Corriente alterna
Se denomina corriente alterna (AC, por sus siglas en inglés de Alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente.
La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la oscilación senoidalcon la que se consigue una transmisión más eficiente de la energía, a tal punto que al hablar de corriente alterna se sobrentiende que se refiere a la corriente alterna senoidal.
Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la rectangular.
Utilizada genéricamente, la corriente alterna se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las industrias. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la corriente alterna.
El primer alternador para producir corriente alterna fue un generador dinamoeléctrico basado en los principios de Michael Faraday, construido por el fabricante francés de instrumentos Hippolyte Pixii en 1832. Pixii más tarde agregó un conmutador a su dispositivo para producir la corriente continua (más utilizada). La aplicación práctica más temprana registrada de la corriente alterna es de Guillaume Duchenne, inventor y desarrollador de electroterapia. En 1855, anunció que la AC era superior a la corriente directa para la activación electro terapéutica de las contracciones musculares. La tecnología de corriente alterna se había desarrollado por primera vez en Europa debido al trabajo de Guillaume Duchenne (década de 1850), la compañía húngara Ganz Works (década de 1870) y en la década de 1880 por William Stanley, Sebastian Ziani de Ferranti, Lucien Gaulard y Galileo Ferraris.
En 1876, el ingeniero ruso Pável Yáblochkov inventó un sistema de iluminación donde se instalaron conjuntos de bobinas de inducción a lo largo de una línea de AC de alta tensión. En lugar de cambiar la tensión, los devanados primarios transfirieron energía a los devanados secundarios que se conectaron a una o varias 'velas eléctricas' (lámparas de arco) de su propio diseño, utilizadas para evitar que la falla de una lámpara deshabilite todo el circuito. En 1878, la empresa Ganz Works de Budapest, Hungría, comenzó a fabricar equipos para iluminación eléctrica y, para 1883, había instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría. Sus sistemas de AC utilizaban lámparas de arco incandescentes, generadores y otros equipos.
Los sistemas de corriente alterna pueden usar transformadores para cambiar la corriente de baja a alta tensión y viceversa, lo que permite la generación y transmisión a grandes distancias en alta tensión, ahorrando en costos de conductores y pérdidas de energía, y el consumo en baja tensión.
Un transformador de potencia bipolar de núcleo abierto desarrollado por Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs se demostró en Londres en 1881, y atrajo el interés de Westinghouse. También exhibieron la invención en Turín en 1884. Sin embargo, estas primeras bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos son ineficientes en la transferencia de potencia a las cargas. Hasta aproximadamente 1880, el paradigma de la transmisión de AC desde una fuente de alta tensión a una carga de baja tensión era un circuito en serie.
Los transformadores de núcleo abierto con una relación cercana a 1:1 se conectaron con sus primarios en serie para permitir el uso de un alto voltaje para la transmisión y presentar un bajo voltaje a las lámparas.
La falla inherente en este método fue que apagar una sola lámpara (u otro dispositivo eléctrico) afectó el voltaje suministrado a todos los demás en el mismo circuito. Se introdujeron muchos diseños de transformadores ajustables para compensar esta característica problemática del circuito en serie, incluidos los que emplean métodos para ajustar el núcleo o evitar el flujo magnético alrededor de una bobina. Los sistemas de corriente directa no tuvieron estos inconvenientes, lo que le otorga ventajas significativas sobre los primeros sistemas de AC.
En 1888 el inventor e ingeniero serbio Nikola Tesla, diseñó y construyó el primer motor de inducción de corriente alterna, un aparato capaz de convertir una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación, eso permite alimentar un motor con corriente alterna, antes de transformarse en corriente directa.
En la distribución de la corriente alterna, Tesla nota que dicha energía viaja en pausas en los picos de las Sinusoides, entonces crea una segunda señal fuera de sincronía con la primera para llenar esas pausas, permitiendo la amplificación de la AC, sin la necesidad de construir una nueva electrificadora como ameritaba la corriente directa.
Sin embargo, el mayor temor del uso de la AC era el peligro que representaba en los hogares tal cantidad de energía. Para resolver el problema Tesla investiga un dispositivo desarrollado por los ingenieros europeos llamado transformador, con ese componente se puede aumentar la tensión para transmisión y luego disminuirla para el usuario final. Con las mejoras en el transformador, el invento del motor eléctrico, el poder amplificar/disminuir la tensión de la AC, entre otros, Nikola Tesla gana la Guerra de las corrientes que competía con Thomas Edison que favorecía la corriente continua.
Posteriormente el físico William Stanley, reutilizó, en 1885, el principio de inducción para transferir la corriente alterna entre dos circuitos eléctricamente aislados. La idea central fue la de enrollar un par de bobinas en una base de hierro común, denominada bobina de inducción.
El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla; la distribución de la corriente alterna fue comercializada por George Westinghouse. La corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC -en español- o bien DC, por sus siglas en inglés de direct current), que es un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la transmisión de potencia, comercializado en su día con gran agresividad por Thomas Alva Edison.
Todas las patentes referentes a esta corriente fueron cedidas por Nikola Tesla a la empresa Westinghouse Electric para conseguir capital y poder continuar los proyectos con la corriente alterna.
La primera transmisión interurbana de la corriente alterna ocurrió en 1891, cerca de Telluride, Colorado, a la que siguió algunos meses más tarde otra de Lauffen a Fráncfort en Alemania. A pesar de las notorias ventajas de la corriente alterna frente a la corriente continua, Thomas Edison siguió abogando fuertemente por el uso de la corriente continua, tal hecho le costó su puesto en la empresa que el mismo fundó, Edison Electric, cambiando su nombre por la actual General Electric.
La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. En el caso de la corriente continua, la elevación de la tensión se logra conectando dínamos en serie, lo que no es muy práctico; al contrario, en corriente alterna se cuenta con un dispositivo, el transformador, que permite elevar la tensión de una forma eficiente.
La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, mediante un transformador se puede elevar la tensión hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Con esto la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente y, por tanto, con bajas pérdidas por causa del efecto Joule y otros efectos asociados al paso de corriente, tales como la histéresis o las corrientes de Foucault. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, la tensión puede ser de nuevo reducida para su uso industrial, doméstico o comercial de forma cómoda y segura.
Algunos tipos de oscilaciones periódicas tienen el inconveniente de no tener definida su expresión matemática, por lo que no se puede operar analíticamente con ellas. Por el contrario, la oscilación sinusoidal no tiene esta indeterminación matemática y presenta las siguientes ventajas:
Una señal senoidal o sinusoidal, , tensión, , o corriente, , se puede expresar matemáticamente según sus parámetros característicos (figura 2), como una función del tiempo por medio de la siguiente ecuación:
donde
Dado que la velocidad angular es más interesante para matemáticos que para ingenieros, la fórmula anterior se suele expresar como:
donde f es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa del período . Los valores más empleados en la distribución son 50 Hz y 60 Hz.
A continuación se indican otros valores significativos de una señal sinusoidal:
En la literatura inglesa este valor se conoce como el valor cuadrático medio de una función. En el campo industrial, el valor eficaz es de gran importancia, ya que casi todas las operaciones con magnitudes energéticas se hacen con dicho valor. De ahí que por rapidez y claridad se represente con la letra mayúscula de la magnitud que se trate (I, V, P, etc.). Matemáticamente, se demuestra que para una corriente alterna sinusoidal el valor eficaz viene dado por la expresión:
El valor A, tensión o intensidad, es útil para calcular la potencia consumida por una carga. Así, si una tensión de alterna, desarrolla una cierta potencia P en una carga resistiva dada, una tensión de continua de Vrms desarrollará la misma potencia P en la misma carga, por lo tanto Vrms x I = VCA x I (véase Potencia en corriente alterna).
Una función sinusoidal puede ser representada por un número complejo cuyo argumento crece linealmente con el tiempo(figura 3), al que se denomina fasor o representación de Fresnel, que tendrá las siguientes características:
La razón de utilizar la representación fasorial está en la simplificación que ello supone. Matemáticamente, un fasor puede ser definido fácilmente por un número complejo, por lo que puede emplearse la teoría de cálculo de estos números para el análisis de sistemas de corriente alterna.
Consideremos, a modo de ejemplo, una tensión de corriente alterna cuyo valor instantáneo sea el siguiente:
Tomando como módulo del fasor su valor eficaz, la representación gráfica de la anterior tensión será la que se puede observar en la figura 4, y se anotará:
denominadas formas polares, o bien:
denominada forma binómica, binomial o rectangular.
La generación trifásica de energía eléctrica es la forma más común y la que provee un uso más eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en forma trifásica es común mayoritariamente para uso en industrias donde muchas de las máquinas funcionan con motores para esta tensión.
La corriente trifásica está formada por un conjunto de tres formas de oscilación, desfasadas una respecto a la otra 120º, según el diagrama que se muestra en la figura 5.
Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, enrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre sí. El retorno de cada uno de estos circuitos o fases se acopla en un punto, denominado neutro, donde la suma de las tres corrientes, si el sistema está equilibrado, es cero, con lo que el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables.
Esta disposición sería la denominada conexión en estrella, existiendo también la conexión en triángulo o delta en las que las bobinas se acoplan según esta figura geométrica y los hilos de línea parten de los vértices.
Existen por tanto cuatro posibles interconexiones entre generador y carga:
En los circuitos tipo estrella, las corrientes de fase y las corrientes de línea son iguales y, cuando el sistema está equilibrado, las tensiones de línea son veces mayor que las tensiones de fase y están adelantadas 30° a estas:
En los circuitos tipo triángulo o delta, pasa lo contrario, las tensiones de fase y de línea, son iguales y, cuando el sistema está equilibrado, la corriente de fase es veces más pequeña que la corriente de línea y está adelantada 30° a esta:
El sistema trifásico es un tipo particular dentro de los sistemas polifásicos de generación eléctrica, aunque con mucha diferencia, es el más utilizado.