1.1: ¿Qué es la corriente alterna (CA)?

La mayoría de los estudiantes de electricidad comienzan su estudio con lo que se conoce como corriente continua (CC), que es la electricidad que fluye en una dirección constante, y/o que posee una tensión con polaridad constante. DC es el tipo de electricidad producida por una batería (con terminales positivos y negativos definidos), o el tipo de carga generada al frotar ciertos tipos de materiales entre sí.

Corriente alterna vs corriente continua

Tan útil y tan fácil de entender como DC, no es el único “tipo” de electricidad en uso. Ciertas fuentes de electricidad (sobre todo, los generadores electromecánicos rotativos) producen naturalmente voltajes alternados en polaridad, invirtiendo positivo y negativo con el tiempo. Ya sea como una polaridad de conmutación de voltaje o como una dirección de conmutación de corriente hacia adelante y hacia atrás, este “tipo” de electricidad se conoce como corriente alterna (CA): Figura a continuación

Corriente continua vs alterna

Mientras que el símbolo familiar de la batería se usa como símbolo genérico para cualquier fuente de voltaje de CC, el círculo con la línea ondulada dentro es el símbolo genérico para cualquier fuente de voltaje de CA.

Uno podría preguntarse por qué alguien se molestaría con algo como AC. Es cierto que en algunos casos la CA no tiene ninguna ventaja práctica sobre la CC. En aplicaciones donde se utiliza electricidad para disipar energía en forma de calor, la polaridad o dirección de la corriente es irrelevante, siempre y cuando haya suficiente voltaje y corriente a la carga para producir el calor deseado (disipación de potencia). Sin embargo, con CA es posible construir generadores eléctricos, motores y sistemas de distribución de energía que son mucho más eficientes que CC, por lo que encontramos CA utilizada predominantemente en todo el mundo en aplicaciones de alta potencia. Para explicar los detalles de por qué esto es así, es necesario un poco de conocimiento previo sobre AC.

Alternadores AC

Si una máquina se construye para girar un campo magnético alrededor de un conjunto de bobinas de alambre estacionarias con el giro de un eje, se producirá voltaje de CA a través de las bobinas de alambre a medida que ese eje se gira, de acuerdo con la Ley de inducción electromagnética de Faraday. Este es el principio básico de funcionamiento de un generador de CA, también conocido como alternador: Figura a continuación

Funcionamiento del alternador

Observe cómo la polaridad del voltaje a través de las bobinas del cable se invierte a medida que pasan los polos opuestos del imán giratorio. Conectada a una carga, esta polaridad de voltaje de inversión creará una dirección de corriente de inversión en el circuito. Cuanto más rápido se gira el eje del alternador, más rápido girará el imán, lo que dará como resultado un voltaje y una corriente alterna que cambia de dirección con mayor frecuencia en un período de tiempo determinado.

Si bien los generadores de CC funcionan según el mismo principio general de inducción electromagnética, su construcción no es tan simple como sus homólogos de CA. Con un generador de CC, la bobina de cable se monta en el eje donde se encuentra el imán en el alternador de CA, y se realizan conexiones eléctricas a esta bobina giratoria a través de “escobillas” estacionarias de carbón que contactan las tiras de cobre en el eje giratorio. Todo esto es necesario para cambiar la polaridad de salida cambiante de la bobina al circuito externo para que el circuito externo vea una polaridad constante: Figura abajo

Funcionamiento del generador de CC

El generador mostrado anteriormente producirá dos pulsos de voltaje por revolución del eje, ambos pulsos en la misma dirección (polaridad). Para que un generador de CC produzca voltaje constante, en lugar de breves pulsos de voltaje una vez cada 1/2 revolución, hay múltiples conjuntos de bobinas que hacen contacto intermitente con los cepillos. El diagrama que se muestra arriba es un poco más simplificado de lo que verías en la vida real.

Los problemas que implica hacer y romper el contacto eléctrico con una bobina móvil deben ser obvios (chispas y calor), especialmente si el eje del generador gira a alta velocidad. Si la atmósfera que rodea la máquina contiene vapores inflamables o explosivos, los problemas prácticos de los contactos de cepillo que producen chispas son aún mayores. Un generador de CA (alternador) no requiere escobillas y conmutadores para funcionar, por lo que es inmune a estos problemas que experimentan los generadores de CC.

Motores AC

Los beneficios de CA sobre CC con respecto al diseño del generador también se reflejan en los motores eléctricos. Si bien los motores de CC requieren el uso de cepillos para hacer contacto eléctrico con bobinas móviles de alambre, los motores de CA no. De hecho, los diseños de motores de CA y CC son muy similares a sus homólogos de generador (idénticos por el bien de este tutorial), el motor de CA depende del campo magnético de inversión producido por la corriente alterna a través de sus bobinas estacionarias de alambre para girar el imán giratorio alrededor de su eje, y el motor de CC depende de que los contactos del cepillo hagan y rompan las conexiones para invertir la corriente a través de la bobina giratoria cada 1/2 rotación (180 grados).

Transformers

Entonces sabemos que los generadores de CA y los motores de CA tienden a ser más simples que los generadores de CC y los motores de CC. Esta relativa simplicidad se traduce en mayor confiabilidad y menor costo de fabricación. Pero, ¿para qué más sirve AC? Seguramente debe haber más que detalles de diseño de generadores y motores! Efectivamente la hay. Existe un efecto de electromagnetismo conocido como inducción mutua, mediante el cual se colocan dos o más bobinas de alambre de manera que el campo magnético cambiante creado por una induce una tensión en la otra. Si tenemos dos bobinas mutuamente inductivas y energizamos una bobina con CA, crearemos un voltaje de CA en la otra bobina. Cuando se usa como tal, este dispositivo se conoce como transformador: Figura a continuación

Transformador “transforma” voltaje y corriente de CA.

La importancia fundamental de un transformador es su capacidad para subir o bajar el voltaje de la bobina alimentada a la bobina no alimentada. El voltaje de CA inducido en la bobina sin alimentación (“secundaria”) es igual al voltaje de CA a través de la bobina alimentada (“primaria”) multiplicado por la relación de vueltas de bobina secundaria a vueltas de bobina primaria. Si la bobina secundaria está alimentando una carga, la corriente a través de la bobina secundaria es justo lo contrario: la corriente de la bobina primaria multiplicada por la relación de las vueltas primarias a secundarias. Esta relación tiene una analogía mecánica muy estrecha, utilizando par y velocidad para representar voltaje y corriente, respectivamente: Figura abajo

El tren de engranajes de multiplicación de velocidad reduce el par y acelera. El transformador reductor reduce el voltaje y aumenta la corriente.

Si la relación de bobinado se invierte para que la bobina primaria tenga menos vueltas que la bobina secundaria, el transformador “aumenta” el voltaje desde el nivel de fuente a un nivel superior en la carga: Figura a continuación

El tren de engranajes de reducción de velocidad aumenta el par y disminuye la velocidad. El transformador elevador aumenta el voltaje y disminuye la corriente.

La capacidad del transformador para subir o bajar el voltaje de CA con facilidad le da a la CA una ventaja inigualable por CC en el ámbito de la distribución de energía en la figura siguiente. Al transmitir energía eléctrica a largas distancias, es mucho más eficiente hacerlo con voltajes aumentados y corrientes reducidas (cable de menor diámetro con menos pérdidas de potencia resistivas), luego retroceder el voltaje y volver a subir la corriente para la industria, el negocio o el consumidor.

Los transformadores permiten una transmisión eficiente de energía eléctrica de alta tensión a larga distancia.

La tecnología de transformadores ha hecho práctica la distribución de energía eléctrica de largo alcance. Sin la capacidad de aumentar y bajar el voltaje de manera eficiente, sería prohibitivo construir sistemas de energía para cualquier cosa que no sea un uso de corto alcance (dentro de unas pocas millas como máximo).

Tan útiles como son los transformadores, solo funcionan con CA, no con CC. Debido a que el fenómeno de la inductancia mutua se basa en campos magnéticos cambiantes, y la corriente continua (CC) solo puede producir campos magnéticos estables, los transformadores simplemente no funcionarán con corriente continua. Por supuesto, la corriente continua puede ser interrumpida (pulsada) a través del devanado primario de un transformador para crear un campo magnético cambiante (como se hace en los sistemas de encendido automotriz para producir energía de bujías de alto voltaje a partir de una batería de CC de bajo voltaje), pero la CC pulsada no es tan diferente de la CA. Quizás más que cualquier otra razón, esta es la razón por la que AC encuentra una aplicación tan extendida en los sistemas de energía.

• REVISIÓN:

DC significa “Corriente continua”, es decir, voltaje o corriente que mantiene una polaridad o dirección constante, respectivamente, a lo largo del tiempo.

AC significa “Corriente alterna”, es decir, voltaje o corriente que cambia la polaridad o dirección, respectivamente, con el tiempo.

Los generadores electromecánicos de CA, conocidos como alternadores, son de construcción más simple que los generadores electromecánicos de CC.

El diseño del motor de CA y CC sigue los principios respectivos de diseño del generador muy de cerca

Un transformador es un par de bobinas mutuamente inductivas que se utilizan para transportar energía de CA de una bobina a otra. A menudo, el número de vueltas en cada bobina se establece para crear un aumento o disminución de voltaje de la bobina alimentada (primaria) a la bobina no alimentada (secundaria).

Voltaje secundario = Tensión primaria (giros secundarios/giros primarios)

Corriente secundaria = Corriente primaria (giros primarios/giros secundarios)