Conceptos Fundamentales de Electricidad

Magnitudes Eléctricas Clave

1. Diferencia de Potencial Eléctrico (Voltaje): Es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico. Esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico.
2. Intensidad Eléctrica (I): Es la cantidad de electricidad o carga eléctrica (Q) que circula por un circuito en la unidad de tiempo (t). Su unidad es el Amperio (A).
3. Resistencia Eléctrica: Es la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor.
4. Densidad de Corriente: Se define como una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie, es decir, intensidad por unidad de área.
5. Resistividad Eléctrica: Es la resistencia eléctrica específica de un determinado material.
6. Efecto Joule: Es un fenómeno irreversible por el cual, si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los constantes choques que sufren con los átomos del material conductor, elevando la temperatura del mismo.
7. Ley de Ohm: La intensidad de corriente que atraviesa un circuito es directamente proporcional al voltaje o tensión del mismo e inversamente proporcional a la resistencia que presenta.
8. Fuerza Electromotriz (FEM): Es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado.
9. Resistencia Interna de un Generador: Es una resistencia deducida por el comportamiento de las fuentes de tensión reales.
10. Rendimiento de una Máquina Eléctrica.

Tipos de Corriente y Sistemas de Alimentación

Diferencias entre Corriente Continua, Monofásica y Trifásica:

• La energía monofásica es aquella que tiene una sola fase y corriente alterna, generalmente entre 220 V y 230 V.
• La energía trifásica es aquella que tiene 3 fases y 3 corrientes alternas (RST). Su voltaje típico es de 380 V.

Tensiones e Intensidades en Redes Eléctricas

23. Tensión de Línea (U_L): Se define como la diferencia de tensión que aparece entre los conductores de la instalación (fase-fase).
24. Tensión de Fase (U_F): Es la tensión entre un conductor de fase y el punto neutro o tierra.
25. Intensidad de Línea (I_L): Es la intensidad que circula por cada uno de los conductores que unen el generador con la carga.
26. Intensidad de Fase (I_F): Es la intensidad que suministra cada generador o que se consume en cada una de las tres cargas.

Dispositivos de Control y Máquinas Rotativas

27. Relé: Consiste en un dispositivo electromagnético que funciona como un interruptor o conmutador accionado por medio de una bobina que genera un electroimán.
28. Contactor: Es un dispositivo cuya función principal es habilitar o cortar un flujo de corriente, especialmente en circuitos de potencia.
29. Efecto Joule: Es un fenómeno por el que los electrones en movimiento de una corriente eléctrica impactan contra el material a través del cual están siendo conducidos, transformando energía eléctrica en calor.
30. Motor de Inducción: Es un motor eléctrico de corriente alterna en el cual su rotor gira a una velocidad diferente a la del campo magnético del estator (motor asíncrono).
31. Jaula de Ardilla: Es la parte que rota (rotor) usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna.

Riesgos y Tipos de Fallos Eléctricos

• Sobrecarga: Se produce cuando la corriente eléctrica aumenta por encima de la intensidad máxima determinada para la instalación. Por ejemplo, un cable de sección de 1,5 mm² puede soportar hasta 10 Amperios de corriente; un consumo de 15 Amperios sería un sobreconsumo o sobrecarga que calentaría el cable con riesgo de deteriorar su aislante al cabo de cierto tiempo.
• Cortocircuito: Intensidades mucho mayores de lo habitual producidas en el circuito debido a que la resistencia es cercana a cero. Por ejemplo, cuando se juntan los cables fase y neutro sin existir una resistencia entre ellos. Los dispositivos de protección eléctrica consideran habitualmente como cortocircuito una intensidad superior a 5-10 veces la intensidad nominal (curva C), produciendo la apertura casi instantánea del circuito. Ver curvas de disparo en protecciones del fabricante Schneider.
• Contacto Directo: Accidente que se produce al tocar directamente un cable con tensión.
• Contacto Indirecto: Accidente que se produce al tocar un punto que, en condiciones normales de funcionamiento, no debería tener tensión, pero que debido a un fallo se encuentra bajo tensión. Por ejemplo, en una lavadora donde un cable se ha comunicado con la chapa exterior. Al tocar la chapa, habitualmente se recibirá una descarga eléctrica desde la chapa (con tensión) hacia tierra.
• Sobretensiones: Tensiones mayores de las normales que aparecen momentáneamente en la red eléctrica, provocando daños en los equipos conectados. Estas sobretensiones pueden ser transitorias (debidas, por ejemplo, a la caída de rayos cerca de líneas eléctricas) o permanentes (mantenidas en el tiempo), debidas, por ejemplo, a la pérdida de neutro en una red trifásica desequilibrada.

Control de Automatismos Industriales

¿Cómo se combinan los relés y contactores para el control?

En este tipo de sistema, se establecen relaciones en serie y/o paralelo entre los contactos abiertos y cerrados de cada uno de los elementos intervinientes, consiguiendo el control requerido. En la figura se muestra un ejemplo de control automático donde todos los elementos que intervienen están relacionados entre sí mediante conexiones físicas. No te preocupes si te parece algo complicado para empezar, ya que tan solo es un ejemplo para mostrar hacia dónde queremos llegar con este tipo de sistemas.

En la figura podemos apreciar dos partes claramente diferenciadas:

• El Esquema de Fuerza: Es la representación gráfica de la realidad que se quiere automatizar (por ejemplo, un motor de escaleras automáticas).
• El Esquema de Mando o Control: Es la representación esquemática del circuito que permitirá trasladar las órdenes de maniobra sobre el elemento de fuerza.

¿Qué es un Contactor?

Cuando el control se realiza sobre elementos de potencia, al relé se le denomina contactor. Además de los contactos auxiliares destinados al control, dispone, generalmente, de tres contactos de potencia.

Es crucial recordar que el contactor no realiza funciones de protección eléctrica, por lo que se debe complementar aguas abajo con otros dispositivos como relés térmicos o guardamotores.

¿Qué es un Relé?

El relé más habitual consiste en un dispositivo electromagnético que funciona como un interruptor o conmutador accionado por medio de una bobina que genera un electroimán. Cuando el electroimán se activa, mueve un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

Los contactos accionados dentro del relé pueden ser Normalmente Abiertos (NA) o Normalmente Cerrados (NC). En automatismos industriales cableados, se utilizan relés preparados para montaje sobre carril DIN, con bobinas alimentadas con corriente alterna (230 Vac o 24 Vac) o tensión continua (24 Vdc, 12 Vdc, 5 Vdc).

Cálculo de Potencia Eléctrica

Fórmulas de Potencia (P)

• Circuitos en Corriente Continua (CC): P = U * I
• Circuitos en Corriente Alterna Monofásica (CA): P = U_f * I * Cos (φ) (siendo U_f la tensión de fase)
• Circuitos en Corriente Alterna Trifásica (CA): P = 1,732 * U_L * I * Cos (φ) (siendo U_L la tensión de línea)

El Efecto Joule y la Disipación de Calor

El Efecto Joule es la transformación de la energía eléctrica en calor. La potencia disipada en forma de calor es proporcional a la resistencia pura del circuito, siendo irrelevantes las componentes inductiva o capacitiva de la impedancia.

Cuando esta transformación es intencionada (como en un radiador eléctrico), nos beneficiamos del efecto Joule. Sin embargo, en la mayoría de los casos (donde se busca transformar la energía eléctrica en mecánica, luminosa o magnética), la transformación de energía eléctrica en calor a lo largo de los conductores se considera una pérdida de energía útil.

Nota: Debes recordar que 1 caloría = 4,18 julios.

Dinámica de Motores Asíncronos

Deslizamiento (Slip)

El par motor solo puede existir cuando una corriente inducida circula por el rotor. Para ello, es necesario que exista un movimiento relativo entre los conductores activos y el campo giratorio. Por lo tanto, el rotor debe girar a una velocidad inferior a la de sincronización, lo que explica que este tipo de motor se denomine motor asíncrono.

La diferencia entre la velocidad de sincronización y la velocidad real del rotor se denomina deslizamiento, y se expresa generalmente en porcentaje (%) de la velocidad de sincronismo.

El deslizamiento en régimen estable varía en función de la carga del motor: cuando aumenta la carga, aumenta el deslizamiento.

Par Motor

En los motores asíncronos, el flujo es proporcional a la corriente para una frecuencia dada. Para obtener un flujo constante, y por lo tanto una intensidad (I) constante, es preciso que la relación Tensión/Frecuencia (U/f) se mantenga constante.

Por consiguiente, es posible trabajar a un par constante siempre que sea posible aumentar la tensión (U) hasta la tensión nominal. Si se aumenta la frecuencia por encima de la nominal, el par disminuye, ya que la corriente disminuye igualmente.