Introducción al Análisis de Circuitos Eléctricos - Escuela Politécnica ...
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Universidad Autónoma <strong>de</strong> Madrid<br />
<strong>Escuela</strong> <strong>Politécnica</strong> Superior<br />
<strong>Introducción</strong> <strong>al</strong> <strong>Análisis</strong> <strong>de</strong> <strong>Circuitos</strong><br />
<strong>Eléctricos</strong><br />
TEMA 2<br />
ESTUDIO DE CIRCUITOS EN RÉGIMEN<br />
PERMANENTE SINUSOIDAL<br />
Jesús Bescós Cano<br />
Fabrizio Tiburzi Paramio<br />
Madrid, 2007
2.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 1<br />
2.2 CONCEPTOS BÁSICOS.............................................................................................................................. 2<br />
2.2.1 TRIGONOMETRÍA ................................................................................................................................... 2<br />
2.2.2 NÚMEROS COMPLEJOS........................................................................................................................... 2<br />
2.3 SEÑALES SINUSOIDALES ......................................................................................................................... 3<br />
2.3.1 DEFINICIONES........................................................................................................................................ 3<br />
Señ<strong>al</strong> periódica ............................................................................................................................................ 3<br />
Señ<strong>al</strong> sinusoid<strong>al</strong>........................................................................................................................................... 3<br />
Desfase entre señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es .............................................................................................................. 4<br />
V<strong>al</strong>or medio y v<strong>al</strong>or eficaz .......................................................................................................................... 5<br />
2.3.2 RELACIÓN CON LOS NÚMEROS COMPLEJOS. CONCEPTO DE FASOR....................................................... 6<br />
2.3.3 OPERACIONES. DIAGRAMAS FASORIALES. ............................................................................................ 8<br />
Suma............................................................................................................................................................ 8<br />
Derivación e integración ............................................................................................................................. 9<br />
Conclusiones ............................................................................................................................................. 11<br />
2.4 CIRCUITOS RLC EXCITADOS POR SEÑALES SINUSOIDALES............................................................... 13<br />
2.4.1 OBTENCIÓN DE LA SOLUCIÓN EN RÉGIMEN PERMANENTE .................................................................. 13<br />
2.4.2 IMPEDANCIA EN RPS........................................................................................................................... 14<br />
Asociación <strong>de</strong> impedancias ....................................................................................................................... 16<br />
2.5 ANÁLISIS DE CIRCUITOS RLC EN RPS ................................................................................................ 17<br />
2.6 POTENCIA EN RPS ................................................................................................................................ 18<br />
2.6.1 POTENCIA INSTANTÁNEA .................................................................................................................... 18<br />
Potencia activa y potencia reactiva. Factor <strong>de</strong> potencia. ........................................................................... 18<br />
2.6.2 POTENCIA MEDIA PUESTA EN JUEGO POR LOS DISPOSITIVOS CIRCUITALES ........................................ 19<br />
Potencia en una impedancia genérica........................................................................................................ 20<br />
Potencia en resistencias, bobinas y con<strong>de</strong>nsadores ................................................................................... 20<br />
Potencia instantánea en dispositivos pasivos ............................................................................................ 20<br />
APÉNDICE A: NÚMEROS COMPLEJOS ........................................................................................................... 23<br />
A.1 HISTORIA Y DEFINICIONES..................................................................................................................... 23<br />
A.2 OPERACIONES........................................................................................................................................ 25<br />
Suma.......................................................................................................................................................... 25<br />
Producto .................................................................................................................................................... 26<br />
División:.................................................................................................................................................... 26<br />
Sistemas <strong>de</strong> ecuaciones ............................................................................................................................. 27<br />
A.3 EJERCICIOS ............................................................................................................................................ 28<br />
Ejercicio 1 ................................................................................................................................................. 28<br />
Ejercicio 2 ................................................................................................................................................. 29<br />
Ejercicio 3 ................................................................................................................................................. 29<br />
Ejercicio 4 ................................................................................................................................................. 29<br />
Ejercicio 5 ................................................................................................................................................. 30<br />
APÉNDICE B: POTENCIA COMPLEJA Y POTENCIA APARENTE ..................................................................... 31
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
2.1 <strong>Introducción</strong><br />
Por Régimen Permanente Sinusoid<strong>al</strong> (en a<strong>de</strong>lante RPS) se entien<strong>de</strong> el estado en que se<br />
encuentra un circuito excitado por señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es una vez que el régimen libre es<br />
<strong>de</strong>spreciable. Si a<strong>de</strong>más se verifica que todas las excitaciones son <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> frecuencia, la<br />
resolución <strong>de</strong>l circuito se pue<strong>de</strong> abordar sin gran<strong>de</strong>s complicaciones operativas. En esta situación,<br />
gracias a las especi<strong>al</strong>es propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es y a la line<strong>al</strong>idad <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los<br />
presentados para resolver un circuito, todas las corrientes y tensiones presentes en el circuito van a<br />
ser también señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es, y <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> frecuencia que la <strong>de</strong> los generadores o excitaciones.<br />
Las especi<strong>al</strong>es propieda<strong>de</strong>s a que nos referimos son esenci<strong>al</strong>mente que la suma <strong>de</strong> dos<br />
sinusoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> frecuencia es otra sinusoi<strong>de</strong> <strong>de</strong> la misma frecuencia y que las sucesivas<br />
integr<strong>al</strong>es o <strong>de</strong>rivadas <strong>de</strong> señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es son también señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es <strong>de</strong> la misma<br />
frecuencia. Si tenemos en cuenta que tanto las características i-v <strong>de</strong> los dispositivos presentados<br />
como las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff sólo involucran este tipo <strong>de</strong> operaciones, se enten<strong>de</strong>rá que las<br />
respuestas <strong>de</strong> circuitos excitados por sinusoi<strong>de</strong>s sean también sinusoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> frecuencia.<br />
Aparte <strong>de</strong> estas propieda<strong>de</strong>s, relevantes a efectos teóricos, las señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es son fáciles <strong>de</strong><br />
generar (<strong>de</strong> ahí su uso en la generación <strong>de</strong> energía eléctrica ―<strong>al</strong>ternador, turbina― y en su<br />
transporte), y <strong>de</strong>sempeñan un papel fundament<strong>al</strong> en el campo <strong>de</strong>l proceso <strong>de</strong> señ<strong>al</strong> y<br />
comunicaciones (análisis <strong>de</strong> Fourier, modulaciones, etc.,).<br />
1
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
2.2 Conceptos básicos<br />
2.2.1 Trigonometría<br />
Es la rama <strong>de</strong> la ciencia que estudia las relaciones que existen entre los lados y los ángulos <strong>de</strong><br />
un triángulo. De cara <strong>al</strong> análisis <strong>de</strong> circuitos, los conceptos que conviene dominar son:<br />
• Unida<strong>de</strong>s. Aunque en ocasiones se trabaja con ángulos expresados en grados, lo habitu<strong>al</strong> es<br />
operar con ángulos expresados en radianes. En cu<strong>al</strong>quier caso ha <strong>de</strong> prestarse especi<strong>al</strong> atención<br />
para no mezclar ambas unida<strong>de</strong>s (error habitu<strong>al</strong> <strong>al</strong> sumar ángulos que provienen <strong>de</strong> velocida<strong>de</strong>s<br />
angulares, típicamente dadas en radianes por segundo, con fases inici<strong>al</strong>es, frecuentemente<br />
dadas en grados).<br />
• Funciones trigonométricas. Expresiones <strong>de</strong>l seno, coseno y tangente <strong>de</strong> los ángulos agudos <strong>de</strong><br />
un triángulo rectángulo en función <strong>de</strong> sus catetos e hipotenusa.<br />
• Circunferencia goniométrica o <strong>de</strong> radio unidad. Loc<strong>al</strong>ización inmediata <strong>de</strong> ángulos expresados<br />
en radianes e i<strong>de</strong>ntificación ágil <strong>de</strong> sus senos y cosenos.<br />
2.2.2 Números complejos<br />
Tanto en la Ingeniería Eléctrica como en temas más directamente relacionados con la Teoría <strong>de</strong><br />
la Señ<strong>al</strong>, existen multitud <strong>de</strong> fenómenos cuyo estudio es posible form<strong>al</strong>izar y abordar con relativa<br />
sencillez a partir <strong>de</strong> la teoría <strong>de</strong> variables complejas. Por ello resulta fundament<strong>al</strong> saber manejar<br />
con soltura las operaciones con números complejos, sus diversas representaciones y sus relaciones<br />
con la geometría. El Apéndice A <strong>de</strong> este capítulo ofrece un resumen <strong>de</strong> lo que, a efectos <strong>de</strong> esta<br />
asignatura, se consi<strong>de</strong>ra necesario dominar.<br />
2
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
2.3 Señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es<br />
2.3.1 Definiciones<br />
SEÑAL PERIÓDICA<br />
Es aquella que se repite cada cierto interv<strong>al</strong>o <strong>de</strong> tiempo fijo, T, <strong>al</strong> que se <strong>de</strong>nomina periodo <strong>de</strong> la<br />
señ<strong>al</strong> (ver Fig. 2.1).<br />
T<br />
t<br />
Fig. 2.1: Señ<strong>al</strong> periódica <strong>de</strong> periodo T .<br />
An<strong>al</strong>íticamente, una señ<strong>al</strong> f()<br />
t es periódica si se verifica:<br />
+<br />
∃T ∈ / f( t) = f( t+ nT),<br />
∀n∈Ζ (2. 1)<br />
Al mínimo v<strong>al</strong>or <strong>de</strong> T que verifica esta relación (obsérvese que si la verifica un v<strong>al</strong>or T,<br />
también lo hará 2T, 3T, etc.) se le <strong>de</strong>nomina periodo fundament<strong>al</strong> <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>. Habitu<strong>al</strong>mente, <strong>al</strong><br />
periodo fundament<strong>al</strong> se le <strong>de</strong>nomina directamente periodo <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>.<br />
SEÑAL SINUSOIDAL<br />
Es una señ<strong>al</strong> periódica cuya expresión habitu<strong>al</strong> viene dada por:<br />
yt () = Asen( ω t+ ϕ )<br />
(2. 2)<br />
,don<strong>de</strong>:<br />
0 0 0<br />
• A0<br />
es la amplitud máxima que <strong>al</strong>canza la señ<strong>al</strong>. Viene dada en las mismas unida<strong>de</strong>s que la<br />
señ<strong>al</strong>. También se <strong>de</strong>nomina amplitud <strong>de</strong> pico, y <strong>al</strong> doble <strong>de</strong> su v<strong>al</strong>or amplitud pico-pico (ver<br />
Fig. 2.2).<br />
• ω0<br />
es la velocidad <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> fase, o pulsación. Viene dada en radianes/s. La pulsación<br />
está directamente relacionada con el periodo <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> que norm<strong>al</strong>mente vendrá dado en<br />
segundos:<br />
yt () = yt ( + T) ⇒ Asen<br />
0<br />
( ω0t+ ϕ0) = Asen<br />
0<br />
( ω0( t+ T) + ϕ0)<br />
⇒<br />
2π<br />
⇒ ω0t+ ϕ0 + 2 kπ = ω0( t+ T)<br />
+ ϕ0<br />
⇒ T = k<br />
ω0<br />
(2. 3)<br />
, que toma v<strong>al</strong>or mínimo para k = 1, <strong>de</strong> don<strong>de</strong>:<br />
2π<br />
T =<br />
ω<br />
0<br />
(2. 4)<br />
A partir <strong>de</strong>l periodo se <strong>de</strong>fine la frecuencia <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>, que se correspon<strong>de</strong> con el número <strong>de</strong><br />
ciclos o periodos por segundo, y se mi<strong>de</strong> en hertzios (Hz):<br />
3
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
1 ω0<br />
f = =<br />
T 2π<br />
(2. 5)<br />
• ω t ϕ 0<br />
+ es la fase <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> en cada instante, t. Pue<strong>de</strong> venir dada en radianes o en grados,<br />
aunque es conveniente expresarla en radianes para evitar mezclar unida<strong>de</strong>s, ya que la pulsación<br />
suele darse en rad/s. Varía line<strong>al</strong>mente entre 0 y 2π (ver Fig. 2.2). Al v<strong>al</strong>orϕ0<br />
se le <strong>de</strong>nomina<br />
fase inici<strong>al</strong> <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>, ya que es el v<strong>al</strong>or que toma la fase en el instante t = 0 . Pue<strong>de</strong> venir<br />
dada en radianes o en grados, aunque nuevamente es conveniente expresarla en radianes para<br />
evitar complicaciones.<br />
Amplitud<br />
A 0<br />
Amplitud<br />
máxima<br />
= A 0<br />
Fase<br />
t<br />
2π<br />
Fase<br />
Señ<strong>al</strong><br />
y(t)<br />
ϕ 0<br />
A 0<br />
t<br />
y(t) = A 0 sen(ω 0 t+ϕ 0 )<br />
t<br />
Fig. 2.2: Evolución <strong>de</strong> la amplitud y fase <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong> sinusoid<strong>al</strong>.<br />
DESFASE ENTRE SEÑALES SINUSOIDALES<br />
El <strong>de</strong>sfase (o, dicho <strong>de</strong> otro modo, la diferencia instantánea entre fases) entre dos señ<strong>al</strong>es<br />
sinusoid<strong>al</strong>es <strong>de</strong> la misma frecuencia pue<strong>de</strong> interpretarse como un retardo en el tiempo <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong><br />
respecto <strong>de</strong> la otra. Dadas dos señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es y1 ( t)<br />
e y<br />
2<br />
( t)<br />
, po<strong>de</strong>mos interpretar su fase<br />
inici<strong>al</strong> como un tiempo inici<strong>al</strong>:<br />
ϕ<br />
y t = Asen t+ ⇒ y t = Asen t+ (2. 6)<br />
1<br />
1() 1<br />
( ω0 ϕ1) 1() 1<br />
( ω0( ))<br />
ω0<br />
ϕ<br />
y t = A sen t+ ⇒ y t = A sen t+ (2. 7)<br />
2<br />
2() 2<br />
( ω0 ϕ2) 2() 2<br />
( ω0( ))<br />
ω0<br />
, lo que indica que la fase <strong>de</strong> la primera señ<strong>al</strong> es nula para t 1<br />
= −ϕ 1<br />
ω 0<br />
y la <strong>de</strong> la segunda para<br />
t2 =− ϕ2 ω0<br />
. Si t 1<br />
> t 2<br />
(es <strong>de</strong>cir, si ϕ 2<br />
> ϕ 1<br />
), la señ<strong>al</strong> y1<br />
( t)<br />
presenta fase nula <strong>de</strong>spués que y2<br />
( t ) .<br />
Dicho <strong>de</strong> otro modo, y1<br />
() t <strong>de</strong>cimos que está retrasada con respecto a y2<br />
( t)<br />
un tiempo t 0<br />
= t 1<br />
− t 2<br />
, o<br />
bien que y2<br />
() t está a<strong>de</strong>lantada respecto <strong>de</strong> y1<br />
( t)<br />
esa misma magnitud. También suele <strong>de</strong>cirse que<br />
y1<br />
() t presenta un retardo <strong>de</strong> t 0<br />
con respecto a y2<br />
( t ) . La Fig. 2.3 ilustra gráficamente este concepto<br />
suponiendo ϕ<br />
1<br />
= 0 y ϕ2 > ϕ1.<br />
4
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
y(t)<br />
y 1 (t)<br />
y 2 (t)<br />
t 0<br />
t<br />
Fig. 2.3: Desfase o retardo tempor<strong>al</strong> entre dos señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es.<br />
A partir <strong>de</strong>l concepto <strong>de</strong> <strong>de</strong>sfase es inmediato relacionar las funciones ‘seno’ y ‘coseno’.<br />
Efectivamente, si representamos gráficamente la función seno tomando una fase inici<strong>al</strong> <strong>de</strong> π /2<br />
radianes (ver Fig. 2.4), po<strong>de</strong>mos comprobar que el resultado es precisamente la función coseno. De<br />
aquí la i<strong>de</strong>ntidad habitu<strong>al</strong>mente estudiada en los cursos <strong>de</strong> trigonometría:<br />
⎛ π ⎞<br />
sen⎜ω0t + ⎟=<br />
cos( ω0t)<br />
⎝ 2 ⎠<br />
y(t)<br />
sen(ω 0 t)<br />
cos(ω 0 t)<br />
(2. 8)<br />
t<br />
π/(2ω 0 )<br />
Fig. 2.4: Representación gráfica <strong>de</strong> las funciones seno y coseno.<br />
Como veremos a lo largo <strong>de</strong> este tema, en la resolución <strong>de</strong> ciertos problemas no se asigna a las<br />
señ<strong>al</strong>es un <strong>de</strong>terminado origen <strong>de</strong> tiempos ya que no interesa conocer la fase absoluta <strong>de</strong> las señ<strong>al</strong>es<br />
involucradas sino sus fases relativas (es <strong>de</strong>cir, los <strong>de</strong>sfases entre ellas). En estas situaciones se<br />
habla sin embargo <strong>de</strong> la fase <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong>, indicando en re<strong>al</strong>idad su <strong>de</strong>sfase con respecto a una<br />
señ<strong>al</strong> que se consi<strong>de</strong>ra o acuerda origen <strong>de</strong> fases o <strong>de</strong> fase nula.<br />
VALOR MEDIO Y VALOR EFICAZ<br />
El v<strong>al</strong>or medio <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong> genérica y(t)<br />
en un interv<strong>al</strong>o t<br />
1<br />
< t < t<br />
2<br />
se <strong>de</strong>fine como la media <strong>de</strong><br />
los v<strong>al</strong>ores instantáneos que y(t)<br />
toma en dicho interv<strong>al</strong>o:<br />
A<br />
( t1,<br />
t2)<br />
m<br />
t2<br />
1<br />
= ytdt ()<br />
t − t<br />
∫ (2. 9)<br />
2 1 t1<br />
En el caso <strong>de</strong> señ<strong>al</strong>es periódicas se habla simplemente <strong>de</strong> v<strong>al</strong>or medio y se asume que el<br />
interv<strong>al</strong>o <strong>de</strong> cálculo es t 2<br />
− t 1<br />
= T , su periodo. Dado que todos los periodos son igu<strong>al</strong>es, la integr<strong>al</strong><br />
se podrá c<strong>al</strong>cular sobre cu<strong>al</strong>quier periodo <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>. Así, para una señ<strong>al</strong> y (t)<br />
periódica <strong>de</strong> periodo<br />
T:<br />
1<br />
A<br />
m<br />
= ∫ y(<br />
t)<br />
dt<br />
T<br />
T<br />
(2. 10)<br />
5
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
Si y(t)<br />
es a<strong>de</strong>más una función sinusoid<strong>al</strong> <strong>de</strong> pulsación ω<br />
0<br />
(y por tanto T = 2π ω0<br />
) el v<strong>al</strong>or medio<br />
será siempre nulo:<br />
2π<br />
2π<br />
ω0 ω0<br />
0<br />
ω ⎡<br />
0<br />
A<br />
⎤<br />
0<br />
0<br />
ω0 ϕ ⎢ ω0<br />
ϕ ⎥<br />
0 ⎣ 0<br />
⎦ 0<br />
ω<br />
Am<br />
= A sen( t ) dt cos( t ) 0<br />
2π ∫ + =− + =<br />
2π ω<br />
(2. 11)<br />
Nota: En el terreno <strong>de</strong> la electricidad el v<strong>al</strong>or medio <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong> <strong>de</strong> corriente o tensión<br />
pue<strong>de</strong> interpretarse como el v<strong>al</strong>or <strong>de</strong> señ<strong>al</strong> continua que transportara la misma cantidad<br />
neta <strong>de</strong> carga.<br />
El v<strong>al</strong>or eficaz <strong>al</strong> cuadrado <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong> genérica y(t)<br />
en un interv<strong>al</strong>o t<br />
1<br />
< t < t<br />
2<br />
se <strong>de</strong>fine como<br />
la media <strong>de</strong> los v<strong>al</strong>ores instantáneos <strong>al</strong> cuadrado 1 que la señ<strong>al</strong> toma en dicho interv<strong>al</strong>o:<br />
t2<br />
( t1, t2)<br />
1 2<br />
ef<br />
=<br />
t2 t1<br />
t<br />
A y () t dt<br />
− ∫ (2. 12)<br />
1<br />
Análogamente a lo visto para el v<strong>al</strong>or medio, si y (t)<br />
es una señ<strong>al</strong> periódica se asumirá<br />
directamente que t t = T<br />
2<br />
− 1<br />
:<br />
1 2<br />
∫<br />
A = y ( t)<br />
dt<br />
ef<br />
T<br />
T<br />
(2. 13)<br />
Si y(t)<br />
es a<strong>de</strong>más una función sinusoid<strong>al</strong> <strong>de</strong> pulsación ω<br />
0<br />
el v<strong>al</strong>or eficaz será:<br />
2π 2π ω<br />
2<br />
0 2 ω<br />
π<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2 ω0 2 2<br />
ω0A0 1 cos(2 ω0t ϕ) ω0A<br />
ω<br />
0 1<br />
ef<br />
0<br />
( ω0 ϕ) sin( ω0<br />
ϕ)<br />
2π ∫<br />
0<br />
2π ∫<br />
− + ⎡ ⎤<br />
0<br />
2 2π<br />
⎢2<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎦ 0<br />
A = A sen t+ dt = dt = t− t+ =<br />
= ω A π<br />
= A ⇒ = A<br />
(2. 14)<br />
2 2<br />
0 0 0 0<br />
Aef<br />
2π<br />
ω0<br />
2 2<br />
Nota: En el terreno <strong>de</strong> la electricidad el v<strong>al</strong>or eficaz <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong> <strong>de</strong> corriente (o tensión)<br />
<strong>al</strong>terna se correspon<strong>de</strong> con aquél que tendría una corriente (o tensión) continua que<br />
produjera la misma potencia media <strong>al</strong> aplicarse sobre una misma resistencia .<br />
Nota: Cuando medimos con un multímetro básico v<strong>al</strong>ores <strong>de</strong> tensiones o corrientes <strong>al</strong>ternas,<br />
las medidas obtenidas se refieren exclusivamente a sus v<strong>al</strong>ores eficaces.<br />
2.3.2 Relación con los números complejos. Concepto <strong>de</strong> fasor.<br />
Es posible establecer una relación directa entre los números complejos y las funciones<br />
sinusoid<strong>al</strong>es que nos va a permitir representar cu<strong>al</strong>quier función sinusoid<strong>al</strong> con un número<br />
complejo que gira entorno <strong>al</strong> origen a una velocidad constante.<br />
jϕ0<br />
Sea un número complejo z = A0e<br />
. Si lo representamos en el plano complejo (ver Fig. 2.5) sus<br />
partes re<strong>al</strong> e imaginaria se correspon<strong>de</strong>rán con las proyecciones sobre los ejes coor<strong>de</strong>nados:<br />
1 En lengua inglesa el v<strong>al</strong>or eficaz recibe el nombre <strong>de</strong> Root Mean Square, cuyas siglas (RMS) han<br />
pasado a ser un anglicismo <strong>de</strong> uso habitu<strong>al</strong>.<br />
6
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
Re[<br />
z ] = A0cosϕ<br />
0<br />
(2. 15)<br />
Im[<br />
z ] = A0senϕ<br />
0<br />
(2. 16)<br />
Im[z]<br />
A 0<br />
sen(ϕ 0<br />
) A 0<br />
e jϕ 0<br />
O<br />
ϕ 0<br />
A 0<br />
cos(ϕ 0<br />
)<br />
Re[z]<br />
Fig. 2.5: Representación geométrica <strong>de</strong> un número complejo.<br />
jφ<br />
Si multiplicamos este número complejo z por otro e lo estaremos rotando φ radianes<br />
respecto <strong>al</strong> origen. Si a<strong>de</strong>más φ varía con el tiempo <strong>de</strong> la forma φ()<br />
t = ω0t<br />
, el producto<br />
j 0 j 0t<br />
zt () Ae ϕ ω<br />
=<br />
0<br />
e representa un número complejo <strong>de</strong> módulo A0<br />
que gira a razón <strong>de</strong> ω<br />
0<br />
radianes por<br />
unidad <strong>de</strong> tiempo en torno <strong>al</strong> origen <strong>de</strong>l plano complejo (ver Fig. 2.6) . A este número complejo que<br />
gira se le <strong>de</strong>nomina fasor, y sus partes re<strong>al</strong> e imaginaria son respectivamente:<br />
j 0 j 0t<br />
Re[ Ae ϕ ω<br />
0<br />
e ] A0cos( ω0t<br />
ϕ0)<br />
= + (2. 17)<br />
j 0 j 0t<br />
Im[ Ae ϕ ω<br />
0<br />
e ] A0sen( ω0t<br />
ϕ0)<br />
= + (2. 18)<br />
Im[z]<br />
Im[]<br />
A<br />
O<br />
ω 0<br />
jϕ<br />
A 0<br />
e<br />
0<br />
ejω 0 t<br />
ϕ 0<br />
Re[z]<br />
ϕ 0<br />
A 0<br />
sen(ω 0 t+ϕ 0<br />
)<br />
ωt<br />
Re[]<br />
A<br />
A 0<br />
cos(ω 0 t+ϕ 0<br />
)<br />
ϕ 0<br />
Fig. 2.6: Equiv<strong>al</strong>encia entre funciones sinusoid<strong>al</strong>es y números<br />
complejos<br />
7
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
En conclusión, po<strong>de</strong>mos expresar cu<strong>al</strong>quier señ<strong>al</strong> sinusoid<strong>al</strong> como la parte re<strong>al</strong> o imaginaria <strong>de</strong><br />
un fasor <strong>de</strong> módulo igu<strong>al</strong> a la amplitud máxima <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>, <strong>de</strong> argumento igu<strong>al</strong> a su fase inici<strong>al</strong>, y<br />
que gira a una velocidad angular igu<strong>al</strong> a la pulsación <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>.<br />
2.3.3 Operaciones. Diagramas fasori<strong>al</strong>es.<br />
Según se ha visto en el capítulo anterior, la resolución <strong>de</strong> circuitos se obtiene <strong>de</strong> la aplicación<br />
conjunta <strong>de</strong> las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff y <strong>de</strong> las características i-v <strong>de</strong> los dispositivos involucrados. En<br />
nuestro caso, ello supone sumas, esc<strong>al</strong>ados, <strong>de</strong>rivaciones e integraciones <strong>de</strong> señ<strong>al</strong>es <strong>de</strong> tensión o<br />
corriente.<br />
En esta sección se preten<strong>de</strong> <strong>de</strong>mostrar que si las señ<strong>al</strong>es involucradas son sinusoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> igu<strong>al</strong><br />
pulsación o frecuencia, es posible efectuar todas las operaciones con fasores en vez <strong>de</strong> con<br />
sinusoi<strong>de</strong>s, lo que simplifica enormemente la operativa.<br />
SUMA<br />
San dos sinusoi<strong>de</strong>s y ( ) e y ( ) <strong>de</strong> la forma:<br />
1<br />
t<br />
2<br />
t<br />
y () t = A cos( ω t+ ϕ )<br />
(2. 19)<br />
1 1 1 1<br />
y () t = A cos( ω t+ ϕ )<br />
(2. 20)<br />
2 2 2 2<br />
Si <strong>de</strong>finimos y S<br />
(t)<br />
como la función suma <strong>de</strong> y1(<br />
t)<br />
e y<br />
2<br />
( t)<br />
y expresamos ambas señ<strong>al</strong>es en función <strong>de</strong><br />
sus fasores, po<strong>de</strong>mos escribir:.<br />
y () t = y () t + y () t = Re[ Ae e ] + Re[ Ae e ] = Re[ Ae e + Ae e ] (2. 21)<br />
S<br />
jϕ1 jω1t jϕ2 jω2t jϕ1 jω1t jϕ2 jω2t<br />
1 2 1 2 1 2<br />
Si imponemos que las pulsaciones <strong>de</strong> las dos señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es sean igu<strong>al</strong>es ( ω1 = ω2 = ω0) y<br />
jϕS<br />
jϕ1 jϕ2<br />
<strong>de</strong>finimos el número complejo suma AS<br />
e = Ae<br />
1<br />
+ A2e<br />
, la última expresión pue<strong>de</strong><br />
simplificarse:<br />
y ( t) = Re[( Ae + A e ) e ] = Re[ A e e ] = A cos( ω t+ ϕ ))<br />
(2. 22)<br />
jϕ1 jϕ2<br />
jω0t jϕS<br />
jωSt<br />
S 1 2 S S 0 S<br />
De este <strong>de</strong>sarrollo pue<strong>de</strong> concluirse, en primer lugar, que la suma <strong>de</strong> dos sinusoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la misma<br />
frecuencia es igu<strong>al</strong> a otra sinusoi<strong>de</strong> <strong>de</strong> la misma frecuencia. En segundo lugar, que la amplitud<br />
máxima y la fase inici<strong>al</strong> <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> suma ( AS,<br />
ϕ<br />
S<br />
) pue<strong>de</strong>n obtenerse respectivamente como el<br />
j S<br />
módulo y argumento <strong>de</strong>l número complejo ( AS<br />
e ϕ ) resultante <strong>de</strong> sumar las partes fijas<br />
jϕ j<br />
A e , A e ϕ<br />
) <strong>de</strong> los fasores que representan a las señ<strong>al</strong>es que se suman.<br />
1 2<br />
(<br />
1 2<br />
Obsérvese que este <strong>de</strong>sarrollo es igu<strong>al</strong>mente válido si las señ<strong>al</strong>es que se suman son ambas<br />
sinusoi<strong>de</strong>s en forma ‘seno’. Tomando la parte imaginaria <strong>de</strong> sus fasores en vez <strong>de</strong> la parte re<strong>al</strong><br />
llegaríamos exactamente a las mismas conclusiones. Por lo tanto, una tercera conclusión es que la<br />
obtención <strong>de</strong> amplitud máxima y fase inici<strong>al</strong> por este procedimiento asume que las señ<strong>al</strong>es que se<br />
suman tienen igu<strong>al</strong> forma (ambas ‘seno’ o ambas ‘coseno’) y que ésta misma es la forma que tiene<br />
el resultado. Si las señ<strong>al</strong>es a sumar tuvieran distinta forma habría que cambiar la <strong>de</strong> una <strong>de</strong> ellas<br />
(sumando o restando π 2 a su fase inici<strong>al</strong>, según la relación (2.8)).<br />
Por lo tanto, para sumar señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> pulsación basta con expresar ambas en la<br />
misma forma y a continuación sumar los números complejos que representan sus respectivas<br />
amplitu<strong>de</strong>s máximas y fases inici<strong>al</strong>es. Dado que la parte giratoria <strong>de</strong> los fasores (es <strong>de</strong>cir, el<br />
j 0t<br />
término e ω ) no se utiliza para llevar a cabo la suma (ya que se asumen señ<strong>al</strong>es <strong>de</strong> igu<strong>al</strong><br />
pulsación), el término fasor suele aplicarse sólo a la parte fija <strong>de</strong> éste. De este modo, asumiremos<br />
<strong>de</strong> ahora en a<strong>de</strong>lante que los fasores <strong>de</strong> las señ<strong>al</strong>es involucradas (representados siempre en letras<br />
mayúsculas) son:<br />
8
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
y t A t Y Ae ϕ<br />
j 1<br />
1() =<br />
1cos( ω<br />
0<br />
+ ϕ1)<br />
→<br />
1<br />
=<br />
1<br />
(2. 23)<br />
y t A t Y A e ϕ<br />
j 2<br />
2() =<br />
2cos( ω<br />
0<br />
+ ϕ2)<br />
→<br />
2<br />
=<br />
2<br />
(2. 24)<br />
S<br />
y () t = A cos( ω t+ ϕ ) → Y = A e = Y + Y<br />
(2. 25)<br />
j ϕ<br />
S S 0 S S S<br />
2 2<br />
En conclusión, la suma <strong>de</strong> señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> pulsación se pue<strong>de</strong> llevar a cabo<br />
sumando sus fasores. Dicho <strong>de</strong> otro modo, la operación pue<strong>de</strong> re<strong>al</strong>izarse en el dominio fasori<strong>al</strong> con<br />
mayor facilidad que en el dominio tempor<strong>al</strong>.<br />
La Fig. 2.7 muestra gráficamente el proceso <strong>de</strong> obtención <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> suma. En ella es inmediato<br />
comprobar que para sumar dos señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es es imprescindible tener en cuenta tanto sus<br />
amplitu<strong>de</strong>s como sus fases. Esto explica por qué cuando se mi<strong>de</strong>n corrientes o tensiones<br />
sinusoid<strong>al</strong>es con un multímetro (que lo que mi<strong>de</strong> es sólo sus v<strong>al</strong>ores eficaces, es <strong>de</strong>cir, un v<strong>al</strong>or<br />
proporcion<strong>al</strong> a sus amplitu<strong>de</strong>s) no es posible aplicar directamente las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff sobre<br />
estos v<strong>al</strong>ores: también es necesario conocer las fases relativas <strong>de</strong> dichas tensiones o corrientes.<br />
Im[z]<br />
Ae<br />
1<br />
jϕ<br />
1<br />
A e<br />
2<br />
jϕ<br />
2<br />
Re[z]<br />
Fig. 2.7: Diagrama fasori<strong>al</strong>: representación gráfica <strong>de</strong> la suma <strong>de</strong><br />
dos fasores.<br />
DERIVACIÓN E INTEGRACIÓN<br />
Sea una señ<strong>al</strong> sinusoid<strong>al</strong> yt () = A0cos( ωt+<br />
ϕ0)<br />
2 . La <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> esta señ<strong>al</strong> con respecto <strong>al</strong> tiempo<br />
pue<strong>de</strong> expresarse como:<br />
dy()<br />
t<br />
π<br />
=−A0ω⋅ sen( ωt+ ϕ0) = A0ω⋅ sen( ωt+ ϕ0 + π) = A0ω⋅ cos( ωt+ ϕ0<br />
+ ) (2. 26)<br />
dt<br />
2<br />
, es <strong>de</strong>cir otra señ<strong>al</strong> sinusoid<strong>al</strong> con la misma frecuencia que y (t)<br />
, esc<strong>al</strong>ada por ω y a<strong>de</strong>lantada π / 2<br />
radianes.<br />
Aunque las operaciones involucradas para llegar a este resultado no son <strong>de</strong>masiado complicadas,<br />
esta misma operación, efectuada en el dominio fasori<strong>al</strong>, resulta bastante más sencilla. En efecto,<br />
representando y (t)<br />
en función <strong>de</strong> su fasor giratorio:<br />
jϕ0<br />
jwt<br />
dy()<br />
t d<br />
jϕ0 jwt<br />
⎡dA e e ⎤<br />
0<br />
jϕ0<br />
jwt<br />
π<br />
= Re[ Ae<br />
0<br />
e ] = Re ⎢ ⎥ = Re[ Ae<br />
0<br />
jwe ] = A0ω⋅ cos( ωt+ ϕ0<br />
+ ) (2. 27)<br />
dt dt ⎣ dt ⎦<br />
2<br />
j 2<br />
Si observamos el último paso <strong>de</strong> este <strong>de</strong>sarrollo (para el que se ha utilizado la relación j = e π )<br />
se pue<strong>de</strong> concluir que el fasor <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> <strong>de</strong>rivada se pue<strong>de</strong> obtener directamente esc<strong>al</strong>ando o<br />
multiplicando por jω el fasor <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> origin<strong>al</strong>. En conclusión:<br />
2 Dado que a partir <strong>de</strong> ahora trabajaremos con señ<strong>al</strong>es <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> pulsación, por razones <strong>de</strong> claridad se<br />
omitirán los subíndices y se hará referencia a ella como ω .<br />
9
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
y() t A cos( t ) A e ϕ<br />
j 0<br />
=<br />
0<br />
ω + ϕ0 →<br />
0<br />
(2. 28)<br />
dy()<br />
t<br />
dt<br />
π<br />
2<br />
jϕ0<br />
= A0ω⋅ cos( ω<br />
0t+ ϕ1+ ) → jωA0e<br />
(2. 29)<br />
Respecto a la integración, la integr<strong>al</strong> <strong>de</strong> la misma señ<strong>al</strong> sinusoid<strong>al</strong> y(t)<br />
pue<strong>de</strong> expresarse como<br />
sigue:<br />
A<br />
∫ 0 0<br />
ytdt ( ) = ∫ A0cos( ωt+ ϕ0) dt= sen( ωt+ ϕ0) = cos⎜ωt+ ϕ0<br />
− ⎟<br />
(2. 30)<br />
ω<br />
, que se correspon<strong>de</strong> con otra señ<strong>al</strong> sinusoid<strong>al</strong> <strong>de</strong> la misma frecuencia que y (t)<br />
, esc<strong>al</strong>ada por 1/ω y<br />
retrasada π / 2 radianes. Si efectuamos esta operación utilizando el fasor giratorio <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong>:<br />
A<br />
ω<br />
⎛<br />
⎝<br />
π ⎞<br />
2 ⎠<br />
jϕ0 jωt jϕ 1<br />
0 jωt jϕ0 jωt A0<br />
⎛ π<br />
0 0 0<br />
ω ϕ0<br />
⎞<br />
yt ( ) dt= Re[ Ae e ] = Re[ Ae e ] = Re[ Ae e ] = cos⎜<br />
t+ − ⎟<br />
jω<br />
ω ⎝ 2 ⎠<br />
∫ ∫ ∫ (2. 31)<br />
j 2<br />
, <strong>de</strong>sarrollo en el que se ha utilizado la relación 1 j = e − π . Análogamente <strong>al</strong> caso <strong>de</strong> la <strong>de</strong>rivación,<br />
se pue<strong>de</strong> concluir que el fasor <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> integr<strong>al</strong> se pue<strong>de</strong> obtener directamente esc<strong>al</strong>ando o<br />
multiplicando por 1 jω el fasor <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong> origin<strong>al</strong>. En conclusión:<br />
yt () Acos( t ) Ae ϕ<br />
j 0<br />
=<br />
0<br />
ω + ϕ0 →<br />
0<br />
(2. 32)<br />
A<br />
π<br />
2<br />
0<br />
() 0 cos( )<br />
0 jϕ<br />
= ⋅ ω + ϕ − →<br />
A<br />
∫ y t dt t<br />
1<br />
e<br />
(2. 33)<br />
ω<br />
jω<br />
A modo <strong>de</strong> ejemplo y con el fin <strong>de</strong> contrastar las representaciones tempor<strong>al</strong> y fasori<strong>al</strong> aplicadas<br />
a magnitu<strong>de</strong>s circuit<strong>al</strong>es, supongamos la rama <strong>de</strong> la Fig. 2.8, recorrida por una corriente sinusoid<strong>al</strong><br />
it (). Según las características i-v <strong>de</strong> los dispositivos involucrados, las tensiones en la resistencia, la<br />
bobina y el con<strong>de</strong>nsador en régimen permanente sinusoid<strong>al</strong> son respectivamente:<br />
v () t = Ri()<br />
t<br />
(2. 34)<br />
R<br />
() di()<br />
t<br />
vL t = L (2. 35)<br />
dt<br />
1<br />
vC () t = i()<br />
t dt<br />
C<br />
∫ (2. 36)<br />
v R (t) v L (t) v C (t)<br />
i(t)<br />
Fig. 2.8: Caídas <strong>de</strong> tensión en una rama RLC serie.<br />
En la Fig. 2.9 se representa esta corriente y estas tensiones en el dominio <strong>de</strong>l tiempo y la Fig. 2.10<br />
ofrece una representación <strong>de</strong> sus respectivos fasores (lo que se <strong>de</strong>nomina un diagrama fasori<strong>al</strong>).<br />
10
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
v,i<br />
I 0 ωL<br />
I 0 R<br />
I 0<br />
I 0 /(ωC)<br />
i(t)<br />
v R (t)<br />
v C (t)<br />
v L (t)<br />
t<br />
Fig. 2.9: Representación en el dominio <strong>de</strong>l tiempo <strong>de</strong> la corriente y<br />
<strong>de</strong> las caídas <strong>de</strong> tensión en una resistencia, un con<strong>de</strong>nsador y una<br />
bobina, en régimen permanente sinusoid<strong>al</strong>.<br />
I ω Le<br />
0<br />
⎛ π ⎞<br />
j ⎜ϕ0<br />
+ ⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
Im[z]<br />
O<br />
Ie ϕ<br />
v L (t)<br />
ϕ 0<br />
0<br />
j 0<br />
I Re ϕ<br />
0<br />
j 0<br />
i(t)<br />
Re[z]<br />
v R (t)<br />
I<br />
0<br />
e<br />
ωC<br />
⎛ π ⎞<br />
j⎜ϕ0<br />
− ⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
v C<br />
(t)<br />
Fig. 2.10: Representación en el dominio fasori<strong>al</strong> <strong>de</strong> la corriente y<br />
<strong>de</strong> las caídas <strong>de</strong> tensión en una resistencia, un con<strong>de</strong>nsador y una<br />
bobina.<br />
Obsérvese que la tensión que cae en bornes <strong>de</strong> una bobina está siempre a<strong>de</strong>lantada π / 2<br />
respecto <strong>de</strong> la corriente que la atraviesa (en el diagrama fasori<strong>al</strong> se aprecia observando que su fasor<br />
tiene un argumento π / 2 mayor), la tensión que cae en bornes <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador esta retrasada<br />
π / 2 respecto <strong>de</strong> la corriente que la atraviesa (en el diagrama fasori<strong>al</strong> se aprecia observando que su<br />
fasor tiene un argumento π / 2 menor), y la tensión en una resistencia se encuentra en fase con la<br />
corriente que la atraviesa (en el diagrama fasori<strong>al</strong> se aprecia observando que su fasor tiene igu<strong>al</strong><br />
argumento).<br />
CONCLUSIONES<br />
Dado que las señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es resultantes <strong>de</strong> las operaciones anteriores conservan la<br />
pulsación <strong>de</strong> las señ<strong>al</strong>es origin<strong>al</strong>es, se suele aplicar el concepto <strong>de</strong> fasor <strong>de</strong> una señ<strong>al</strong> <strong>al</strong> número<br />
complejo invariante o fijo en el tiempo que sólo aporta información <strong>de</strong>l módulo y la fase <strong>de</strong> la señ<strong>al</strong><br />
que representa. No <strong>de</strong>be olvidarse, sin embargo, que aunque no aparezca explícitamente en su<br />
expresión, un fasor siempre llevará asociada una frecuencia angular, que en última instancia <strong>de</strong>berá<br />
<strong>de</strong> tenerse en cuenta para expresar la señ<strong>al</strong> en el dominio <strong>de</strong>l tiempo.<br />
En la siguiente tabla se resumen las operaciones que se han explicado en los apartados<br />
anteriores y se muestra su resultado tanto en el dominio <strong>de</strong>l tiempo como en el dominio fasori<strong>al</strong>.<br />
Debe <strong>de</strong> quedar claro que el único objetivo <strong>de</strong> cambiar <strong>de</strong> dominio es, como veremos en secciones<br />
11
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
posteriores, simplificar la operativa <strong>de</strong> resolución <strong>de</strong> un circuito en régimen permanente sinusoid<strong>al</strong>.<br />
Por ello, aunque para re<strong>al</strong>izar las operaciones intermedias trabajemos en el dominio complejo, los<br />
resultados fin<strong>al</strong>es <strong>de</strong>berán expresarse siempre en el dominio <strong>de</strong>l tiempo.<br />
Operación<br />
Dominio <strong>de</strong>l tiempo<br />
Dominio fasori<strong>al</strong><br />
OPERANDOS RESULTADO OPERANDOS RESULTADO<br />
y1() t = A1cos( ωt+<br />
ϕ1)<br />
Suma<br />
y () t = A cos( ωt+<br />
ϕ )<br />
2 2 2<br />
y () t = A cos( ωt+<br />
ϕ )<br />
s s s<br />
j 1<br />
A1<br />
e ϕ jϕS<br />
jϕ1 jϕ2<br />
A<br />
j 2<br />
A e ϕ Se = Ae<br />
1<br />
+ A2e<br />
2<br />
Derivación π<br />
j 0<br />
yt () = A0cos( ωt+ ϕ0)<br />
A0ωcos( ωt+ ϕ0<br />
+ ) A0<br />
e ϕ j 0<br />
jω<br />
A0<br />
e ϕ<br />
2<br />
Integración<br />
A0<br />
⎛ π ⎞<br />
yt () = A0cos( ωt+ ϕ0)<br />
cos⎜ωt<br />
+ ϕ0<br />
− ⎟<br />
ω ⎝ 2 ⎠<br />
1<br />
j 0<br />
A0<br />
e ϕ jϕ<br />
A0<br />
e<br />
0<br />
jω<br />
12
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
2.4 <strong>Circuitos</strong> RLC excitados por señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es<br />
2.4.1 Obtención <strong>de</strong> la solución en régimen permanente<br />
Sea el circuito <strong>de</strong> la Fig. 2.11 excitado por una fuente sinusoid<strong>al</strong> <strong>de</strong> v<strong>al</strong>or et ():<br />
+<br />
i(t)<br />
e(t)<br />
v R (t)<br />
R<br />
C<br />
v C (t)<br />
L<br />
v L<br />
(t)<br />
Fig. 2.11: Circuito RLC <strong>de</strong> una m<strong>al</strong>la con una excitación<br />
sinusoid<strong>al</strong>.<br />
Si aplicamos la segunda ley <strong>de</strong> Kirchhoff sobre la única m<strong>al</strong>la <strong>de</strong>l circuito obtenemos:<br />
t<br />
di() t 1<br />
et () = Rit () + L () t + i( τ ) dτ<br />
dt C<br />
∫ (2. 37)<br />
0<br />
Como se vio en el Tema 1, se trata <strong>de</strong> una ecuación diferenci<strong>al</strong> line<strong>al</strong> con coeficientes re<strong>al</strong>es<br />
constantes y positivos cuya solución, una vez que el régimen libre resulta <strong>de</strong>spreciable, es una<br />
corriente en régimen permanente o forzado. Dado que este régimen correspon<strong>de</strong> a la solución<br />
particular <strong>de</strong> la ecuación diferenci<strong>al</strong> sabemos (por la teoría <strong>de</strong> ecuaciones diferenci<strong>al</strong>es) que la<br />
corriente presenta la misma forma que la excitación. Por lo tanto si et () es una sinusoi<strong>de</strong> <strong>de</strong> una<br />
frecuencia dada, it () lo será también.<br />
Sea, por tanto, et () = E0<br />
cos( ωt+ ϕ)<br />
la tensión conocida <strong>de</strong>l generador. La corriente i (t)<br />
<strong>de</strong>berá<br />
<strong>de</strong> ser <strong>de</strong> la forma it () = I0<br />
cos( ωt+ β)<br />
, expresión en la que I 0<br />
y β son incógnitas. Reemplazando<br />
estos v<strong>al</strong>ores e incógnitas en la ecuación 2.37:<br />
d<br />
1<br />
E cos( ω t+ ϕ ) = L I cos( ω t+ β ) + RI cos( ω t+ β ) + ∫ I cos( ωτ + β ) ⋅d<br />
τ (2. 38)<br />
0 0 0 0<br />
dt<br />
C<br />
0<br />
Si <strong>de</strong>rivamos los términos correspondientes e igu<strong>al</strong>amos por un lado las partes <strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong>l<br />
tiempo y por el otro las in<strong>de</strong>pendientes po<strong>de</strong>mos llegar a una solución para I 0<br />
y β . Sin embargo,<br />
el procedimiento <strong>de</strong> resolución pue<strong>de</strong> simplificarse sustanci<strong>al</strong>mente si observamos que la ecuación<br />
únicamente involucra sumas <strong>de</strong> señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es con la misma pulsación, <strong>de</strong>rivaciones e<br />
integraciones, operaciones todas que se ha visto cómo llevar a cabo en el dominio fasori<strong>al</strong> o<br />
complejo. Por lo tanto, si sustituimos en la ecuación 2.37 cada término por su fasor po<strong>de</strong>mos<br />
escribir una nueva ecuación en este nuevo dominio:<br />
jϕ jβ jβ 1 1 jβ<br />
Ee<br />
0<br />
= RIe<br />
0<br />
+ LjωIe 0<br />
+ Ie<br />
0<br />
(2. 39)<br />
C jω<br />
jϕ<br />
Denotando los fasores corriente y tensión respectivamente como E (= E 0<br />
e ) e I (=<br />
ecuación pue<strong>de</strong> rescribirse como:<br />
t<br />
I 0<br />
jβ<br />
e<br />
) la<br />
13
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
1<br />
E = RI + jωLI + I<br />
(2. 40)<br />
jωC<br />
, ecuación que relaciona fasores <strong>de</strong> tensión, <strong>de</strong> acuerdo con la 2ª Ley <strong>de</strong> Kirchhoff y en la que<br />
po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>spejar el fasor <strong>de</strong> corriente buscado:<br />
E<br />
I =<br />
R+ jωL+<br />
1<br />
jωC<br />
(2. 41)<br />
Una vez obtenido el fasor resultante (como resultado <strong>de</strong> una operación con números complejos),<br />
y teniendo en cuenta que las señ<strong>al</strong>es estaban expresadas en forma ‘coseno’, la expresión tempor<strong>al</strong><br />
<strong>de</strong> la corriente buscada queda:<br />
jωt<br />
it () = Re[ Ie ] = I cos( ωt+ β)<br />
(2. 42)<br />
0<br />
Si esta corriente está a<strong>de</strong>lantada respecto a la tensión ( β > α ) se dice que el circuito presenta<br />
carácter capacitivo (dado que en un con<strong>de</strong>nsador la corriente que lo atraviesa está a<strong>de</strong>lantada<br />
respecto a a tensión que en él cae), mientras que si está restrasada se dice que presenta carácter<br />
inductivo (por similar motivo). En la Fig. 2.12 se muestran los diagramas <strong>de</strong> los fasores <strong>de</strong><br />
corriente y tensión para ambas situaciones. Este tipo <strong>de</strong> diagramas, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> ofrecer una visión<br />
clara y concisa <strong>de</strong> las relaciones entre todas las tensiones y corrientes, permiten en ocasiones<br />
resolver problemas geométricamente.<br />
V R<br />
Im[z]<br />
Im[z]<br />
E<br />
V L<br />
E V R<br />
V C<br />
V L -V C<br />
O<br />
ϕ<br />
β<br />
I<br />
Re[z]<br />
V L<br />
O<br />
I<br />
ϕ<br />
β<br />
Re[z]<br />
V C -V L<br />
V C<br />
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 2.12: Representación fasori<strong>al</strong> <strong>de</strong> un circuito RLC inductivo (a)<br />
y capacitivo (b)<br />
2.4.2 Impedancia en RPS<br />
En la ecuación 2. 40 pue<strong>de</strong> observarse que el fasor <strong>de</strong> tensión asociado a cada uno <strong>de</strong> los<br />
dispositivos <strong>de</strong> la m<strong>al</strong>la es siempre proporcion<strong>al</strong> <strong>al</strong> fasor <strong>de</strong> corriente:<br />
V = RI = Z I ⇒ Z = R<br />
R R R<br />
V = jωLI = Z I ⇒ Z = ωLe<br />
L L L<br />
1 1<br />
VC = I = ZCI ⇒ ZC<br />
= e<br />
jωC<br />
ωC<br />
π<br />
j<br />
2<br />
π<br />
− j<br />
2<br />
(2. 43)<br />
14
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
Al factor <strong>de</strong> proporcion<strong>al</strong>idad Z<br />
R<br />
, Z<br />
L<br />
o Z<br />
C<br />
que en cada caso relaciona el fasor <strong>de</strong> corriente con<br />
el fasor <strong>de</strong> tensión se le <strong>de</strong>nomina impedancia y se <strong>de</strong>nota con la letra Z . Su inverso se <strong>de</strong>nomina<br />
admitancia y se <strong>de</strong>nota con la letra Y . La impedancia relaciona, por tanto, los fasores <strong>de</strong> corriente<br />
y tensión <strong>de</strong> acuerdo a una ley similar a la Ley <strong>de</strong> Ohm en el dominio <strong>de</strong>l tiempo, gener<strong>al</strong>izando así<br />
la característica I-V <strong>de</strong> cu<strong>al</strong>quier dispositivo en el dominio fasori<strong>al</strong>. Dado que la impedancia es un<br />
número complejo afecta tanto <strong>al</strong> módulo como a la fase <strong>de</strong> la magnitud sobre la que opere.<br />
Obsérvese que la impedancia asociada a una resistencia es siempre re<strong>al</strong> (ya que es precisamente<br />
el v<strong>al</strong>or <strong>de</strong> la resistencia), mientras que la asociada a bobinas y con<strong>de</strong>nsadores es siempre<br />
imaginaria. Como veremos a continuación, es posible <strong>de</strong>finir impedancias con parte re<strong>al</strong> e<br />
imaginaria. A la parte re<strong>al</strong> la <strong>de</strong>nominamos resistencia, mientras que a la parte imaginara se le<br />
<strong>de</strong>nomina reactancia (análogamente, a la parte re<strong>al</strong> <strong>de</strong> la admitancia se le <strong>de</strong>nomina conductancia<br />
y a su parte imaginaria susceptancia). La reactancia se <strong>de</strong>nota con la letra χ y es positiva para las<br />
bobinas y negativa en los con<strong>de</strong>nsadores. En el caso <strong>de</strong> los dispositivos anteriores:<br />
χ = 0<br />
(2. 44)<br />
R<br />
χ = ωL<br />
(2. 45)<br />
L<br />
1<br />
χ = C<br />
ωC<br />
(2. 46)<br />
Un aspecto fundament<strong>al</strong> a tener en cuenta es que la impedancia <strong>de</strong> un dispositivo reactivo<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la pulsación ω a la que trabaje el circuito, según se <strong>de</strong>spren<strong>de</strong> <strong>de</strong> las relaciones vistas.<br />
Por ejemplo, si se duplica la pulsación <strong>de</strong> trabajo la impedancia <strong>de</strong> todas las bobinas se duplica y la<br />
<strong>de</strong> los con<strong>de</strong>nsadores se reduce a la mitad.<br />
Si una impedancia tiene sólo parte re<strong>al</strong> positiva se dice que es puramente resistiva (en el<br />
contexto <strong>de</strong> esta asignatura no tiene sentido hablar <strong>de</strong> impedancias con parte re<strong>al</strong> negativa); cuando<br />
tiene parte imaginaria positiva, se dice que tiene carácter inductivo; y cuando tiene parte imaginaria<br />
negativa, que tiene carácter capacitivo. Esta apreciación guarda relación directa con el hecho <strong>de</strong><br />
que la impedancia <strong>de</strong> un dispositivo indica la relación <strong>de</strong> amplitud y fase entre la corriente que lo<br />
atraviesa y la tensión que cae en sus bornes. Efectivamente, dado un dispositivo con impedancia<br />
Z :<br />
⎧ V<br />
Z<br />
jϕ<br />
V ⎪ =<br />
Z = Ze Z , V= Z⋅ I⇒ Z= ⇒ ⎨ I<br />
I ⎪<br />
⎩ϕ Z<br />
= ϕV −ϕI<br />
Así, para los dispositivos vistos (ver eq. (2. 43)):<br />
(2. 47)<br />
• La tensión y corriente en bornes <strong>de</strong> una resistencia están en fase (es <strong>de</strong>cir, su diferencia<br />
<strong>de</strong> fases es nula).<br />
• La tensión en una bobina tiene una fase π / 2 mayor que la corriente que la atraviesa, es<br />
<strong>de</strong>cir, la tensión está a<strong>de</strong>lantada respecto <strong>de</strong> la corriente.<br />
• La tensión en un con<strong>de</strong>nsador tiene una fase π / 2 menor que la corriente que lo<br />
atraviesa, es <strong>de</strong>cir, la tensión está retrasada respecto <strong>de</strong> la corriente.<br />
En el caso <strong>de</strong> una impedancia genérica, con parte re<strong>al</strong> e imaginaria, el argumento <strong>de</strong> la<br />
impedancia indicaría el <strong>de</strong>sfase entre tensión y corriente. Observe que <strong>al</strong> no consi<strong>de</strong>rar la<br />
posibilidad <strong>de</strong> partes re<strong>al</strong>es negativas, este <strong>de</strong>sfase ha <strong>de</strong> mantenerse siempre en el interv<strong>al</strong>o<br />
− π /2, π /2 .<br />
[ ]<br />
15
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
ASOCIACIÓN DE IMPEDANCIAS<br />
Aplicando los mismos procedimientos vistos en el Tema 1 sobre Equiv<strong>al</strong>encia y Asociación, a<br />
las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff expresadas con fasores y <strong>al</strong> concepto <strong>de</strong> impedancia como expresión<br />
gener<strong>al</strong>izada <strong>de</strong> la característica I-V <strong>de</strong> un dispositivo en este dominio, es posible <strong>de</strong>finir el<br />
concepto <strong>de</strong> impedancia equiv<strong>al</strong>ente. Así, para el caso <strong>de</strong> N impedancias (es <strong>de</strong>cir, dispositivos<br />
an<strong>al</strong>izados en RPS) conectadas en serie:<br />
N<br />
Z = Z =∑ Z<br />
(2. 48)<br />
eq s i<br />
i=<br />
1<br />
Y para el <strong>de</strong> N impedancias conectadas en par<strong>al</strong>elo:<br />
N<br />
1 1 1<br />
= =∑ (2. 49)<br />
Z Z Z<br />
eq p i=<br />
1 i<br />
o bien, en función <strong>de</strong> las admitancias Y<br />
i<br />
1<br />
= :<br />
Z<br />
i<br />
N<br />
Y = Y =∑ Y<br />
(2. 50)<br />
eq p i<br />
i=<br />
1<br />
Obsérvese, en primer lugar, que el concepto <strong>de</strong> impedancia permite asociar dispositivos <strong>de</strong><br />
distinta natur<strong>al</strong>eza (resistencias, bobinas o con<strong>de</strong>nsadores); <strong>de</strong> ahí la posibilidad <strong>de</strong> obtener<br />
impedancias que no son re<strong>al</strong>es (resistencias) ni imaginarias (bobinas o con<strong>de</strong>nsadores). En segundo<br />
lugar, el cálculo <strong>de</strong> impedancias equiv<strong>al</strong>entes involucra operaciones con números complejos,<br />
operaciones que en muchos casos resulta ventajoso representar e incluso llevar a cabo gráficamente<br />
en un plano complejo (diagrama <strong>de</strong> impedancias), según muestra la Fig. 2.13.<br />
Im[z]<br />
Z L -Z C<br />
O<br />
Z L<br />
Z C<br />
Z R<br />
Z EQ<br />
β<br />
Re[z]<br />
Fig. 2.13: Impedancia equiv<strong>al</strong>ente <strong>de</strong> un circuito serie RLC con<br />
carácter inductivo.<br />
16
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
2.5 <strong>Análisis</strong> <strong>de</strong> circuitos RLC en RPS<br />
Según lo expuesto hasta ahora, la representación <strong>de</strong> señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es a través <strong>de</strong> fasores<br />
permite trasladar el problema <strong>de</strong>l análisis <strong>de</strong> un circuito <strong>al</strong> dominio fasori<strong>al</strong>: se plantea el problema<br />
en este dominio aplicando las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff sobre fasores, utilizando el concepto <strong>de</strong><br />
impedancia como característica I-V; se resuelve el sistema <strong>de</strong> ecuaciones <strong>de</strong> números complejos; y<br />
se interpretan los fasores resultantes como las sinusoi<strong>de</strong>s a que representan.<br />
El análisis fasori<strong>al</strong> es una herramienta que permite abordar <strong>de</strong> un modo sencillo el problema <strong>de</strong><br />
análisis <strong>de</strong> circuitos en RPS, trasladándolo <strong>de</strong>l dominio tempor<strong>al</strong> <strong>al</strong> <strong>de</strong> los fasores. Es fundament<strong>al</strong>,<br />
por lo tanto, no mezclar en ningún caso elementos <strong>de</strong> ambos dominios. En este sentido, se ha hecho<br />
especi<strong>al</strong> hincapié en adoptar una notación (ampliamente extendida) que en RPS ayu<strong>de</strong> a<br />
distinguirlos: representaremos con letras minúsculas todos los datos <strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong>l tiempo y con<br />
letras mayúsculas los fasores.<br />
A modo <strong>de</strong> resumen y compendio <strong>de</strong> los procedimientos explicados, así como <strong>de</strong> su relación<br />
con las técnicas gener<strong>al</strong>es <strong>de</strong> análisis <strong>de</strong> circuitos vistas en el Tema 1, los siguientes puntos indican<br />
el procedimiento a seguir para an<strong>al</strong>izar un circuito en RPS:<br />
a) Expresar todos los generadores sinusoid<strong>al</strong>es con la misma forma (‘seno’ o ‘coseno’), para<br />
lo cu<strong>al</strong> <strong>de</strong>berá hacerse uso <strong>de</strong> la equiv<strong>al</strong>encia (2. 8). Esto garantiza que las operaciones con<br />
sinusoi<strong>de</strong>s puedan efectuarse operando sólo con sus fasores.<br />
b) Representar todas las señ<strong>al</strong>es sinusoid<strong>al</strong>es <strong>de</strong> tensión y corriente (tanto los datos como las<br />
incógnitas) mediante sus respectivos fasores, y representar todos los dispositivos pasivos<br />
(resistencias, bobinas y con<strong>de</strong>nsadores) mediante sus correspondientes impedancias. Con<br />
ello tendremos el circuito expresado en el dominio fasori<strong>al</strong> o complejo.<br />
c) Aplicar las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff sobre los fasores <strong>de</strong> tensión y corriente y las características<br />
I-V <strong>de</strong> los dispositivos para plantear las ecuaciones que permitan obtener las incógnitas<br />
buscadas (fasores <strong>de</strong> corriente, fasores <strong>de</strong> tensión o impedancias). Resolver las ecuaciones<br />
complejas.<br />
d) Una vez obtenidos los resultados, si son fasores <strong>de</strong> tensión o <strong>de</strong> corriente obtener la señ<strong>al</strong><br />
<strong>de</strong> corriente o tensión que representan, es <strong>de</strong>cir, una sinusoi<strong>de</strong> <strong>de</strong> igu<strong>al</strong> forma (‘seno’ o<br />
‘coseno’) que la adoptada en el apartado primero y cuya amplitud máxima y fase inici<strong>al</strong> se<br />
correspon<strong>de</strong> con el módulo y argumento <strong>de</strong>l fasor que la representa. Si los resultados son<br />
impedancias, obtener los v<strong>al</strong>ores <strong>de</strong> los dispositivos a que correspon<strong>de</strong>n (la parte re<strong>al</strong><br />
correspon<strong>de</strong>rá directamente a resistencias y la imaginaria a bobinas o con<strong>de</strong>nsadores cuyos<br />
parámetros L y C <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>rán <strong>de</strong> la pulsación <strong>de</strong> trabajo).<br />
17
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
2.6 Potencia en RPS<br />
2.6.1 Potencia instantánea<br />
Como se presentó en el Tema 1, la potencia puesta en juego por un dispositivo <strong>de</strong> un circuito en<br />
cu<strong>al</strong>quier instante se obtiene como el producto <strong>de</strong> la tensión por la corriente en dicho instante; si<br />
<strong>al</strong>guna <strong>de</strong> estas dos magnitu<strong>de</strong>s es variable con el tiempo la potencia también lo será.<br />
En RPS la tensión y la corriente vienen dadas en gener<strong>al</strong> por expresiones <strong>de</strong>l tipo:<br />
vt () = V0<br />
cos( ωt+<br />
ϕv<br />
)<br />
(2. 51)<br />
it () = I cos( ωt+<br />
ϕ )<br />
0<br />
i<br />
Si establecemos como origen <strong>de</strong> tiempos un instante en el que la corriente sea máxima, las<br />
expresiones anteriores pue<strong>de</strong>n rescribirse, sin per<strong>de</strong>r gener<strong>al</strong>idad, como:<br />
vt () = V0<br />
cos( ωt+ ϕv<br />
−ϕi)<br />
(2. 52)<br />
it () = I cos( ωt)<br />
0<br />
La potencia en cada instante o potencia instantánea vendrá dada por la expresión:<br />
pt () = vt () ⋅ it () = VI cos( ωt+ ϕ − ϕ )cos( ωt)<br />
(2. 53)<br />
0 0<br />
v<br />
i<br />
POTENCIA ACTIVA Y POTENCIA REACTIVA. FACTOR DE POTENCIA.<br />
Habitu<strong>al</strong>mente el conocimiento <strong>de</strong> la potencia instantánea no resulta <strong>de</strong> especi<strong>al</strong> interés para el<br />
análisis <strong>de</strong> un circuito o inst<strong>al</strong>ación. En la práctica se utilizan otros parámetros directamente<br />
relacionados con ella, que permiten ev<strong>al</strong>uar directamente aspectos como la eficiencia <strong>de</strong> conversión<br />
energética o la potencia media.<br />
En este sentido, <strong>de</strong>sarrollando el producto <strong>de</strong> cosenos <strong>de</strong> la expresión anterior obtenemos:<br />
1 1<br />
pt () = VI<br />
0 0cos( ϕv − ϕi) + VI<br />
0 0cos(2 ωt+ ϕv − ϕi)<br />
(2. 54)<br />
2 2<br />
, expresión cuyo primer término es constante y cuyo segundo término varía con el tiempo con<br />
una pulsación doble que la <strong>de</strong> las señ<strong>al</strong>es <strong>de</strong> tensión y corriente. Si ahora <strong>de</strong>scomponemos el<br />
segundo término <strong>de</strong>sarrollando el coseno <strong>de</strong> la suma <strong>de</strong> dos ángulos, obtenemos la expresión:<br />
1 1 1<br />
pt ( ) = VI<br />
0 0cos( ϕv − ϕi) + VI<br />
0 0cos( ϕv −ϕi)cos(2 ωt) − VI<br />
0 0sen( ϕv − ϕi)sen(2 ωt)<br />
(2. 55)<br />
2 2 2<br />
En esta expresión es posible i<strong>de</strong>ntificar dos parámetros que, aparte <strong>de</strong> la pulsación, caracterizan<br />
íntegramente la potencia:<br />
1<br />
⎫<br />
P<br />
⎬<br />
1<br />
Q =− V0I0sen( ϕv<br />
−ϕi)<br />
⎪<br />
2<br />
⎪⎭<br />
= V0I0cos( ϕv<br />
−ϕi)<br />
2<br />
⎪ ⇒ = + +<br />
pt ( ) P Pcos(2 ωt) Qsen(2 ωt)<br />
La interpretación <strong>de</strong> estas magnitu<strong>de</strong>s es la siguiente:<br />
(2. 56)<br />
• Al parámetro P se le <strong>de</strong>nomina potencia media, potencia activa o potencia re<strong>al</strong>.<br />
Teniendo en cuenta que las sinusoi<strong>de</strong>s tienen v<strong>al</strong>or medio nulo, es evi<strong>de</strong>nte que P es el<br />
v<strong>al</strong>or medio <strong>de</strong> la potencia instantánea. Sus otros apelativos se refieren <strong>al</strong> hecho <strong>de</strong> que<br />
representa el v<strong>al</strong>or máximo o <strong>de</strong> pico <strong>de</strong> la parte <strong>de</strong> la potencia eléctrica transformada en<br />
energía no eléctrica (c<strong>al</strong>or, trabajo, etc.), habitu<strong>al</strong>mente asociada a energía aprovechable.<br />
18
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
• Al parámetro Q se le <strong>de</strong>nomina potencia reactiva 3 . Su v<strong>al</strong>or absoluto 4 representa el v<strong>al</strong>or<br />
máximo o <strong>de</strong> pico <strong>de</strong> la parte <strong>de</strong> la potencia eléctrica que no se transforma en energía no<br />
eléctrica, sino que únicamente se intercambia entre los dispositivos capaces <strong>de</strong> <strong>al</strong>macenar<br />
energía (bobinas y con<strong>de</strong>nsadores) y las fuentes. Representa energía no aprovechable que<br />
sin embargo provoca pérdidas por efecto Joule en los conductores (no i<strong>de</strong><strong>al</strong>es) <strong>de</strong> un<br />
circuito o inst<strong>al</strong>ación.<br />
• Al término cos( ϕv<br />
− ϕi<br />
) se le <strong>de</strong>nomina factor <strong>de</strong> potencia y ofrece una medida <strong>de</strong>l grado<br />
<strong>de</strong> aprovechamiento <strong>de</strong> energía eléctrica obtenido <strong>de</strong> una tensión y una corriente dadas, es<br />
<strong>de</strong>cir, la proporción <strong>de</strong> P y Q que caracteriza la potencia que ponen en juego (motivo por<br />
el que en una inst<strong>al</strong>ación eléctrica se buscan factores <strong>de</strong> potencia cercanos a la unidad, es<br />
<strong>de</strong>cir, <strong>de</strong>sfases mínimos entre tensión y corriente).<br />
De cara a los objetivos <strong>de</strong> análisis <strong>de</strong> circuitos eléctricos con aplicaciones en proceso <strong>de</strong> señ<strong>al</strong> la<br />
potencia media es la única componente <strong>de</strong> la potencia en RPS que resulta <strong>de</strong> utilidad, por lo que <strong>de</strong><br />
ahora en a<strong>de</strong>lante nos centraremos en ella. El Apéndice B amplía y gener<strong>al</strong>iza el análisis <strong>de</strong><br />
potencias presentando conceptos como el <strong>de</strong> potencia compleja y potencia aparente, <strong>de</strong> especi<strong>al</strong><br />
relevancia en el diseño <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>s inst<strong>al</strong>aciones eléctricas.<br />
2.6.2 Potencia media puesta en juego por los dispositivos circuit<strong>al</strong>es<br />
Sea un dispositivo circuit<strong>al</strong> sometido a una diferencia <strong>de</strong> potenci<strong>al</strong> representada por el fasor<br />
jϕV<br />
jϕI<br />
V = | V | e = a+ jb y atravesado por una corriente I = | I | e = c+ jd , ambos tomados en el<br />
sentido positivo <strong>de</strong>l criterio <strong>de</strong> signos <strong>de</strong>l dispositivo (ver Fig. 2.14) . Según se ha visto, la potencia<br />
media puesta en juego por el dispositivo vendrá dada por la expresión:<br />
1<br />
P = | V || I |cos( ϕV<br />
− ϕI<br />
)<br />
(2. 57)<br />
2<br />
v ( t ) ><br />
0<br />
v ( t ) ><br />
0<br />
i( t ) ><br />
0<br />
i( t ) ><br />
0<br />
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 2.14: Criterio <strong>de</strong> signos para los dispositivos pasivos (a) y<br />
activos (b)<br />
Teniendo en cuenta que los fasores <strong>de</strong> tensión y corriente pue<strong>de</strong>n interpretarse como vectores en<br />
el plano complejo, la expresión <strong>de</strong> potencia es proporcion<strong>al</strong> <strong>al</strong> producto esc<strong>al</strong>ar <strong>de</strong> dichos vectores.<br />
Por lo tanto, también es posible obtenerla directamente a partir <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> los fasores en<br />
forma canónica:<br />
3 Aunque la potencia reactiva tiene las mismas dimensiones que la potencia media (vatios), para evitar<br />
que se confundan y <strong>de</strong>jar claro que no son directamente aditivas (sólo se <strong>de</strong>ben sumar por medio <strong>de</strong> la<br />
fórmula <strong>de</strong> potencia instantánea) se <strong>de</strong>fine una nueva unidad para la potencia reactiva: el voltio-amperio<br />
reactivo (VAR).<br />
4 Al tomar la corriente como referencia en los cálculos <strong>de</strong> potencia el signo <strong>de</strong> la potencia reactiva será<br />
positivo para las bobinas y negativo para los con<strong>de</strong>nsadores. Este signo se interpreta habitu<strong>al</strong>mente diciendo<br />
que las bobinas absorben VARS magnetizantes y que los con<strong>de</strong>nsadores liberan VARS magnetizantes.<br />
19
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
1 1<br />
P = V o I = ( ac+<br />
bd)<br />
(2. 58)<br />
2 2<br />
Ambas expresiones <strong>de</strong> potencia son aplicables a cu<strong>al</strong>quier dispositivo circuit<strong>al</strong>. En el caso <strong>de</strong> los<br />
generadores, este es el modo más directo <strong>de</strong> obtener la potencia que ponen en juego. Sin embargo,<br />
en el caso <strong>de</strong> las impedancias es posible obtener, a partir <strong>de</strong> su característica I-V expresiones más<br />
prácticas.<br />
POTENCIA EN UNA IMPEDANCIA GENÉRICA<br />
j z<br />
Sea una impedancia Z = a+ jb= | Z | e ϕ . Según se ha visto en el apartado 2.4.2, el módulo y<br />
argumento <strong>de</strong> la impedancia relaciona los módulos y argumentos <strong>de</strong> la tensión y corriente. Ello<br />
permite obtener diversas expresiones adicion<strong>al</strong>es para el cálculo <strong>de</strong> la potencia:<br />
⎧1 2 1 2<br />
| I | | Z |cos ϕ<br />
[ ]<br />
Z<br />
= | I | Re Z<br />
| V | = | Z || I | ⎫ 1 ⎪2 2<br />
⎬⇒ P = | V || I |cos ( ϕV<br />
− ϕI)<br />
= ⎨<br />
2 2<br />
ϕZ = ϕV −ϕI⎭ 2<br />
⎪ 1| V | 1| V |<br />
cosϕ<br />
Re[ ]<br />
Z<br />
= Z<br />
2<br />
⎪⎩ 2| Z | 2| Z |<br />
(2. 59)<br />
POTENCIA EN RESISTENCIAS, BOBINAS Y CONDENSADORES<br />
Particularizando las expresiones genéricas <strong>de</strong> potencia en una impedancia <strong>al</strong> caso <strong>de</strong><br />
resistencias, bobinas y con<strong>de</strong>nsadores es posible profundizar en el comportamiento <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong><br />
dispositivos en RPS.<br />
En el caso <strong>de</strong> una resistencia, = R :<br />
ZR<br />
⎧1 |<br />
2<br />
I | R<br />
| V | = R| I | ⎫ 1 ⎪2<br />
⎬⇒ P = | V || I |cos( ϕV<br />
− ϕI)<br />
= ⎨ 2<br />
ϕZ<br />
= 0 ⎭ 2 ⎪ 1| V |<br />
⎪ ⎩ 2 R<br />
(2. 60)<br />
j π<br />
2<br />
En el caso <strong>de</strong> una bobina, Z = ωLe<br />
:<br />
L<br />
| V | = ωL| I | ⎫ 1<br />
⎬ ⇒ P = | V || I |cos ( ϕ − V<br />
ϕI)<br />
= 0<br />
ϕZ<br />
= π 2 ⎭ 2<br />
(2. 61)<br />
π<br />
1 − j<br />
2<br />
En el caso <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador, ZC<br />
= e :<br />
ωC<br />
| V | = | I | ωC<br />
⎫ 1<br />
⎬ ⇒ P = | V || I |cos ( ϕ − V<br />
ϕI)<br />
= 0<br />
(2. 62)<br />
ϕZ<br />
=−π<br />
2 ⎭ 2<br />
Como conclusión, en RPS la potencia media que ponen en juego los dispositivos inductivos y<br />
capacitivos es nula. Por lo tanto, la potencia media se absorbe o disipa exclusivamente en las partes<br />
resistivas <strong>de</strong> las impedancias.<br />
POTENCIA INSTANTÁNEA EN DISPOSITIVOS PASIVOS<br />
Resulta especi<strong>al</strong>mente interesante observar la potencia instantánea en resistencias, bobinas y<br />
con<strong>de</strong>nsadores, para así profundizar en el comportamiento <strong>de</strong> estos dispositivos e interpretar<br />
a<strong>de</strong>cuadamente las conclusiones obtenidas en el apartado anterior.<br />
La Fig. 2.15 muestra la relación existente entre la tensión, la corriente y la potencia instantánea<br />
que tienen lugar en una resistencia. Nótese que la potencia es siempre positiva, lo cu<strong>al</strong> indica que<br />
en todo momento se está <strong>de</strong>sarrollando una transformación <strong>de</strong> energía eléctrica en energía no<br />
eléctrica, que en este caso se disipa por efecto Joule en forma <strong>de</strong> c<strong>al</strong>or. Adicion<strong>al</strong>mente, es<br />
inmediato observar que la potencia varía sinusoid<strong>al</strong>mente, con pulsación doble y con v<strong>al</strong>or medio<br />
P .<br />
20
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
p(t)<br />
v(t)<br />
i(t)<br />
p<br />
v<br />
i<br />
t<br />
Fig. 2.15: Tensión, corriente y potencia en una resistencia en RPS.<br />
En la Fig. 2.16 se muestra la relación existente entre la tensión, la corriente y la potencia<br />
instantánea en un con<strong>de</strong>nsador que trabaja en RPS. Es inmediato observar, como ya se ha<br />
<strong>de</strong>mostrado, que la potencia media es nula. Adicion<strong>al</strong>mente, este dispositivo absorbe potencia <strong>de</strong>l<br />
circuito (en los semiciclos en que ésta es positiva) y la <strong>al</strong>macena en forma <strong>de</strong> energía eléctrica;<br />
pero, también entrega potencia <strong>al</strong> circuito (en los semiciclos en que esta es negativa), la que ha<br />
<strong>al</strong>macenado en el semiciclo anterior. Esta potencia que pone en juego el con<strong>de</strong>nsador es potencia<br />
reactiva, según pue<strong>de</strong> verificarse aplicando la expresiones vistas <strong>al</strong> principio <strong>de</strong> este apartado.<br />
p(t)<br />
v(t)<br />
i(t)<br />
i<br />
p<br />
v<br />
t<br />
Fig. 2.16: Tensión, corriente y potencia <strong>de</strong>sarrollados en un<br />
con<strong>de</strong>nsador en RPS.<br />
La situación en una bobina (ver Fig. 2.17) es similar a la que se da en el con<strong>de</strong>nsador. La<br />
princip<strong>al</strong> diferencia es que en este caso la potencia que absorbe el dispositivo se <strong>al</strong>macena en forma<br />
<strong>de</strong> energía magnética. En ambos casos la potencia que ponen en juego no se transforma en una<br />
energía aprovechable.<br />
21
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
p(t)<br />
v(t)<br />
i(t)<br />
v<br />
p<br />
i<br />
t<br />
Fig. 2.17: Tensión, corriente y potencia <strong>de</strong>sarrollados en una<br />
bobina en RPS<br />
22
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
Apéndice A: Números complejos<br />
A.1 Historia y <strong>de</strong>finiciones<br />
Los matemáticos han venido utilizando números complejos mucho antes <strong>de</strong> que se <strong>de</strong>finieran<br />
con propiedad. Por lo tanto, no es fácil <strong>de</strong>terminar su origen con exactitud.<br />
Una <strong>de</strong> las primeras referencias a los números complejos data <strong>de</strong> 1545, cuando Cardan re<strong>al</strong>izaba<br />
investigaciones sobre las raíces <strong>de</strong> los polinomios. En efecto, se vio cómo ecuaciones <strong>de</strong>l tipo<br />
2<br />
x + 16 = 7 no tenían solución en la re<strong>al</strong>idad, pero sí numéricamente si se aceptaba la existencia <strong>de</strong><br />
un número ficticio que por entonces se expresó como − 1 . Esta expresión se utilizaba para<br />
estudiar el comportamiento <strong>de</strong> las raíces <strong>de</strong> un polinomio (número, or<strong>de</strong>n, simetría, etc.), y así<br />
caracterizarlos, a pesar <strong>de</strong> que dichas raíces a veces no existieran en el dominio re<strong>al</strong>. − 1 era más<br />
bien un elemento notacion<strong>al</strong> que una entidad matemática como t<strong>al</strong> y este hecho daba lugar a una<br />
serie <strong>de</strong> problemas (f<strong>al</strong>acias matemáticas).<br />
Más tar<strong>de</strong>, en 1777, Leonhard Euler resolvió parte <strong>de</strong> estos problemas con la introducción <strong>de</strong> la<br />
notación i y –i para la raíz cuadrada positiva y negativa <strong>de</strong> –1 respectivamente. Con él se originó la<br />
notación o forma canónica según la cu<strong>al</strong> un número complejo, z, se pue<strong>de</strong> expresar como una<br />
pareja <strong>de</strong> números re<strong>al</strong>es:<br />
z = a + bi<br />
,don<strong>de</strong> a se <strong>de</strong>nomina parte re<strong>al</strong> <strong>de</strong>l número complejo z, y b se <strong>de</strong>nomina parte imaginaria <strong>de</strong>l<br />
número complejo z. An<strong>al</strong>íticamente:<br />
a = Re[z] , b = Im[Z]<br />
A<strong>de</strong>más, Euler comenzó a estudiar la extensión <strong>de</strong> funciones como las exponenci<strong>al</strong>es cuando su<br />
exponente es un número complejo. En cu<strong>al</strong>quier caso, los números complejos i y –i se<br />
<strong>de</strong>nominaron imaginarios <strong>de</strong>bido a que su existencia aún no se comprendía con claridad.<br />
Wessel en 1797 y Gauss en 1799 introdujeron la interpretación geométrica <strong>de</strong> los números<br />
complejos como puntos <strong>de</strong> un plano con dos ejes re<strong>al</strong>es × , <strong>al</strong>go que los hacía más<br />
comprensibles. Esta forma <strong>de</strong> representar un número complejo, <strong>de</strong>nominada forma cartesiana o<br />
binómica, asume que cada número complejo, z=a+bi ,pue<strong>de</strong> representarse en el plano × por<br />
un punto o afijo A z <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas (a,b), <strong>de</strong> modo que el eje horizont<strong>al</strong> representa la parte re<strong>al</strong>, y el<br />
vertic<strong>al</strong> la parte imaginaria (ver Fig. 2.A.1).<br />
Im[z]<br />
b<br />
|z|<br />
A z<br />
(a,b)<br />
O<br />
ϕ z<br />
a<br />
Re[z]<br />
Fig. 2.A.1: Interpretación geométrica <strong>de</strong> los números complejos<br />
A partir <strong>de</strong> esta representación gráfica es posible introducir dos nuevas formas <strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntificar un<br />
número complejo. Sea un vector OA que une el origen <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas O con el afijo <strong>de</strong> un<br />
z<br />
23
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
número complejo A z , <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas (a,b). El punto A z , y por lo tanto el número complejo z,<br />
pue<strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntificarse a través <strong>de</strong>l módulo y argumento <strong>de</strong> dicho vector, <strong>de</strong> modo que:<br />
2<br />
z = a + b<br />
2<br />
b<br />
arg( z)<br />
= ϕ z = arctg (ojo con esta operación <strong>al</strong> usar c<strong>al</strong>culadoras)<br />
a<br />
A partir <strong>de</strong> estas magnitu<strong>de</strong>s, un número complejo se pue<strong>de</strong> expresar en forma móduloargumento<br />
mediante la notación:<br />
z = Z<br />
ϕ<br />
z<br />
De un modo similar, a partir <strong>de</strong> las funciones trigonométricas que relacionan el módulo <strong>de</strong>l<br />
vector OAz<br />
y el ángulo que forma con el eje re<strong>al</strong>, es posible expresar un número complejo en forma<br />
trigonométrica:<br />
a = z cosϕ<br />
z<br />
b =<br />
z sinϕ<br />
z<br />
Por lo tanto:<br />
z =<br />
Z<br />
cosϕ<br />
z<br />
+ i ⋅ Z sin ϕ<br />
z<br />
ϕ<br />
Por último, aplicando la relación <strong>de</strong> Euler, según la cu<strong>al</strong> e i = cos ϕ + i ⋅ senϕ<br />
, sobre la notación<br />
trigonométrica <strong>de</strong> un número complejo, se pue<strong>de</strong> expresar éste en forma exponenci<strong>al</strong>:<br />
z =<br />
Z e<br />
iϕ<br />
z<br />
De cara <strong>al</strong> análisis <strong>de</strong> circuitos, las formas más utilizadas son la canónica y la exponenci<strong>al</strong>. Por<br />
ello, resulta especi<strong>al</strong>mente importante saber <strong>al</strong>ternar <strong>de</strong> una a otra forma con soltura. En este<br />
sentido, hay conversiones básicas que el <strong>al</strong>umno <strong>de</strong>be reconocer y aplicar <strong>de</strong> forma inmediata (ver<br />
Fig. 2.A.2):<br />
e i0 = 1, e i π 2<br />
= i , iπ −<br />
e = −1, e i π 2<br />
= −i<br />
π 4<br />
2e i = 1+ i<br />
( ), e i 3π 4<br />
2 = ( −1+ i)<br />
, e i 5π 4<br />
−<br />
2 = ( −1− i)<br />
, e i π 4<br />
2 = ( 1− i)<br />
2 , etc.<br />
Im[z]<br />
2 e i3π/4<br />
(-1+i)<br />
i<br />
e iπ/2<br />
2 e iπ/4<br />
(1+i)<br />
e iπ<br />
-1<br />
O<br />
e i0<br />
1<br />
Re[z]<br />
(-1-i)<br />
(1-i)<br />
2 ei5π/4 -i e -iπ/2 2 e-iπ/4<br />
Fig. 2.A.2: Ejemplos <strong>de</strong> números complejos básicos en forma<br />
binómica y exponenci<strong>al</strong><br />
24
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
A.2 Operaciones<br />
Hasta este punto se han expuesto diversas formas <strong>de</strong> representar los números complejos, pero no<br />
lo que se pue<strong>de</strong> hacer con ellos. Hamilton, en 1833, <strong>de</strong>finió una serie <strong>de</strong> operaciones que dotaban a<br />
los números complejos <strong>de</strong> la entidad matemática <strong>de</strong> cuerpo conmutativo:<br />
• La adición, con propieda<strong>de</strong>s asociativa, conmutativa, y elemento neutro, el 0+0i.<br />
• El producto, con propieda<strong>de</strong>s asociativa, conmutativa, y elemento neutro, el 1+0i.<br />
• La propiedad distributiva <strong>de</strong> la suma con respecto <strong>al</strong> producto.<br />
En este nuevo ámbito, la unidad imaginaria i<strong>de</strong>ntificada por Euler no es más que uno <strong>de</strong> los<br />
elementos <strong>de</strong> este nuevo cuerpo: el elemento 0+1i. A partir <strong>de</strong> este momento se pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rar<br />
que comenzó la formulación mo<strong>de</strong>rna <strong>de</strong> los números complejos. Sin embargo, el empleo <strong>de</strong> los<br />
números complejos en la ingeniería eléctrica lo introdujo en 1894 Charles Steinmetz. Dado que en<br />
este área <strong>de</strong>l conocimiento la letra i está reservada para la intensidad <strong>de</strong> corriente, a la unidad<br />
imaginaria en este ámbito se la <strong>de</strong>signa j.<br />
En el análisis <strong>de</strong> circuitos vamos a trabajar habitu<strong>al</strong>mente con números complejos expresados en<br />
forma exponenci<strong>al</strong>; por ello, se hará especi<strong>al</strong> hincapié en re<strong>al</strong>izar todas las operaciones a partir <strong>de</strong><br />
elementos expresados <strong>de</strong> dicha forma.<br />
SUMA<br />
Para sumar o restar números complejos es conveniente que estén expresados en forma canónica.<br />
Dados dos números complejos, expresados en forma canónica, la suma <strong>de</strong> ambos se c<strong>al</strong>cula<br />
sumando respectivamente y por separado partes re<strong>al</strong>es e imaginarias:<br />
z +<br />
1 = a1<br />
jb1<br />
z +<br />
2 = a2<br />
jb2<br />
z = z1 + z2<br />
= ( a1<br />
+ a2<br />
) + j(<br />
b1<br />
+ b2<br />
)<br />
Esta operación da una i<strong>de</strong>a <strong>de</strong>l significado geométrico <strong>de</strong> la suma <strong>de</strong> números complejos: sumar<br />
un número complejo a otro significa trasladar este último en el plano complejo (ver Fig. 2.A.3).<br />
Im[z]<br />
b 1 + b 2 z +<br />
z 1<br />
z 2<br />
b 1<br />
b 2<br />
a 2<br />
1 z 2<br />
b 2<br />
a +<br />
a 1<br />
a 2<br />
1 a 2<br />
Re[z]<br />
Fig. 2.A.3: Interpretación geométrica <strong>de</strong> la suma <strong>de</strong> números<br />
complejos<br />
Si los números complejos hubieran venido expresados en forma exponenci<strong>al</strong>, antes <strong>de</strong> re<strong>al</strong>izar la<br />
suma es conveniente expresarlos en forma canónica a través <strong>de</strong> la forma trigonométrica.<br />
25
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
PRODUCTO<br />
Dados dos números complejos expresados en forma canónica, el producto <strong>de</strong> ambos es el<br />
resultado <strong>de</strong> multiplicar los dos binomios:<br />
z = z1 ⋅ z2<br />
= ( a1<br />
+ jb1<br />
)( a2<br />
+ jb2<br />
) = ( a1a2<br />
− b1b<br />
2 ) + j(<br />
a1b2<br />
+ b1a<br />
2 )<br />
Esta operación no ofrece una i<strong>de</strong>a clara <strong>de</strong>l significado geométrico <strong>de</strong>l producto. Si los números<br />
complejos vienen dados en forma exponenci<strong>al</strong>, su producto será un número complejo cuyo módulo<br />
es el producto <strong>de</strong> los módulos <strong>de</strong> los factores y su argumento la suma <strong>de</strong> argumentos <strong>de</strong> los<br />
factores:<br />
z<br />
1<br />
=<br />
z<br />
1<br />
e<br />
jϕz1<br />
z<br />
2<br />
=<br />
z<br />
2<br />
e<br />
jϕz<br />
2<br />
z = z ⋅ z<br />
1<br />
2<br />
=<br />
z<br />
1<br />
z<br />
2<br />
j(<br />
ϕ z1+ϕ<br />
z 2 )<br />
e<br />
El significado geométrico queda en este caso mucho más claro: multiplicar un número<br />
complejo por otro supone un esc<strong>al</strong>ado y un giro (ver Fig. 2.A.4 izda.), en sentido antihorario si el<br />
segundo tiene fase positiva. Un caso particular <strong>de</strong>l producto <strong>de</strong> dos números complejos es el giro.<br />
Efectivamente, el resultado <strong>de</strong> multiplicar un número complejo por otro <strong>de</strong> módulo unidad y un<br />
<strong>de</strong>terminado argumento, supone girar el primero un ángulo igu<strong>al</strong> <strong>al</strong> argumento <strong>de</strong>l segundo (ver<br />
Fig. 2.A.4 dcha.).<br />
DIVISIÓN:<br />
La división <strong>de</strong> dos números complejos es el resultado <strong>de</strong> multiplicar uno por el inverso <strong>de</strong>l otro.<br />
Si un número complejo viene expresado en forma exponenci<strong>al</strong>, el cálculo <strong>de</strong> su inverso es<br />
inmediato:<br />
1 1<br />
z2 = z2<br />
e ⇒ = e<br />
z z<br />
jϕz<br />
2 − jϕ<br />
z 2<br />
2 2<br />
La división <strong>de</strong> dos números complejos se c<strong>al</strong>cularía entonces:<br />
z<br />
1<br />
=<br />
z<br />
1<br />
e<br />
jϕz1<br />
z<br />
z =<br />
z<br />
z<br />
1 1 j(<br />
ϕz1−ϕ<br />
z 2 )<br />
= e<br />
2 z2<br />
Sin embargo, si un número complejo está expresado en forma canónica, para obtener su inverso<br />
hay que racion<strong>al</strong>izarlo (es <strong>de</strong>cir, evitar que el <strong>de</strong>nominador sea complejo), multiplicándolo y<br />
dividiéndolo por su conjugado * :<br />
z<br />
z =<br />
z<br />
1 ( a1<br />
+ jb1<br />
) ( a1<br />
+ jb1<br />
) ( a2<br />
− jb2<br />
) ( a1a2<br />
+ b1b2<br />
) + j(<br />
b1a<br />
2 − a1b2<br />
)<br />
= =<br />
=<br />
2 2<br />
2 ( a2<br />
+ jb2<br />
) ( a2<br />
+ jb2<br />
) ( a2<br />
− jb2<br />
)<br />
a2<br />
+ b2<br />
Análogamente <strong>al</strong> caso <strong>de</strong>l producto, esta operación no ofrece una i<strong>de</strong>a clara <strong>de</strong>l significado<br />
geométrico <strong>de</strong> la operación. Si los números complejos vienen dados en forma exponenci<strong>al</strong>, su<br />
división será un número complejo cuyo módulo es la división <strong>de</strong> los módulos <strong>de</strong> los factores y su<br />
argumento la resta <strong>de</strong> argumentos <strong>de</strong> los factores:<br />
* El conjugado <strong>de</strong> un número complejo es otro número complejo con igu<strong>al</strong> parte re<strong>al</strong> pero con la parte<br />
imaginaria cambiada <strong>de</strong> signo.<br />
26
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
z = z e ⎫⎪ z z<br />
⇒ = =<br />
z = z e ⎪⎭ z z<br />
jϕ<br />
z1<br />
1 1 1 1 j( ϕz1−ϕz2)<br />
z e<br />
jϕ<br />
⎬<br />
z 2<br />
2 2 2 2<br />
El significado geométrico resulta hora mucho más claro: la división <strong>de</strong> un número complejo por<br />
otro supone un esc<strong>al</strong>ado y un giro, en sentido horario si éste último tiene fase positiva.<br />
Im[z]<br />
1<br />
. z 1 z 2<br />
Im[z]<br />
|z | |z |<br />
z 1 z 2<br />
1 2<br />
z 2 |z<br />
ϕ<br />
z 1 |<br />
z1 +ϕ 2<br />
z2<br />
ϕz2<br />
Re[z]<br />
1<br />
.<br />
Re[z]<br />
z 1<br />
z 1<br />
Fig. 2.A.4: Interpretación geométrica <strong>de</strong>l producto <strong>de</strong> números<br />
complejos (izda). Caso particular en que se multiplica por un<br />
número complejo <strong>de</strong> módulo unidad (dcha). En ambos casos se<br />
representa la circunferencia <strong>de</strong> radio unidad.<br />
SISTEMAS DE ECUACIONES<br />
Los números complejos se utilizan en la resolución <strong>de</strong> circuitos como herramienta para an<strong>al</strong>izar<br />
el régimen permanente sinusoid<strong>al</strong> (RPS). En este ámbito, aparte <strong>de</strong> operaciones básicas como las<br />
expuestas hasta el momento, en las que uno <strong>de</strong>be seleccionar la forma en que resulta más<br />
conveniente operar, suele ser necesario resolver sistemas <strong>de</strong> ecuaciones <strong>de</strong> variables y coeficientes<br />
complejos. Ello suele involucrar sucesivas operaciones <strong>de</strong> sumas, multiplicaciones y divisiones,<br />
con in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong>l método <strong>de</strong> resolución que se aplique. Por lo gener<strong>al</strong>, en estos casos es<br />
conveniente operar siempre en forma binómica.<br />
27
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
A.3 Ejercicios<br />
Se proponen a continuación una serie <strong>de</strong> ejercicios básicos especi<strong>al</strong>mente orientados <strong>al</strong><br />
entrenamiento en operaciones relacionadas con el análisis <strong>de</strong> circuitos en RPS.<br />
EJERCICIO 1<br />
La tabla muestra una serie <strong>de</strong> números complejos expresados unos en forma canónica y otros en<br />
forma exponenci<strong>al</strong>. Rellenar los huecos <strong>de</strong> la primera tabla y representar en el plano complejo<br />
todos los elementos. Repetir el ejercicio con la segunda tabla, pero esta vez sin utilizar una<br />
c<strong>al</strong>culadora.<br />
Forma canónica<br />
Forma exponenci<strong>al</strong><br />
z 1 2+3j<br />
z 2 3-j<br />
Im[z]<br />
z 3<br />
-1+2j<br />
z 4<br />
-3-2j<br />
3.2e<br />
j0.<br />
67<br />
z 5<br />
Re[z]<br />
3.32e<br />
j2.<br />
55<br />
z 6<br />
2. 16<br />
z 7 3.32e − j<br />
z 8<br />
3.16e<br />
j2π<br />
Forma canónica<br />
Forma exponenci<strong>al</strong><br />
z 1 1+j<br />
Im[z]<br />
z 2 1-j<br />
z 3<br />
-1+j<br />
z 4<br />
z 5<br />
-1-j<br />
jπ<br />
e<br />
Re[z]<br />
z 6<br />
z 7<br />
π<br />
j<br />
2<br />
e<br />
π<br />
2<br />
e − j<br />
z 8<br />
j2π<br />
e<br />
28
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
EJERCICIO 2<br />
π<br />
j t<br />
e 3<br />
Sea el número z= , <strong>de</strong> módulo unidad y argumento variable con el tiempo. C<strong>al</strong>cular el v<strong>al</strong>or<br />
que toma z para los instantes t={1,2,3,4,5}, tanto en forma exponenci<strong>al</strong> como en forma canónica, y<br />
representarlos en el plano complejo. Indicar el tipo <strong>de</strong> movimiento que experimenta el afijo <strong>de</strong> z<br />
conforme avanza t.<br />
EJERCICIO 3<br />
Operando siempre en forma canónica, efectuar las operaciones que se indica en la tabla. Una<br />
vez obtenido el resultado, expresarlo también en forma exponenci<strong>al</strong>.<br />
DATOS:<br />
z 1 =2+3j, z 2 =4-3j, z 3 = 7+5j, z 4 =4-7j<br />
Forma canónica<br />
Forma exponenci<strong>al</strong><br />
z<br />
+ ( z ⋅ 3)<br />
1 2<br />
z<br />
z<br />
2<br />
+ ( z3<br />
/ z4<br />
)<br />
z1<br />
+ z<br />
z ⋅ z<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1<br />
z<br />
1<br />
+<br />
1<br />
z<br />
2<br />
+<br />
1<br />
z<br />
3<br />
+<br />
1<br />
z<br />
4<br />
EJERCICIO 4<br />
Resolver el siguiente sistema <strong>de</strong> ecuaciones. Expresar el resultado en forma canónica y en forma<br />
exponenci<strong>al</strong>.<br />
⎧ 5 2<br />
⎪z1<br />
+ z2<br />
= (3 − 2 j)<br />
⎨ 6<br />
⎪<br />
⎩(1<br />
+ j)<br />
z1<br />
− (1 − j)<br />
z2<br />
= 0<br />
Sol.:<br />
5 2<br />
− j1,373<br />
1 = (1 − 5 j)<br />
= 3e<br />
z<br />
z<br />
12<br />
5 2<br />
− j0,197<br />
2 = (5 + j)<br />
= 3e<br />
12<br />
29
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
EJERCICIO 5<br />
Resolver el siguiente sistema <strong>de</strong> ecuaciones. Expresar el resultado en forma canónica y en forma<br />
exponenci<strong>al</strong>.<br />
⎧2z1<br />
− (2 − 2 j)<br />
z2<br />
= 8<br />
⎨<br />
⎩(2<br />
− 2 j)<br />
z1<br />
− (6 + 2 j)<br />
z<br />
Sol.:<br />
1 − 0,197<br />
1 = (5 − j)<br />
= 1, 7e<br />
j<br />
z<br />
3<br />
−<br />
z2<br />
= (3 + 4 j)<br />
= e<br />
3 3<br />
2<br />
= 6 + 6 j<br />
1 5 − j 2,21<br />
30
Estudio <strong>de</strong> circuitos en RPS<br />
Apéndice B: Potencia compleja y potencia aparente<br />
Las magnitu<strong>de</strong>s P y Q pue<strong>de</strong>n utilizarse para <strong>de</strong>finir una tercera magnitud S = P+ jQ a la que<br />
se <strong>de</strong>nomina potencia compleja. A partir <strong>de</strong> ésta pue<strong>de</strong>n obtenerse <strong>al</strong>gunas relaciones <strong>de</strong> interés. En<br />
primer lugar, la potencia compleja es posible c<strong>al</strong>cularla directamente a partir <strong>de</strong> los fasores <strong>de</strong><br />
tensión y corriente (con lo que <strong>de</strong> un plumazo obtenemos tanto la potencia media o activa como la<br />
reactiva):<br />
1 *<br />
S = VI<br />
2<br />
Adicion<strong>al</strong>mente, la potencia compleja ofrece una interpretación geométrica muy intuitiva. Para<br />
ello, en base a la interpretación geométrica <strong>de</strong> un número complejo, obsérvese que P y Q son los<br />
lados <strong>de</strong> un triángulo rectángulo <strong>de</strong> hipotenusa S (ver Fig. 2.B.1). A<strong>de</strong>más, es posible <strong>de</strong>mostrar<br />
que el ángulo θ es precisamente el <strong>de</strong>sfase entre tensión y corriente. Este triángulo, <strong>al</strong> que se<br />
conoce habitu<strong>al</strong>mente como “triángulo <strong>de</strong> potencias”, es particularmente interesante ya que en él<br />
aparecen relacionadas cuatro magnitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> potencia básicas, con lo que sólo conociendo dos <strong>de</strong><br />
ellas es posible llegar a las otras dos simplemente aplicando relaciones geométricas.<br />
θ<br />
S<br />
P<br />
Q<br />
Fig. 2.B.1: Triángulo <strong>de</strong> potencias: potencia compleja (S), potencia<br />
activa (P) y potencia reactiva (Q).<br />
Al módulo <strong>de</strong> la potencia compleja se le <strong>de</strong>nomina potencia aparente y <strong>de</strong> cara <strong>al</strong> diseño <strong>de</strong><br />
re<strong>de</strong>s a nivel industri<strong>al</strong> juega un papel cruci<strong>al</strong>, muchísimo más importante que el <strong>de</strong> la potencia<br />
media. Esto es así porque la potencia media tan sólo refleja la potencia que se transforma en<br />
energía, no re<strong>al</strong>mente toda la que se está <strong>de</strong>sarrollando en los conductores (para lo que es necesario<br />
consi<strong>de</strong>rar también la potencia reactiva), que es la que re<strong>al</strong>mente se necesita conocer para<br />
dimensionar correctamente dichas re<strong>de</strong>s.<br />
31