Instalaciones y equipos eléctricos.

¿Sabes cómo se genera la electricidad?, ¿conoces en qué consiste el electromagnetismo y los principios básicos que rigen estos fenómenos?

En esta unidad veremos los conceptos de electricidad y magnetismo, los circuitos eléctricos, los elementos básicos de generación, conducción y regulación, así como la normativa aplicable a los riesgos eléctricos.

La electroestática estudia los fenómenos eléctricos, las cargas eléctricas en reposo, las fuerzas que se ejercen entre ellas y su comportamiento al interior de los materiales.

La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados. El electromagnetismo es rama de la Física que estudia la relación entre ambos fenómenos.

La electricidad es un fenómeno físico originado por la interacción de cargas eléctricas estáticas o en movimiento. Es decir, la electricidad es originada por el movimiento de los electrones, que son las partículas de carga negativa y masa muy pequeña que giran alrededor del núcleo en un átomo.

Si carga eléctrica se encuentra en reposo produce fuerzas eléctricas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga está en movimiento, además produce fuerzas magnéticas (es el magnetismo).

Los materiales se clasifican en conductores, semiconductores y aislantes, dependiendo de su estructura electrónica, siendo las propiedades que los definen la masa y la carga eléctrica de estos materiales.

Benjamín Franklin es la persona que estudió los fenómenos eléctricos y estableció la existencia de dos tipos de carga, la positiva y la negativa, concluyendo que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen.

• Magnitudes eléctricas.

  Las magnitudes eléctricas que debes conocer a la hora de estudiar los fenómenos eléctricos son:

  • La intensidad (I).
  • El voltaje (V).
  • La resistencia (R).

  Y las relaciones de éstas: potencia y energía.

• Intensidad.

  La intensidad de corriente eléctrica se define como la cantidad de electricidad (carga eléctrica, es decir, electrones) que pasa por un conductor por unidad de tiempo. La unidad de medida es el amperio (A) y se mide con una aparato llamado amperímetro.

  
• Voltaje.

  Llamado también tensión eléctrica, es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos puntos del circuito. La unidad de medida es el voltio (V) y se mide con el voltímetro.

  
• Resistencia.

  La resistencia es la oposición que ejerce cualquier cuerpo al paso de la corriente eléctrica. Hay materiales que oponen más dificultad que otros a la circulación de la corriente eléctrica, si la resistencia es muy alta, serán aislantes, si esta oposición es muy baja, son materiales conductores. La resistencia se mide en ohmios (Ω) y se mide con un aparato llamado ohmímetro.

Estas magnitudes eléctricas se relacionan mediante la potencia y la energía.

• Potencia (P).

  La potencia es el producto del voltaje por la intensidad de la corriente eléctrica, y representa la capacidad del aparato de transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía. Cuanta más potencia tenga un aparato más rápido realizará esta transformación. La unidad de potencia es el watio (W) y el aparato que mide directamente esta magnitud es el watímetro. Normalmente, en un circuito, dispondremos de amperímetros y voltímetros, por lo que con estas lecturas se calculará la potencia.

  
• Energía.

  Se define la energía como la potencia consumida por unidad de tiempo. La unidad de medida es el kilowatio-hora.

  

• Ley de Ohm.

  Georg Simon Ohm estableció la relación que existe entre voltaje, resistencia e intensidad de corriente. A esta relación se le nombró como la Ley de Ohm, que dice: la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico es igual al producto de la intensidad que lo recorre por la resistencia medida entre dichos puntos.

  

  
• Ley de Joule.

  Cuando se produce electricidad, es decir, se conecta un circuito eléctrico y se mueven cargas a lo largo de un conductor, parte de la energía cinética de los electrones se disipa en forma de calor debido a los choques de estos electrones en el conductor por el cual circulan. El movimiento de las cargas (los electrones) dentro del conductor es caótico, así que chocan continuamente entre ellos y con el material del conductor por el que van, elevando la temperatura de éste. El trabajo que se realiza se disipa en forma de calor. El trabajo depende de la intensidad de la corriente, la resistencia que encuentra a su paso y el tiempo de conexión.

  Este trabajo responde a la expresión:

  
  

  Para:

  • W el trabajo.
  • I la intensidad.
  • R la resistencia.
  • t el tiempo.

  Como la expresión del trabajo corresponde a la potencia por unidad de tiempo, queda la fórmula:

  
  

  La unidad del trabajo en el sistema internacional es el Julio (o Joule) y la potencia se expresa en vatios, pero habitualmente se habla de kilovatios para la potencia eléctrica y los kilovatios-hora para el trabajo eléctrico. La unidad de calor ampliamente utilizada es también la caloría o kilocaloría.

  Es efecto Joule es utilizado en muchos equipos e instrumentos, incluso caseros. Piensa en un horno eléctrico, una estufa o una tostadora. Se hace pasar una corriente eléctrica por un filamento que se pone incandescente, calentando un espacio a su alrededor.

• Corriente continua.

  La corriente eléctrica es creada por los electrones en movimiento. Si este flujo de los electrones (que son cargas negativas) va siempre en el mismo sentido, hacia el polo positivo, se dice que es corriente continua (CC). Si los electrones van hacia el polo positivo, quiere decir que dejan ausencias que son cargas positivas que se mueven en sentido contrario (del polo positivo al negativo).

  Por convenio, en las representaciones de la corriente eléctrica se toma la de las cargas positivas, por lo tanto cuando representemos en un circuito, la corriente se dibujará como una flecha del polo positivo al negativo (aunque la corriente la provoque la corriente de los electrones).

  En corriente continua el flujo de electrones es continuo en el tiempo, de signo continuo. La gráfica de representación del voltaje frente al tiempo es una línea recta.

  
• Corriente alterna.

  En corriente alterna (CA o AC), los electrones no se desplazan hacia el polo positivo, sino que oscilan de un lado a otro de su posición dentro del conductor (cable), con una amplitud fija y una determinada frecuencia. Es decir, el flujo de los electrones va cambiando de sentido continuamente.

  La amplitud o entorno con el que oscilan es el recorrido que ejercen hacia un lado y hacia el otro.

  En la gráfica del voltaje frente el tiempo, la representación es una curva u onda (que puede ser de diferentes formas sinusoidal, cuadrada, triangular…).

  

Para la corriente alterna representada como una sola curva sinusoidal se dice que es monofásica, es decir, está constituida por un pulso de única frecuencia y amplitud. La potencia que se transmite así es pulsada, variando el voltaje con el tiempo.

La corriente monofásica se utiliza para iluminación, calefacción o motores pequeños eléctricos, no siendo habituales para más de 10 kW. El voltaje utilizado y la frecuencia de esta corriente depende de cada país, siendo lo más habitual voltajes desde 120 a 230 V y frecuencias de 50 - 60 Hz.

La corriente trifásica consiste en la suma de tres corrientes alternas de igual frecuencia y amplitud, superpuestas y acopladas producidas simultáneamente en un generador y desfasadas 120º entre sí (120º es un tercio de periodo). Estas tres corrientes (cada una de ellas se denomina fase) se transportan por tres hilos conductores o cuatro (si además hay un neutro) que se denominan corriente R, S, T y N (para el neutro).

Un sistema trifásico de corrientes así desplazadas se dice que es un sistema equilibrado, si no están desplazadas simétricamente se dice que está desbalanceado. Si por cada uno de los hilos del conductor circulan corrientes de distinta amplitud y frecuencia y diferente fase (no 120º), resultando un conjunto de diferentes impedancias, será un sistema de cargas desequilibradas.

Es un sistema muy utilizado ya que permite transportar la misma potencia economizando en conductores ya que cada hilo de una fase es mucho más fino que si fuera corriente monofásica. Además la potencia que se transmite no es pulsada como en una corriente monofásica, así que el rendimiento en los receptores (especialmente en motores) es mucho más elevado.

Existen dos tipos de conexión de la corriente trifásica: en estrella y en triángulo.

Un circuito eléctrico básico está compuesto de:

• Un generador: el equipo que suministra la electricidad al circuito (pilas, baterías, dinamos, alternadores).
• Elementos conductores: son los materiales que permiten el paso, la circulación de la corriente eléctrica (son los cables).
• Elementos receptores: son los componentes que reciben la energía eléctrica y la transforman en formas útiles (movimiento, luz, sonido… lo que nosotros aprovechamos).
• Elementos de control: son los elementos que permiten tener conectada o desconectada la corriente eléctrica (interruptores, pulsadores, conmutadores).
• Elementos de protección: son los elementos de seguridad que protegen la instalación y al usuario en caso de avería de sufrir un accidente (fusibles, interruptores de protección).

Los circuitos pueden estar configurados en serie o en paralelo y disponen de una simbología para representarlos.

• Circuitos en serie.

  En este tipo de circuito, la corriente eléctrica tiene un solo camino de recorrido desde el punto de salida. En el esquema puedes ver la representación de cada uno de los elementos de un circuito eléctrico. El generador (pila, etc.) se representa por dos líneas paralelas, el polo positivo es la línea más larga y el polo negativo es el polo más corto. Las resistencias son las líneas en zigzag marcadas.

  
  
  

  Para este circuito se cumple:

  

  

  
  
  

  La intensidad es la misma la que recorre todo el circuito. El voltaje total es la suma de diferencias de potencial en cada resistencia y la resistencia total es la suma de resistencias.

• Circuitos en paralelo.

  En un circuito en paralelo la corriente eléctrica se bifurca en varios caminos. La diferencia de potencial en cada bifurcación es la misma.

  
  
  

  En este circuito se cumple:

  

  

  
  
  

  En este caso la intensidad total es la suma de las intensidades de cada tramo de bifurcación. La diferencia de potencial de cada bifurcación es la misma en cada tramo y la resistencia se calcula con la fórmula expresada.

Se pueden configurar circuitos que sean mixtos, es decir con elementos en serie y elementos en paralelo. Para resolver estos circuitos se calculan los parámetros primero en serie y después en paralelo.

Los conductores son los elementos que permiten que los atraviese un flujo de corriente eléctrica, es decir de cargas en movimiento. Por lo tanto, la principal aplicación de un conductor es el transporte de energía eléctrica.

Para que un material se considere conductor tiene que transmitir la corriente eléctrica con cierta facilidad y además debe ser químicamente estable (no debe descomponerse por el paso de esta corriente).

Normalmente están constituidos por elementos de transición de la Tabla Periódica, aunque se han obtenido materiales de otros tipos (por ejemplo algún tipo de plástico) como materiales conductores. Estos elementos tienen enlace metálico entre sus átomos lo que favorece la circulación de los electrones de valencia proporcionando la conductividad tanto eléctrica como térmica.

Los materiales aislantes (como la mayoría de los plásticos, gomas, etc.) tienen enlaces covalentes entre sus átomos, mediante los electrones de valencia, ligándose y no dejando electrones en libre circulación.

Las disoluciones de compuestos iónicos favorecen el paso de corriente, ya que las cargas están en libre circulación, permitiendo así su movimiento (que es precisamente en lo que se basa la corriente eléctrica).

Loa metales y aleaciones más empleados en cables y su conductividad eléctrica son los siguientes:

El siemens es la unidad de la conductancia en el Sistema Internacional, y es el inverso de la resistencia.

Los semiconductores, como el silicio o el germanio, son elementos que en estado puro no conducen, sin embrago con una pequeña proporción de impureza y por aumento de la temperatura se vuelven conductores.

Si se representa la intensidad de corriente (I) frente al voltaje de un elemento o material se obtiene la curva característica de un conductor metálico que es una caída proporcional del voltaje frente a la corriente. Será una curva que pasa por cero, lineal y antisimétrica.

El hilo o el cable conductor se caracterizará por su calibre o dimensión (diámetro) del mismo. Hay varias nomenclaturas que especifican el calibre de un hilo según el país.

Para uso doméstico, el material más utilizado es el cobre. Son mejores conductores la plata y el oro, pero su precio es muy elevado. Para altas tensiones se utiliza aluminio, que a pesar de se peor conductor que el cobre, tiene un peso mucho menor, por lo que facilita las instalaciones de largo recorrido.

Del hilo o el cable se distinguirán tres partes:

• El metal conductor.
• El aislamiento.
• La cubierta protectora.

• Metal conductor.
  • Según su constitución.

    La estructura de los conductores más habituales son hilos y cables.

    • Hilos. Son alambres construidos por un solo hilo de metal que puede estar recubierto o no. Si este hilo se utiliza en instalaciones eléctricas está recubierto de plástico o goma y si se utiliza en bobinados estará recubierto de esmaltes especiales, seda o algodón.
    • Cables. Están formados por varios hilos.
  • Según el número de conductores.

    Puede ser monoconductor o multiconductor, es decir un solo tipo de conductor o varios conductores.

• Aislamiento.

  Se debe aislar el conductor para evitar que la energía eléctrica que circula por él entre en contacto con las personas o con objetos, ya que podría pasar la corriente eléctrica a estos. Otro objetivo del aislante es evitar que dos o más conductores entren en contacto entre sí cerrando un circuito y produciendo un paso de corriente por donde no debía pasar.

  Los materiales aislantes más empleados son sustancias poliméricas:

  • PVC (cloruro de polivinilo).
  • PE (polietileno).
  • Caucho.
  • Goma.
  • Neopreno.
  • Nylon.
  • Etc.

  Si el conductor y su aislamiento están mal diseñados pueden provocar problemas como caídas de tensión, incendios o pérdida de energía en el transporte. Un calentamiento excesivo de los conductores (por efecto Joule) provoca pérdida de aislamiento del conductor y pérdida de resistencia mecánica del mismo. Por lo que la seguridad de las instalaciones depende tanto del buen diseño como de la calidad de los materiales.

• Cubiertas protectoras.

  Es un recubrimiento o revestimiento adicional por encima del aislante cuyo objetivo proteger la integración del aislante y el metal conductor, por ejemplo en casos en que se pueda prever un deterioro acelerado o daños mecánicos.

  Pueden ser protecciones mecánicas de acero, latón u otro material resistente, y pueden ser en forma de cinta, alambre o alambres trenzados.

  También pueden estar dotados de una protección de tipo eléctrico formado por cintas de aluminio o cobre.

  Según el uso, ambiente y consumo, se utilizan diferentes tipos de conductores con diferentes características:

  • Conductores para distribución y poder.
  • Cables armados.
  • Cordones.
  • Cables portátiles.
  • Cables submarinos.
  • Cables navales.

La resistencia eléctrica de un objeto es la medida de la resistencia del paso de la corriente a través de él. La unidad de medida es el ohmio, Ω, (en honor a su descubridor Georg Ohm). Es el concepto inverso a la conductancia y puedes imaginar que es parecido a la resistencia por fricción en mecánica.

La resistencia de un cuerpo es el cociente entre el voltaje aplicado y la intensidad que la atraviesa, siendo esta relación casi ideal para corriente continua. Para corriente alterna, sólo si es sinusoidal y de baja frecuencia tendrá un comportamiento de este tipo.

La resistencia disipa la energía que la atraviesa en forma de calor debido al efecto Joule. Este efecto se aprovecha en muchos dispositivos para calentar.

La resistencia queda definida por tres parámetros: su valor nominal en ohmios, la potencia que disipa y su tolerancia (el % de los valores máximo y mínimo del valor nominal).

• Clasificación de las resistencias.

  En un circuito eléctrico podemos distinguir diferentes tipos de resistencias. Según su estructura puede ser bobinado o no bobinado, y entre estos tipos y según su composición:

  • De hilo bobinado.
  • De carbón prensado.
  • De película de carbón.
  • De película de óxido metálico.
  • De película metálica.
  • De material vidriado.

  Según su modo de funcionamiento:

  • Dependientes de la temperatura.
  • Resistencias variables, fijas y especiales.

  La función básica de una resistencia puede ser:

  • Limitar la corriente de paso.
  • Calentar.
  • Controlar las corrientes electrónicas, modificando el campo eléctrico y la señal.

Una bobina o inductor es un elemento pasivo de un circuito con dos terminales que almacena energía en forma de campo magnético. Gracias a un cable por el que circula corriente eléctrica, se genera un campo magnético con flujo en sentido que obedece a la ley de la mano derecha. La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicado y es proporcional al cambio de la corriente.

Está formada por alambres enrollados sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire.

El parámetro que define la bobina eléctrica es la inductancia que mide la oposición de la bobina al paso de la corriente. Se mide en Henrios (H).

Esta inductancia depende de:

• El diámetro de la bobina.
• Del número de espiras de la bobina.
• De la longitud del cable con el que está hecha la bobina.
• Del tipo de material con el que está hecha la bobina.

Las bobinas tiene diferentes usos, como por ejemplo para filtrar componentes alternos de la corriente y obtener corriente continua a la salida. También tiene aplicación en las lámparas fluorescentes.

• Tipos de bobinas.

  Podemos distinguir entre bobinas fijas o bobinas variables.

  Las bobinas fijas pueden ser con núcleo de aire o con núcleo sólido. En las de núcleo al aire el conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira éste quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas.

  Una variante de bobina al aire es un solenoide que se diferencia en el aislamiento.

  Las bobinas con núcleo sólido poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube.

  Las bobinas variables son bobinas ajustables en las que la variación de la inductancia viene producida por el desplazamiento del núcleo.

  Las bobinas o inductores tienen las siguientes aplicaciones:

  • Bobinados para motores eléctricos.
  • Devanados en transformadores.
  • Reactores.
  • Filtros de armónicos.
  • Hornos de inducción.
  • Medidores de corriente.
  • Etc.

Un condensador es un elemento pasivo que almacena energía en forma de campo eléctrico (las bobinas lo hacen en forma de campo magnético). Esquemáticamente está formado por dos capas (placas) y un material dieléctrico en medio. En el condensador más sencillo el material dieléctrico es aire.

Los factores que determinan un condensador son:

• La capacidad: medida en Faradios (F).
• La tensión de trabajo: es la máxima tensión que puede aguantar un condensador sin que explote o se queme. Va a depender del grosor y tipo del dieléctrico.
• La tolerancia: es el error máximo que puede existir entre la capacidad real del condensador y la capacidad indicada sobre su cuerpo (igual que en las resistencias).
• Polaridad: los condensadores electrolíticos y en general los de capacidad superior a 1 µF tienen polaridad, eso es, que se les debe aplicar la tensión prestando atención a sus terminales positivo y negativo. Al contrario que los inferiores a 1µF, a los que se puede aplicar tensión en cualquier sentido, los que tienen polaridad pueden explotar en caso de ser ésta la incorrecta.

• Tipos de condensadores.

  Hay diferentes tipos según su estructura:

  • Electrolíticos: el material dieléctrico está formado por un papel impregnado en un electrolito. Tienen polaridad y capacidad superior a 1µF.
  • Electrolíticos de tántalo o gota: el material dieléctrico es una fina capa de óxido de tantalio amorfo. Tienen polaridad y capacidad superior a 1µF.
  • De poliéster metalizado, con capacidades inferiores a 1µF. Formados por dos láminas de policarbonato recubierto por un depósito metálico que se bobinan juntas.
  • De poliéster: la estructura es similar a los anteriores pero constituidos en forma plana.
  • De poliéster tubular: como los anteriores pero en forma tubular.
  • Cerámicos de tubo: capacidades de picofaradios. En desuso.

  Los condensadores tienen una codificación por colores o letras que indican la capacidad, el factor multiplicador, la tensión y la tolerancia.

Un regulador es un dispositivo que compensa variaciones de voltaje (subidas y bajadas) en el circuito eléctrico y los equipos conectados a él. Estabiliza la electricidad a un nivel promedio constante que no provoque daño a estos equipos.

En el esquema puedes ver la corriente que entra por la derecha, teniendo fluctuaciones de voltaje. Al pasar por el regulador, se obtiene una corriente compensada y constante.

Cuando el regulador detecta un aumento del voltaje puede cortar el suministro. Además, tienen un sistema de protección basado en un fusible en su interior que en caso de un voltaje excesivamente alto, se quema en lugar de permitir el paso de la corriente y protege al regulador y a todos los equipos conectados a él.

• Partes de un regulador de voltaje.

  Internamente cuentan con un circuito electrónico especial para estabilizar los niveles de voltaje, externamente cuenta con las siguientes partes:

  • Botón de encendido: enciende y apaga el equipo de manera mecánica.
  • Indicadores: avisan al usuario si el equipo esta encendido o protegiendo en caso de descargas.
  • Ventilación: permite la introducción de aire fresco al interior del regulador.
  • Cubiertas: protegen los circuitos internos del regulador y le dan estética.
  • Enchufes de varias terminales: permite suministrar electricidad estabilizada a los equipos a conectar
  • Conectores: suministran señal a otros equipos.
  • Cable de alimentación: suministra la electricidad a regular desde el enchufe doméstico.
• Tipos de reguladores.

  Hay reguladores de tipo:

  • Electromagnético: se usa una bobina voltimétrica formada por un cable muy fino que crea un campo magnético (cuanto mayor sea el voltaje, mayor será el campo magnético). El campo generado por esta bobina actúa sobre una lámina metálica de manera que cuando el campo es suficientemente fuerte (voltaje máximo) atrae la lámina, la cual deja de hacer contacto por uno de sus extremos, abriéndose un circuito (excitación).
  • Electrónicos: utilizan componentes electrónicos. Funcionan como un interruptor que corta la corriente del rotor cuando el voltaje llega a un determinado valor.

Los elementos de control, tal como su nombre indica, son los elementos que controlan la circulación de corriente eléctrica en el circuito. Estos elementos pueden ser:

• Interruptores: son dispositivos de dos posiciones, una de apertura del circuito y otra de cierre del circuito.
• Pulsadores: son dispositivos de una posición. Sirven para abrir y cerrar circuitos pero con accionamiento puntual, es decir, funcionan sólo cuando están pulsados.
• Conmutadores: son dispositivos que suelen tener dos posiciones, en una posición conecta una parte del circuito, y en la otra posición conecta la otra parte del circuito.
• Llave de cruce: es un conmutador de cuatro polos conectados de dos en dos. Con este dispositivo se puede cambiar el sentido de giro de los motores de corriente continua.
• Relé: interruptor que se acciona con el paso de la corriente eléctrica.
• Final de carrera: interruptor accionado mecánicamente por el movimiento de alguna pieza.

Los elementos de protección son elementos que protegen el circuito eléctrico y todos los dispositivos conectados a él y que, además, protegen a las personas. Un circuito puede provocar algunos accidentes como cortocircuitos y sobrecargas.

Un cortocircuito sucede cuando la resistencia de un circuito se reduce a cero en algún punto (por ejemplo al unir dos cables), haciéndose la intensidad excesivamente grande y provocando el aumento de temperatura por efecto Joule, y por lo tanto quemándose el conductor y pudiendo provocar un incendio.

Una sobrecarga se produce cuando la tensión es superior a lo normal durante un periodo de tiempo.

• Los elementos que protegen un circuito son:

  (Protegen los circuitos de destruirse).

  • Los fusibles. Un fusible es un hilo fino insertado en un circuito que se convierte en la parte más débil. Cuando la tensión se eleva por encima de lo normal, éste se caliente y se funde, de manera que abre el circuito.
  • Interruptor automático. Es de accionamiento automático, gracias al efecto electromagnético de la corriente.
• Los elementos que protegen a las personas son:

  (Protegen las personas de la electrocución).

  • Toma a tierra. Es la unión mediante conductores de todas las partes metálicas de una instalación a tierra. Se unen las partes metálicas que no están destinadas a la conducción de corriente (por ejemplo una estantería metálica o la carcasa de un electrodoméstico).
  • Interruptor diferencial. Es un dispositivo que cuando detecta una fuga de corriente, abre el circuito. Es automático y se basa en el campo magnético que crea un conductor eléctrico enrollado sobre un núcleo magnético.

Las máquinas eléctricas son dispositivos que transforman la energía cinética en otro tipo de energía. Se clasifican en tres grupos: los generadores, los motores y los transformadores. Des del punto de vista mecánico las máquinas provistas de elementos giratorios se les denominan máquinas eléctricas rotativas (dinamos, motores, alternadores…) y las que no disponen de partes móviles, denominadas máquinas eléctricas estáticas (transformadores).

Un generador eléctrico es un dispositivo que mantiene una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos llamados polos, terminales o bornes. Transforman energía mecánica en energía eléctrica, mediante la acción del campo magnético sobre una armadura o estator.

Esto se consigue por la Ley de Faraday, que establece que al hacer girar una espira dentro de un campo magnético se produce una variación del flujo de este campo a través de la espira, generando corriente eléctrica.

Existen generadores primarios que convierten la energía de otra naturaleza en corriente eléctrica directamente (alternadores, dinamos, etc…) y generadores secundarios o acumuladores, que reciben la energía de un dispositivo, la almacenan y después la ceden en forma de corriente eléctrica (por ejemplo una batería o una pila).

Las partes de un generador eléctrico son principalmente:

• Un motor. Es el que proporciona energía mecánica.
• Un alternador. Produce la potencia eléctrica de la energía mecánica suministrada por el motor. Está formado por una parte fija (el estator) y una móvil (el rotor) que produce el campo magnético ya sea por inducción, por imanes permanentes o por una pequeña fuente de corriente continua
• Un regulador de voltaje.
• Un sistema de refrigeración
• Un sistema de lubricación.
• Un panel de control.
• Un cargador de batería.
• Combustible: con capacidad suficiente para mantener operativo el generador de 6 a 8 horas.

Hay generadores de corriente continua y generadores de corriente alterna.

• Tipos de generadores eléctricos.

  Hay diferentes tipos de generadores eléctricos según la escala industrial. Las centrales de generación de energía eléctrica son de tipo hidráulico, térmico, eólico, nuclear… dependiendo del tipo de energía mecánica que ejerce el movimiento de una turbina u otro dispositivo y genera la electricidad, por ejemplo, con agua, combustible, aire, fisión nuclear que generan vapor que mueve la turbina...

  

  Un ejemplo de generación eléctrica vía hidráulica se muestra en el dibujo. Una gran turbina es movida por la fuerza del agua, que hace girar el rotor que es el inductor (formado por un imán permanente o electroimán), que al girar induce una corriente magnética. En el estator constituido por una bobina se induce corriente eléctrica ya que al girar el rotor el flujo de campo magnético cambia con el tiempo.

  De esta energía que proporciona electricidad a la red general de distribución se abastecen tanto industrias como hogares. Pero en caso de fallo de suministro, las empresas necesitan tener un generador alternativo que les permita seguir realizando procesos que están en marcha y que no deben pararse. Por ejemplo, imagina las luces en un quirófano, sistemas de alarma, reactores en proceso, etc.

  Los generadores eléctricos de combustión funcionan con una variedad de combustibles por ejemplo: diesel, gasolina, propano (en forma líquida o gaseosa) o gas natural. Los motores más pequeños suelen funcionar con gasolina mientras que los grandes motores funcionan con diesel, gas propano líquido, gas propano o gas natural. Algunos motores también pueden funcionar con una doble alimentación de diesel y de gas en un modo de operación bi-combustible.

  El combustible se quema para hacer funcionar un motor de combustión interna (semejante al motor de un coche). El motor conectado al generador le entrega la energía mecánica para transformarla en electricidad.

Hasta ahora hemos visto generadores electromecánicos, es decir, aquellos que generan electricidad mediante una fuerza de naturaleza mecánica (hidráulica, eólica, vapor, térmica).

Existen otros tipos de alternadores según la naturaleza de la energía que genera la electricidad. Si se genera electricidad mediante una reacción química, hablaremos de generadores electroquímicos y si esta energía se produce a través de la energía solar, serán generadores fotovoltaicos.

• Generadores electroquímicos.

  Son las baterías, pilas o acumuladores. Se basan en procesos electroquímicos producidos por intercambios iónicos de metales sumergidos en electrolitos. Tiene la capacidad de generar energía eléctrica y acumularla para un posterior uso. Se utilizan para pequeñas aplicaciones, ya que no permiten una acumulación masiva de energía eléctrica.

• Generadores fotovoltaicos.

  Son generadores que funcionan con energía renovable, con las ventajas que esto supone, siendo bajo el impacto medioambiental y bajo el costo de mantenimiento. Su estructura está formada por paneles fotovoltaicos a base de de silicio amorfo o monocristalino que se orienta hacia la luz solar. La energía que se produce se conduce a un acumulador en forma de corriente continua, que se puede transformar en alterna mediante transformadores.

  

• Acumuladores.

  Los acumuladores son dispositivos que acumulan energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos.

  El principio de funcionamiento de los acumuladores se basan en reacciones rédox donde un compuesto se oxida (cede electrones) y otro se reduce (acepta electrones) cambiando su estado de oxidación, transfiriendo los electrones entre los dos electrodos sumergidos en un electrolito.

  Las pilas son acumuladores de baja capacidad y no reversibles, es decir, generalmente no son recargables. En cambio las baterías sí son reversibles (en realidad son semireversibles porque también se agotan), y recargables.

• Tipos de acumuladores.

  Existen diferentes tipos de acumuladores:

  • Baterías de plomo-ácido: con electrodos de plomo/sulfato de plomo y solución de ácido sulfúrico. Son económicas y de fácil fabricación, aunque altamente contaminantes.
  • Pila seca.
  • Pila alcalina.
  • Baterías de níquel-hierro (Ni - Fe).
  • Baterías de iones Litio.
  • Etc…

  Los parámetros de las pilas y baterías más importantes vienen indicados por el potencial que pueden proporcionar, así como la cantidad de corriente que pueden acumular.

El motor eléctrico convierte energía eléctrica en energía mecánica. Un motor funciona de manera inversa a un generador, aunque hay motores que actúan de manera reversible pudiendo ser motores o generadores. El principio de funcionamiento es el siguiente: si se coloca una espira en un campo magnético y se hace pasar una intensidad de corriente a través de ella, el campo ejerce una fuerza sobre los dos lados de la espira ejerciendo un momento de fuerzas que provoca que la espira empiece a girar (es decir, ya tenemos energía mecánica). Dependiendo del tipo de corriente empleada, los motores serán de corriente continua o de corriente alterna.

Es decir, por un conductor, que es la espira, circula una corriente eléctrica. Toda corriente eléctrica en circulación genera un campo magnético. Al introducirse esta espira dentro de un campo magnético mayor, la espira girará produciendo movimiento que es energía mecánica.

Los motores eléctricos tienen ventajas respecto a los motores de combustión. Algunas de ellas son:

• Menor tamaño y peso por la misma potencia.
• Pueden generar una potencia constante y elevada.
• Es versátil, pudiéndose construir de muchos tamaños distintos (desde pequeños a grandes).
• Su rendimiento es elevado (superior al 75 %).
• No emite contaminantes.

• Motores eléctricos de corriente continua. Según estén conectados pueden ser motores en serie, motores compound, motores shunt, sin escobillas, motores paso a paso, motores sin núcleo, servomotores, etc…
• Motores de corriente alterna.

  Pueden ser:

  • Asíncrono o de inducción: el rotor no gira a la misma frecuencia que el estator. Pude tener un rotor de jaula de ardilla. Pueden ser monofásicos o trifásicos.
  • De rotor devanado: con bobinas conectadas a anillos deslizantes en un eje. Unas escobillas conectan el rotor a unas resistencias. Pueden ser monofásicos o trifásicos.
  • Motor síncrono: el rotor gira a las mismas revoluciones que el campo magnético del estator.
• Placa de características del motor eléctrico.

  Es la placa donde se especifica el tipo del bastidor (carcasa) del motor y sus características mecánicas, las características de entrada y salida y las condiciones bajo las cuales debe operar un motor como: números de modelo, de serie, de catalogo, de parte y de existencia, tipo de motor, potencia y trabajo, la frecuencia, la tensión, la intensidad, las revoluciones, el factor de potencia y la normativa.

La corriente eléctrica la podemos transformar, ampliar, reducir... La nomenclatura de estos cambios y los equipos que los realizan es la siguiente:

• Transformación de CA a CA: transformadores.
• Transformación de CA a CC: rectificadores.
• Transformación de CC a CC: convertidores.

• Transformadores de potencia.

  Un transformador es un dispositivo que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito de corriente alterna manteniendo la frecuencia. Simplemente varía la tensión de la corriente alterna en el circuito, pasándola a otro nivel por medio de la acción electromagnética. Idealmente la potencia de entrada es igual a la de salida, pero las máquinas son reales y por lo tanto siempre hay pérdidas.

  La estructura de un transformador está constituida por dos bobinas de material conductor, enrolladas sobre un núcleo ferromagnético y aisladas eléctricamente entre sí. Se establece un flujo magnético entre estas dos bobinas; al aplicar una fuerza electromotriz en la primera bobina circulará una corriente alterna que creará un campo variable, que a su vez creará un campo electromagnético en la segunda bobina.

  Existen las tres posibilidades a la hora de modificar la tensión y según las aplicaciones

  • Elevador: cuando la relación entre la tensión de salida y la de entrada es menos de 1.
  • Reductor.
  • Elevador-reductor: se emplean en la entrada de las subestaciones de trabajo, donde entra la corriente a alta tensión y se necesita bajar a tensiones más manejables.

  También podemos hablar de transformadores de aislamiento, transformadores variables, de alimentación, trifásicos, de línea, estabilizadores de tensiones...

  Según la constitución del núcleo, los transformadores pueden ser de grano orientado, toroidal, autotransformador, de núcleo envolvente, piezoeléctrico, etc...

La distribución de corriente eléctrica se suele hacer normalmente en corriente alterna, debido a la facilidad de adaptación de tensión por medio de transformadores. Para las aplicaciones que requieren corriente continua se utilizan unos convertidores estáticos denominados rectificadores. Por lo tanto, un rectificador convierte la tensión alterna en tensión continua.

• Clasificación de los rectificadores.

  Se pueden clasificar en:

  • Rectificadores no controlados: se utilizan elementos electrónicos que permiten el paso de la corriente eléctrica en un sentido, bloqueando el circuito si se aplica una tensión de polaridad incorrecta. Se utiliza un diodo semiconductor. Sobre este diodo no tenemos ningún control ni de encendido ni de apagado, funciona automáticamente.
    • Rectificador monofásico de media onda: se utiliza un diodo entre la fuente de alimentación y la carga o resistencia que rectifica la mitad de la corriente de entrada, es decir, cuando el ánodo es positivo respecto al cátodo. Por lo tanto, si el potencial es positivo, el diodo conduce, dejando pasar la corriente, y cuando V es negativo, el diodo no conduce. Esto hace que la onda alterna compuesta por crestas positivas y negativas, se convierta en continua.
      
    • Rectificador con transformador de toma media: se utilizan dos diodos que rectifican la onda completa con un transformador en toma media. La parte negativa de la onda alterna la transforma en positiva (el monofásico no la dejaba pasar), de manera que se obtiene una tensión formada por semiondas de igual magnitud y con un desfase de 180 º.
      
    • Rectificador de puente: se utilizan cuatro diodos dispuestos en configuración denominada puente completo o puente de Graetz. No necesita transformador y el efecto en la onda es el mismo que en el caso anterior, es decir, se obtiene una onda con todas las partes en positivo y desplazadas 180 º.
    • Rectificador trifásico de onda completa: no controlado con carga resistiva. Es el más empleado en la industria para producir tensión continua para grandes cargas.
    • Rectificador de filtro: se utiliza un filtro que normalmente es un condensador. Este condensador permite mantener la tensión de salida casi constante.
      
  • Rectificadores controlados: se utilizan cuando se desea controlar la tensión de salida de un rectificador. Se utilizan semiconductores de potencia, un tiristor. La conducción se produce cuando la tensión ánodo-cátodo es positiva. Este dispositivo puede retardar la puesta en conducción. Pueden ser:
    • Rectificador monofásico controlado de media onda y carga resistiva.
    • Rectificador monofásico totalmente controlado.
    La rectificación de la parte negativa de la onda se produce por fases.
• Aplicaciones de los rectificadores.

  Una de las aplicaciones de los rectificadores es actuar como cargadores de baterías. Es decir, transforman la energía de la corriente alterna (monofásica o trifásica) en corriente continua para cargar baterías.

  También existen los inversores de potencia, es decir los que transforman la CC en CA.

Las torres de alta tensión que vemos por la carretera, transportan corriente eléctrica de elevada tensión. Para suministrar corriente para uso doméstico o industrial esta corriente se ha de transformar a una potencia adecuada de uso. Se utilizan convertidores de potencia eléctrica de CC a CC, es decir de corriente continua a corriente continua de manera que eleve o reduzca el voltaje.

Los convertidores de potencia más empleados son:

• Reductores: el voltaje de entrada es siempre mayor que el de salida.
• Elevadores: el voltaje de entrada es siempre menor que el de salida.
• Cúk: el voltaje de salida es menor o mayor que el voltaje de entrada, pero siempre de polaridad opuesta a la polaridad del voltaje de entrada. Para el almacenaje de energía se utiliza un condensador.
• Reductores-elevadores: el voltaje de salida puede ser menor o mayor que el voltaje de entrada. La polaridad del voltaje de salida es inversa a la de entrada. Se le conoce como regulador inversor.

Se suelen emplear reguladores de conmutación, dando una salida de tensión regulada, es decir, los convertidores trabajan en modo de conmutación para convertir el voltaje no regulado en regulado, de manera que permite el paso o bloqueo de corriente con un interruptor.

• Medidas de seguridad.

  El artículo 16 de la Ley de Prevención de Riesgos Laborales 31/1995 detalla los factores de riesgos y medidas de seguridad que deben tener los trabajos realizados con tensión eléctrica. La utilización de medidas de protección adecuadas, como herramientas aislantes, banquetas, guantes y botas aislantes, etc… son básicos para prevenir los accidentes.

  Los lugares de trabajo, equipos y su utilización y mantenimiento deben cumplir la normativa vigente.

  Toda instalación precisa de un proyecto, ya sea nueva o una ampliación de una ya existente, de manera que se puedan comprobar y aprobar todos los aspectos de acuerdo al reglamento.

  Las recomendaciones básicas para la manipulación de instalaciones eléctricas son:

  • Manipular sólo especialistas.
  • No estar mojado, ni los pies ni las manos.
  • Cortar la corriente previamente a manipular el equipo, y enclavarlo.
  • Señalizar la zona de trabajo e incluso crear una zona de exclusión según la tensión manipulada.
  • Nunca tocar una persona electrizada o electrocutada.

  Una persona se electriza si la corriente circula por su cuerpo (que hace de resistencia) y tiene dos puntos, uno de entrada y uno de salida. La persona se electrocuta si el paso de esta corriente produce la muerte.

  La corriente produce varios efectos en el cuerpo humano que, por ser una resistencia a su paso, se calienta por efecto Joule. Los efectos pueden ser desde leve (cosquilleo) a moderado o grave, si se pasa el umbral. Efectos pueden ser: contracciones musculares, aumento de la presión sanguínea, alteración de la respiración, fibrilación ventricular, quemaduras y parada respiratoria.

  Existen varios umbrales según la intensidad:

  • Umbral de percepción.
  • Umbral de reacción: valor mínimo que provoca contracción muscular.
  • Umbral de no soltar: se contraen los músculos y no se puede abrir la mano para soltar el equipo.
  • Umbral de fibrilación ventricular. A partir de aquí la persona entra en un periodo vulnerable.

  Dependiendo del recorrido de la corriente eléctrica por el cuerpo el accidente será más o menos grave. Es más grave si atraviesa órganos vitales, siendo el recorrido más peligroso la entrada por la mano izquierda y salida por el pie derecho, ya que es la trayectoria que atraviesa el corazón.

  Los contactos eléctricos pueden ser directos con una parte activa de la instalación, o bien indirectos, es decir, contacto con una parte que no forma parte del circuito eléctrico pero está electrizada.

  Las medidas de seguridad en cuanto a instalaciones se describen en el reglamento, tanto las colectivas como las protecciones individuales (EPI) incluyen casco aislante, protección ocular, calzado aislante, ropa de trabajo ignífuga, guantes dieléctricos, alfombras aislantes, además de disponer de comprobadores de tensión, herramientas aislantes y material de señalización.

  Existen los reglamentos de alta tensión y de baja tensión. A continuación se redactarán los artículos de dichos reglamentos.

El RD 614/2001 establece las disposiciones mínimas para la protección de la salud y medidas de seguridad de los trabajadores frente al riesgo eléctrico, mientras que el REBT 842/2002 establece la seguridad en las instalaciones de baja tensión.

El RD 614/2001 distingue entre trabajos con tensión y trabajos sin tensión, así como trabajos en zonas de proximidad y zonas con riesgo de incendio.

Las fuentes convencionales de obtención de energía son por una parte los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural) y la energía nuclear. Estas fuentes de energía no renovable son agotables y contaminantes, así que se estudian otros procesos alternativos de obtención de energía.

Los combustibles fósiles proceden de la descomposición de animales y vegetales de hace millones de años.

• Carbón.

  De origen vegetal, color negro y rico en carbono. Es un combustible de alto poder calorífico. En función del grado de carbonización se distinguen diferentes tipos: turba, lignito, hulla y antracita. Las minas de carbón suponen un gran costo de extracción, así como la generación de contaminación (SO₂ y CO₂) e impacto paisajístico. Se usa en centrales térmicas para producir electricidad por combustión.

  
• Petróleo.

  Compuesto mezcla de hidrocarburos de color oscuro formado por gases, líquido y sólidos. Proviene de la sedimentación hace millones de años de materia orgánica en cuencas marinas deficitarias de oxígeno. El petróleo una vez extraído se transporta por oleoductos o petroleros hasta la refinería donde se somete a una rectificación separando sus componentes. El petróleo tiene unas reservas limitadas, además de ser contaminante.

• Gas natural.

  Proviene de la fermentación de materia orgánica acumulada entre sedimentos. Principalmente está formado por hidrógeno, metano, butano y propano. Se encuentra en forma de bolsas en el interior de la tierra, ya sea solo o con petróleo. Se transporta con gaseoductos o, previamente enfriado y licuado, en barcos. Tiene mayor poder calorífico que el carbón y el petróleo.

  Los combustibles sólidos son utilizados principalmente para combustión en centrales termoeléctricas, para vehículos, para producir calor. Se utilizan en generadores eléctricos auxiliares para emplearlos en zonas donde no hay suministro eléctrico o en caso de corte de electricidad en industrias.

  En las centrales termoeléctricas el procedimiento básico de obtención de energía eléctrica es la combustión del combustible y generación de vapor en el circuito de agua cerrado. Este vapor a presión mueve los alabes de una turbina que hace girar el eje (energía cinética) que se transforma en el generador en energía eléctrica. A su paso por las turbinas, el vapor pasa a un condensador que enfría el agua en un circuito abierto. Es decir, se devuelve el agua al medio, pero siempre a más temperatura de la que se ha extraído, produciendo contaminación ambiental. También son contaminantes los gases que emanan de la combustión.

  Las centrales clásicas suelen tener alrededor del 35 % de rendimiento. Se aumenta el rendimiento con sistemas de cogeneración, es decir, en procesos donde se obtengan electricidad y calor simultáneamente, o bien con generación de ciclos combinados mediante centrales de turbina de gas.

  
• Energía nuclear.

  La energía nuclear es obtenida en el proceso de fisión o fusión de los núcleos de los átomos.

  En la fisión nuclear el núcleo es roto por el bombardeo de partículas (protones o neutrones). En este proceso se libera una gran cantidad de energía y radiaciones, así como residuos nucleares que tardarán mucho tiempo en extinguirse.

  En la fusión nuclear varios átomos ligeros se unen para formar otro átomo más pesado. Se libera entonces gran cantidad de energía en forma de calor y radiación. Éste es el fenómeno que se produce en las estrellas, a gran temperatura a la que los átomos se encuentran en estado de plasma. No disponemos de ningún material capaz de contener el plasma a tan elevadas temperaturas, así que se están desarrollando confinamientos magnéticos o inerciales. Es un proceso aún en estudio. No se generan tantos residuos radioactivos, siendo elevada la energía que se obtiene.

  El impacto de las centrales nucleares es importante, así como las medidas de seguridad que se requieren.

  

Como fuentes renovables se entienden aquellas que utilizan recursos que son prácticamente inagotables para nosotros, ya sea agua, aire o energía solar.

• Energía hidráulica.

  Se aprovecha la energía potencial y cinética del agua en un desnivel (saltos hidroeléctricos) para mover un sistema mecánico. Para generar saltos hidroeléctricos se construyen presas, pantanos y se instalan grandes turbinas. El agua cae a gran velocidad sobre estas turbinas provocando el movimiento de rotación que mediante generadores se transforma en energía eléctrica. Estas centrales generan contaminación paisajística, sobre flora y fauna.

• Energía eólica.

  Se aprovecha la fuerza del viento para hacer girar las aspas de los aerogeneradores que mueven el rotor y de esta manera generar energía mecánica que, mediante transformadores, se convierte en energía eléctrica.

• Energía solar.

  Se recoge en placas la luz solar transformándola en energía eléctrica mediante módulos fotovoltaicos. Las placas solares están formadas por metales sensibles a la luz que desprenden electrones cuando los fotones inciden sobre ellos. Las células son de silicio puro con pequeñas cantidades de impurezas de otros elementos químicos.

  Cada célula genera de 2 a 4 amperios. Las células se montan en serie sobre los paneles y se orientan al sol. El sol es una fuente inagotable. El generador transforma esta energía en corriente eléctrica que se acumula en un acumulador.

  
• Energía geotérmica.

  Se aprovecha la salida de agua caliente subterránea que circula a presión a más de 100 ºC y sale como vapor de agua en los géiseres. Este impulso mueve las turbinas y se genera electricidad. Es un recurso sólo aplicable en los lugares donde se encuentren estas condiciones físicas.

  
• Energía mareomotriz.

  Se aprovecha la diferencia de altura de las mareas, que se produce según la posición relativa del Sol y la Luna. Con un generador se convierte esta energía en eléctrica. Es una energía limpia, aunque cara de generar. Otra forma de aprovechar la energía del mar es la energía unimotriz que aprovecha la energía de las olas.

• Energía de biomasa.

  Biomasa es un término genérico que se refiere al conjunto de la materia biológicamente renovable (madera, plantas, etc.). Se pude considerar una fuente renovable desde el punto de vista que mientras se cultive materia vegetal, se puede utilizar como combustible (biocombustible). En el proceso de combustión la materia orgánica se transforma en dióxido de carbono y agua.