Estado Estacionario vs Transitorio

En la electrónica como en la vida los cambios pueden traer cosas buenas o cosas malas dependiendo las circunstancias y del tipo de cambio, además sobre qué o quién se efectúa ese cambio. Gracias Einstein por la relatividad!

En el campo de la electrónica, el cambio suele ser un requisito de la funcionalidad general de un dispositivo. Como la mayoría de las cosas que encontramos en la electrónica, existen al menos dos estados de existencia. Por ejemplo, con un interruptor encontramos que está apagado o encendido abierto o cerrado. En electrónica existen dos clasificaciones de estados que son una parte compleja del análisis y la comprensión de las características de un sistema, así como de la funcionalidad general. Estos dos estados son el Estado Estacionario y el Estado Transitorio.

Qué es Estado Estacionario?

Para definir un estado estacionario para un sistema, se debe observar todo lo que afecta el comportamiento del sistema, si es constante o no cambia en el tiempo. Además, en términos de tiempo continuo, esto significa que para esas propiedades (p) del sistema, la derivada parcial con respecto al tiempo sigue siendo cero.

La siguiente ecuación representa esta relación: ∂p / ∂t = 0

Nota: En matemáticas, cuando una función es de varias variables, una derivada parcial es su derivada para una de esas variables, mientras que las demás permanecen constantes. Sin embargo, esto contrasta directamente con una derivada total, en la que se permite que varíen todas las variables.

Complicado? No se preocupe vamos imaginar un ejemplo sencillo, supongamos que Usted observa una guitarra en una vitrina que le llama la atención pues es muy bonita y parecería que sonará muy bien, figura 1. Como la guitarra esta allí quieta sus cuerdas están quietas, incluida la tercera cuerda (Sol) por tanto Sol está en estado estacionario y no hay sonido.

Figura 1. La guitarra de tus sueños!

Así mismo, dentro del campo de la electrónica, un estado estacionario es la condición de equilibrio en una red o circuito que ocurre cuando los efectos de los transitorios dejan de ser viables, cesan de ocurrir o simplemente no han ocurrido. Además, también se logra un estado estacionario después de que se disipan las oscilaciones o turbulencias iniciales como cuando alguien tocó o vibró Sol (en un circuito por ejemplo, cuando se conecta la alimentación). Además, cuando un sistema experimenta un estado estacionario, se considera que el sistema es estable o se estabilizó.

En general, determinar el estado estacionario es fundamental, ya que muchas especificaciones de diseño electrónico se presentan en términos de las características del estado estacionario de un sistema. Además, el análisis de estado estacionario es un componente invaluable en el proceso de diseño.

Qué es Estado Transitorio?

En general, casi todos los procesos o sistemas tienen tanto un estado estacionario como un estado transitorio (supongamos que de repente entra Slash toma la guitarra y hace un increíble solo). Se restablece a un estado estable después de un tiempo específico el sistema. Entonces, un estado transitorio es esencialmente el tiempo entre el comienzo del evento y el estado estable, Figura 2.

Figura 2. Regreso al estado estacionario después de un transistorio.

Por lo tanto, en términos de una definición, un estado transitorio es cuando una variable o variables del proceso cambian y antes de que el sistema alcance un estado estable. Además, el tiempo transitorio es el tiempo que tarda un circuito en cambiar de un estado estable al siguiente.

En términos de circuitos, por ejemplo, si activa un interruptor dentro de un circuito que contiene un inductor o un condensador, el componente utilizará el cambio resultante en la corriente o el voltaje, lo que hará que el sistema tarde una cantidad considerable de tiempo en alcanzar un nuevo estado estable. Podemos definir un transitorio afirmando que, si una cantidad está en reposo y se produce un cambio en el tiempo, cambiando así el estado actual, ha ocurrido un transitorio.

Importancia del análisis de estabilidad en el Estado Estacionario

Anteriormente mencionamos brevemente la importancia de determinar el estado estacionario. Pero, tenemos evidencia adicional de la importancia de la determinación del estado estacionario cuando examinamos las especificaciones de diseño. Como puede Ud. intuir, los ingenieros y diseñadores transmiten las especificaciones de diseño en términos de estas características. Además, el análisis de las características de estado estacionario de un sistema proporciona una comprensión general de cómo se desempeñará y funcionará un dispositivo.

Existen varios métodos de análisis para determinar el estado estacionario y el estado transitorio de un sistema o proceso. Uno de estos métodos es el análisis de estado estacionario sinusoidal que es un método de análisis para analizar circuitos de CA utilizando técnicas idénticas de las que se usan para resolver circuitos de corriente continua. Como refuerzo a esta explicación, la capacidad de un sistema de potencia o máquina eléctrica para recuperar su estado original o anterior se denomina Estabilidad en Estado Estacionario.

La estabilidad de un sistema describe la capacidad de un sistema para volver a su estado estable cuando se expone a una interrupción. En términos generales, la estabilidad del sistema se compone de tres categorías: estado transitorio, estabilidad dinámica y estado estable.

Los estudios de estabilidad en estado estacionario generalmente se restringen a cambios graduales o pequeños en la condición operativa de un sistema. Sin embargo, al hacer esto, se concentra principalmente en limitar los voltajes del bus más cerca de sus valores mínimos. Además, nos aseguramos de que los ángulos de fase entre los dos buses no sean demasiado grandes y se verifica la sobrecarga de las líneas de transmisión y los equipos o dispositivos de suministro de energía.

Análisis de Estabilidad Transitoria y Dinámica

La estabilidad transitoria implica la evaluación de un sistema de potencia después de una interrupción o perturbación significativa. Por ejemplo, en generadores, luego de una interrupción sustancial en el alternador síncrono, el ángulo de carga cambia debido a la aceleración repentina del eje del rotor. Por tanto, el principal objetivo de un estudio de estabilidad transitoria es determinar si el ángulo de carga vuelve a un valor constante tras la corrección de la perturbación.

También, la Estabilidad Dinámica o estabilidad de pequeña señal es el análisis de la capacidad de un sistema para permanecer estable bajo pequeñas perturbaciones continuas. Además, estas interrupciones menores ocurren debido a fluctuaciones erráticas en los niveles de generación (o alimentacion también) y las demás cargas que tenga el circuito. Con los sistemas de energía interconectados, estas variaciones arbitrarias pueden provocar fallas catastróficas como en la figura 3.

Figura 3. Perturbación de una señal estable.

Finalmente, con nuestro ejemplo de la guitarra, si aplica una fuerza periódica a Sol, generalmente alcanzará un estado estable después de pasar por un comportamiento transitorio. Esto ocurre principalmente en sistemas que vibran, por ejemplo, un péndulo de reloj, un circuito oscilador o que utilice oscilaciones entre otros. Sin embargo, esto puede ocurrir dentro de cualquier sistema dinámico semiestable o estable. Algo muy importante, la cantidad de tiempo que se pasa en el estado transitorio dependerá de las condiciones iniciales del sistema.

Métodos de cálculo en el Estado Estacionario

En general, hay dos métodos que se pueden usar para calcular el estado estacionario de un sistema. En primer lugar, puede utilizar algoritmos en el dominio del tiempo y, en segundo lugar, puede utilizar algoritmos en el dominio de la frecuencia o método de equilibrio armónico. Además, el método de dominio de frecuencia es la mejor opción para aplicaciones de circuitos de comunicaciones, RC, RL o RLC excitados con señales sinusoidales, como osciladores, amplificadores de potencia, mezcladores, etc.

Para el método de dominio del tiempo hay dos posibilidades, métodos de disparo (que son métodos iterativos por ejemplo utilizando señales impulso) y sensibilidades de dominio de tiempo (que son métodos de un solo paso). No obstante, las sensibilidades en el dominio del tiempo requieren derivadas y ecuaciones diferenciales para calcular el estado estacionario. Sin embargo, cuando no se puede acceder fácilmente a ellos, entonces se utilizan los métodos de disparo.

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Mayo/2022.

Etiquetas: estacionario,, transitorio,, steady,

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