La energía eléctrica producida en las centrales eléctricas se genera en forma de corriente alterna (CA) debido a sus ventajas en la producción, transporte, distribución y utilización en comparación con la corriente continua (CC).
1. Definición de corriente alterna
La corriente alterna es un corriente variable en la que las principales magnitudes (la fem, la tensión y la intensidad del corriente) cambian periódicamente en valor y sentido. Este comportamiento se puede representar en un diagrama de coordenadas cartesianas, donde el eje vertical (ordenadas) indica los valores de la magnitud en cada instante de tiempo.
2. Características de la corriente alterna
Los alternadores, que son generadores utilizados en las centrales eléctricas, se basan en la inducción electromagnética y generan corrientes alternas sinusoidales. Esto significa que los valores instantáneos de la fem, la tensión y la intensidad son proporcionales al seno de los ángulos que varían de 0° a 360°, ya que el inducido está formado por bobinas sometidas a una variación uniforme y constante del flujo generado por el inductor.
La corriente alterna sinusoidal es un fenómeno periódico, es decir, se repite en intervalos de tiempo iguales. Las señales periódicas, como la corriente alterna, tienen una serie de parámetros fundamentales que definen su comportamiento alternante.
3. Valores fundamentales de la corriente alterna
Los valores que definen el comportamiento de una señal alterna son:
- Período (T): Es el tiempo necesario para completar un ciclo completo de la señal. Está formado por dos semiperíodos de igual valor absoluto pero signo contrario. El período se mide en segundos (s).
- Frecuencia (f): Es el número de ciclos completos que se producen en un segundo. Su unidad es el hertz (Hz), que equivale a un ciclo por segundo. La relación entre la frecuencia y el período es:f=1Tf = \frac{1}{T}f=T1
- Valor instantáneo (v, i): Es el valor que toma la señal en un momento determinado. Su unidad depende de la magnitud que represente la señal, como la fem, la tensión o la intensidad.
- Valor máximo (Vmáx, Imáx): Es el valor instantáneo más grande dentro de un período. También se conoce como amplitud de la señal. El valor máximo correspondiente al semiperíodo positivo (Vmáx) y el valor mínimo, correspondiente al semiperíodo negativo (−Vmáx), tienen el mismo valor absoluto.
- Valor eficaz (V, I): Es el valor más importante de la corriente alterna porque permite operar matemáticamente con él, sin necesidad de utilizar los valores instantáneos que son continuamente variables. El valor eficaz simplifica los cálculos y se calcula de forma especial en función de los valores máximos o el período de la señal.
Este conjunto de parámetros es esencial para describir y trabajar con señales alternas en diversas aplicaciones, como el diseño de circuitos eléctricos y la generación de energía.
Valor eficaz.
El valor eficaz de una corriente alterna (CA) es aquel que produce los mismos efectos calóricos al pasar a través de una resistencia que un corriente continua (CC) del mismo valor. Por ejemplo, si decimos que el valor eficaz de una corriente alterna es 220 V, significa que cuando conectamos una resistencia R a esta corriente alterna, se obtiene la misma cantidad de calor que al conectarla a una corriente continua de 220 V. En una corriente alterna sinusoidal, el valor eficaz se relaciona con su valor máximo (Vmàx) mediante la expresión:
Veficaz=Vmaˋx2V_{\text{eficaz}} = \frac{V_{\text{màx}}}{\sqrt{2}}Veficaz=2
Los aparatos de medición, tanto analógicos como digitales, nos indican el valor eficaz de la magnitud medida cuando se utilizan en escala de alterna (CA). Por otro lado, los osciloscopios permiten obtener los valores instantáneos de la señal.
1. Valor medio
El valor medio (Vmitjà, Imitjana) de un señal alterna es la media algebraica de los valores instantáneos de un semiperíodo. El valor medio de un período completo es cero. En el caso de una corriente alterna sinusoidal, el valor medio de un semiperíodo se puede expresar como:Vmitjaˋ=2π⋅VmaˋxV_{\text{mitjà}} = \frac{2}{\pi} \cdot V_{\text{màx}}Vmitjaˋ=π2⋅Vmaˋx
2. Representación gráfica de un CA sinusoidal
Para representar gráficamente un CA sinusoidal de valor v=Vmaˋxsin(ωt)v = V_{\text{màx}} \sin(\omega t)v=Vmaˋxsin(ωt), se utiliza un diagrama de coordenadas cartesianas, donde las ordenadas representan los valores de la magnitud en función del tiempo. En este tipo de representación, se puede emplear un vector de valor VmaˋxV_{\text{màx}}Vmaˋx que gira alrededor de un punto fijo con una velocidad angular uniforme ω\omegaω. Al proyectar este vector sobre el eje Y, obtenemos una curva sinusoidal.
La relación entre el valor instantáneo vvv y el valor máximo VmaˋxV_{\text{màx}}Vmaˋx se expresa como:v=Vmaˋxsin(ωt)v = V_{\text{màx}} \sin(\omega t)v=Vmaˋxsin(ωt)
3. Representación vectorial (fasores)
Los corrientes alternas sinusoidales se pueden representar también de manera vectorial o en forma de fasores, una representación basada en el método de Fresnel. En este método, el señal alterna es representada como un vector de módulo VmaˋxV_{\text{màx}}Vmaˋx que gira alrededor de un punto fijo con una velocidad angular constante en sentido antihorario. El valor instantáneo de la función sinusoidal es la proyección del vector sobre el eje de las ordenadas.
Esta representación vectorial facilita la operación gráfica con varias funciones sinusoidales que tengan la misma velocidad angular (ω\omegaω), es decir, la misma frecuencia.
4. Ángulo de fase
Un aspecto importante en las representaciones gráficas de las señales alternas es el ángulo de fase (φ) o desfase, que desplaza la función respecto al origen de coordenadas. Cuando, en el instante inicial t=0t = 0t=0, el valor de la función es v=sin(ϕ)v = \sin(\phi)v=sin(ϕ), se dice que la función está desfasada respecto al origen por un ángulo ϕ\phiϕ (en radianes).
Si se dispone de dos señales alternas de la misma frecuencia, también es posible que exista un desfase entre ellas. Este desfase se refleja en la diferencia de los valores de fase (ϕ\phiϕ) de las dos señales, como se muestra en la representación gráfica.
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