ANLISIS DE CIRCUITOS EN CORRIENTE .Anlisis de circuitos en corriente alterna / Jos© Danilo...

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  • ANLISIS DE CIRCUITOS EN

    CORRIENTE ALTERNA

    libro_analisis-ac.pdf 1libro_analisis-ac.pdf 1 17/05/2016 06:02:54 p.m.17/05/2016 06:02:54 p.m.

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  • ANLISIS DE CIRCUITOS EN

    CORRIENTE ALTERNA

    Jos Danilo Rairn Antolines

    Germn Antonio Guevara Velandia

    Helmuth Edgardo Ortz Surez

    libro_analisis-ac.pdf 3libro_analisis-ac.pdf 3 17/05/2016 06:02:55 p.m.17/05/2016 06:02:55 p.m.

  • Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas Facultad Tecnolgica Jos Danilo Rairn Antolines, Germn Antonio Guevara Velandia,

    Surez

    Primera edicin, abril de 2016 ISBN: 978-958-8972-07-7

    Jefe Seccin de Publicaciones Rubn Elicer Carvajalino

    Coordinacin editorial Miguel Fernando Nio Roa

    Diagramacin Jos Danilo Rairn Antoniles

    Diseo de cubierta Felipe Padilla Brugs

    Acompaamiento editorial Editorial UD Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas Carrera 24 N. 34-37. Telfono: 3239300 ext. 6202 Correo electrnico: publicaciones@udistrital.edu.co

    Todos los derechos reservados. Esta obra no puede ser reproducida sin el permiso previo escrito de la Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas. Hecho en Colombia.

    Rairn Antolines, Jos Danilo, 1971- Anlisis de circuitos en corriente alterna / Jos Danilo Rairn Antolines, Germn Antonio Guevara Velandia, Helmuth Ortiz Surez. -- Bogot : Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas, 2016.

    356 pginas ; 24 cm. ISBN 978-958-8972-07-7 1. Ingeniera elctrica 2. Corriente alterna 3. Electricidad

    4. Circuitos elctricos - Problemas, ejercicios, etc. I. Guevara Velandia,Germn, autor II. Ortiz Surez, Helmuth, autor III. Tt. 621.3192 cd 21 ed. A1526561

    CEP-Banco de la Repblica-Biblioteca Luis ngel Arango

    de cubierta

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  • v

    TABLA DE CONTENIDO

    !"#$%&'()*) +,-&.%",./")0)."#"./%",./"1111111121122)*)

    1.1 La bobina....... 1

    1.1.1 El voltaje en la bobina... 2

    1.1.2 Corriente a travs de la bobina... 8

    1.1.3 Potencia y energa en la bobina.. 11

    1.1.4 Combinaciones de inductancia... 17

    1.2 El condensador.. 22

    1.2.1 La corriente en el condensador. 26

    1.2.2 Voltaje en los terminales del condensador. 32

    1.2.3 Potencia y energa en el condensador 36

    1.2.4 Combinaciones de capacidades. 41

    1.3 Dualidad......... 47

    1.4 Condiciones iniciales en la conmutacin de circuitos......... 50

    Problemas.. 55

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    7;

  • ANLISIS DE CIRCUITOS EN CORRIENTE ALTERNA

    vi

    2.4.1 Definicin de impedancia y admitancia........... 109

    2.4.2 Ubicacin de las impedancias y admitancias en el plano

    complejo......... 113

    2.5 Circuitos en serie y en paralelo....... 115

    2.5.1 Consideraciones generales. 115

    2.5.2 Circuitos en serie... 115

    2.5.3 Circuitos en paralelo.. 117

    2.6 Mtodos en anlisis en circuitos AC.. 120

    2.6.1 Reduccin de impedancias. 120

    2.6.2 Ley de Kirchhoff para voltajes... 123

    2.6.3 Ley de Kirchhoff para corrientes... 127

    2.6.4 Anlisis de mallas... 132

    2.6.5 Anlisis de nodos... 137

    2.6.6 Linealidad.. 140

    2.6.7 Superposicin 143

    2.6.8 Equivalentes de Thvenin y Norton... 146

    2.6.9 Transformacin de fuentes 155

    2.7 Aplicaciones.. 160

    2.7.1 Transferencia mxima de potencia. 160

    2.7.2 Resonancia 165

    2.7.3 Amplificadores operacionales......... 171

    Problemas... 189

    !"#$%&'()>) ?(%5,./")8(,(9:6/."111111111111211)3@*)

    3.1 Potencia instantnea, p... 201

    3.2 Potencia media, activa o real.. 208

    3.2.1 Potencia activa en circuitos con varias fuentes... 212

    3.2.2 Mxima transferencia de potencia activa......... 219

    3.3 Valores eficaces o RMS...... 220

    3.4 Potencia aparente y factor de potencia.. 226

    3.5 Potencia compleja y tringulo de potencias 232

    Problemas.. 241

    libro_analisis-ac.pdf 6libro_analisis-ac.pdf 6 17/05/2016 06:02:55 p.m.17/05/2016 06:02:55 p.m.

  • TABLA DE CONTENIDO

    vii

    !"#$%&'()A) !/7.&/%(6)%7/9:6/.(61111111111112112222)3B*)

    4.1 Generacin de seales elctricas senoidales polifsicas. 252

    4.2 Fuentes polifsicas

    4.2.1 Fuentes trifsicas... 254

    4.2.2 Fuentes trifsicas conectadas en Y 258

    4.2.3 Fuentes trifsicas conectadas en 259

    4.2.4 Fuentes trifsicas balanceadas. 260

    4.2.5 Transformacin de fuentes. 261

    4.3 Cargas trifsicas. 269

    4.3.1 Cargas en Y......... 269

    4.3.2 Cargas en ........ 270

    4.3.3 Transformacin de cargas.. 271

    4.3.4 Cargas trifsicas balanceadas.. 276

    4.4 Solucin de circuitos trifsicos.. 276

    4.4.1 Circuitos Y Y con carga desbalanceada 277

    4.4.2 Circuitos con carga desbalanceada 286

    4.4.3 Circuitos Y 291

    4.4.4 Circuitos Y.... 291

    4.5 Solucin de circuitos trifsicos con prdidas en las lneas de

    transmisin.... 295

    4.5.1 Carga en Y. 295

    4.5.2 Carga en . 299

    4.6 Potencia trifsica... 304

    Problemas.. 314

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  • ix

    PREFACIO

    Buena parte de la energa elctrica, de la cual se hace uso en sectores

    como el residencial, comercial o industrial, se presenta en la forma

    sinusoidal, conocida popularmente como alterna; esto se constituye en el

    propsito base de la elaboracin de este texto, el cual es mostrar con el

    detalle necesario, pero suficiente para un curso introductorio, el

    comportamiento de los circuitos elctricos en corriente alterna, cuando

    estos adems estn en estado estacionario, es decir, cuando el efecto de los

    transitorios ya ha desaparecido.

    El libro est pensado para ser desarrollado en un curso de un semestre

    y requiere del lector conocimientos bsicos de clculo diferencial e integral.

    Aunque los autores han hecho su mejor esfuerzo para presentar la mayor

    parte de los temas junto con sus principios fsicos inherentes, es

    aconsejable que el lector cuente tambin con conocimientos de fsica

    elctrica elemental y de circuitos resistivos, como curso previo de teora de

    circuitos.

    A diferencia de muchos de los libros de teora general de circuitos

    elctricos, al presente texto los autores, dada su experiencia profesional en

    la ingeniera elctrica y en la docencia, han querido darle un enfoque que

    apunta con mayor pertinencia a fortalecer el anlisis propio del quehacer

    del tecnlogo o ingeniero electricista.

    El desarrollo de esta obra se presenta en cuatro captulos, en el primero

    de ellos se presentan dos elementos de carga: la bobina y el condensador, se

    describe su comportamiento fsico, se modelan matemticamente como

    elementos ideales de circuito mediante sus pertinentes relaciones de

    tensin-corriente, se establecen las diferencias y dualidades entre los dos y

    su relacin con la resistencia.

    En el captulo 2 se expone la metodologa de anlisis para el estudio de

    circuitos AC en estado estable; esta metodologa, en la cual se describe el

    concepto de fasor, permite usar las tcnicas y los teoremas de anlisis

    desarrollados para los circuitos DC para cuantificar las intensidades de los

    voltajes y corrientes alternas en los diferentes puntos del circuito que son

    de inters.

    El captulo 3 trata ampliamente los conceptos relacionados con la

    potencia en los circuitos elctricos de corriente alterna. Se hace un estudio

    de la transferencia de energa que se da en el circuito como consecuencia de

    la corriente elctrica que se hace fluir a travs de sus elementos, se

    cuantifica la tasa a la cual se transfiere la energa entre los elementos del

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  • ANLISIS DE CIRCUITOS EN CORRIENTE ALTERNA

    x

    circuito; esto para dar a conocer la forma en que la energa se entrega a

    diferentes puntos del circuito; se hace diferencia entre los diferentes tipos

    de potencia que se presentan en el circuito y se le da relevancia al concepto

    de factor de potencia.

    Finalmente, en el captulo 4 se desarrolla con buena rigurosidad el tema

    de los circuitos trifsicos, los cuales son muy comunes en la industria y en

    la generacin de energa elctrica, de ah su importancia.

    Con esta obra los autores esperan contribuir en la formacin

    acadmica de aquellos estudiantes de educacin superior, en el rea de la

    tecnologa e ingeniera elctrica, que a la vez estn convencidos de que,

    como herramienta, este es un texto de consulta rpida, debido a la forma y

    claridad con que se presentan los temas. Esta obra cuenta con un texto

    complementario, titulado Solucin de problemas de circuitos en corriente

    alterna, el cual corresponde a la solucin de los ejercicios propuestos en

    este texto.

    Los autores.

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  • B B ri

    1Se asume que el lector ya se encuentra en condiciones de describir el comportamiento de la resistencia como elemento de carga