Experimento de Laboratorio No5

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EXPERIMENTO DE LABORATORIO No.5 ANGULO DE FASE Y CAIDA DE VOLTAJE ENTRE TRANSMISOR Y RECEPTOR

PREGUNTA DE INTRODUCCIÓN

El ángulo de la fase entre los voltajes del trasmisor y el receptor puede ser calculado si se usa la formula:

E 2 senθ P max = XL

ó

50 x10 6 x100 sen = 30° (100 x10 3 ) 2 −1

OBJETIVO

1. Regular el voltaje del extremo receptor. 2. Observar el ángulo de la fase entre los voltajes en el extremo trasmisor y el receptor de la línea de transmisión. 3. Observar la caída del voltaje, cuando los voltajes del extremo trasmisor y receptor tienen la misma magnitud. ANALISIS

En el experimento anterior se vio que cuando una carga resistiva o inductiva, en el extremo de una línea de transmisión, produce una caída de voltaje muy grande, que no se toleraría bajo condiciones prácticas. Los motores, relevadores y luces eléctricas solo trabajan en condiciones estables de voltaje, cercanas al potencial al que están diseñadas esto dispositivos. Por lo tanto se debe regular el voltaje en el extremo receptor de la línea de transmisión, de modo que se mantenga tan constante como sea posible. Un procedimiento que puede resultar positivo, es conectar los capacitores al final de la línea, por que como se vio en el experimento 4, estos capacitores elevan el voltaje considerablemente. De hecho, esta es una manera mediante la cual se regula en voltaje en el extremo receptor, en algunos ejemplos prácticos. Los capacitores estáticos se conectan y se desconectan durante el día, y se ajusta su valor para mantener constante el voltaje en el extremo receptor. Para las cargas puramente inductivas, los capacitores deben entregar potencia reactiva igual a la consumida por la carga inductiva. Esto produce un efecto de resonancia en paralelo a la cual, de hecho, la potencia reactiva que requiere la inductancia la subministra la capacitancia, no así la línea de transmisión. No es fácil calcular la potencia reactiva, que los capacitares deben suministrar, con el fin de regular el voltaje de las cargas resistivas. En este experimento, se determinara la potencia reactiva por aproximaciones ajustando los capacitares hasta que el voltaje del extremo recetor sea igual al voltaje del extremo trasmisor. Finalmente, para las cargas que consumen tanto potencia real como reactiva (que son las mas comunes) los capacitares deben de ser tales que compensen primero, la componente inductiva de la carga y, segundo, la componente resistiva. Laboratorio de líneas de transmisión, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL

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INSTRUMENTOS Y COMPONENTES

Módulo del suministro de potencia (0-120/208 V 3F) Módulo de resistencia Módulo de la línea de transmisión trifásica Módulo de capacitancia Módulo de medición de CA (250 V/ 250 V/ 250 V) Watt-varímetro trifásico (2) (300 W / 300 var) Medidor de ángulo de fase Conductores

EMS 8821 EMS 8311 EMS 8329 EMS 8331 EMS 8426 EMS 8446 EMS 8451 EMS 9128

EXPERIMENTOS

Precaución: ¡En este experimento de laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga conexión alguna con la fuente de potencia encendida! 1. Ajuste la impedancia de la línea de transmisión a 120 ohms y conecte los voltímetros y wattvarímetros como indica la figura 1. Durante el curso del experimento se modificara la carga. El circuito debe conectarse a la fuente trifásica variable.

2. Usando una carga resistiva trifásica, ajuste E1 a 200 volts y manténgalo constante por el resto del experimento. Aumente la carga resistiva por pasos manteniendo balanceadas las tres fases. Tome las lecturas de E1, W1, Var1, E2, W2, var2, y el ángulo de fase entre E1 y E2. Nota: se elige E1 como el voltaje de referencia para el medidor del ángulo de fase. Anote los resultados en la tabla 1 y trace una grafica de E2 en función de la potencia de carga W2, en watts. Sobre esta curva, marque el ángulo de fase correspondiente a las diversas cargas reales de potencia, W2.

Laboratorio de líneas de transmisión, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL

R (Ω) ∞ 1200 600 400 300 240 200 171.4

REGULACION DE VOLTAJE CON CARGA RESISTIVA Y CAPACITORES ESTATICOS E1 W1 var1 E2 W2 var2 (V) (W) (V) (V) (W) (V)

ANGULO (°)

De retraso

TABLA 1

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3. Ahora, conecte una carga capacitiva trifásica balanceada, en paralelo a la carga resistiva. Repita el experimento del paso 2 pero para cada carga resistiva ajuste la carga capacitiva de modo que el voltaje de la carga, E2, este tan próximo como sea posible a los 200 volts (E1 debe mantenerse constante a 200 volts.) Anote los resultados en la tabla 2. Trace una grafica de E2 como una función de W2 y sobrepóngala a la grafica anterior, que trazo en el experimento. Note que la adición de los capacitares estáticos han producido un voltaje mucho más constante y, además, la potencia W2 que se envía ha aumentado.

R (Ω) ∞ 1200 600 400 300 240 200 171.4

REGULACION DE VOLTAJE CON CARGA RESISTIVA Y CAPACITORES ESTATICOS XC E1 W1 var1 E2 W2 (Ω) (V) (W) (V) (V) (W) ∞

var2 (V)

ANGULO (°)

De retraso

TABLA 2

Sobre esta curva, marque el ángulo de la fase entre E2 y E1, así como la potencia reactiva var2 que causaron los ajustes individuales de las cargas resistivas.

4. En este experimento se observara una caída del voltaje considerable, a lo larga de una línea de transmisión, aun cuando los voltajes E1 y E2, en los extremos del trasmisor y receptor tengan igual magnitud. ¿Cómo es posible tener la caída de voltaje, cuando los voltajes en los dos extremos son los iguales? ______________________________________________________________________________


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Usando el circuito que se muestra en la figura 3, ajuste la resistencia de carga por fase a 171.4 ohms y, con E1 = 200 volts, ajuste la reactancia capacitiva hasta que el voltaje de carga este tan cerca como sea posible a 200 volts. Mida E1, W1, var1, E2, W2, var2, E3, y el ángulo de la fase.

Figura 3

E1 = W1 = Var1= Angulo de fase

TABLA DE RESULTADOS E2 = E3 = W2 = Var2= =

Calcule el voltaje, la corriente, la potencia real, y la potencia reactiva, por fase, usando los 5. resultados del experimento 4 (anterior). Trace un diagrama de favores de los voltajes en el extremo trasmisor y en el extremo receptor, y verifique la caída de voltaje contra el valor medido. (Ver cálculo de muestra)


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CALCULO DE MUESTRA Para comprender los resultados del experimento 4 se elaborara un análisis breve suponiendo las lecturas que siguen :

E1 = 300v W1 = +600w Var1= +170var Angulo de fase

=

TABLA DE MUESTRA E2 = 300v W2 = +510w Var2= -280var 48° de retraso

E3 = 140v

Primero se reducirán todos los voltajes y potencias a una base por fase, suponiendo una conexión en estrella. Como E1 y E2 son los voltajes línea a línea, los voltajes a neutro correspondientes son 3 veces menores. La potencia real W2 es menor que W1, en virtud de la perdida I2R en la línea de transmisión. Además, la fuente está entregando 170 var hacia la derecha, mientras que la carga (debido al signo negativo) está enviando 280 var hacia la izquierda. Como resultado, la línea de transmisión está absorbiendo (170 - 280) = 450 var Las potencias real y reactiva por fase son 1/3 de los valores indicados arriba; por lo tanto, los valores por fase son los siguientes:

E1 3

= 300

3

= 173V

E2

= 300 = 173V 3 3 E 3 = 140V W1 = +200W 3 W2 = +170W 3 var1 = +57 var 3 var2 = −93 var 3 ángulo de fase = 48° de atraso


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Si se traza el fasor E2 a 48 grados detrás del favor E1 3 , puede medirse a escala la longitud del vector (E1/ 3 ) - (E2/ 3 ). Se encuentra que es el de 141 volts, lo cual está muy cercano a la caída de voltaje medida, E3, en la línea. La potencia reactiva recibida por la línea (por fase) es (93+57) = 150var. La potencia real consumida por la línea, debido a su resistencia, es (200-170) = 30 Watts. La potencia aparente absorbida por la línea es

(150 2 + 30 2 = 153volt − ampere .

Dado que el voltaje a través de una de las líneas es de 141 volts, la corriente en la línea debe ser: VA 153 I= = = 1.08 A E3 141 Por supuesto, pudo haber medido esta corriente directamente, pero basta con una medición de la potencia real y reactiva y conocer los voltajes para poder calcular todo acerca de la línea. Se empieza reduciendo los voltajes fase por fase. E1 200 = = 115V 3 3 línea a neutro E2 203 = = 117.2V 3 3

línea a neutro

ángulo de fase = 49° retraso

La corriente que fluye a través de la línea puede ser calculada de la siguiente forma: Potencia real recibida por la línea por cada fase: W − W2 298 − 245 P= 1 = = 17.7W 3 3 Potencia reactiva consumida por la línea por cada fase: var1 − var2 71 − (−165) Q= = = 78.7 var 3 3 Potencia aparente por cada fase: Pa = P 2 + Q 2 = (17.7) 2 + (78.7) 2 = 80.7VA


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Corriente que fluye a través de la línea: Pa 80.7 = = 0.84 A E3 96 Este valor se obtiene después de insertar un amperímetro en la tercera fase con una medida resultante de I = 0.85 A I=

PREGUNTAS Y PROBLEMAS

1. Una línea de transmisión trifásica tiene una reactancia de 100 ohms por fase. El voltaje transmisor es 100 kV y el voltaje receptor también se regula a 100 kV, colocando un bando de capacitores estáticos, en paralelo con la carga recptora de 50 MW. Calcular: a) La potencia reactiva proporcionada por el banco de capacitares:

b) La potencia reactiva suministrada por el transmisor:

c) La caída de voltaje en la línea, por fase:

d) El ángulo de fase entre los voltajes transmisor y receptor.

e) La potencia aparente suministrada por el transmisor:

2. Si se desconectara súbitamente la carga de 50 MW del problema 1, calcular el voltaje receptor que aparecería a través del banco de capacitores. ¿Qué precaución debe tomarse de ser necesario?

3. Si una línea de transmisión fuera puramente resistiva, ¿sería posible elevar el voltaje del extremo receptor, usando capacitores estáticos?

Explique:


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