Ingenieria Eléctrica

La electrotecnia es una disciplina técnica aplicada al uso de la electricidad . Más específicamente, la ingeniería eléctrica se refiere a la producción , transmisión y distribución de energía eléctrica , " corrientes fuertes y de baja frecuencia " [ 1] que se distinguen de la electrónica , que es en cambio " la técnica de las corrientes débiles y de alta frecuencia ". Como objeto de enseñanza y estudio, se enmarca dentro de las disciplinas técnico - ingenieriles .

Nacido a finales del siglo XVIII con la teoría de los circuitos , 1800 suele considerarse convencionalmente como el año del nacimiento de la ingeniería eléctrica , año en el que Alessandro Volta comunica al presidente de la Royal Society Joseph Banks la construcción de la primera ingeniería eléctrica . batería : la batería Volta. . De hecho, representa la primera fuente de energía eléctrica de la historia capaz de suministrar cantidades apreciables de energía eléctrica para aplicaciones útiles. Sin embargo, para la primera aplicación útil de la celda eléctrica, es necesario esperar hasta 1837 , año en que Charles Wheatstone creó el primer telégrafo eléctrico .

Historia

Hasta el siglo XIX se pensaba que la electricidad era un fluido que podía ser positivo o negativo: más tarde, gracias a los descubrimientos fundamentales de Hertz , Helmholtz , Maxwell , Heaviside , Alessandro Volta y muchos otros, una comprensión más completa del fenómeno, resumido en las ecuaciones de Maxwell que predicen de forma completa y precisa el comportamiento de las cargas eléctricas ( electrones y protones que difieren en el signo de su carga eléctrica ) y del campo electromagnético que generan.

Pronto comenzaron a aparecer una serie de aplicaciones comerciales de la electricidad: motores eléctricos, telégrafos , teléfonos , radios , bombillas eléctricas , etc. Así, a principios del siglo XX se creó una nueva ciencia aplicada que se ocupó de diseñar este tipo de equipos, precisamente la ingeniería eléctrica.

Entre los muchos científicos, ingenieros e inventores que contribuyeron a la evolución de la ingeniería eléctrica, podemos recordar: Galileo Ferraris , Antonio Pacinotti , Werner von Siemens , Nikola Tesla , Thomas Alva Edison , George Westinghouse .

Actualmente, la ingeniería eléctrica se ocupa principalmente de la producción, transmisión y uso de la electricidad , es decir, el diseño de máquinas eléctricas ( motores , generadores, transformadores ), líneas de transmisión y distribución , dispositivos que utilizan la electricidad.

La teoría de circuitos trata los problemas clásicos de la ingeniería eléctrica desde un punto de vista estrictamente axiomático; la electrónica ( que tradicionalmente se ocupa de señales de baja potencia) se superponen a algunas áreas que antes eran exclusivas de la ingeniería eléctrica, por ejemplo, el control de motores eléctricos con dispositivos semiconductores .

Principios teóricos

Los principios y leyes subyacentes a la ingeniería eléctrica son:

La ley de Ohm define la resistencia eléctrica ;
Las ecuaciones de Maxwell son las leyes fundamentales del electromagnetismo, de las que se derivan las demás;
El efecto Joule describe la transformación de la energía eléctrica en calor por efecto de la resistencia;
Las leyes de Kirchhoff ( que, para circuitos de parámetros agrupados , son equivalentes a las leyes de Maxwell) determinan las relaciones topológicas entre corrientes y voltajes en un circuito .

Magnitudes eléctricas

Las principales magnitudes físicas utilizadas en ingeniería eléctrica son:

Tensión eléctrica medida en voltios [V];
Corriente eléctrica medida en amperios [A];
Potencia , que se divide en activa, reactiva y aparente, medidas respectivamente en vatios [W], voltamperio reactivo [VAR] y voltamperio [VA];
Resistencia eléctrica medida en ohmios [Ω];
conductancia eléctrica medida en siemens [S] o [Ω ]; ${\ estilo de visualización ^ {- 1}}$
Frecuencia medida en hercios [Hz], que en ingeniería eléctrica es casi siempre la frecuencia de red de 50 o 60 hercios;
Inductancia medida en Henry [H];
Capacitancia eléctrica medida en faradios [F];
Inducción magnética medida en tesla [T];
Flujo magnético medido en weber [Wb];
Trabajo eléctrico y energía eléctrica medidos en julios [J] o vatios hora [Wh];
Carga eléctrica medida en culombios [C].

Producción, transmisión y distribución de energía eléctrica

Un sector importante de la ingeniería eléctrica se refiere a la producción, transmisión y distribución de energía eléctrica al lugar de uso.

La electricidad se produce por medio de generadores en centrales eléctricas , que por lo general y por diversas razones se ubican lejos de los lugares de consumo.

Las líneas de transmisión son un conjunto heterogéneo de sistemas que transfieren energía desde los sitios de producción a las estaciones de transformación y finalmente a las plantas usuarias. Se diferencian esencialmente según el nivel de tensión en las líneas de alta, media y baja tensión .
Las líneas de alta tensión son aquellas denominadas líneas de transmisión de electricidad o líneas eléctricas , que permiten la transferencia de potencias de millones de vatios con tensiones de hasta 400 kV, entre plantas de producción y estaciones de transformación . En estos se realiza la transformación de alta a media tensión, por medio de máquinas eléctricas denominadas transformadores , para traspasar la energía eléctrica a la red de distribución de media tensión con niveles de tensión de 10-15 kV.
La red de distribución de media tensión conecta las subestaciones de distribución, donde se realiza una transformación posterior de media a baja tensión para finalmente ser entregada al usuario final a 400 V en el sistema trifásico , o con una sola fase derivada de este. ( monofásica ), a 230 V.

Las líneas se pueden desconectar mediante interruptores o seccionadores, para permitir mantenimiento, emergencia u otros fines relacionados con la operación. Para salvaguardar la integridad de las plantas y máquinas, la red de distribución incluye sistemas de protección contra sobrecorriente ( sobrecarga ) y cortocircuito en múltiples niveles . Estos sistemas son principalmente el fusible , el interruptor magnetotérmico . También existe otra protección denominada “salvavidas” que tiene la función de abrir el circuito en caso de fallas a tierra, este dispositivo se denomina interruptor diferencial .

Instalaciones eléctricas

La distribución final de energía eléctrica a los usuarios en sus domicilios o edificios públicos para alimentar las distintas cargas se realiza a través de sistemas eléctricos comunes convenientemente construidos y dimensionados de acuerdo con las características del suministro eléctrico requerido y con las relativas protecciones de seguridad mencionadas anteriormente.

Máquinas eléctricas

Motores

Los motores son máquinas que transforman la energía eléctrica en energía mecánica generalmente en forma de rotación de un eje . Los motores se dividen en:

motor de corriente continua ,
Motor en corriente alterna , que a su vez puede ser de alimentación trifásica o monofásica y tenemos:
- Motor síncrono si la frecuencia de rotación está sincronizada con la frecuencia de red,
- Motor asíncrono si la velocidad de rotación no está estrictamente relacionada con la velocidad de rotación del campo giratorio,
- Motor monofásico si es alimentado por un sistema monofásico,
- Motor trifásico si es alimentado por un sistema trifásico.
Motor paso a paso , que debe ser alimentado con señales complejas producidas por un circuito electrónico.

Generadores

Los generadores son máquinas capaces de convertir energía mecánica en energía eléctrica. Los más importantes son:

Alternador , que genera una corriente alterna
Dynamo , que produce una corriente continua (más precisamente pulsante unidireccional)

Transformadores

El transformador es una máquina eléctrica estática capaz de modificar los parámetros de tensión y corriente de un circuito de corriente alterna . Por lo general, consta de al menos dos solenoides acoplados magnéticamente .

Las máquinas que pueden aumentar o disminuir el voltaje utilizando un solo solenoide son los autotransformadores .

Convertidores

Son dispositivos que convierten la frecuencia de dos redes y posiblemente también la tensión.

El convertidor rotativo es una máquina rotativa obsoleta capaz de transformar tensión y frecuencia así como convertir corriente continua en corriente alterna y viceversa. Ha sido reemplazado para casi todos los propósitos por inversores electrónicos de estado sólido .