Voltademy

30 gráficos interactivos

Mueve los controles y mira cómo cambia cada fenómeno. Son modelos simplificados para entender la idea, no para calcular una instalación.

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Potencia activa, reactiva y aparente

φPQSP = 60 kWQ = 45 kvarS = 75 kVAcos φ = 0,8 · φ = 37°

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.

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Sistema trifásico y corriente por el neutro

FasoresL1L2L3Corrientes (ahora a la izquierda)N = suma de las tres

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.

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Ley de Ohm

V (voltios)I (amperios)6121824123R = 10 Ω

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.

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Desfase entre tensión y corriente

— tensión— corrientecos φ = 0,87

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.

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Potencia instantánea: la energía que va y vuelve

media = P— p = v·i— v— i

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.

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Compensar la reactiva con condensadores

cos φ antes0,75cos φ ahora0,75S107 → 107 kVAP = 80 kW

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.

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Resonancia en un circuito RLC

f (Hz)I (A)250500750100012345f₀

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.

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Carga de un condensador

t (s)V (voltios)246810612τ · 63 %

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.

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Transformador: la relación de espiras

230 VN1 = 100023 VN2 = 100flujo en el núcleo

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.

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Tensión de fase y tensión de línea

NL1L2L3Fase – neutro230 VFase – fase (L1–L2)398 V

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.

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Por qué se transporta en alta tensión

~carga289 A20 kVPérdidas en la línea (% de lo transportado)12,5 %

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.

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Divisor de tensión

12 VR1 10 kΩR2 10 kΩVsal6 V

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.

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Resistencias en serie y en paralelo

En serieR1R2En paraleloR130 ΩR260 ΩSerie90 ΩParalelo20 Ω

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.

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Armónicos: cuando la onda se deforma

THD ≈ 25 %— onda real- - 50 Hz pura

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.

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Rectificar y filtrar: de alterna a continua

t (ms)V10203040612

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).

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El campo magnético de un cable

200 µT100 µTCorriente hacia tidistanciaB (µT)0,5 m1 m400800

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.

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Motor de inducción: par y velocidad

velocidad (rpm)par500100015001×2×3×par máximocarga

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.

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Caída de tensión en un cable

230 V222 V30 m · 2,5 mm² · 16 ACaída de tensión3 %5 %3,48 %

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.

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Curvas B, C y D de un magnetotérmico

veces la corriente nominaltiempo12510200,01 s1 s100 s10 000 smagnético C

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.

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Cómo detecta una fuga el diferencial

fase 10 Aneutro 9,99 Afuga 10 mA15 mA30 mANO DISPARA

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.

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El primer pico de un cortocircuito

100 msprimer pico = 1,74 × pico simétrico— corriente- - componente continua

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.

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Curva de un panel solar

V (voltios)I (A)P (W)10203040504812— corriente— potencia

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.

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La curva del pato: sol y demanda

horaGW6 h12 h18 h24 h02040- - demanda— demanda neta■ solar

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.

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Efecto Joule: la corriente calienta

2,5 mm² de cobre1,82 W/m

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).

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PWM: regular encendiendo y apagando

media 4,8 V12 V0 V

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.

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Valor eficaz y valor de pico

pico 325 Veficaz 230 V

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.

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Así se genera la corriente alterna

NStensión inducidaúltimos 2 s

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.

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Primera ley de Kirchhoff

I1 = 4 AI2 = 3 AI3 = 2 Asale 9 A

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.

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Toma de tierra y diferencial

24 V50 VDiferencial 30 mA2,5 V en las masasDiferencial 300 mA24,6 V en las masasTierra: 82 Ω

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.

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La frecuencia, termómetro de la red

t (s)f (Hz)1530456049,649,85050,250,4

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.