que contiene un resistor de 2 Ohms y otro de 4 Ohms (ver figura 12). La resistencia total del circuito debe ser calculada antes de usar la Ley de Ohm para determinar la corriente. Las magnitudes de los resistores se pueden sumar debido a que están conectados en serie. –

+

I=? V = 12 v

R1 = 2

R2 = 4

Figura 12 Resistores en Serie Una batería de 12 V con un cable de cobre y un resistor de 2 Ohms y otro de 4 Ohms forman un circuito en serie. La resistencia total debe ser calculada, antes de usar la Ley de Ohm para determinar la corriente en el circuito.

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FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

RT = R1 + R2 = 2 Ohms + 4 Ohms = 6 Ohm I

=

V RT

I

= 12 V 6 Ohms

I

= 2A

Cuando se conecta un voltaje mediante un circuito que contiene los resistores arreglados en forma paralela (ver figura 13), también se aplica la Ley de Ohm. Sin embargo, la resistencia total para una sección paralela del circuito se calcula de una manera diferente a como se determinó la resistencia total para un circuito en serie. El voltaje será el mismo en cada uno de los pasos o trayectorias paralelas. La corriente tenderá a tomar la trayectoria con menor resistencia debido a que existe más de una posible trayectoria para el flujo de electrones. Por lo tanto, la corriente a través de un resistor pequeño será mayor que la corriente a través de un resistor más grande si se arreglan en paralelo. –

RESISTORES EN CIRCUITOS EN PARALE

+

V = 12 v

IT = I1 + I2 + I3

R1 = 12

I1 = ?

R2 = 6

I2 = ?

R3 = 4

I3 = ?

Figura 13 Resistores en Paralelo. Se conecta una batería de 12 V mediante tres resistores arreglados en paralelo. La corriente se calcula a través de cada uno de los ramales del circuito, luego se suma para determinar la corriente total del circuito. La corriente total del circuito se calcula usando la Ley de Ohm.

Debido a que el valor del voltaje y de la corriente son conocidos en cada uno de los ramales, se puede usar la Ley de Ohm para calcular la cantidad de corriente que fluye en cada ramal del circuito en paralelo. matemáticamente: I1 = V R1

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

La corriente total entra a través de la parte principal del circuito y se divide entre las partes individuales del circuito en paralelo, luego se recombina y regresa al terminal positivo de la fuente. Matemáticamente: IT = I1 + I2 + I3 + … + In donde:

IT es la corriente total a través del circuito en paralelo. I1, I2, I3, In = es la corriente a través de ramales individuales del circuito en paralelo.

Ahora que conocemos la corriente total en el circuito, podemos usar de nuevo la Ley de Ohm para calcular la resistencia total del circuito en paralelo. Matemáticamente: RT = V IT

EJEMPLO 4 Se conecta una batería de 12 V mediante un conductor con tres resistores en paralelo (ver figura 13). Paso 1: La corriente a través de cada uno de los ramales del circuito puede ser calculada usando la Ley de Ohm, Paso 2: La corriente total (IT) es la suma de las corrientes individuales ( I1, I2, I3). Paso 3: La resistencia total se calcula usando la Ley de Ohm mediante la división del voltaje (V) entre la corriente total (IT). Observe que la resistencia total del circuito es menor que el valor del resistor más pequeño en el arreglo en paralelo, Esto es porque existen más trayectorias para la corriente y tomará estas trayectorias con el propósito de minimizar la energía requerida. Existe otra ecuación más directa para determinar la resistencia total de un conjunto de resistores en paralelo. En el ejemplo anterior , el áltimo paso para calcular la resistencia total usando la ecuación: RT = V IT pero sabemos que : IT = I1 + I2 + I3 + … + In

V

Por lo tanto: pero también sabemos que : I1 = V R1 Por lo tanto:

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V

V V

V

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

Esta ecuación se puede reordenar de la siguiente forma: Esta relación puede ser extendida hasta cualquier número de resistores individuales en paralelo. La resistencia total del circuito en paralelo (ver figura 13) se puede calcular directamente usando la ecuación anterior.

Se tiene un circuito en serie y en paralelo cuando se colocan los resistores en un circuito eléctrico en una combinación de arreglos en serie y en paralelo. La mejor manera para determinar la resistencia total del circuito es la de primero transformar a resistencia simple los resistores que estan en paralelo y luego sumarla a los resistores en serie.

COMBINACIONES DE RESISTORES EN SERIE Y EN PARALELO EJEMPLO 5

Dado el arreglo de resistores conectados a la fuente de energía de 120 V (ver figura 14), Cáal será la corriente en el circuito? Primero el conjunto en paralelo de los resistores se deben sumar para calcular la resistencia total en la sección en paralelo del circuito. Esta resistencia total se puede sumar con los otros dos resistores para tener la resistencia total de todo el circuito. La corriente puede ser determinada mediante el uso de la Ley de Ohm. =4Ω

2

8 Ω 16 Ω 16 Ω RT = R1 + R2 + R3 RT = 5 Ω + 4 Ω + 1 Ω = 10 Ω V = 120 V RT 10 Ω

I

=

I

= 12 A

R1 = 5 I=? –

Figura 14 Combinación de resistores en serie y en paralelo

120 V +

8

16

16

R2 = ?

En este circuito primero se R3 = 1 calcula la resistencia total de la porción en paralelo, luego se suma con los resistores en serie. Finalmente se calcula la corriente en el circuito.

21

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

ENERGIA ELECTRICA REALIZA TRABAJO ELECTRICO

Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un material resistente, parte de la energía eléctrica se convierte en energía calorífica y se pierde en el ambiente. Al mismo tiempo, parte de la energía eléctrica puede ser convertida a energía en forma de luz, la cual también se pierde alrededor del ambiente. Esto es lo que ocurre cuando una corriente eléctrica pasa a través de un filamento de un bombillo incandescente (ver figura 15). Cuando se consume la energía eléctrica de esta forma para suministrar calor y/ó luz, se dice que se está realizando trabajo eléctrico. El bombillo actáa como una carga eléctrica en el circuito.

Se libera energía y calor

Figura 15 Trabajo eléctrico El bombillo realiza trabajo eléctrico mediante la conversión de la energía eléctrica a calor y a energía en forma de luz.

TRABAJO

22

El trabajo mecánico se define como una fuerza que actáa sobre un objeto a través de una distancia. La cantidad del trabajo mecánico realizado puede ser calculado mediante la multiplicación de la magnitud de la fuerza por la distancia sobre la cual actáa la fuerza. El trabajo eléctrico también se realiza cuando una fuerza actáa sobre un objeto a través de una distancia. Cuando se realiza trabajo eléctrico, la fuerza es el voltaje (fuerza electromotriz) y los objetos que se mueven son los electrones. El trabajo se mide en Joules.

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

La potencia (P) es la tasa en la cual se realiza un trabajo. En un sistema mecánico, la potencia se calcula dividiendo la cantidad de trabajo realizado entre la cantidad de tiempo requerido para realizar el trabajo (P = Trabajo / tiempo). En un sistema eléctrico, la potencia se calcula mediante la multiplicación de la fuerza electromotríz (voltaje) por la corriente. matemáticamente: donde:

POTENCIA (P)

P =V xI P = Power (watts, W) V = Voltage (volts, V) I = Current (amps, A)

La potencia se representa en unidades llamadas vatios (W) en reconocimiento a John Watt, el inventor de la turbina de Vapor. Un vatio es equivalente a un voltio impulsando a un amperio de corriente.

Energía es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo. La energía se encuentra en diferentes formas (eléctrica, química, calor, luz, mecánica, etc) y puede ser convertida de una forma a otra. Muchas personas tienen la impresión de que grandes compañías eléctricas venden potencia, realmente no es así. Lo que estas empresas realmente venden es energía, la cual es trabajo almacenado en cierta forma. Igual que el trabajo, la energía se mide en Joules. Sin embargo, la energía también se mide en unidades de Kilovatios - horas (Kwh). La razón para esto es que la cantidad de energía eléctrica consumida por una carga como un bombillo puede ser calculada mediante la multiplicación de la potencia por el tiempo que el bombillo ha estado consumiendo energía.

ENERGIA

23

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

EJEMPLO 6 Considere un sistema en el cual una fuente de potencia de 120 V forma un circuito simple con un bombillo (ver figura 16). La resistencia del filamento es de 120 Ohms. Usando la Ley de Ohm se calcula la corriente igual a 1 A. La potencia nominal del bombillo se calcula mediante la multiplicación del voltaje por la corriente. Su valor es de 120 W. Si el bombillo se mantiene encendido 5 Horas diarias por 20 días, la cantidad de energía eléctrica consumida por el bombillo se puede calcular mediante la multiplicación de la potencia nominal y el tiempo total que el bombillo permaneció encendido. Conociendo que la compañía local de electricidad cobra 10 centavos por Kwh, entonces el costo de la energía consumida es de $1,20. I

= V R

= 120 V = 1A 120 Ohms

P = VI = (120 V)(1A) = 120 W J = P × tiempo = (120 W) (5 horas / día) (20 días) J = 12 kWh Costo = J X Tarifa = Costo = $1,20

12 Kwh ($0,10 / Kwh)

+

120 V

R = 120

–

Figura 16 Un Bombillo Consume Energía Eléctrica.

I=?

Conociendo el voltaje del suministro de la fuente y la resistencia del bombillo, la corriente y la potencia nominal del bombillo se pueden determinar. Si se conoce el tiempo que el bombillo permanece encendido y el costo de la energía, el total de Kilovatios - horas consumidos y el costo del mismo se pueden calcular.

ELECTROMAGNETISMO

24

El electromagnetismo es un fenómeno importante para la conversión de energía eléctrica a energía mecánica y viceversa. Una propiedad fundamental de la electricidad es que cada vez que una corriente eléctrica fluye a través de un conductor, un campo magnético se forma alrededor del conductor. Ahora el conductor es un electroimán o electromagneto el cual tiene propiedades magnéticas que desaparecen cuando deja de fluir la corriente (ver figura 17). Si la corriente se obliga a fluir en sentido contrario, las propiedades magnéticas estarán presentes de nuevo, pero ahora el electroimán tendrá polaridad opuesta.

FUNDAMENTOS

a)

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

b)

–

+

No hay contacto

No hay contacto

V I=0 No hay corriente

No hay campo magnético Campo magnético

Figura 17 Electromagnetismo Un conductor con un flujo de corriente forma un campo magnético. Un cable conductivo sin flujo de corriente no forma campo magnético.

Este tipo de imán temporal que puede ser activado o desactivado es muy átil. Debido a que un imán es capaz de realizar trabajo mecánico (ejemplo ejerciendo una fuerza sobre otro objeto y movilizándolo, también es posible que un electroimán realice trabajo mecánico. Por lo tanto la energía eléctrica puede ser utilizada para realizar trabajo mecánico a través del electromagnetismo. Este es el principio usado en un motor eléctrico. Contrariamente, mientras un conductor se mueve a través de un campo magnético, el imán tiene el efecto de inducir el flujo de electrones dentro del conductor. Esto se concoce a) como inducción. El imán ejerce una fuerza electromotriz sobre los electrones e dentro del conductor. Si el conductor se N S detiene, la corriente eléctrica inducida también se detiene (ver figura 18). En conclusión, a través de la inducción, la energía mecánica de los cuerpos en movimiento puede ser usada para producir energía eléctrica mediante el b) flujo de electrones. e

Figura 18 Inducción.

N

S

Un conductor que pasa a través de un campo magnético genera corriente. Si el conductor detiene su movimiento relativo al imán, la corriente también se detiene.

25

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

REPASO NO. 2

1. La oposición al flujo de electrones se conoce como

a) b) c) d)

energía potencia resistencia o carga ninguna de las anteriores

2. La resistencia existe en cierta forma en todos los materiales a˙n en los buenos conductores como el cobre y el oro

a) verdadero b) falso 3. El enunciado de la Ley de Ohm establece que la corriente es igual al voltaje dividido entre

a) b) c) d)

resistencia amperios capacitancia inductancia

4. Si una batería tiene un voltaje de 3V y el resistor connectado por cables de cobre tiene una resistencia de 6 Ohms, cual será la corriente del circuito?

a) b) c) d)

3A 6A 0,5 A 2A

5. Si un resistor tiene una resistencia de 10 Ohms y la corriente es de 10 A, Cuál es el voltaje de la batería?

a) b) c) d)

26

10V 1V 0,1 V 100 V

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

6. Si una batería tiene un voltaje de 5V y una corriente de 2A, Cuál es la potencia entregada al resistor?

a) b) c) d)

10W 2,5 W 0,4 W 1W

7. Un resistor tiene una resistencia de 5 Ohms y una corriente de 1A. Cáal es la potencia entregada al resistor?

a) b) c) d)

1W 5W 10W 25 W

8. Si tres resistores de 4 Ohms, 5Ohms y 10 Ohms se conectan en serie, cuál es la resistencia total?

a) b) c) d)

9 Ohms 19 Ohms 1,82 Ohms 200 Ohms

9. Si tres resistores de 4 Ohms, 5 Ohms y 10 Ohms se conectan en paralelo, cuál es la resistencia total?

a) b) c) d)

9 Ohms 19 Ohms 1, 82 Ohms 200 Ohms

Las respuestas se encuentran al final del módulo.

27

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

SECCION 3

USOS INDUSTRIALES DE LA ENERGIA ELECTRICA

Desde el punto de vista de los fundamentos de la corriente eléctrica, las cargas y el trabajo, esta sección presenta el concepto de la electricidad como se utiliza en las aplicaciones industriales. Esta sección describe la diferencia entre la corriente directa y la corriente alterna, asi como también el método de la raíz cuadrada promedio (rms) para calcular el voltaje y la corriente efectiva. También se presenta el concepto de la potencia trifásica.

Después de esta sección Ud. Será capaz de comprender los siguientes propósitos:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

• Identificar el término corriente directa (CD) • Identificar el término corriente alterna (CA) • Identificar los valores de la raíz cuadrada promedio (rms) del voltaje y la corriente • Identificar el término potencia trifásica

29

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

CORRIENTE DIRECTA

La corriente directa (CD) es el flujo de carga a través de un conductor, el cual contínua en una sola dirección. Una fuente de voltaje que tiene un polo positivo contínuo y un polo negativo contínuo generará este tipo de corriente. La batería de una linterna (flashlight)es una forma comán de una fuente de voltaje (CD), ver figura 19. Un equipo electrónico como las calculadoras portátiles y los relojes de pulseras casi siempre se energizan con electricidad proveniente de la corriente directa (CD). +

–

V

–

t

V

+

R

I

I t

Figura 19 Una Batería usada por una linterna junto con un bombillo La fuente de voltaje tiene un polo positivo y un polo negativo. La corriente siempre fluye desde el polo positivo, donde hay carencia de electrones, hasta el polo negativo, donde hay un exceso de electrones. El voltaje siempre es constante, por lo tanto la corriente siempre es constante. La corriente viaja en dirección opuesta al flujo de electrones.

CORRIENTE ALTERNA

30

La corriente alterna (CA) es el flujo de carga en un conductor, la cual revierte dirección a intervalos regulares. Debido a que la fuente de voltaje impulsa el flujo de electrones en un conductor, la fuente de voltaje para la corriente alterna debe tener dos puntos ó polos que alternen entre la carga positiva y la carga negativa. La electricidad generada en las centrales de energía y distribuída a los hogares, comercios e industrias es predominantemente corriente alterna (CA). En América del Norte, la electricidad de la corriente alterna (CA) oscila alrededor de los 60 Hz, lo cual significa que hay 60 ciclos completos en cada segundo, y los polos de la fuente de voltaje cambian 120 veces por segundo. Un ciclo significa que los electrones fluyen en una dirección, luego se revierten y fluyen en la otra dirección (Ver figura 20). En Europa, los sistemas eléctricos con corriente alterna (CA) operan a ciclos de 50 Hz.

FUNDAMENTOS

Fuente de Potencia CA

V

DE

e

e

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

Un ciclo alterno de corriente

Figura 20 Flujo de Electrones en la Corriente Alterna Un ciclo de flujo de electrones en un conductor

Una fuente de corriente alterna estándard (voltaje) ocasiona que la corriente se alterne cambiando la diferencia de potencial continuamente, en consecuencia se crea un patrón de voltaje senoidal (ver figura 21). Como resultado la corriente también se alterna de una manera senoidal.

1 Ciclo V t

V

R

I t

I

Figura 21 Voltaje de Corriente Alterna y Corriente. Una fuente de voltaje de corriente alterna fluctáa senoidalmente como se indica. El voltaje se incrementa, por lo tanto un polo es positivo y el otro es negativo, el voltaje entonces disminuye y los polos se revierten. La corriente fluye llendo y viniendo, viajando siempre desde el polo positivo hasta el polo negativo. En America del Norte, la potencia que se distribuye oscila alrededor de 60 Hz, lo cual significa que hay 60 ciclos en cada segundo.

31

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Existen tres formas para medir el voltaje y la corriente (CA):

VOLTAJE Y CORRIENTE

• Medición Instantánea: Los valores de las mediciones instantáneas se toman en un momento dado. El problema con este tipo de medición es que el valor cambia constantemente desde un valor positivo máximo hasta cero (0), hasta un valor negativo máximo y de regreso a cero, y así sucesivamente. Debido a que el voltaje instantáneo cambia frecuentemente, es muy dificil medirlo. • Medición cresta-a-cresta: El voltaje cresta a cresta es la distancia entre el voltaje negativo máximo y el voltaje positivo máximo (Ver figura 22). Si el voltaje oscila entre -2V y +2V, el voltaje cresta a cresta es de 4V. El mismo principio aplica para la corriente. Si la corriente oscila entre -3A Y +3A, entonces la corriente cresta a cresta es de 6A.

Voltaje

2

2

Figura 22 Voltaje y Corriente Cresta a Cresta. 3

Corriente

El voltaje y la corriente CA oscilan desde un valor negativo hasta un valor positivo. La medición cresta a cresta considera el grado de cambio entre el valor más alto y el valor menos bajo.

El voltaje cresta a cresta es de 4 Voltios

3 La corriente cresta a cresta es de 6 amperios

• Medición de la raíz cuadrada promedio (rms) del voltaje y la corriente (también llamada voltaje y corriente efectiva): Estos valores se calculan mediante la elevación al cuadrado de los valores durante un ciclo completo, luego se toma el valor promedio (ó media) de estos valores y después se toma la raíz cuadrada. Para una fuente de voltaje senoidal (CA), el voltaje rms, es el voltaje máximo dividido por la raiz cuadrada de 2 El uso de l voltaje y la corriente rms es importante porque permite la aplicación de la Ley de Ohm: Vrms =

Vmax 2

≈ 0.707 • Vmax

32

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

Similarmente:

La mayoría de los voltímetros y amperímetros miden el voltaje y la corriente en valores rms, aunque algunos tienen la opción para leer valores cresta a cresta. Por ejemplo un toma corriente en un hogar tiene 120 V, este es un valor rms. De la misma manera, un interruptor de 20A se refiere a 20 A rms. En un circuito que contiene resistores y una fuente de voltaje (CA), si el voltaje y la corriente son rms, todos los c·lculos se pueden realizar como si las fuentes del voltaje fuesen de CD. En el ejemplo (ver figura 23), primero se calculan el voltaje efectivo y la corriente efectiva y luego se determina la resistencia efectiva.

EJEMPLO 7

I MAX = 14 A

R=?

V MAX = 170 V

Figura 23 Circuito CA con carga. Para determinar la resistencia efectiva primero se calcula el voltaje efectivo y la corriente efectiva.

I MAX = 14 A

:

V MAX = 170 V

R=?

33

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

CORRIENTE ALTERNA TRIFASICA

Un problema significativo en el uso de grandes cantidades de electricidad en corriente alterna es la inconsistencia durante la entrega de la energía. Mientras que el voltaje y la corriente aumentan y disminuyen, (alternando en dirección 120 veces por segundo), la potencia del sistema también oscila, debido a que la potencia es igual al voltaje multiplicado por la corriente. Si una potencia de 60 Hz en CA energiza a un bombillo, a un calentador eléctrico o a un motor eléctrico pequeño, la consistencia de la entrega de potencia no es importante. Sin embargo las fluctuaciones de potencia con motores y equipos mayores pueden ser severas, causar vibraciones y hacer fluctuar las cargas. Esto lleva al agotamiento y a la eventual falla del eje. Para estos motores mayores es necesario que la entrega de potencia sea constante. El motor en CD no es una solución práctica debido a que son mas costosos y requieren mantenimiento frecuente. Para solucionar el problema de la fluctuación de potencia, se desarrolló la potencia trifásica en CA. La potencia trifásica ocurre cuando se alternan varias fuentes de voltaje para que cuando uno disminuya, el otro aumente y una tasa constante de energía sea entregada como resultado (Ver figura 24). El efecto combinado es una fuente de energía uniforme y pareja que le permite a grandes motores entregar potencia sin vibraciones ni fluctuaciones.

V2

V1

V1

V2

V3

V3

V

t

Figura 24 Potencia trifásica en CA En un sistema trifásico, la potencia instantánea entregada es constante.

34

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

En esencia, tres generadores monofásicos se utilizan para generar potencia trifásica, en la actualidad, ellos se construyen dentro del mismo rotor y estator y tres cables transmiten la potencia. Tres voltímetros (V1, V2, V3) miden el voltaje en cada una de las fases. Los voltajes de estas fases se indican en la gráfica. La figura 2a muestra la potencia trifásica en CA. Observe que cada fase cambia un tercio de ciclo con respecto a las otras. La potencia trifásica en CA, se utiliza generalmente en todos los grandes motores eléctricos en las aplicaciones industriales debido a que entrega potencia a una tasa constante. El voltaje de una potencia trifásica usada en la industria petrolera (por ejemplo 4160 V usado por los motores de las bombas del oleoducto) es el valor rms de cada uno los tres voltajes indicados en la figura 24. La potencia de un motor de 2500 Hp es la potencia total de salida del motor o la suma de la potencia entregada por las tres fases.

35

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

REPASO 3

1. Si la fuente de voltaje tiene un polo que siempre es negativo y otro polo que siempre es positivo, la corriente será

a) alterna b) directa 2. Si una fuente de voltaje tiene dos polos cada uno de los cuales oscila entre positivo y negativo, de tal forma que mientras uno es positivo el otro es negativo, la corriente será:

a) alterna b) directa 3. En un circuito eléctrico de 60 Hz CA, la corriente cambia de dirección ________ veces por segundo.

a) b) c) d)

30 60 120 ninguna de las anteriores

4. Si un voltaje oscila entre -5V y +5V, el valor instantáneo del voltaje es

a) b) c) d)

10V 5V 3.536 V imposible de decir

5. Si unvalor oscila entre -5V y +5V, el valor cresta a cresta del voltaje es

a) 10 V b) 5V c) 3.536 V d) imposible de decir

36

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

6. Si un voltaje oscila entre -5V y +5V, el valor máximo del voltaje es

a) b) c) d)

10V 5V 3.536 V imposible de decir

7. Si un voltaje oscila entre -5V y +5V, el valor de la raíz cuadrada promedio (rms) del voltaje es

a) b) c) d)

10 V 5V 3.536 V imposible de decir

8. La expresión de la Ley de Ohm es v·lida para las corrientes CA, si el circuito tiene solamente resistores, entonces los voltajes y las corrientes se miden como valores

a) b) c) d)

rms cresta a cresta promedio máximo

9. La electricidad trifásica entrega potencia con fluctuaciones , mientras que la electricidad monofásica entrega potencia uniforme

a) verdadero b) falso Las respuestas se encuentran al final del módulo.

37

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

RESUMEN

SECCION 1 - FUERZAS ELECTRICAS Y FLUJO DE LA ELECTRICIDAD • La esencia de la electricidad es el movimiento de electrones. • Los electrones se sostienen en las órbitas alrededor del núcleo del átomo mediante su atracción a los protones. • Los electrones ubicados en las capas más alejadas del núcleo se denominan electrones valencia. • Los electrones en la capa de valencia de un átomo, con frecuencia son capaces de liberarse y unirse a otro átomo. • Los electrones libres, son electrones que son capaces de movilizarse de un átomo a otro. • Los átomos con una carencia de electrones o con demasiados electrones tienen una carga neta y se denominan iones. • Algunos materiales poseen electrones libres en abundancia, mientras que otros carecen de electrones. Los materiales que contienen muchos electrones libres permiten el fácil movimiento de los electrones y se denominan conductores, mientras que los materiales con pocos electrones libres y que no permiten el fácil movimiento de los electrones se denominan aisladores. • La diferencia neta en carga eléctrica desde un punto a otro se denomina voltaje. La fuente de voltaje que tenga conectado ambos polos de carga (negativo y positivo) mediante un material conductivo, ocasionará el flujo de los electrones a través del conductor. Esto se concoce como un circuito. El flujo de carga resulta en una corriente eléctrica. • Los circuitos eléctricos que proveen solamente una vía para el flujo de electrones son circuitos en serie. Los circuitos que proveen más de una posible vía para el flujo de electrones, son circuitos en paralelo.

SECCION 2 - CARGAS ELECTRICAS, POTENCIA Y TRABAJO • La oposicción al flujo eléctrico se conoce como resistencia. Todos los materiales incluyendo los buenos conductores tienen cierta resistencia . La resistencia en los circuitos eléctricos convierte la energía eléctrica a energía calorífica . • así como una válvula en un oleoducto inhibe el flujo de fluídos, un resistor en un circuito eléctrico inhibe el flujo de electrones (corriente). La ley de Ohm enuncia que la corriente que fluye en un circuito es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia. • La ley de Ohm se puede expresar matemáticamente así: I = V/R

38

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

• La resistencia total de un circuito en serie es la suma de las resistencias de cada una de las partes del circuito. Se expresa matematicámente de la siguiente forma: RT = R1 + R2 + R3 + ... + Rn • La resistencia total de un circuito en paralelo es menorr que la resistencia mas pequeÒa de los ramales. Se expresa matemáticamente así:

• La mayoría de los circuitos presentan una combinación de circutos en serie y de circuitos en paralelo. La mayoría de los circuitos se pueden simplificar a combinaciones de circuitos en serie y circuitos en paralelo. • La energía eléctrica puede ser utilizada para realizar trabajo. • La potencia es la tasa mediante la cual se realiza un trabajo. • La potencia en un circuito se calcula mediante la multiplicación del voltaje por la corriente. • La potencia eléctrica se mide en vatios. • La energía eléctrica puede ser transformada a energía mecánica y viceversa a través de electromagnetismo. P = V.1

SECCION 3 - USOS INDUSTRIALES DE LA ENERGIA ELECTRICA • • • •

En la corriente directa, los electrones fluyen en una sola dirección. En la corriente alterna, los electrones oscilan recÌprocamente Una fuente estándard de voltaje (CA) produce un voltaje senoidal. El voltaje instantáneo (o corriente) es el voltaje o corriente en un instante especÌfico dado. El mismo no es átil para describir la corriente CA. • El voltaje o corriente cresta a cresta es la distancia entre los voltajes o corrientes máximos o mínimos. • Los voltajes y corrientes efectivos pueden ser usados en la expresión de la Ley de Ohm y en las ecuaciones de potencia.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

• Si el voltaje o corriente es senoidal, el valor efectivo es el valor de la raíz cuadrada promedio (rms). El valor rms se calcula elevando al cuadrado cada valor de la onda del seno, luego se toma el valor promedio y finalmente se le saca la raíz cuadrada. matemáticamente es equivalente a: V Vrms = rms 2 ≈ 0.707 • Vrms Irms 2 ≈ 0.707 • Irms

Irms =

• Los voltímetros y amperímetros generalmente miden los valores rms del voltaje y la corriente. • La potencia monofásica (CA) fluctáa porque el voltaje y la corriente fluctáan. Estas fluctuaciones pueden dañar grandes motores como los utilizados para impulsar las bombas en un oleoducto. • La potencia trifásica (CA) que consiste de tres fases monofásicas individuales separadas por un tercio de ciclo (120 grados), entrega potencia uniforme, la cual previene de daños por vibraciones.

40

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

aislador material con resistencia eléctrica muy alta en el cual los electrones no están libres de movilizarse fácilmente. (p.6)

GLOSARIO

amperios (amps ) es la medida de la tasa de flujo de carga. (p.6) átomos son los bloques que forman al mundo material. Ellos estàn constituídos por un núcleo (centro) que contiene protones y neutrones. (p.4) atracción eléctrica es la fuerza que impide que los electrones se escapen del núcleo y a su vez los mantiene atraídos a los protones del mismo. (p.4) capa de valencia es la capa orbital donde se encuentran los electrones más alejados de un átomo. (p.4) carga parte de un circuito la cual presenta resistencia al flujo de electrones y con frecuencia permite que el trabajo eléctrico sea realizado. (p.14) circuito en serie/paralelo combinación de circuitos en serie y en paralelo. (p.21) circuito paralelo circuito que permite que fluya más de un paso de electrones.(p.9) circuito en serie circuito en el cual sólo hay un paso posible para el flujo de electrones. (p.9) circuito (circuito eléctrico) es un paso conductivo a través del cual los electrones fluyen desde un punto de alta carga eléctrica hasta un punto de baja carga eléctrica. (p.9) conductor material con resistencia eléctrica muy baja, en el cual los electrones se mueven fácilmente. (p.6) corriente directa (CD) flujo de carga a través de un conductor el cual contináa en una misma dirección. (p.30) corriente (corriente eléctrica) flujo de carga en un conductor. (p.6)

41

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

corriente alterna ( CA ) es el flujo de carga en un conductor que invierte el orden de dirección en intervalos regulares. (p.30) diferencia de potencial diferencia en carga entre dos puntos los cuales pueden potencialmente ocasionar que fluyan electrones. (p.7) electroimán imán temporal formado por un conductor cuando los electrones fluyen a través de él. (p.24) electrón valencia electrón en la capa de valencia. Su atracción al núcleo es con frecuencia débil. (p.5) electrones libres son electrones capaces de moverse de un átomo a otro. (p.5) energía. es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo. (p.23) enlace atómico es la fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones formando el núcleo de un átomo. (p.4) fuerza electromotriz (EMF) también llamada voltaje. (p.7) inducción es la producción de una fuerza electromotriz en un conductor mientras se mueve a través de un campo magnético. (p.25) iones son átomos con carga eléctrica neta positiva o negativa. (p.5) ley de ohm ley física que declara que la corriente en un circuito es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia en un circuito. (p.15) mediciones instantáneas. valor de la corriente o voltaje durante un instante específico del tiempo. (p.32) mediciones cresta a cresta distancia entre los valores máximos y mínimos de voltaje o corriente. (p.32)

42

FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

mediciones de la raíz cuadrada promedio (rms) del voltaje y la corriente. se obtiene al elevar al cuadrado los valores de un ciclo completo, se toman los promedios de estos valores y luego la raíz cuadrada, resultando la raíz cuadrada promedio. (p.32) ohm medida que indica la cantidad de corriente impedida. (p.14) potencia (P) tasa en la cual trabajo es realizado. (p.23) potencia trifásica de corriente alterna ( CA ) aquélla que ocurre cuando varias fuentes de voltaje se alternan para que cuando una disminuya, la otra aumente, y como resultado, una tasa estable de energía es entregada. (p.34) resistencia oposición al flujo de electrones o fricción eléctrica. (p.14) resistor pieza de material de mayor resistencia colocado sobre un alambre para impedir el flujo de electrones. (p.14) trabajo mecánico fuerza que actáa sobre un objeto a través de una distancia. (p.22) trabajo eléctrico fuerza electromotriz que actáa sobre los electrones. (p.22) vatio es equivalente a un voltio accionando un amperio de corriente. (p.23) voltaje es una diferencia neta en carga entre dos puntos. Es la fuerza accionadora detrás del flujo de electrones. (p.7)

43

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

RESPUESTAS

REPASO NO 1 1. c

1. c

1. b

2. c

2. a

2. a

3. b

3. a

3. c

4. a

4. c

4. d

5. b

5. d

5. a

6. b

6. a

6. b

7. a

7. b

7. c

8. c

8. b

8. a

9. c

9. c

9. b

10. e 11. b 12. c 13. a

44

REPASO NO 2 REPASO NO 3