Corriente alterno

Corriente alterno
	corriente llétrico y periodically alternating current (en)

La corriente alterno (embrivida CA n'asturianu y AC n'inglés, de alternating current) ye la corriente llétrico na que la magnitú y el sentíu varien cíclicamente.

La forma d'oscilación de la corriente alterno más comúnmente utilizada ye la oscilación senoidal cola que se consigue una tresmisión más eficiente de la enerxía, a tal puntu que al falar de corriente alterno se sobrentiende que se refier a la corriente alterno senoidal.

Sicasí, en ciertes aplicaciones utilicen otres formes d'oscilación periódiques, tales como la triangular o la cuadrada.

Utilizada genéricamente, la CA referir a la forma na cual la lletricidá llega a los llares y a les industries. Sicasí, les señales d'audiu y de radio tresmitíes polos cables llétricos, son tamién exemplos de corriente alterno. Nestos usos, el fin más importante suel ser la tresmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

Historia

Nel añu 1882 el físicu, matemáticu, inventor ya inxenieru Nikola Tesla, diseñó y construyó'l primer motor d'inducción de CA. Darréu'l físicu William Stanley, reutilizó, en 1885, el principiu d'inducción pa tresferir la CA ente dos circuitos llétricamente aisllaos. La idea central foi la d'endolcar un par de bobines nuna base de fierro común, denomada bobina d'inducción. D'esta miente llogróse lo que sería'l precursor del actual tresformador. El sistema usáu anguaño foi escurríu fundamentalmente por Nikola Tesla; la distribución de la corriente alterno foi comercializada por George Westinghouse. Otros que contribuyeron nel desenvolvimientu y meyora d'esti sistema fueron Lucien Gaulard, John Gibbs y Oliver Shallenger ente los años 1881 y 1889. La corriente alterno superó les llimitaciones qu'apaecíen al emplegar la corriente continua (CC), que ye un sistema ineficiente pa la distribución d'enerxía a gran escala por cuenta de problemes na tresmisión de potencia, comercializáu nel so día con gran agresividá por Thomas Edison.

La primer tresmisión interurbana de la corriente alterno asocedió en 1891, cerca de Telluride, Colorado, a la que siguió dellos meses más tarde otra de Lauffen a Frankfurt n'Alemaña. A pesar de les bultables ventayes de la CA frente a la CC, Thomas Edison siguió abogando fuertemente pol usu de la corriente continua, de la que tenía numberoses patentes (vease la guerra de les corrientes). Ello ye que atacó duramente a Nikola Tesla y a George Westinghouse, promotores de la corriente alterno, y a pesar d'ello ésta acabó per imponer se. Asina, utilizando corriente alterno, Charles Proteus Steinmetz, de General Electric, pudo solucionar munchos de los problemes acomuñaos a la producción y tresmisión llétrica, lo que provocó a la fin la derrota de Edison na batalla de les corrientes, siendo'l so vencedor Nikola Tesla y el so financiador George Westinghouse.

Corriente alterno frente a corriente continua

La razón del ampliu usu de la corriente alterno vien determinada pola so facilidá de tresformamientu, cualidá de la qu'escarez la corriente continua. Nel casu de la corriente continua, la elevación de la tensión llógrase coneutando dínamos en serie, lo que nun ye bien práuticu; al contrariu, en corriente alterno cuntar con un dispositivu, el tresformador, que dexa alzar la tensión d'una forma eficiente.

La enerxía llétrica vien dada pol productu de la tensión, la intensidá y el tiempu. Puesto que la seición de los conductores de les llinies de tresporte d'enerxía llétrica depende de la intensidá, por aciu un tresformador puede alzase la tensión hasta altos valores (alta tensión), menguando n'igual proporción la intensidá de corriente. Con esto la mesma enerxía puede ser distribuyida a llargues distancies con baxes intensidaes de corriente y, por tanto, con baxes perdes por causa del efeutu Joule y otros efeutos acomuñaos al pasu de corriente, tales como la histéresis o les corrientes de Foucault. Una vegada nel puntu de consumu o nes sos cercaníes, el voltaxe puede ser de nuevu amenorgáu pal so usu industrial o domésticu y comercial de forma cómoda y segura.

Les matemátiques y la CA sinusoidal

Dellos tipos d'oscilaciones periódiques tienen l'inconveniente de nun tener definida la so espresión matemática, polo que nun se puede operar analíticamente con elles. Otra manera, la oscilación sinusoidal nun tien esti indetermín matemáticu y presenta les siguientes ventayes:

La función senu ta perfectamente definida por aciu la so espresión analítica y gráfica. Por aciu la teoría de los númberos complexos analizar con suma facilidá los circuitos d'alterna.
Les oscilaciones periódiques non sinusoidales pueden descomponese d'últimes d'una serie d'oscilaciones sinusoidales de distintes frecuencies que reciben el nome d'harmónicos. Esto ye una aplicación direuta de les series de Fourier.
Pueden xenerase con facilidá y en magnitúes de valores elevaos pa facilitar el tresporte de la enerxía llétrica.
El so tresformamientu n'otres oscilaciones de distinta magnitú consiguir con facilidá por aciu l'usu de tresformadores.

Oscilación senoidal

Figura 2: Parámetros carauterísticos d'una oscilación sinusoidal.

Una señal senoidal o sinusoidal, $a(t)$ , tensión, $v(t)$ , o corriente, $i(t)$ , puede espresase matemáticamente según los sos parámetros carauterísticos (figura 2), como una función del tiempu per mediu de la siguiente ecuación:

a(t)=A_{0}\cdot \sin(\omega t+\beta )

onde : $A_{0}$ ye la amplitú en voltios o amperios (tamién llamáu valor máximu o de picu), : $\omega$ la pulsación en radianes/segundu, : $t$ el tiempu en segundos, y : $\beta$ l'ángulu de fase inicial en radianes.

Puesto que la velocidá angular ye más interesante pa matemáticos que pa inxenieros, la fórmula anterior suelse espresar como:

a(t)=A_{0}\cdot \sin(2\pi ft+\beta )

onde f ye la frecuencia n'hercios (Hz) y equival a la inversa del periodu $f={\frac {1}{T}}$ . Los valores más emplegaos na distribución son 50 Hz y 60 Hz.

Valores significativos

De siguío indíquense otros valores significativos d'una señal sinusoidal:

Valor instantáneu (a(t)): Ye'l que toma la ordenada nun intre, t, determináu.

Valor pico a picu (A_pp): Diferencia ente'l so picu o máximu positivu y el so picu negativu. Puesto que el valor máximu de sen(x) ye +1 y el valor mínimu ye -1, una señal sinusoidal que bazcuya ente +A₀ y -A₀. El valor de picu a picu, escritu como A_P-P, ye polo tanto (+A₀)-(-A₀) = 2×A₀.

Valor mediu (A_med): Valor del área que forma cola exa d'ascises partíu pol so periodu. El valor mediu puede interpretase como'l componente de continua de la oscilación sinusoidal. L'área considérase positiva si ta percima de la exa d'ascises y negativa si ta per debaxo. Como nuna señal sinusoidal el semiciclo positivu ye idénticu al negativu, el so valor mediu ye nulu. Por eso'l valor mediu d'una Oscilación sinusoidal referir a un semiciclo. Por aciu el cálculo integral puede demostrase que la so espresión ye la siguiente;

A_{med}={2A_{0} \over {\pi }}

Picu o cresta: Valor máximu, de signu positivu (+), que toma la oscilación sinusoidal del espectru electromagnéticu, cada mediu ciclu, a partir del puntu “0”. Esi valor aumenta o mengua a midida que l'amplitú “A” de la mesma oscilación crez o escai positivamente percima del valor "0".

Valor eficaz (A): El valor eficaz defínese como'l valor d'una corriente (o tensión) continua que produz los mesmos efeutos calóricos que'l so equivalente d'alterna. Ye dicir que para determinada corriente alterno, el so valor eficaz (Ief) va ser la corriente continua que produza la mesma disipación de potencia (P) nuna resistencia(R). Matemáticamente, el valor eficaz d'una magnitú variable col tiempu, defínese como'l raigañu cuadráu de la media de los cuadraos de los valores instantáneos alcanzaos mientres un periodu:

A={\sqrt {{1 \over {T}}{\int _{0}^{T}a^{2}(t)dt}}}

Na lliteratura inglesa esti valor conozse como R.M.S. (root mean square, valor cuadrático mediu), y de fechu en matemátiques dacuando ye llamáu valor cuadrático mediu d'una función. Nel campu industrial, el valor eficaz ye de gran importancia, yá que cuasi toles operaciones con magnitúes enerxétiques facer con dichu valor. D'ende que por rapidez y claridá representar cola lletra mayúscula de la magnitú que se trate (I, V, P, etc.). Matemáticamente demuéstrase que pa una corriente alterno sinusoidal el valor eficaz vien dau pola espresión:

A={A_{0} \over {\sqrt {2}}}

El valor A, tensión o intensidá, ye útil pa calcular la potencia consumida por una carga. Asina, si una tensión d'alterna, desenvuelve una cierta potencia P nuna carga resistiva dada, una tensión de continua de V_rms va desenvolver la mesma potencia P na mesma carga, polo tanto V_rmsx I = V_CAx I (vease Potencia en corriente alterno).

Representación fasorial

Una función sinusoidal pue ser representada por un númberu complexu que'l so argumentu crez linealmente col tiempu(figura 3), al que se denomina fasor o representación de Fresnel, que va tener les siguientes carauterístiques:

Va Xirar con una velocidá angular ω.
El so módulu va ser el valor máximu o l'eficaz, según convenga.

Figura 3: Representación fasorial d'una oscilación sinusoidal.

La razón d'utilizar la representación fasorial ta na simplificación qu'ello supón. Matemáticamente, un fasor puede ser definíu fácilmente por un númberu complexu, polo que puede emplegase la teoría de cálculu d'estos númberos pal analís de sistemes de corriente alterno.

Consideremos, a manera d'exemplu, una tensión de CA que'l so valor instantáneu sía'l siguiente:

Figura 4: Exemplu de fasor tensión.

$v(t)=4\sin \left(1000t+{\pi \over {4}}\right)$

Tomando como módulu del fasor el so valor eficaz, la representación gráfica de l'anterior tensión va ser la que puede reparase na figura 4, y va anotase:

${\vec {V}}=2{\sqrt {2}}y^{\pi \mathrm {j} \over {4}}=2{\sqrt {2}}_{\ }{\underline {/45^{\circ }}}$

denominaes formes polares, o bien:

${\vec {V}}=2+2\mathrm {j}$

denomada forma binómica.

Corriente trifásica

La xeneración trifásica d'enerxía llétrica ye la forma más común y la qu'aprove un usu más eficiente de los conductores. L'usu de lletricidá en forma trifásica ye común mayoritariamente pa usu n'industries onde munches de les máquines funcionen con motores pa esta tensión.

Figura 5: Voltaxe de les fases d'un sistema trifásicu. Ente caúna de les fases hai un desfase de 120º.

La corriente trifásica ta formada por un conxuntu de trés formes d'oscilación, desfasaes una al respective de la otra 120º (graos), según la diagrama que s'amuesa na figura 5.

Les corrientes trifásiques xenerar por aciu alternadores dotaos de tres bobines o grupos de bobines, endolcaes sobre tres sistemes de pieces polares equidistantes ente sigo. La torna de cada unu d'estos circuitos o fases acoplar nun puntu, denomináu neutru, onde la suma de los trés corrientes, si'l sistema ta equilibráu, ye cero, colo que'l tresporte puede ser efeutuáu usando solamente tres cables.

Esta disposición sería la denomada conexón en estrella, esistiendo tamién la conexón en triángulu o delta nes que les bobines acoplar según esta figura xeométrica y los filos de llinia parten de los vértices.

Esisten por tanto cuatro posibles interconexones ente xenerador y carga:

Estrella - Estrella #

Estrella - Delta # Delta - Estrella # Delta - Delta

Nos circuitos tipu estrella, les corrientes de fase y les corrientes de llinia son iguales y, cuando'l sistema ta equilibráu, les tensiones de llinia son ${\sqrt {3}}$ vegaes mayor que les tensiones de fase y tán adelantraes 30° a estes:

V_{linea}=\left[{\sqrt {3}}V_{fase}\right]_{\left(\phi +30\right)}

Nos circuitos tipu triángulu o delta, pasa lo contrario, les tensiones de fase y de llinia, son iguales y, cuando'l sistema ta equilibráu, la corriente de fase ye ${\sqrt {3}}$ vegaes más pequeña que la corriente de llinia y ta adelantrada 30° a ésta:

I_{fase}=\left[{\frac {I_{linea}}{\sqrt {3}}}\right]_{\left(\phi +30\right)}

El sistema trifásicu ye un tipu particular dientro de los sistemes polifásicus de xeneración llétrica, anque con muncho el más utilizáu.

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