REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD FERMIN TORO VICERRECTORADO ACADEMICO FACULTAD DE INGENIERIA CABUDARE EDO. LARA
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS
Integrantes: Gomez, Yasmira Yasmira C.I. 19.572.988
Cátedra: Mediciones Eléctricas
Cabudare, 19 de Junio del 2011
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS ELECTROMECANICOS Galvanómetros El galvanómetro es el principal componente utilizado en la construcción de amperímetros y voltímetros. Las características esenciales de un tipo común, conocido como galvanómetro de D Arsonval. Está compuesto por una bobina de alambre montada de modo que pueda girar libremente sobre un pivote en un campo magnético proporcionado por un imán permanente. La operación básica del galvanómetro aprovecha el hecho de que un momento de torsión actúa sobre una espira de corriente en presencia de un campo magnético. El momento de torsión experimentado por la bobina es proporcional a la corriente que circula por ella. Esto significa que cuanto más grande la corriente, tanto mayor el momento de torsión, así como el giro de la bobina antes de que el resorte se tense lo suficiente para detener la rotación. Por tanto, la cantidad de desviación es proporcional a la corriente. Después de que el instrumento se calibra de manera apropiada, puede usarse junto con otros elementos de circuito para medir ya sea corrientes o diferencias de potencial. Un galvanómetro estándar no es adecuado para usarse como un amperímetro, debido principalmente a que un galvanómetro común tiene una resistencia cercana a 60 S2. La resistencia de un amperímetro de esta magnitud altera de manera considerable la corriente en el circuito en el cual se coloca. Esto puede entenderse considerando el siguiente ejemplo. Suponga que usted construye un circuito en serie simple que contiene una batería de 3 V y un resistor de 3 S2. La corriente en este circuito es 1 A. Sin embargo, si usted inserta un galvanómetro de 60 0 en el circuito para medir la corriente, la resistencia total del circuito es 63 12 y la corriente se reduce a 0.048 A. Un segundo factor que limita el uso del galvanómetro como un amperímetro es el hecho de que un galvanómetro común brinda una desviación de máxima escala para corrientes muy bajas, del orden de 1 mA o menos. Consecuentemente, dicho galvanómetro no puede usarse de manera directa para medir corrientes mayores que ésta. Sin embargo, es posible convertir un galvanómetro en un amperímetro colocando un resistor Pt, en paralelo con el galvanómetro. El valor de RiÄ conocido algunas veces como resistor en derivación, debe ser muy pequeño respecto de la resistencia del galvanómetro, de modo que la mayor parte de la corriente que se va a medir circule por el resistor en derivación. Un galvanómetro también puede utilizarse como un voltímetro añadiendo un resistor externo Rs en serie con él. En este caso, el resistor externo debe tener un valor muy grande respecto de la resistencia del galvanómetro. Esto asegura que el galvanómetro no altere de manera significativa el voltaje que se va a medir. Galvanómetro de bobina móvil. Este instrumento se usa principalmente para detectar, más bien que para medir, pequeñas diferencias de potencial, como con los instrumentos «nulos» descritos posteriormente en este capítulo.
El galvanómetro de bobina móvil es esencialmente un milivoltímetro con el cero a la mitad de su escala. En común con otros instrumentos con cero central, la bobina está normalmente alineada con los polos, desviándose el indice a la izquierda o a la derecha dependiendo del sentido de la corriente. Generalmente las divisiones de la escala son arbitrarias, como las de la balanza, sin que correspondan a ningún valor en particular de d.d.p. de corriente. Instrumento de hierro móvil. Aunque proyectados para circuitos de c.a., estos instrumentos son también apropiados para mediciones de cal., donde se necesitan instrumentos resistentes y baratos y la precisión no es importante. En las primeras formas de este instrumento la desviación se producía por la atracción de una pieza de hierro dulce dentro dc una bobina llevando la corriente que debe medirse. En instrumentos modernos se emplean dos piezas de hierro, colocadas dentro de la bobina C. La pieza de hierro F está sujeta a la bobina y la pieza móvil M a la espiga. La corriente en la bobina imanta a las dos piezas de hierro con igual polaridad; entonces su repulsión mutua proporciona la torca de desviación que mueve al índice sobre la escala. En la figura se representa un control por gravedad, pero también se emplea a menudo el control con resorte. El instrumento tiene otras desventajas. El consumo de potencia es generalmente mayor que con los instrumentos de bobina móvil. Las lecturas son más fácilmente afectadas por los campos magnéticos de origen externo, excepto que la bobina tenga una pantalla magnética. Hay también un efecto de histéresis en las piezas de hierro, que hace que las lecturas del instrumento sean más bajas o más altas, dependiendo de si la corriente aumenta o disminuye. Este efecto es pequeño si las piezas de hierro se hacen de acero al silicio o de una aleación de hierro- níquel.
Principios físicos de operación del galvanómetro Existen dos orígenes diferentes de las fuerzas eléctricas que se ejercen sobre una carga eléctrica. Son llamados: ³fuerza electrostática´ y ³fuerza magnética´. Los dos campos vectoriales son: la intensidad de campo eléctrico E [ voltio/metro], y la densidad de flujo magnético, B [weber]. La fuerza instantánea sobre una carga puntual de q coulombs, que se mueve con una velocidad de v [m/seg], está relacionada con los dos campos por la ley f = q (E + v ´ B) newton (1)
En el caso particular de que las cargas eléctricas se muevan dentro de un conductor, como en la bobina del galvanómetro, la ley de fuerza puede formularse en función de la corriente de conducción en lugar de la carga. La magnitud de la fuerza total ejercida sobre una bobina de n vuelta es f = i n B L (2) (2) y su dirección es mutuamente perpendicular a B y al lado de la bobina L. En la versión más popular del instrumento de d'Arsonval se emplea un campo radial uniforme como se muestra en la Fig, lo que conduce a una escala uniforme.
En el caso de la Fig, la dirección de la fuerza sobre el lado de la bobina depende del ángulo de giro de la bobina. f permanece perpendicular al plano de la bobina para todo q dentro del campo de trabajo del campo radial. En el caso de la Fig, la dirección de la fuerza sobre el lado de la bobina depende del ángulo de giro de la bobina. f permanece perpendicular al plano de la bobina para todo q dentro del campo de trabajo del campo radial. El hecho esencial conseguido por el campo radial es evitar el brazo de palanca variable, manteniendo la dirección de la fuerza perpendicular al plano de la bobina. La igualdad de los pares que actúan sobre la bobina, empleando un par recuperador. Tr = S ø donde S es la cte. lineal del resorte, da ahora fW = S ø Con fW = nBIA, la ley de deflexión del galvanómetro de campo radial uniforme es : Los instrumentos eléctricos más comunes son: amperímetros y voltímetros que permiten medir corriente eléctrica y diferencia de potencial o tensión eléctrica, respectivamente. El componente principal de estos instrumentos es un galvanómetro, aparato éste que detecta una pequeña corriente que pasa a su través. El tipo más utilizado de galvanómetro es el magneto-eléctrico (imán permanente y bobina móvil; tipo D¶Arsonval) cuya estructura básica se muestra en la Fig.1
Amperímetro: La corriente es una de las cantidades más importantes que uno quisiera medir en un circuito eléctrico. Se conoce como amperímetro al dispositivo que mide corriente. La corriente que se va a medir debe pasar directamente por el amperímetro, debido a que
éste debe conectarse a la corriente. Los alambres deben cortarse para realizar las conexiones en el amperímetro. Cuando use este instrumento para medir corrientes continuas, asegúrese de conectarlo de modo que la corriente entre en la terminal positiva del instrumento y salga en la terminal negativa. Idealmente, un amperímetro debe tener resistencia cero de manera que no altere la corriente que se va a medir. Esta condición requiere que la resistencia del amperímetro sea pequeña comparada con R, + R2. Puesto que cualquier amperímetro tiene siempre alguna resistencia, su presencia en el circuito reduce ligeramente la corriente respecto de su valor cuando el amperímetro no está presente. Amperímetro de bobina móvil. La bobina móvil, teniendo en cuenta su delicada construcción, no puede conducir más que una pequeña fracción de amperío. Para valores mayores, la mayor parte de la corriente se hace por una derivación, o shunt, de baja resistencia en paralelo con el instrumento. La escala, sin embargo, se calibra generalmente para leer en ella la corriente total 1, aun cuando la corriente I, que pasa por la bobina sea sólo de unos cuantos miliamperios. El shunt típico, consiste en una o más tiras de aleación de resistencia soldadas a bloques termínales de latón; el cable se atornilla a éstos, suministrándose los tornillos necesarios. Las tiras se hacen a menudo de manganina que tiene un bajo coeficiente de temperatura. También, aunque no está representado en la figura, es útil conectar un resistor de recarga de coeficientes de temperatura despreciable, en serie con la bobina. De este modo, la distribución de corriente entre el instrumento y la derivación es afectada muy poco por la temperatura. Otra posible fuente de error se debe a la corriente termoeléctrica establecida en el circuito local por una diferencia de temperatura entre los extremos de la derivación, que podría originarse por un calentamiento desigual de las conexiones con el cable. La manganina es también apropiada en este respecto, debido a su baja f.e.m. termoeléctrica con el latón. Aunque la resistencia de la derivación para grandes corrientes es menor que para las pequeñas, la potencia absorbida es mayor, debido a que es proporcional al cuadrado de la corriente y a la resistencia. Para corrientes pequeñas la derivación se acomoda por lo general dentro de la caja del instrumento. Para corrientes intensas el gran tamaño necesario para una adecuada disipación del calor hace necesario el montaje externo, lo que tiene la ventaja que el instrumento puede encontrarse lejos de la derivación, incluso en un cuarto separado.
Voltímetro: El voltímetro es un aparato que mide la diferencia de potencial entre dos puntos. Para efectuar esta medida se coloca en paralelo entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. La diferencia de potencial se ve afectada por la presencia del voltímetro. Para que este no influya en la medida, debe de desviar la mínima intensidad posible, por lo que la resistencia interna del aparato debe de ser grande. Como rV es conocida, la medida de la intensidad I, permite obtener la diferencia de potencial. La resistencia serie debe de ser grande, para que la intensidad que circule por el voltímetro sea despreciable. Se puede cambiar de escala sin mas que cambiar la resistencia serie. Un dispositivo que mide diferencias de potencial recibe el nombre de voltímetro. La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en el circuito puede medirse uniendo simplemente las terminales del voltímetro entre estos puntos sin romper el circuito. La diferencia de potencial en el resistor R2 se mide conectando el voltímetro en paralelo con R2. También en este caso, es necesario observar la polaridad del instrumento. La terminal positiva del voltímetro debe conectarse en el extremo del resistor al potencial más alto, y la terminal negativa al extremo del potencial más bajo del resistor. Un voltímetro ideal tiene resistencia infinita de manera que no circula corriente a través de él. Esta condición requiere que el voltímetro tenga una resistencia que es muy grande en relación con R2. En la práctica, si no se cumple esta condición, debe hacerse una corrección respecto de la resistencia conocida del voltímetro. Voltímetro de bobina móvil. La mayoría de los voltímetros no miden la d.d.p. com tal, sino que toman una pequeña corriente de operación proporcional a aquélla; pueden considerarse por tanto como miliamperfmetros de alta resistencia, calibrados en voltios. En un instrumento de bobina móvil, no es posible hacer la resistencia de la bobina suficientemente grande, por lo que se conecta en serie con la bobina un resistor R de eureka o de otra aleación de alta resistencia, con un despreciable coeficiente de temperatura; a esta resistencia se le llama a veces un resistor de multiplicación o multiplicador, porque permite leer en el instrumento un alto voltaje V, con sólo un bajo voltaje V, aplicado a través de la bobina. Por lo general, el multiplicador se monta dentro de la caja del instrumento, pero puede estar afuera si la gama de medidas es muy grande.
Multímetro: a un mismo galvanómetro se lo puede equipar con resistencias (de derivación y adicionales), de valores adecuados y disponer así de un voltamperímetro de alcances múltiples o multimetro.
INSTRUMENTOS QUE SE BASAN EN EL MÉTODO DE CERO TENSIONES.
Puentes de CC Básicamente un puente de medición es una configuración circuital que permite medir resistencias en forma indirecta, a través de un detector de cero. Los puentes de corriente continua tienen el propósito de medir resistencias, de valores desconocidos, utilizando patrones que sirven para ajustar a cero (equilibrio del puente). La configuración puente consiste en tres mallas. Se disponen de cuatro resistencias, entre ellas la desconocida, de una fuente de corriente continua y su resistencia interna, y un galvanómetro.
Puente de Wheatstone Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado puente de Wheatstone. Este circuito consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que fluyen por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el flujo de corriente por el galvanómetro. Se utilizan puentes de este tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de circuitos. Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas. Los puentes de este tipo suelen denominarse puentes de corriente alterna, porque se utilizan fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. frecuencia de la fuente de corriente alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningún tono. El puente de Wheatstone tiene cuatro ramas resistivas, una fuente de f.e.m (una batería) y un detector de cero (el galvanómetro). Para determinar la incógnita, el puente debe estar balanceado y ello se logra haciendo que el galvanómetro mida 0 V, de forma que no haya paso de corriente por él.
Puente de doble de Kelvin El puente Kelvin es una modificación del puente Wheatstone que puede ser utilizada para la medida de las resistencias de pequeño valor, por debajo de 1.
Puentes de CA Se utilizan puentes de este tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de circuitos. Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas. Los puentes de este tipo suelen denominarse puentes de corriente alterna, porque se utilizan fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. A menudo los puentes se nivelan con un timbre en lugar de un galvanómetro, que cuando el puente no está nivelado, emite un sonido que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningún tono. Los puentes de corriente alterna son más versátiles y en consecuencia tienen más aplicaciones que los puentes de C.C. Se usan en medidas de resistencias en C.A., inductancia, capacidad e inductancia mutua, en función de patrones conocidos y relaciones conocidas de elementos.
Puente de Maxwell Este puente de C.A. se utiliza para medir una inductancia desconocida en términos de una capacitancia conocida. Una de las ramas de relación tiene una resistencia y una capacidad en paralelo
Puente de Hay Como primera característica de este puente, se puede mencionar su utilización para la medición de inductancias. A primera vista este puente no difiere demasiado de su equivalente de Maxwell, salvo que en esta ocasión el capacitor C1 se conecta en serie con la resistencia R1, por lo tanto para ángulos de fase grandes la resistencia R1 debe tener un valor muy bajo. Es esta pequeña diferencia constructiva la que permite su utilización para la medición medición de bobinas de Q alto (Q>10).
Puente de Owen El puente Owen es ampliamente utilizado para la medición de inductores, más precisamente para aquellas inductancias con factor de calidad bajos (Q<1).
Puente de Schering S chering El puente de Schering se utiliza para la medición de capacitores, siendo de suma utilidad para la medición de algunas de las propiedades de aislamiento (tg ) , con ángulos de fase muy cercanos a 90°.
Puente de Wien. Un circuito puente de CA, en el que una rama consta de una resistencia y una capacitancia en serie, y la contigua de una resistencia y una capacitancia en paralelo, siendo las dos ramas restantes puramente resistivas. El puente indicado en la figura se usa para medida de capacitancias en términos de resistencia y frecuencia.
TRANSFORMADORES DE MEDICÓN Existen dos transformadores especiales que se usan con los sistemas de potencia para mediciones. Uno es el transformador de potencia y el otro, es el de corriente.
Los transformadores de corriente son aquellos que se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Los valores nominales de los transformadores de corriente se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser 600 / 5, 800 / 5, Los tipos de transformadores de corriente pueden ser: 1000 / 5. Los valores nominales de los transformadores de corriente son de 5 A y 1 A. y
y
y
y
Tipo primario devanado: Consta de dos devanados primarios y secundarios totalmente aislados y montados permanentemente sobre el circuito magnético. Tipo barra: Es similar al tipo primario devanado, excepto en que el primario es un solo conductor recto de tipo barra. Tipo toroidal (ventana): Tiene un devanado secundario totalmente aislado y montado permanentemente sobre el circuito magnético y una ventana a través de la cual puede hacerse pasar un conductor que proporciona el devanado primario. Tipo para bornes: Es un tipo especial toroidal proyectado para colocarse en los bornes aislados de los aparatos, actuando el conductor del borne como devanado primario.
El Transformador de Potencial es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. incorporados. Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de qué tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial. Estos transformadores se construyen para todas las tensiones de circuitos normalizados. Normalmente son de tipo seco o moldeado para tensiones inferiores a 23 kV y en baño de líquido para tensiones superiores.
MEDICIÓN DE POTENCIA Y ENERGÍA E NERGÍA EN SISTEMAS TRIFÁSICOS Potencia Eléctrica La potencia es una magnitud física que representa la capacidad para realizar un trabajo, o lo que es lo mismo, la cantidad de trabajo realizada en cada unidad de tiempo. Con carácter general podemos que, la potencia eléctrica de un circuito se corresponde con el producto de los valores de la tensión existente en sus extremos multiplicado por la intensidad de la corriente que lo recorre. La unidad empleada para su representación es el vatio y se representa por la letra P. El factor de potencia, o , es una función del desfase de la intensidad en relación a la tensión. Su valor puede oscilar entre 0 y 1. En un circuito puramente resistivo la tensión y la intensidad se encuentran en fase y el valor de la magnitud en este caso es igual a la unidad. En un circuito en el que existan inductancias y o condensadores, se producirá un desfase entre la tensión y la intensidad, adelantándose o retrasándose ésta respecto de la otra. Este desfase lo definirá el factor de potencia y oscilará como se ha dicho, entre 0 y 1. La existencia de inductancia, provoca un desfase por retraso entre la intensidad y la tensión. Por el contrario en el caso de presencia de condensadores en el circuito, se produce igualmente un desfase pero en este caso la intensidad está adelantada respecto de la tensión. La potencia activa, reactiva y aparente están relacionadas. Las consecuencias de un mal , se traducen en un mal aprovechamiento de las líneas, ya que la potencia perdida por el efecto Joule es importante. Para compensar estas pérdidas las compañías eléctricas penalizan las instalaciones con un bajo coseno de phi, mediante recargos en la facturación. Para el usuario además es igualmente desventajoso ya que le obliga a sobredimensionar las líneas por encima de sus necesidades. La manera de mejorar el es colocando en la instalación baterías de condensadores para compensación capacitaba de los efectos inductivos que se producen en los receptores. e xpresa en vatios y fórmula: Potencia activa (P): En corriente alterna se expresa
Siendo: V la tensión eficaz, I la intensidad eficaz y
el factor de potencia.
Potencia reactiva (Q): En corriente alterna se expresa en voltiamperios reactivos y fórmula:
Siendo: V la tensión eficaz, I la intensidad eficaz y tensión e intensidad.
el ángulo de desfasaje entre
Potencia aparente (S): En corriente alterna se expresa en voltiamperios y fórmula:
Estas tres potencias señaladas señaladas se encuentran relacionadas, relacionadas, pudiéndose formular:
Consumida por cualquiera de las partes de un circuito la potencia se mide con un vatímetro, un instrumento que tiene su bobina fija dispuesta de forma que toda la corriente del circuito la atraviese, mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante de la bobina móvil depende tanto de la corriente como del voltaje y puede calibrarse directamente en watts, ya que la potencia es el producto del voltaje y la corriente.
Medición de Energía Eléctrica La importancia de realizar la medición de energía eléctrica, estriba en el hecho de que esta no se puede almacenar, por lo que se hace necesario tener una medición exacta en los consumos de energía, esto se puede lograr con la ayuda de un medidor llamado contador de servicio, es un dispositivo que mide la energía total consumida en un circuito eléctrico doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en que la bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia consumida. El eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de indicadores que registran el consumo total. La medición de energía eléctrica por medio de medidores es la forma más sencilla y confiable, debido a las características propias de los equipos de medición que se componen de pocos elementos eléctricos. La gran variedad de medidores nos permite medir todo tipo y forma de señales, se pueden realizar mediciones residenciales, industriales, en subestaciones eléctricas y en plantas generadoras de energía eléctrica. De acuerdo a las necesidades y cantidad de energía medida, será el tipo y modelo de medidor que se requiere, así, para servicio residencial se emplean los de tipo electromecánico, cuyo principio de funcionamiento es el motor de inducción; de igual forma para servicio industrial es muy conveniente realizar mediciones con medidores auto contenidos electromecánicos y digitales.
MEDICIONES MEDICIONES DE VARIA V ARIABLES BLES MAGNÉTICOS Los estudios cuantitativos del magnetismo comienzan cuando se establece que la fuerza entre polos magnéticos obedece a la ley inversa de los cuadrados de la distancia, similarmente como ocurre con la fuerza entre cargas eléctricas. Pronto se establece que los polos magnéticos, Norte y Sur, no pueden separarse como mono polos magnéticos , como ocurre con con las cargas eléctricas. En el año 1820, el físico físico ± químico químico Christian
Oersted establece una relación entre magnetismo y cargas móviles, al descubrir que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica que circula por un cable, de tal tal manera que André André Ampere idea una teoría que argumentaba que las propiedades magnéticas de todas las sustancias eran debidas a la circulación de corrientes eléctricas ultra microscópicas. En la actualidad, se conoce bien que las propiedades magnéticas de las sustancias se deben a tales corrientes. Estas se conocen como corrientes de Ampère y se deben principalmente al spin de los electrones. Biot y Savart establecen una relación que permite obtener campos magnéticos a partir de corrientes eléctricas, el campo así creado se conoce como inducción magnética, y la expresión matemática es la siguiente:
La fuerza magnética que experimenta una carga eléctrica una velocidad, está dada por la ecuación:
q
en movimiento con
Las corrientes eléctricas están constituidas por muchas partículas cargadas en movimiento a lo largo del conductor. Por tanto, si el conductor se encuentra sumergido en un campo magnético, todas las partículas que forman la corriente experimentan una fuerza. Esta fuerza se traduce en una fuerza neta sobre el conductor. La expresión de fuerza que ejerce un campo magnético sobre un conductor de corriente, se expresa por:
Después de una serie de experimentos sin éxito, Michael Faraday Faraday dice que se observan efectos eléctricos a partir del campo magnético siempre que algo esté variando, este fenómeno observado lo denomina fuerza electromotriz inducida Estos efectos quedan formalizados en la ley de Faraday y Lenz , que establece que: "la fem inducida por variaciones de flujo magnético tiene un sentido que se opone siempre a la causa que lo produce", y se e xpresa matemáticamente como:
Nótese que también se puede obtener el flujo magnético conociendo la fem inducida, mediante la integración de la ecuación anterior:
