LABORATORIO DE TECNOLOGIA ELECTRICA Práctica Nº 6: POTENCIA COMPLEJA OBJETIVO En base de las medidas de diferencia de potencial, intensidad de corriente y potencia activa. Estudiar la potencia compleja y determinar el triangulo tr iangulo de potencia en un circuito eléctrico.
SUSTENTACION TEORICA
Vatímetro Vatímetro
“
”
El vatímetro es un instrumento electrodinámico instrumento electrodinámico para para medir la potencia la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía de energía eléctrica de un circuito un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente», corriente », y una bobina móvil llamada «bobina de potencial».
en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en Las bobinas fijas se conectan en serie paralelo. Además, en los vatímetros analógicos vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella.
El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente de corriente continua, la continua, la deflexión de la aguja es proporcional tanto a la corriente la corriente como al voltaje, al voltaje, conforme conforme a la ecuación W=VA o P=EI. En un circuito de corriente de corriente alterna la deflexión es proporcional al producto instantáneo medio del voltaje y la corriente, midiendo pues la potencia re al y posiblemente (dependiendo de las características de cargo) mostrando una lectura diferente a la obtenida multiplicando simplemente las lecturas arrojadas por un voltímetro un voltímetro y un amperímetro un amperímetro independientes en el mismo circuito.
Los dos circuitos de un vatímetro son propensos a resultar dañados por una corriente excesiva. Tanto los amperímetros como los voltímetros son vulnerables al recalentamiento:
En caso de una sobrecarga, sus agujas pueden quedar fuera de esc ala; pero en un vatímetro el circuito de corriente, el de potencial o ambos pueden recalentarse sin que la aguja alcance el extremo de la escala. Esto se debe a que su posición depende del factor de potencia, el voltaje y la corriente. Así, un circuito con un factor de potencia bajo dará una lectura baja en el vatímetro, incluso aunque ambos de sus circuitos esté cargados al borde de su límite de seguridad. Por tanto, un vatímetro no sólo se clasifica en vatios, sino también en voltios y amperios.
La determinación de la potencia en corriente alterna (AC) normalmente suele realizarse por medio de Vatímetros los cuales miden directamente la potencia, o bien mediante Contadores en los que la potencia se obtiene a partir de la energía registrada.
El instrumento encargado de medir la potencia en AC es el Vatímetro. Su representación esquemática es la de la Figura 1 y su principio de funcionamiento está basado en la i nteracción de dos campos magnéticos los cuales son creados por la corrientes I a e I v que circulan por las bobinas de que dispone en su interior; el par producido entre ambos campos es proporcional al producto I I a v av cosj , siendo j av el desfase entre las corrientes I a e Iv.
El vatímetro consta, como ya se ha indicado, de dos bobinas ( prácticame nte se consideran resistencias puras ) con las siguientes características:
Bobina amperimétrica ( ra ): Se conecta en serie con la línea de corriente y su resistencia deberá ser lo menor posible con el fin de no perturbar la diferencia de potencial que existe en el circuito entre B y C.
Bobina voltimétrica ( rv ): Se conecta en paralelo con la carga cuya potencia se quiere medir y su resistencia deberá ser lo mayor posible para, de esta forma, evitar que el vatímetro desvíe corriente a la carga.
Se definirá como vatímetro ideal aquél en el que se cumple que ra y rv. Mientras no se indique lo contrario los vatímetros se supondrán ideales.
Ya se ha comentado anteriormente que la indicación de un vatímetro es proporcional al producto I I a v av cosj . Eligiendo una constante de proporcionalidad igual a rv la indicación del vatímetro será W rII v a v av = cosj
Puesto que rv.Iv es el módulo de la tensión entre A y C y dicha tensión está desfasada con I a el mismo ángulo que I v e I a ( si la bobina es resistiva ), es evidente que la indicación del vatímetro es la potencia activa consumida por una carga situada entre B y C.
En la siguiente figura se muestra la conexión de un vatímetro para la medida de la potencia activa consumida por una carga.
Potencia I nstantánea: p = v . i
Potencia Activa: P=
V I
Q=
V I sen
cos
Potencia Reactiva:
F actor de Potencia:
f . p
V I cos
V I
cos
Potencia compleja:
Relación entre potencia activa, aparente y reactiva.-
La potencia compleja (cuya magnitud se conoce como potencia aparente) de un circuito eléctrico de corriente alterna, es la suma (vectorial) de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo(conocida como potencia promedio, activa o real) y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes que fluctuará entre estos componentes y la fuente de e nergía (conocida como potencia reactiva).
Esta potencia no es la realmente "útil", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y señala que la red de alimentación de un circuito no sólo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" las bobinas y condensadores. Se la designa con la letra S y se mide en voltiamperios (VA) (la potencia activa se mide en vatios (W), y la reactiva se mide en voltiamperios reactivos (VAR).
La fórmula de la potencia aparente es:
Potencia activa Es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los circuitos. Cuando se habla de demanda eléctrica, es esta potencia la que se utiliza para determinar dicha demanda.
Se designa con la letra P y se mide en vatios (W). De acuerdo con su expresión, la ley de Ohm y el triángulo de impedancias:
Resultado que indica que la potencia activa es debida a los elementos resistivos.
Potencia reactiva Esta potencia no tiene tampoco el carácter realmente de ser consumida y sólo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. La potencia reactiva ti ene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo útil. Por ello que se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en voltiamperios reactivos (VAR) y se designa con la letra Q.
A partir de su expresión,
Lo que reafirma en que esta potencia es debida únicamente a los elementos reactivos.
PARTE EXPERIMENTAL Esquemas:
Figura 1
Figura 2
Materi ales
Elementos activos:
Voltaje de la red EEQA
Elementos pasivos:
1 Lámpara incandescente 120V-25W 1 Reóstato de 170 ohm. 1 Capacitor decádico 10μF 1 Inductor núcleo de aire (0.16H; 4ohm)
Equipo de medida:
1 Voltímetro A.C. 1 Amperímetro A.C. 1 Vatímetro A.C.
Elementos de maniobra y protección:
1 Interruptor doble con protección. 4 Interruptores simples Juego de cables.
PROCED I MI E NTO PRÁCTICO Inicialmente el instructor nos dio las explicaciones correspondientes a la práctica a realizar, además de que nos fue indicado las precauciones que deberíamos tener durante la misma.
1. Anotar en la hoja de datos las características del equipo y elementos dados. 2. armar los circuitos de las figuras, incluyendo el equipo de maniobra y protección necesarias, con los elementos y valores propuestos por el instructor. 3. Anotar las medidas de voltaje y corriente en cada elemento incluida la fuente.
4. Utilizando el Vatimetro, con las conexiones correspondientes y en las escalas apropiadas, anotar las medidas de la potencia activa, total y en cada electo.
DATOS E XPE RI MENTALES Circuito 1. ELEMENTO Voltaje
Intensidad
Potencia Total
Fuente
120
0.65 A
83 W
Capacitor
42
0.65 A
0W
Resistencia
120
0.65 A
81 W
Inductor
40
0.65 A
0.3 W
Intensidad
Potencia Total
Circuito 2. ELEMENTO Voltaje Fuente
120 V
0.85 A
101 W
Foco
120 V
0.21 A
27 W
Capacitor
120 V
0.66 A
75 W
Resistencia
120 V
0.61 A
74 W
Inductor
CUESTIONARIO
Presentar una tabla con valores teóricos y medidos de: voltajes, corrientes, factores de potencia, potencias: activas, reactivas y aparentes acompañados de sus correspondientes errores porcentuales en cada caso, adjuntando un ejemplo de cálculo de los calores encontrados
CIRCUITO UNO
Valores Teóricos Voltaje
Intensidad
Potencia Activa
Potencia Reactiva
Factor de Potencia
Fuente
120
0,83
99,6
27,6
0,96
Foco
120
0,21
25,2
0
0
Capacitor
120
0,45
0
54
0
Resistencia/ Inductancia
120
0,62
74,4
26,4
0,94
Valores Medidos Voltaje
I ntensidad
Potencia Activa
Fuente
120
0,85
101
Foco
120
0,21
27
Capacitor
120
0,66
7
Resistencia/ Inductancia
120
0,61
74
E rrores Porcentuales Voltaje
Intensidad
Potencia Activa
Fuente
0
2,4
1,4
Foco
0
0
7,14
Capacitor
0
46,6
Resistencia/ Inductancia
0
1,62
___ 74,4
Ejemplo de Cálculo
= ó − = |0.83 − 0.85| = 0.02
=
∗100 ó
=
0.02 ∗ 100 = 2.4% 0.83
CIRCUITO DOS
Valores Teóricos Voltaje
Intensidad
Potencia Activa
Potencia Reactiva
Factor de Potencia
Fuente
120
0,71
85,14
3,17
0,999
Capacitor
47,08
0,71
0
1,72
-----
Resistencia
120,7
0,71
85,6
4,42
0,998
Inductancia
42,6
0,71
30,25
1,56
0,998
Valores Medidos Voltaje
I ntensidad
Potencia Activa
Fuente
120
0,65
83
Capacitor
42
0,65
0
Resistencia
120
0,65
81
Inductancia
40
0,65
30
E rrores Porcentuales Voltaje
Intensidad
Potencia Activa
Fuente
0
8,45
2,51
Capacitor
10,79
8,45
------
Resistencia
0,57
8,45
5,37
Inductancia
0,061
8,45
0,82
Ejemplo de Cálculo
= ó −
= |85.14 − 83| = 2.14
=
∗100 ó
=
2.14 ∗ 100 = 2.51% 85.14
En un solo gráfico superponer el triángulo de potencias teórico y práctico de cada circuito estudiado en el laboratorio
CIRCUITO EN SERIE
= 85.14 − 3.17
CIRCUITO EN PARALELO
= 99.6 − 27.6
Para cada uno de los circuitos estudiados en el laboratorio. Construir los diagramas fasoriales completos
CIRCUITO EN SERIE
CIRCUITO EN PARALELO
Interpretar los errores, analizarlos y justificarlos
Con los resultados obtenidos durante la práctica podemos decir que fueron satisfactorios para comprobar el objetivo propuesto. Ya que en casi todos los elementos el porcentaje de error es pequeño.
El principal error que se ha obtenido en nuestra práctica fue en el cálculo de datos del capacitor, esto se debe a que el instrumento pudo haber tenido fallas, y además que su uso es complejo y su obtención de voltaje como de corriente no es precisa.
Vale precisar que los datos calculados teóricamente también pueden presentar un margen de error, ya que estamos hablando de circuitos ideales, los cuales en realidad no existen. A esto se le añade el error de aproximación en el cálculo de los distintos datos
En la práctica en general se presentan problemas de paralaje, debido a la posición del estudiante al tomar los datos, a esto se le suma que se trabajo solamente con instrumentos analógicos, siendo más imprecisa la toma de resultados. Cabe recalcar que los instrumentos ocupados ya previenen en los mismo un error de aproximadamente +/- 0.05 de margen de error
Se tuvo también otro tipo de errores, en este caso del contacto de los cables para tomar los datos en cada elemento, ya que no siempre el contacto de los cables con el instrumento es el adecuado, ocasionando leves erros en la lectura
CONCLUSIONES
La potencia compleja de un circuito eléctrico de corriente alterna, es la suma de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes que fluctuará entre estos componentes y la fuente de energía
La potencia activa representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo
La potencia reactiva no tiene tampoco el carácter realmente de ser consumida y sólo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos.
El triángulo de la potencia, nos indica de una manera cl ara la relación entre la potencia activa y la potencia reactiva, colocándolas en un plano cartes iano con un eje real y uno imaginario
Las aplicaciones de la potencia en el campo de la electrónica son muy amplias, son utilizadas en especial en las fuentes de alimentación, en el control de los motores eléctricos y en el sistema de calentamiento por inducción
APLICACIONES
Tiene la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión sistemas eléctricos de potencia.
Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de losordenadores.
Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el anti guo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía.
Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.
Otras: Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.
BIBLIOGRAFIA
http://es.wikipedia.org/wiki/Vat%C3%ADmetro
http://www.labc.usb.ve/mgimenez/Lab_Circ_Electronicos_Guia_Teorica/Cap11.pdf
http://html.rincondelvago.com/vatimetro.html
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_potencia/ke_potencia_elect_1.htm
Fundamentos de Metrología Eléctrica, A. M. Karcz, Marcombo, 1982; Tomo 1, Capítulos 6 y 7, México.
