30 gráficos interactivos
Mueve los controles y mira cómo cambia cada fenómeno. Son modelos simplificados para entender la idea, no para calcular una instalación.
Potencia activa, reactiva y aparente
Para dar 60 kW con cos φ = 0,8 hacen falta 75 kVA: en 400 V son 108 A por cable.
La activa (P) hace el trabajo útil; la reactiva (Q) va y viene para crear los campos magnéticos de motores y transformadores; la aparente (S) es la que tienen que aguantar cables y transformadores. Baja el cos φ y mira cómo crece S para la misma P.
Sistema trifásico y corriente por el neutro
Equilibrado: las tres corrientes se anulan y por el neutro no circula nada.
Tres corrientes iguales desfasadas 120° suman cero: por eso el neutro de una red equilibrada apenas lleva corriente. Desequilibra L1 o L2 y aparece la corriente del neutro (en rojo). El giro está ralentizado: la red da 50 vueltas por segundo.
Ley de Ohm
I = V / R = 12 / 10 = 1,2 A, y la potencia es 14,4 W.
Con la misma resistencia, más tensión empuja más corriente, en línea recta. Con más resistencia la recta se tumba: hace falta más tensión para la misma corriente.
Desfase entre tensión y corriente
Carga inductiva: la corriente va 30° por detrás de la tensión.
En una resistencia, tensión y corriente suben y bajan a la vez. Una bobina (un motor) retrasa la corriente; un condensador la adelanta. Ese ángulo φ es el que da el cos φ.
Potencia instantánea: la energía que va y vuelve
La potencia media es el 77 % de V·I (cos φ = 0,77). Lo rojo es energía que vuelve a la red en cada ciclo.
Multiplica tensión por corriente en cada instante y sale la potencia (en amarillo). Con desfase, en parte del ciclo la potencia es negativa: la energía vuelve a la red. La media es la potencia activa.
Compensar la reactiva con condensadores
Con 0 kvar el cos φ pasa de 0,75 a 0,75 y la corriente baja un 0 %.
Una nave con 80 kW y cos φ 0,75 pide mucha reactiva. Una batería de condensadores la aporta en el sitio: S se acerca a P, baja la corriente y la factura deja de penalizar.
Resonancia en un circuito RLC
f₀ = 1/(2π√LC) ≈ 503 Hz. A 300 Hz circulan 0,28 A; en resonancia, V/R = 1 A.
Bobina y condensador se contrarrestan a una frecuencia concreta: allí solo queda la resistencia y la corriente se dispara. Con poca resistencia el pico es alto y estrecho. Circuito de 10 mH, 10 µF y 10 V.
Carga de un condensador
τ = R·C = 2,21 s: a los 2,21 s está al 63 % y en unos 11 s (5τ) está prácticamente cargado.
Un condensador no se carga de golpe: sigue una curva marcada por la constante de tiempo τ = R·C. Más resistencia o más capacidad, carga más lenta. Fuente de 12 V.
Transformador: la relación de espiras
V2 = 230 × 100/1000 = 23 V. Reductor: la tensión baja 10 veces y la corriente sube 10 veces.
La tensión cambia en la misma proporción que el número de espiras, y la corriente al revés: la potencia que entra es (casi) la que sale. El flujo magnético recorre el núcleo de hierro.
Tensión de fase y tensión de línea
Entre fase y neutro hay 230 V; entre dos fases, √3 veces más: 398 V.
Entre una fase y el neutro hay una tensión; entre dos fases, la diferencia de dos vectores desfasados 120°, que es √3 veces mayor. Por eso la red de casa es de 230/400 V.
Por qué se transporta en alta tensión
A 20 kV circulan 289 A y se pierde el 12,5 % en calor (1250 kW).
La misma potencia (10 MW por unos 50 km de línea) a más tensión necesita menos corriente, y las pérdidas crecen con el cuadrado de la corriente. Por eso la red de transporte va a 220 y 400 kV. Modelo simplificado.
Divisor de tensión
Vsal = 12 × R2 / (R1 + R2) = 6 V.
Dos resistencias en serie se reparten la tensión en proporción a su valor. Es la base de muchos sensores y de la lectura de tensiones con un microcontrolador.
Resistencias en serie y en paralelo
Serie: 90 Ω (se suman). Paralelo: 20 Ω, menos que la menor de las dos.
En serie la corriente pasa por las dos y las resistencias se suman. En paralelo la corriente se reparte entre dos caminos y el conjunto resiste menos que la menor de ellas.
Armónicos: cuando la onda se deforma
Distorsión armónica total ≈ 25 %. Calienta transformadores y neutros aunque la potencia útil no cambie.
Las fuentes de los ordenadores, los LED y los variadores piden la corriente a golpes. El resultado es la onda de 50 Hz más otras de 150 Hz (3.º armónico) y 250 Hz (5.º): una onda deformada.
Rectificar y filtrar: de alterna a continua
Con 470 µF el rizado es de unos 1,9 V y la media de 11,1 V. Más capacidad, tensión más lisa.
Un puente de diodos da la vuelta a la parte negativa de la onda; un condensador rellena los huecos. Carga de 100 Ω y 12 V de pico (diodos ideales).
El campo magnético de un cable
Con 50 A, a 10 cm hay unos 100 µT y a 1 m, 10 µT. El campo terrestre ronda los 45 µT en España.
Toda corriente crea un campo magnético en círculos alrededor del conductor, que se debilita con la distancia. En una manguera real, fase y neutro van juntos y sus campos casi se anulan.
Motor de inducción: par y velocidad
Gira a 1440 rpm: deslizamiento del 4 %. Más carga, más deslizamiento.
Un motor asíncrono de 4 polos (1500 rpm de sincronismo) gira un poco más despacio cuanto más carga mueve. Si la carga supera el par máximo, se frena y se cala.
Caída de tensión en un cable
Caen 8 V (3,5 %). Para reducirla: menos metros, menos corriente o más sección.
El cable tiene resistencia: cuanto más largo, más corriente y menos sección, más tensión se queda por el camino. El REBT fija límites (ITC-BT-19) según el tipo de instalación y circuito. Monofásico 230 V, cobre a 70 °C, sin reactancia.
Curvas B, C y D de un magnetotérmico
Dispara el térmico en unos 8,6 s (orientativo).
El térmico corta las sobrecargas, tanto más rápido cuanto mayor es la corriente; el magnético corta al instante los cortocircuitos a partir de un umbral que depende de la curva. Curva ilustrativa, no la de un fabricante.
Cómo detecta una fuga el diferencial
Salen 10 A y vuelven 9,99 A: el diferencial ve 10 mA de diferencia → no dispara.
El diferencial compara lo que sale por la fase con lo que vuelve por el neutro. Si falta algo, se está yendo por otro camino (quizá una persona) y corta. Uno de 30 mA dispara seguro a 30 mA y puede hacerlo desde la mitad.
El primer pico de un cortocircuito
Con X/R = 10 el primer pico es 1,74 veces el de la corriente simétrica: con X/R bajo apenas sube; con X/R alto se acerca al doble.
Al producirse un cortocircuito, la corriente arranca desplazada por una componente continua que se apaga poco a poco. Cuanto más inductiva es la red (X/R alto), más alto es el primer pico que deben aguantar los equipos.
Curva de un panel solar
Máxima potencia: 362 W a 42,8 V. El calor baja la tensión y con ella la potencia.
Un panel da mucha corriente a baja tensión y casi nada cerca de su tensión de vacío. Entre medias hay un punto de máxima potencia que el inversor busca sin parar. Módulo de unos 450 W, curva orientativa.
La curva del pato: sol y demanda
Demanda neta mínima: 12 GW hacia las 15 h; al ponerse el sol hay que subir 15 GW en 3 horas.
Cuanta más fotovoltaica, más se hunde a mediodía la demanda que deben cubrir las demás centrales, y más brusca es la subida al ponerse el sol. Perfil de demanda orientativo, parecido a un día de primavera.
Efecto Joule: la corriente calienta
Cada metro de conductor disipa 1,82 W a 16 A. Con fase y neutro, el doble.
Toda corriente calienta el cable: P = I²·R. Doble corriente, cuatro veces más calor. Por eso cada sección tiene una corriente máxima admisible según cómo esté instalada (ITC-BT-19 del REBT).
PWM: regular encendiendo y apagando
Encendido el 40 % del tiempo → valor medio de 4,8 V.
Encendiendo y apagando muy rápido, un motor o un LED solo «notan» el valor medio. Así regulan los variadores, los cargadores y las tiras LED sin perder energía en calor.
Valor eficaz y valor de pico
230 V eficaces suben hasta 325 V de pico (√2 veces) y entre picos hay 651 V.
Los 230 V de un enchufe son un valor eficaz: el que calienta igual que una continua de 230 V. La onda real sube bastante más, hasta √2 veces.
Así se genera la corriente alterna
0,5 vueltas por segundo → 0,5 Hz. Un alternador de 2 polos gira a 50 vueltas por segundo para dar los 50 Hz de la red.
Una espira que gira entre dos imanes ve cambiar el campo que la atraviesa y aparece una tensión que sube y baja: la alterna. Más velocidad, más tensión y más frecuencia.
Primera ley de Kirchhoff
Entran 4 + 3 + 2 = 9 A y salen 9 A.
En un nudo la carga no se crea ni se pierde: toda la corriente que entra tiene que salir. Es la regla con la que se reparten las corrientes en cualquier cuadro eléctrico.
Toma de tierra y diferencial
Con 82 Ω: 2,5 V con 30 mA y 25 V con 300 mA. Límite de 50 V → hasta 1667 Ω con 30 mA, solo 167 Ω con 300 mA.
La resistencia de la toma de tierra y la sensibilidad del diferencial fijan la tensión que puede aparecer en las partes metálicas durante un defecto. El REBT (ITC-BT-24) pide que no pase de 50 V, o de 24 V en locales húmedos.
La frecuencia, termómetro de la red
Faltan 1 GW: la frecuencia cae hasta 49,91 Hz (0,13 Hz/s al principio) y vuelve poco a poco a 50 Hz.
Si se consume más de lo que se genera, los generadores se frenan y la frecuencia baja; si sobra, sube. La regulación primaria la frena en segundos y la secundaria la devuelve a 50 Hz. Modelo de juguete con tiempos orientativos.