_Guia+Nº05

Laboratorios y Talleres FIEE 2011-A 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II LABORATORIO Nº 05: ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA

POTENCIA Y EL FACTOR DE POTENCIA EN CIRCUITOS

MONOFASICOS DE CORRIENTE ALTERNA I. OBJETIVO

Analizar en forma experimental la medida de la potencia y el factor de potencia en circuitos eléctricos monofásicos de corriente alterna.

II. FUNDAMENTO TEORICO INTRODUCCIÓN: El presente trabajo práctico analiza un circuito formado por una impedancia resistivo-inductiva que materializa, para los fines de estudio, a un consumo industrial. Luego de medirse la tensión aplicada, la corriente que circula y la potencia consumida, se conectan capacitores en paralelo, en incrementos sucesivos, hasta hallar la combinación de ellos que proporcione la menor corriente. En estas condiciones se mide nuevamente, correspondiendo las nuevas lecturas al ensayo “con corrección del factor de potencia”. Los diagramas fasoriales de tensión y corriente para ZRL, impedancia representativa de un consumo industrial, C valor de la capacidad necesaria para corregir el factor de potencia son: El diagrama fasorial resultante será:

C ZRL U ~

I

ĪRL

Ū

ϕ

ĪC

Ū

- ϕ

ĪRL

Ū

ĪC

Ī



LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II Donde para este caso en particular de corrección total del factor de potencia, Ū e Ī serán colineales y el conjunto se comportará como una carga resistiva pura. Con los valores medidos para los estados antes y después de corregir el factor de potencia, pueden construirse los diagramas de impedancia, admitancia y potencia. Los subíndices RL indican el estado antes de la compensación y la ausencia de subíndices el estado con corrección: El ángulo que forman YRL con G y SRL con P es precisamenteϕ, por lo que los diagramas fasorial del circuito, el diagrama de admitancia y el triángulo de potencias son triángulos semejantes. Re y Xe son los componentes equivalentes de un circuito se rie, de igual comportamiento que nuestro circuito paralelo. En el trabajo práctico no realizaremos una compensación total del factor de potencia (cosϕ =1), solo buscaremos la combinación de capacitores que proporcionen la menor corriente. Por ello el circuito no tendrá carácter resistivo puro, y la corriente no estará en fase con la tensión. Por la misma razón en el diagrama de admitancias Y disminuirá, pero sin llegar a ser igual a GRL y el triángulo de potencias S tampoco llegará al valor de PRL. Los diagramas tendrán las siguientes formas:

P = PRL

QRL

Q

SRL

S

ϕRL

ZRL

RRL Re

jXe

Z

jXRL

ϕRL

GRL

BRL

B

YRL

Y - ϕRL

Re

ZRL

RRL

jXRL Xe = 0

ϕ

GRL= G= Y

YRL

BRL = -BC - ϕ

SRL

QRL = -QC

PRL= P = S

ϕ

Re

jXe

Ze

U

IRL

ϕRL

Īactiva

Īreactiva

Īreactiva corregida

Ī



LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II A la bobina representativa de una carga de tipo industrial, le cambiaremos el núcleo, de ese modo podremos observar como varían los parámetros medidos. En el primer ensayo el núcleo será una barra maciza de hierro dulce, en un segundo ensayo el núcleo esta formado por un conjunto de laminas de hierro aisladas entre sí. Un material conductor sometido a un campo magnético variable consume potencia: es asiento de las corrientes de Foucault, provocadas por las fuerzas electromotrices inducidas en el seno del material por el campo variable. Si además el material conductor es ferromagnético aparecerá otro consumo, que es debido al fenómeno de histéresis propio del material. Estos consumos implican pérdidas ya que la energía absorbida se transforma en calor no utilizable en el núcleo por ello se trata de disminuirlos. Para disminuir las pérdidas por histéresis se utilizan núcleos de materiales que presenten un lazo de histéresis de menor área. Para disminuir las pérdidas por corrientes de Foucault, se divide el núcleo en laminas paralelas a las variaciones de flujo. Entonces, el segundo ensayo se realizará con un consumidor que, con igual tensión aplicada, presentará menos pérdidas en el hierro por corrientes de Foucault. Para poder comparar los resultados interesará dibujar los diagramas obtenidos, en este ensayo en las mismas escalas que se usaron para el primer caso. Al retirar el núcleo macizo luego del primer ensayo, podrá comprobarse que se había calentado. Esto es debido a la pérdida de energía ocurrida en él, que se transformó en calor. Existen aplicaciones industriales donde este calentamiento se aprovecha con fines útiles, los hornos de inducción. Finalmente, se ensayará lo bobina retirando el núcleo magnético, o sea con núcleo de aire. En este ensayo no se corregirá el factor de potencia, ya que el objetivo es demostrar la decisiva importancia de la presencia del núcleo ferromagnético. En efecto, por ser la inductancia proporcional a coeficiente de permeabilidadµ, esta disminuirá drásticamente al retirar el hierro. Al disminuir L se reducirá Z, por lo que no podrá mantenerse la tensión aplicada en los ensayos anteriores debido a la elevada corriente que circularía. Se realizará el ensayo haciendo circular la misma corriente que en el ensayo 1 (núcleo macizo y sin compensar), y se medirá la potencia y la tensión aplicada. Al circular la misma corriente, las pérdidas de potencia en el conductor de la bobina, llamadas pérdidas en el Cobre serán iguales, por ser:

Donde Rb es la resistencia de la bobina medida en corriente continua. Para poder variar la tensión aplicada al circuito y así obtener la intensidad deseada, se intercalará a la entrada del mismo un autotransformador variable, que permitirá disponer, en sus terminales de salida, de tensiones desde cero hasta algo más que el valor de la de red.

bR2ICupérd =



LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II Resistencia Efectiva (REFECTIVA) A partir de los valores de U, I y P medidos en el circuito y que se anotarán en una planilla ( punto E), podemos calcular: a) Las pérdidas en el conductor de la bobina ensayada

b) Las pérdidas en el hierro pFe mediante la expresión:

Donde P es la potencia total medida con el wattímetro y consumida por la bobina. Estas pérdidas en el hierro pFe pueden ser representadas por una resistencia que denominaremos Rpérd Fe. En consecuencia podemos escribir:

En donde la corriente I recorre tanto la resistencia Rb verdadera del arrollamiento de la bobina, como la resistencia Rpérd. Fe que simboliza las pérdidas en el hierro. Dado que ambas resistencias las suponemos que están en serie, entonces pueden reemplazarse por una única resistencia que denominaremos REFECTIVA

El hecho de haber alimentado la bobina con núcleo de hierro, con corriente alterna ha aumentado aparentemente la resistencia óhmica de la bobina, y que se puede calcular mediante la expresión:

Verificación: Para ambos casos de corrección del factor de potencia será posible obtener, a partir del diagrama de admitancia, el valor de los capacitores intercalados en el circuito. En este diagrama, por tratarse de un circuito paralelo, las componentes de las admitancias de cada elemento (bobina y capacitor) se suman para obtener Ytotal

bR2ICupérd =

Cu pérd -P pFe=

pérd.Fe2

b2 R I R . I U.I.cos P +== ϕ

R . I P EFECTIVA2=

2EFECTIVA I

P R =



LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS IILABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II

Para ello, si BRL disminuyó hasta el valor B, su diferencia será la suceptancia de los capacitores conectados, BC.

El valor calculado se comparará con el de la capacitancia nominal de los capacitores conectados.

III. ELEMENTOS A UTILIZAR

1. Fuente regulable A.C de 0 -230v, 6 amp. 2. Dos vatímetros 0 -250v, 5 amp. 3. Dos voltímetros 0 -250v ( V1 y V2) 4. Un cosfímetro 0 -250v, 5 amp. 5. Dos amperímetros 0 – 6 amp. 6. Dos condensadores 20uF, 300 v. 7. Un resistor de 0 -220 Ohmios, 10 amp. 8. Un multímetro 9. Conductores de conexión

IV. PROCEDIMIENTO

1. Armar el circuito que se muestra en la figura. 2. Regular la salida de la fuente regulable A.C a 100 voltios 3. Con el reóstato en su máximo valor, regularlo hasta lograr en el amperímetro “AR” un

valor de 1 amperios, a partir de éste valor variado el reóstato “R” para valores deficientes de la corriente medida en el amperímetro “A”, tomar un juego de valores de por lo menos 15 valores de V1, A, AR, W, Cos∅ y V2 respectivamente.

Figura 1

V

A W

VR

AR

~ C C R

C ω Bser por C = C CB BC

ω 2 fπ= =

GRL

BRL

B

YRL

Y

- ϕRL

BC



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V. CUESTIONARIO

1. Explicar el principio de funcionamiento de los vatímetros electrodinámicos. Asi mismo, explicar la importancia de los Asteriscos ( A veces son +)

2. Graficar el lugar geométrico de Y (admitancia del circuito) al variar R. 3. Graficar el lugar geométrico de Z (impedancia del circuito) al variar la resistencia R. 4. Graficar el lugar geométrico de I ( corriente total absorbida por el circuito) 5. Hallar los valores del factor de potencia para cada lectura (Hallarlos a partir del ángulo

∅ de impedancia del circuito). 6. Comparar las indicaciones del vatímetro con las expresiones V I Cos∅ e I2R, y discutir

los resultados. 7. Graficar I versus Cos∅ 8. Dar la divergencia de valores teóricos y experimentales dando error absoluto y relativo

porcentual en un cuadro aparte, en forma tabulada. VI. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Dar sus observaciones y conclusiones en forma clara y concisa.

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