intro ducci on

20
  INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA ELÉCTRICA Pág . N° 1 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  MSc. Ing. Jorge Rob erto Pacheco Linar es INTRODUCCIÓN A LA INGENIERIA ELECTRICA INTRODUCCIÓN CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA Diferencia de potencial .- Por definición la diferencia de potencial entre dos  puntos de un campo eléctrico es el trabajo necesario par a desplazar una unidad de carga eléctrica positiva de un punto a otro, en contra o a favor de las fuerzas del campo. En el sistema mksa la unidad de diferencia de potencial es el voltio [v], equivalente al trabajo de un Joule [J] para desplazar un Coulomb [C] de carga de un punto a otro. ] [ 1 ] [ 1 ] [ 1 C  J V    Cuando se suministra energía eléctrica a un circuito con elementos pasivos, se  puede observar una de las situaciones siguientes: a. Si la energía es disipada por el elemento, entonces se trata de un elemento resistivo puro o resistencia.  b. Si la energía es almacenada en un campo magnético, entonces es un elemento inductivo puro o bobina. c. Si la energía se almacena en un campo eléctrico, entonces es un elemento capacitivo puro o condensador. En la práctica no es posible encontrar un elemento puro por lo que los elementos  pasivos tendrán la combinación de los tres pero con marcado predominio de u no de ellos. Resistencia (R)  La diferencia de potencial v(t) en los extremos de un elemento resistivo puro está establecida por la ley de Ohm y es directamente proporcional a la intensidad de corriente i(t) que pasa por él.

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  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 1

    -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    INTRODUCCIN A LA INGENIERIA ELECTRICA

    INTRODUCCIN

    CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA

    Diferencia de potencial.- Por definicin la diferencia de potencial entre dos

    puntos de un campo elctrico es el trabajo necesario para desplazar una unidad de

    carga elctrica positiva de un punto a otro, en contra o a favor de las fuerzas del

    campo. En el sistema mksa la unidad de diferencia de potencial es el voltio [v],

    equivalente al trabajo de un Joule [J] para desplazar un Coulomb [C] de carga de

    un punto a otro.

    ][1

    ][1][1

    C

    JV

    Cuando se suministra energa elctrica a un circuito con elementos pasivos, se

    puede observar una de las situaciones siguientes:

    a. Si la energa es disipada por el elemento, entonces se trata de un elemento resistivo puro o resistencia.

    b. Si la energa es almacenada en un campo magntico, entonces es un elemento inductivo puro o bobina.

    c. Si la energa se almacena en un campo elctrico, entonces es un elemento capacitivo puro o condensador.

    En la prctica no es posible encontrar un elemento puro por lo que los elementos

    pasivos tendrn la combinacin de los tres pero con marcado predominio de uno

    de ellos.

    Resistencia (R)

    La diferencia de potencial v(t) en los extremos de un elemento resistivo puro est

    establecida por la ley de Ohm y es directamente proporcional a la intensidad de

    corriente i(t) que pasa por l.

  • Pg. N 2 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

    -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    v t Ri t V o i tv t

    RA( ) ( ) [ ] ( )

    ( )[ ]

    La unidad de medida de la resistencia en el sistema mska es el ohm [] y corresponde a la resistencia de un elemento que al aplicarle una energa elctrica

    de 1 voltio, circula por l la corriente de 1 amperio.

    CONFIGURACIONES FUNDAMENTALES DE LOS CIRCUITOS

    ELCTRICOS

    Circuitos en serie, configuracin en la que los elementos estn dispuestos unos a

    continuacin de otros, o lo que es lo mismo estn en serie con la fuente de

    energa.

    Circuitos en paralelo, es una configuracin donde los elementos estn

    dispuestos en paralelo con la fuente de alimentacin.

    R1

    R3

    R2

    v(t)

    i(t)

    321 RRRRT

    TRtiRtiRtiRtitv )()()()()( 321

    321 )()()()( tvtvtvtv

    TR

    tvti

    )()(

    321 )()()()( titititi

    321

    )()()()(

    R

    tv

    R

    tv

    R

    tvti

    TRtvti

    1)()(

    321

    1111

    RRRRT

    R1 R3R2

    v(t)

    i(t)

    i1(t) i

    2(t) i

    3(t)

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 3

    -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    Autoinduccin (L)

    Si la corriente que circula por un circuito con elementos inductivos, obedece a

    variaciones respecto al tiempo entonces el flujo magntico que lo atraviesa

    experimentar los mismos cambios, es decir, la intensidad de la corriente variable

    que circula por una bobina, origina en ella una f.e.m. inducida v(t) que es

    directamente proporcional (siempre que la permeabilidad magntica sea

    constante) a la variacin respecto al tiempo de dicha intensidad.

    dttvLtio

    dt

    tdiLtv )(

    1)(

    )()(

    Si la tensin se expresa en voltios [V], (

    ) en amperios/segundos [A]/[s],

    entonces el coeficiente de autoinduccin L se expresa en Henrios [H].

    ][1

    ][1][1][1

    s

    AVH

    Autoinduccin equivalente de bobinas asociadas en serie

    dt

    tdiL

    dt

    tdiL

    dt

    tdiLtv eq

    )()()()( 21

    21 LLLeq

    1. La (Leq) autoinduccin equivalente es aquella por la

    que circula la misma corriente

    que por L1 y L2

    2. La cada de tensin en L1 y L2 es igual a la tensin de la

    fuente, de donde se tiene:

    v(t)

    i(t)

    L1

    L2

  • Pg. N 4 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    Autoinduccin equivalente de bobinas asociadas en paralelo

    dttvLdttv

    Ldttv

    Lti

    eq

    )(1

    )(1

    )(1

    )(21

    21

    21

    21

    111

    LL

    LLL

    LLLeq

    eq

    Capacidad (C)

    Si en los extremos de un condensador existe una diferencia de potencial (v) esta

    ser proporcional a la carga (q) que l puede almacenar.

    )()( tvCtq

    dt

    tvdC

    dt

    tdqti

    )()()(

    v tC

    i t dt( ) ( ) 1

    Capacidad equivalente de un circuito de capacidades en paralelo

    La intensidad total de corriente i(t) es igual a la suma de las intensidades i1(t) +

    i2(t) que pasan por C1 y C2, respectivamente.

    La intensidad total de corriente

    es la suma de las corrientes

    parciales

    )()()( 21 tititi . v(t)

    i(t)

    L1

    L2

    i1(t) i2(t)

    v(t)

    i(t)

    C1 C2

    i1(t) i

    2(t)

    )()()( 21 tititi

    dt

    tvdCti eq

    )()(

    dt

    tvdC

    dt

    tvdC

    dt

    tvdCeq

    )()()(21

    21 CCCeq

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 5

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    Capacidad equivalente de un circuito capacitivo serie

    La tensin aplicada es igual a la suma de las cadas de tensin en C1 y C2

    dttiCtv

    eq

    )(1

    )(

    dttiCdtti

    Cdtti

    Ceq)(

    1)(

    1)(

    1

    21

    21

    21

    21

    111

    CC

    CCC

    CCCeq

    eq

    En el sistema mksa la unidad de capacidad se llama Faradio (F) y es igual al

    almacenamiento de un Coulonb de carga cuando se le aplica una diferencia de

    potencial de un voltio.

    Dado a que la unidad de capacidad es muy grande, en la prctica es frecuente el

    uso de los submltiplos:

    1 F = 10-6 F

    1 nF = 10-9 F

    1 pF = 10-12F

    RESUMEN:

    Respuesta de los elementos pasivos de un circuito.

    Elemento

    Tensin en los extremos

    del elemento

    Corriente en los extremos

    del elemento

    RESISTENCIA (R)

    Ohm []

    )()( tiRtv

    R

    tvti

    )()(

    AUTOINDUCCIN (L)

    Henry [H]

    dt

    tdiLtv

    )()(

    dttvLti )(

    1)(

    CAPACIDAD (C)

    Faradio [F]

    dttiCtv )(

    1)(

    dt

    tvdCti

    )()(

    v(t)

    i(t)

    C1

    C2

  • Pg. N 6 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    INTRODUCCIN A LOS NUMEROS REALES Y COMPLEJOS

    Nmeros Reales

    El cuerpo de los nmeros reales se compone de los correspondientes a los

    nmeros racionales e irracionales. El conjunto de los nmeros reales se puede

    poner en correspondencia biunvoca con el conjunto de los puntos de una recta

    que se llama eje real; es decir, cada punto de la recta representa un nico nmero

    real y cualquier nmero real se representa por un nico punto de la recta, como se

    muestra en la figura. La suma, resta, multiplicacin y divisin de dos nmeros

    reales es otro nmero real. La raz cuadrada de un nmero real positivo es

    tambin otro nmero real; pero si es negativo, su raz cuadrada no es un nmero

    real o bien no corresponde a ningn punto de la citada recta.

    -14/3 - - 3 2 e 9/2 | | | | | | | | | | | || |

    | |

    -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

    Nmeros Imaginarios

    La raz cuadrada de un nmero real negativo es un nmero imaginario; son

    nmeros imaginarios ,3,2,1 etc.

    Si se llama unidad imaginaria a 1j , entonces se puede escribir 22 j ,

    24 j , 55 j , etc. Las sucesivas potencias de la unidad imaginaria son:

    J2 = -1; j

    3 = j

    2.j = (-1)j = -j; j

    4 = (j

    2)

    2 = 1;

    El conjunto de los nmeros imaginarios se puede poner en correspondencia

    biunvoca con el conjunto de los puntos de otra recta, que se llama eje imaginario

    (perpendicular al eje real), con valores positivos y negativos; -j5; -j4; -j3; -j2; -j1;

    0; j1; j2; j3; j4; j5; etc.

    Nmeros Complejos

    Un nmero complejo Z ( ZoZ ) es de la forma x+jy, en donde x e y son

    nmeros reales y 1j . En un nmero complejo x+jy la primera componente,

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 7

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    x, se llama parte real y la segunda, jy, parte imaginaria. Si la parte real es nula, x

    = 0, el nmero complejo se reduce a un nmero imaginario (puro) y se representa

    por un punto sobre el eje imaginario. Anlogamente si la parte imaginaria es nula,

    (y = 0), el nmero complejo se reduce a un nmero real y se representa por un

    punto en el eje real. Por consiguiente, el conjunto de nmeros complejos tiene

    como subconjuntos al de los nmeros reales y al de los imaginarios.

    La condicin necesaria y suficiente para que dos nmeros complejos, a+jb y c+jd,

    sean iguales es que a=c y b=d.

    En la figura, x = r cos e y = r sen , con lo que el nmero complejo Z es:

    Z = x + jy = r(cos +j sen )

    En donde la expresin 22 yxr se llama mdulo de Z y el ngulo = arc tg

    (y/x) recibe el nombre de argumento de Z.

    En teora de circuitos es muy frecuente emplear la forma polar o de Steinmetz de

    un nmero complejo Z y se suele escribir as:

    Z = r |

    Donde se mide en grados sexagecimales o en radianes.

    Los nmeros complejos pueden expresarse de cuatro maneras:

    Forma binmica Z = x + jy

    Forma Polar Z = r | Forma exponencial Z = r e

    j

    Forma trigonomtrica Z = r(cos + j sen )

    Suma y resta de nmeros complejos

    Para sumar (restar) nmeros complejos se suman (restan) sus partes reales y sus

    partes imaginarias independientemente. En la prctica, para sumar (restar)

    complejos lo ms cmodo es escribirlos en forma binmica.

    Ejemplo: Sean los complejos Z1 = 5-j2 y Z2 = -3-j8

    Z1 + Z2 = (5-3) +j(-2-8) = 2-j10

    Z2 Z1 = (-3-5) +j(-8+2) = -8 j6

    Multiplicacin de nmeros complejos

    El producto de dos nmeros complejos, escritos en forma exponencial, se deduce

  • Pg. N 8 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    de las propiedades de la potenciacin.

    Z1Z2 = (r1ej

    1)(r2ej

    2) = r1r2ej(

    1+

    2)

    Si los complejos se escriben en forma polar se tiene que

    Z1Z2 = (r1|1 )(r2|2 ) = r1r2 |1 + 2

    Finalmente, si los complejos vienen dados en forma binmica se pueden

    multiplicar como si fueran polinomios o convertirlos a la forma polar y operan de

    acuerdo a lo indicado.

    Divisin de nmeros complejos

    Los mdulos se dividen como si fueran nmeros reales y los argumentos se restan

    (el denominador del numerador).

    Problemas propuestos

    1. En el circuito de la figura se pide:

    a. calcular el valor de la resistencia

    equivalente.

    b. Calcular el valor de la corriente

    que indicar el ampermetro A si se sabe que entre los terminales

    ab existe una fuente de 120 V.

    c. Calcular la cada de voltaje en

    cada una de las resistencias.

    d. Calcular la potencia que se disipa

    en cada resistencia y la potencia

    total.

    220 V

    R

    a

    bA

    Respuestas:

    a. (Req = 150 ) b. (I = 0.8 A = 800 mA) c. (V50=40 V; V200=80 V; V100=40 V) d. (R50=32 W; R200=32 W; R100=16 W);

    (PTot=96 W)

    Respuesta: 21.32

    2. A qu valor debe ajustarse el

    potencimetro R para que la potencia disipada en la

    resistencia de 50 , sea de 72 W

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 9

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    5. Sean los nmeros complejos (a = 6-j12) y (b = 10+j9), se pide ejecutar las

    siguientes operaciones.

    a. (a + b) Resp. 16-j3 b. (a b) Resp. 4-j21 c. (a * b) Resp. 180.5 |- 21.44 = (168.01-j65.98) d. (a / b) Resp. 0.997 |- 105.42 = (- 0.265-j0.961)

    INTRODUCCIN A LAS FUNCIONES PERIDICAS

    FORMAS DE VARIACIN Y MODOS DE REPRESENTACIN DE LAS

    TENSIONES Y CORRIENTES ELCTRICAS

    En el estudio de los circuitos y redes elctricas intervienen magnitudes tales como:

    tensiones, corrientes, flujo y campo magntico entre otros, todas estas magnitudes

    pueden recibir la denominacin de seal, las seales pueden ser clasificadas

    atendiendo a su forma y caracterstica de variacin en funcin del tiempo:

    - seales variables en tiempo

    - seal impulso

    - seal Dirac

    - seal con variacin linear

    - seal peridica

    - seal no peridica... etc.

    Para los objetivos del presente curso se considerarn slo las seales peridicas

    (SP), peridicas alternas (SPA) y peridicas alternas y simtricas (SPAS);

    pudiendo ser estas de forma senoidal, triangular, cuadrada, diente de sierra o una

    0.5 H

    0.9 H

    0.7 H

    3. En el circuito de la figura, hallar el valor

    de la inductancia equivalente.

    Respuesta:

    Leq= 0.89 H = 893.75 mH

    F

    F

    F

    4. En el circuito de la figura, hallar el valor

    de capacidad equivalente.

    Respuesta:

    Ceq=4.34 F

  • Pg. N 10 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    combinacin de las anteriores, tal que:

    )()( nTtftf donde n es entero

    SEALES PERIODICAS Y SEALES ARMONICAS

    Se llama seal peridica a las seales variables en tiempo, que toman valores

    iguales segn el paso de intervalos de tiempos iguales.

    )()()( nTtfTtftf con n entero

    Donde T es el periodo de la seal y representa el intervalo de tiempo mnimo para

    que se repitan los valores instantneos.

    f(t)

    t

    T

    Onda senoidal

    0 2

    T

    T

    t

    Onda triangular

    0 t

    T

    T

    Onda diente de sierra T

    0 t

    T

    Onda cuadrada

    0 t

    T

    T

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 11

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    El nmero de perodos que se repite en una unidad de tiempo se llama frecuencia

    Tf

    1

    Las seales senoidales o armnicas son aquellas que se pueden expresar a travs

    de una funcin seno o coseno Ej.

    )()( tsenVtv m

    El estudio de los circuitos elctricos en rgimen permanente senoidal facilita este

    propsito, dado que existe una estrecha relacin entre la funcin seno y el tiempo.

    Las ventajas que ofrece el uso de la onda senoidal son:

    1. Cualquier forma de onda peridica puede ser descompuesta en un trmino constante seguido por una serie trminos de senos y cosenos, lo que se puede

    descomponer por el mtodo del anlisis de las Series de Fourier.

    f(t) = a0 + a1 cos 0t + a2 cos 2 0t +...+ b1 sen 0t + b2 sen 2 0t +...

    f(t) = a0 + n=1

    Donde la pulsacin fundamental w0 est relacionada con el periodo T por:

    T

    20

    2. Propiedad matemtica de la funcin seno, las derivadas e integrales son

    tambin funciones senoidales o cosenoidales.

    3. La onda senoidal es fcilmente obtenible, obedece a un fenmeno natural.

    ONDAS SENOIDALES: CARACTERISTICAS

    La onda senoidal es una seal cuyas caractersticas obedecen a las propiedades de

    la funcin seno, lo que facilita el anlisis y proceso de generacin, trasmisin y

    distribucin de energa elctrica. La onda senoidal tiene las siguientes

    caractersticas:

    - VALOR INSTANTANEO, es el valor de la seal en un instante

    cualquiera al interior de un periodo y se representa por una letra minscula v(t),

    i(t) o p(t) )()( tsenVtv m

  • Pg. N 12 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    - PERIODO (T), es el intervalo de tiempo mnimo al final del cual los

    valores instantneos de una seal peridica se repiten. Para el caso del seno el

    periodo T equivale a 2 radianes.

    - FRECUENCIA (f), es una magnitud inversa al periodo y se define como

    el nmero de veces que se repite el periodo (una onda completa) en una unidad de

    tiempo. La frecuencia se expresa en Hertz [Hz] o en ciclos por segundo [cps].

    - VALOR MAXIMO O DE PICO (Vm o Vp), es el valor mximo que

    alcanza la seal durante un periodo y se representa por una letra mayscula

    acompaado del subndice m o p.

    - FASE es el valor del argumento (ngulo) de la seal en el instante que

    cruza la lnea de cero hacia el valor positivo. El desfasaje es la comparacin de

    fase de dos ondas.

    - FASE INICIAL () es la fase de la seal respecto al origen y se expresa

    en grados sexagesimales - cuando est en retardo respecto al origen y cuando est en adelanto respecto al origen.

    - FRECUENCIA ANGULAR () es la velocidad angular de variacin de

    la seal y se calcula con la relacin = 2f [rad/s], cuando la frecuencia f est expresada en Hertz [Hz].

    )()( tsenVtv m y T

    f

    2

    2

    (t)= Vm sen (wt+)

    v(t) = Vm sen wt

    f(t) v(t) = Vm sen (wt-)

    Vm + -

    0 2 3 4 5

    -Vm

    T

    La energa elctrica que existe en el espacio libre se propaga en forma de ondas

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 13

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    electromagnticas. Estas ondas, llamadas comnmente ondas de radio,

    tericamente se desplazan a la velocidad de la luz (299792,458 m/s 3x108m/s) y consisten en campos magntico y electrosttico perpendiculares entre s y cuya

    direccin de propagacin tambin es perpendicular.

    La propagacin de las ondas de radio se realiza a diferentes frecuencias, con la

    caracterstica que a medida que las ondas de radio se alejan de su origen, se

    atenan, la situacin resultante es muy compleja y es diferente para cada una de

    las frecuencias, el conjunto de todas las frecuencias determina el espectro

    electromagntico que puede clasificarse del modo siguiente:

    Sonido: f en Hz.

    - Audio (msica)............................. 16 f 20,000 - Voz humana............................ . 100 f 10,000 - Canal telefnico........................... 300 f 3,400 - Ultrasonido................................ 2x10

    4 f 106

    Radio - telecomunicacin

    - VLF (Frecuencias muy bajas):

    Comunicacin a larga distancia entre dos puntos 1x104 f 3x104 - LF (Frecuencias bajas):Sist. de ayuda a la navegacin

    Comunicacin martima......................................... .. 3x104 f 3x105 - MF, HF, VHF, UHF

    Radio Onda media................. .. 0.54x106 f 1.6x106 Radio Onda corta..................................................... 3.2x106 f 26x106 Radio Frecuencia modulada......................................... 88x10

    6 f 108x106

    Televisin......................55.25x106 f 223x106

    Microondas........................................................................... 0.9x109 f 0.1x1012

    Rayos de calor y luz

    - Rayos infrarrojos (radiacin trmica)... 8x1011 f 3.8x1014 - Luz visible..................................................................... 3.8x10

    14 f 7.9x1014

    - Rayos ultravioleta........................................................... 7.9x1014

    f 3x1016

    Rayos de onda corta

    - Rayos X......................................................................... 1x1016

    f 5x1019 - Rayos gamma................................................................ 1x10

    19 f 6x1020

    - Radiacin csmica........................................................ 3x1020

    f 1x1024

    Infrarrojo Ultravioleta

    Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta

  • Pg. N 14 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    MSc. Ing. Jorge Roberto Pacheco Linares

    VALOR MEDIO

    El valor medio de una seal es la media aritmtica de todos sus valores

    instantneos en el intervalo de un periodo.

    VT

    v t dtmedT

    1

    0( )

    Para el caso de una onda peridica y simtrica respecto al tiempo si se calcula

    para todo el periodo, el valor medio es cero, as para )()( tsenVtv m .

    2

    00)(

    2

    1dttsenVV mmed

    Cuando se tengan seales peridicas y simtricas respecto al tiempo el valor

    medio se calcula slo para su medio periodo correspondiente, Ej. el valor medio

    de una tensin senoidal v(t)= Vmsen(wt+) se calcula slo para T/2 en donde se

    considera que el periodo T es 2

    VT

    v t dtmed

    T

    1

    2

    0

    2 ( ) luego:

    0637.0

    2)(

    1m

    m

    mmed VV

    dttsenVV

    VOLTAJES Y CORRIENTES EFICACES (RMS)

    Interpretacin fsica

    El valor eficaz de una corriente peridica, es igual al valor constante de una

    corriente continua I que al pasar por una resistencia R desarrolla en el tiempo de

    un periodo T, igual cantidad de energa calorfera que la corriente peridica que

    pasa por la misma resistencia en el mismo intervalo de tiempo.

    RV

    I

    v (t)

    i(t)

    R

    R

    VI

    RIP 2

    RTIQDC2

    R

    tvti

    )()(

    Rtitp )()( 2

    T

    AC dtRtiQ0

    2 )(

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 15

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    - La cantidad de calor desarrollado por la corriente continua (valor eficaz) en un

    tiempo T es:

    TRIQDC2

    - La cantidad de calor desarrollado en un tiempo T, por una corriente con

    variacin peridica en tiempo es:

    T

    AC dtRtiQ0

    2 )(

    Al igualar las dos ecuaciones del calor se obtendr la siguiente relacin, a usarse

    para calcular el valor eficaz de una corriente peridica.

    Para la corriente IT

    i t dtT

    1 2

    0( )

    Y para el voltaje T

    dttvT

    V0

    2 )(1

    Si se considera una seal senoidal pura se tiene:

    II

    y VVm m

    2 2

    La relacin entre el valor eficaz y el valor medio de una magnitud

    peridica depende de la forma de la curva y se llama factor de forma. Para el

    caso de las magnitudes senoidales el factor de forma kf ser:

    11.1222

    2

    m

    m

    f V

    V

    medioValor

    eficazValork

    La relacin entre el valor mximo y el valor eficaz de una magnitud

    peridica se llama factor de amplitud, para las seales senoidales el factor ka

    ser:

    41.12

    2

    m

    mm

    a V

    V

    V

    Vk

    La importancia del valor eficaz de las corrientes y las tensiones senoidales,

    radica en el hecho que se pueden medir sus valores con instrumentos

  • Pg. N 16 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    electromagnticos y electrodinmicos.

    Ejercicios

    1. Una corriente senoidal tiene Im = 10 A y frecuencia f = 50 Hz. Se pide que se determine:

    a. El valor eficaz, el periodo T y la pulsacin angular en rad/s y el. b. La expresin del valor instantneo de la corriente y que se presente en

    forma grfica en cada caso, si se tiene como origen los puntos donde:

    i(t) = 0 Cuando la funcin crece

    i(t) = Im

    i(t) = 0 Cuando la funcin decrece

    i(t) = - Im

    i(t) = (Im)/2 Cuando la funcin crece

    c. Determinar la expresin del desfasaje respectivo en cada caso en grados sexagesimales.

    Solucin:

    a. El valor eficaz de la corriente alterna senoidal cuya amplitud es Im es:

    AI

    I m 1,72

    10

    2

    El periodo es: sf

    T 02.050

    11

    La pulsacin angular es: s

    radf 16.3141002

    b. El valor instantneo de la corriente alterna senoidal es en cada uno de los cinco casos los siguientes:

    Para i(t) = 0 cuando la funcin crece:

    b) )0(10)( tsenti

    c) no existe desfasaje

    0 2

    T

    wt

    i

    Para i(t) = Imax

    b) )2

    (10)(

    tsenti

    c) )90(10cos10)( tsentti 0 2

    T

    wt

    i

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 17

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    2. Un circuito es alimentado con un voltaje senoidal de 60 Hz y valor mximo

    311.11 voltios, el valor mximo de la corriente es 15 amperios y se sabe que en el

    instante inicial (en el origen)el valor instantneo del voltaje es 200 voltios

    mientras que la corriente es 10 amperios. Se pide calcular.

    a. Las ecuaciones del voltaje y la corriente b. El desfasaje de la corriente respecto al voltaje

    Solucin

    Se sabe que:

    Vm=311.11 V v(0)=200 V f = 60 Hz Im = 15 A i(0)= -10

    Pero:

    s

    radf 3776022 , adems ms

    fT 67.16

    60

    11

    Luego: a) )()( vm tsenVtv Vsenv v 20011.311)0( , 01.40v

    Para I(t) = 0 cuando la funcin decrece:

    b) )(10)( tsenti

    c) )180(1010)( tsentsenti 0

    T

    wt

    i

    Para i(t)= -Imax:

    b) )2

    3(10)(

    tsenti

    c) )90(10cos10)( tsentti

    0

    T

    wt

    i

    Para 2

    )( maxI

    ti cuando la funcin crece:

    )(10)( tsenti

    sen 90 10 A

    sen 5 A

    30)10

    905(

    sensenarc

    b) )6

    (10)(

    tsenti

    c) )30(10)( tsenti

    0

    T

    wt

    i

  • Pg. N 18 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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    )01.40377(11.311)( tsentv

    )()( im tsenIti Aseni i 1015)0( , 81.41i

    )81.41377(15)( tsenti

    b) 81.81)81.41(01.40iv

    Es decir, la onda de corriente esta retardada respecto al voltaje con un ngulo de

    81.81

    V

    v

    i

    I

    3. En una panadera un horno consume 15 amperios durante 15 segundos y en los

    siguiente 40 segundos su consumo es cero, esta secuencia es permanente y

    obedece al rgimen de trabajo del horno. Si los fusibles de conexin al horno

    soportan hasta 10 amperios, haga los clculos para opinar si los fusibles estn bien

    dimensionados.

    Solucin

    4. En el voltaje de la figura, se pide calcular el valor de n para su valor eficaz sea

    igual a 4

    Solucin

    0 t [ s ]

    T

    20 60 80

    15 A

    i(t)

    20

    0

    60

    20

    22 01560

    1dtdtI

    A1066.8201560

    1 2

    El valor eficaz de la corriente que consume el horno

    est dentro del rango que aceptan los fusibles, por lo

    tanto estn bien dimensionados.

    TnT 0

    10

    tT+nT

    Para: 0 t nT 1010

    )( nT

    ttv

    Para : nT t T 0)( tv

    100200100

    )(22

    22

    nT

    t

    Tn

    ttv

  • INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA Pg. N 19

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    Problemas propuestos

    1. Una tensin alterna est expresada por la ecuacin del valor instantneo: v(t) =

    100 sen (628t + 60), se pide:

    a. Determinar el periodo, frecuencia, valor instantneo cuando t0 = 0 y para t1 = 0,152 s

    b. Calcular el valor medio y el valor eficaz c. Graficar v(t) en funcin del tiempo

    3. Calcule el valor eficaz del voltaje si el valor mximo es 14.14 V, la

    componente continua es 10 V y la forma de onda es:

    a. Senoidal b. Cuadrada c. Diente de sierra d. Triangular

    BIBLIOGRAFA

    1. Fundamentos de Ingeniera Elctrica

    Fitzgerald, Higginbothan y Gravel

    2. Anlisis de Circuitos Elctricos

    William Hayt

    3. Circuitos Elctricos

    2. En la pantalla de un osciloscopio

    previamente calibrado se observa el voltaje

    de la figura, cuando los controles indican 5

    V/Div y 5 ms/Div de pide que calcule:

    a. El periodo y la frecuencia de la seal b. La ecuacin de la seal

    c. El valor medio y eficaz de la seal.

    dtnT

    t

    Tn

    t

    TV

    nT

    0 22

    2

    1002001001

    =

    nT

    tnT

    t

    Tn

    t

    T0

    2

    22

    3

    1002

    200

    3

    1001

    41002

    200

    3

    100 n

    nn, donde 16100100

    3

    100 nn

    n y n = 0.48

  • Pg. N 20 INTRODUCCIN A LA INGENIERA ELCTRICA

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