Laboratorio de Análisis de Circuitos Eléctricos 2- 2016A
GUIA DE LABORATORIO No. 3. 1 TEMA:
MEDICIÓN DE LAS REACTANCIAS INDUCTIVA, CAPACITIVA Y LA IMPEDANCIA TOTAL.
1.1
OBJETIVOS a) Determinar experimentalmente las impedancias inductivas, capacitivas y totales de circuitos serie R-L, R-C e R-L-C mediante la relación de tensión e intensidad de corriente en los elementos pasivos de los circuitos de corriente alterna. b) Demostrar la forma fasorial de la tensión y corriente como forma de representación de las impedancia de un circuito de corriente alterna. c) Demostrar las formas de representación de las impedancia total, inductiva y capacita. d) Dominar y manejar el osciloscopio para analizar e interpretar las señales obtenidas en cuanto a medición de tensión, frecuencia, desfase, periódo, etc.
1.2
MARCO REFERENCIAL
El resistor es aquel elemento de un circuito eléctrico que se opone al paso de la corriente alterna, y es directamente proporcional al valor de su resistencia. Si la corriente que circula por el resistor tiene la función: i (t ) I m cos t La tensión en la resistencia en dominio temporal es v(t ) R i(t ) R I m cos t en forma fasorial: V R I m R I
El Inductor es aquel elemento de un circuito eléctrico que se opone al paso de la corriente alterna, y es directamente proporcional al valor de la inductancia y de la frecuencia de la red a la que está conectado dicho elemento. La tensión a través del inductor en el dominio temporal es v(t ) L
di dt
L I m sen t
Representando la tensión en función coseno v(t ) L
di dt
L I m cos t 90 o
En forma fasorial j 90 L I me j e j 90 j L I m j L I V L I me o
ó a través de la reactancia inductiva V j X I L
Moisés Carlos Tanca Villanueva, Dr. Ing.
o
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donde 2 f - velocidad angular.
El capacitor es aquel elemento pasivo de un circuito eléctrico que se opone al paso de la corriente alterna, y es inversamente proporcional al valor de su capacidad y de la velocidad con que suceden los procesos de carga y descarga, a la frecuencia de la red a la que está conectado dicho elemento. Si la tensión es v(t ) Vm cos t la corriente a través del capacitor en el dominio temporal es i (t ) C
dv dt
C Vm sen t
Representando la corriente en función coseno i (t ) C
dv dt
C Vm cos t 90 o
La corriente en el capacitor en forma fasorial j 90 I C Vme C Vme j e j 90 j C Vm j C V o
o
Ahora, la tensión en el capacitor en forma fasorial y por medio de la reactancia capacitiva resulta V
1 j C
I j X C I
Tabla 1: Resumen de relaciones de tensión y corriente en elementos pasivos
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Tabla 2. Impedancia y admitancia
Impedancia total es aquel elemento de un circuito eléctrico que se opone al paso de la corriente alterna, y está compuesto del valor de la resistencia, reactancia inductiva y capacitiva. 2
1 Z R 2 f L (Ohmios ) 2 f C El ángulo de desfasaje que presenta el circuito serie R-L-C será 2
1 2 f L 2 f C 1 tg R
(radianes)
2.1. PRE-LABORATORIO.- realizar las siguientes cálculos y la simulación mediante programas de cálculo y de simulación (MATHCAD, MATLAB, Scilab, PSIM, etc.) Una circuito de corriente alterna está conectada a una fuente de alimentación que tiene una corriente i(t)=8cos(120πt - 20o) A, cuando la tensión aplicada es v(t)=156cos(120πt + 10o) V. a) Determinar el diagrama fasorial de las señales y calcular el ángulo de desfase entre las señales. b) Calcular el valor eficaz, valor promedio y el valor pico a picos de la ondas antes mencionas. c) Hallar la potencia aparente y el factor de potencia de la carga. d) Determine los parámetros de la impedancia del circuito de carga en forma polar, rectangular y exponencial. 1.3
MATERIALES, INTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y EQUIPOS
Los siguientes dispositivos, equipos, instrumentos y materiales serán solicitadas oportunamente por el estudiante de turno al encargado para la realización de la práctica: Ítem Cantidad Descripción Código 1 1 Regulador de tensión monofásica (variac) 220 V, 4 A 2 1 Amperímetro analógicos de c.a. 5 A, 10 A. 3 4 Voltímetro de c.a. de 150 V, 300V 4 1 Frecuencímetro de 220 V 5 1 Osciloscopio de 2 canales y sus 2 sensores de tensión 6 1 Reóstato o resistencia de 0-42Ω, 5 A 7 Capacitor electrolítico de 20 uF, 600V 8 1 Multímetro digital para verificación de circuitos 9 1 Kit de cables flexibles 1x14 AWG ó 2.5 mm2 10 1 Inductor de potencia de 500mH. 1.4
PROCEDIMIENTO
a) Circuito de impedancia inductiva
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Previamente seleccionar y medir con medidor LCR un resistor y un inductor sus parámetros constantes (valores teóricos). R [Ω]
L [mH]
f [Hz]
X L [Ω]
ZL [Ω]
ϕL [grados]
Luego armar el circuito de la figura con un resistor de R y un inductor tener cuidado de dichos elementos soporten la tensión de 110 V y corrientes menores de 4 A.
Energizar el circuito hasta 110 V y registrar juego de 8 lecturas de los instrumentos: No. V [V] I [A] VR [V] VL [V] Rexp [Ω] f [Hz] XexpL [Ω] ZexpL [Ω] ϕexpL [grados] 1 2 3 4 5 6 7 8 Y a través de las relaciones determinar los valores experimentales:
R exp
VR I
(Ohmios)
XL
VL
Z exp
Rexp X L
I 2
(Ohmios) 2
X exp L R exp
exp tg 1
b) Circuito de impedancia capacitiva Previamente seleccionar y medir con medidor LCR un resistor y un capacitor sus parámetros constantes (valores teóricos). R [Ω]
C [uF]
f [Hz]
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XC [Ω]
ZC [Ω]
ϕC [grados]
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Luego armar el circuito de la figura con un resistor de R y un capacitor tener cuidado que dichos elementos soporten la tensión de 110 V y corrientes menores de 4 A.
Energizar el circuito hasta 110 V y registrar juego de 8 lecturas de los instrumentos: No. V [V] I [A] VR [V] VC [V] Rexp [Ω] f [Hz] XexpC [Ω] ZexpC [Ω] ϕexpC [grados] 1 2 3 4 5 6 7 8 Y a través de las relaciones determinar los valores experimentales:
R exp
VR I
(Ohmios)
XC
VC
Z exp
Rexp X C
I 2
(Ohmios) 2
X exp C R exp
exp tg 1
c) Impedancia total de un circuito Armar el circuito en serie de la figura con un resistor de R, un inductor L y un capacitor C tener cuidado que dichos elementos soporten la tensión de 110 V y corrientes menores de 4 A. Energizar el circuito RLC hasta 110 V y registrar juego de 8 lecturas de los instrumentos: No. V I VR VL VC R exp XexpL XexpC ZexpT ϕexpT [V] [A] [V] [V] [V] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [grados] 1 2 3 4 5 6 7
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8 Circuito RLC de corriente alterna
1.5
1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6
1.6
1.6.1 1.6.2 1.7
CUESTIONARIO PARA LA DISCUSIÓN DE RESULTADOS
A escala adecuada dibuje el diagrama fasorial de tensión y corriente total para los datos registrado en fila No. 1de cada uno de los circuitos: RL, RC y RLC. De los parámetros de las admitancia de cada uno de los circuitos ensayados RL, RC y RLC. De qué magnitudes variables y constructivas depende la reactancia de un inductor? De qué magnitudes variables y constructivas depende la reactancia de un capacitor? ¿De algunos ejemplos de circuitos RL, RC y RLC en los sistema de potencia e industria? De una breve explicación de sus aplicaciones. ¿Porqué es importante que el ángulo de desfase de una impedancia total sea de valor más pequeño posibles para aplicaciones industriales?. Fundamente su respuesta. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA
Defina el fenómeno de la resonancia en circuitos eléctricos serie RLC. Como varia la inductancia y capacitancia a mayor frecuencia. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
Plantea en forma personal clara y concisa de un mínimo de cinco (5) conclusiones de la experimentación. Plantea en forma personal y clara de un mínimo de tres (3) observaciones para mejorar la experiencia de las práctica de estas pruebas. 1.7.1
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Al final de todo documento o informe técnico se hace referencias a la bibliografía de consulta empleada y la normalización respectiva. Dar las referencias bibliográficas de su informe de la práctica como en el ejemplo siguiente. [1] Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku, “Fundamentos de circuitos eléctricos", McGraw Hill, 3ra. edición, 2006. [2] Cesar Castillo C. "Guía de laboratorios de Redes 2", Edición propia, 2013. ANEXO
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