UCSM
CIRCUITOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS II
Tema: Tema :
Medición de Energía Energía en Instalaciones Instalaciones Eléctricas Eléctricas
I.
Analizar y verificar verificar en forma experimental la m edición de en ergía en circuitos circuitos e léctricos léctricos m onofásico onofásicos s o trifásicos.
Materiales y equipos: equipos:
III.
13.10.11 2/12 VI 1
Objetivos:
II.
Página: Semestre: Grupo:
1 m edidor de energía monofásico. 6 lámpa ras incandescentes incandescentes de 100W. 1 Vatíme Vatímetro. tro. Conductores.
Fundamento Teórico:
Medidor de Energía Las medi ciones de la energía eléctrica que se efectúan efectúan m ediante m edidores o contadores , se utilizan utilizan par para calcular ular el valor de la energía que vende vende al consu mido r la compañía s umin istradora. También se utilizan utilizan para el control control de la energía gastada en las redes, fábricas, etc. Debido a que las relaciones monetarias s e basan s obre las lecturas lecturas de medidores, tanto tanto la producc producción ión como la venta y uso de estos instrumentos están sometidos en todos los países a un estricto control de las oficinas estatales estatales de pesas y medidas. La energía utilizada utilizada o sum inis trada se puede determinar de la manera si guiente: cuando cuando de una línea se recibe una intensidad de corriente i bajo tensión u, donde tanto u como i pueden variar en el tiempo; la potencia instantánea instantánea es p = i • u y la energía A utilizada utilizada entre los instantes t1 y t2 se puede expresar: t 2
A u i dt t 1
La función de un medi dor de energía o contador es s umar e indicar este trabajo trabajo eléctrico que corresponde al consumo de la energía, en forma continua. En consecuencia, la medición de la energía es la medición de la potencia con la simultánea integración en el tiempo y, un medidor o contador de energía es en realidad un vatímetro giratorio giratorio provisto de un dis posi tivo tivo integrador -numerador. Los m ism os principios que s irven irven para construir vatí vatímetros metros valen tambi tambi én para la construcción construcción de medi dores de energía eléctrica; por ejemplo, el vatímetro electrodinám electrodinám ico es el principio de cons trucción trucción dé m edidor de energí energía de corriente continua continua y el vatí vatímetro metro de inducción es la b ase d e construcción del med idor de corriente alterna.
Instrumentos Electrodinámicos Electrodinámicos Dada la impo rtancia y la extensión extensión m undial d e las redes de corriente alterna, la mayor parte parte de m edidores que hoy día se utilizan, utilizan, son medi dores de corriente alterna y concretamente concretamente tipos bas ados en el s istem a de motor de inducción. Los medi dores d e energía energía eléctrica de corriente alterna pueden ser ad aptados para med ir por separado varios varios tipos de en ergía que influyen influyen en la tarifa. La potencia de corriente alterna puede ser repres entada por sus tres componentes: La potencia activa (P), la potencia reactiva (Q) y la potencia aparente (S). de igual manera se distinguen 3 tipos de energía:
Los medi dores de ene rgía se diferencian de los vatímetros por carecer su parte móvil de u n dis posi tivo queorigina un momento antagonista proporcional al ángulo de desviación. En su lugar el rotor de un medidor, que es de rotación continua como el rotor de un motor eléctrico, es frenado por el cam po de un im án perman ente, lo que origina un m omen to opuesto al mom ento propulsor del s istem a motor y que es propo rcional a la velocidad de rotación. Las partes principale s de un m edidor de energía son: (A) el s istem a motriz y (B) el sis tema frenado, los cuales actúan sobre el m ism o rotor y, además , (C) el numerador-integrador, el cual traduce las revoluciones efectuadas por el rotor durante un determinado tiem po, a la cantidad de unid ades de e nergía consumid a. La Figura representa en forma esquem ática el principio de construcción del s iste ma motriz. Esta consta de dos electroimanes 1 y 3, con sus respectivos arrollam ientos de tensión de m uchas es piras y de muy alta inductancia está conectado a la tensión U de la red que alimenta el receptor y el otro, de pocas espiras y de muy baja impe dancia, es tá intercalado en s erie con el receptor. Ambos electroimanes abrazan el rotor 2, que es un disco de alum inio montado en un eje. El electroimá n 1 conectado a la red origina un flujo magn éticoϕ’’ proporcional a la tensión U, y el otro electroimán 3, por el cual se hace circular la corriente del consumidor, origina el flujo magnético ϕ’ proporcional a dicha corriente. Ambos flujos (ϕ’’ y ϕ’) inducen en el dis co las corrientes de Foucault (iDu e IDi), las cuales, conjuntamente con los dos flujos, producen un par m otor Mm proporcional a la potencia que se mide.
El sistema de frenado consiste en un fuerte imán permanente, que abraza el disco-motor del sistema motriz. Durante la rotación del disco e l flujo m agnético del imán ϕi m induce en é l corrientes de Foucault y se produce un par de frenado MF proporcional a la velocidad periférica del dis co.
Mecanismo registrador Como ya se ha m encionado, el medidor de en ergía está provisto de un disp ositivo capaz de sumar las vueltas efectuadas por el dis co proporcionalmente a la energía sum inistrada al consumidor e indicarla en las unidades correspondientes (kWh; MWh). La constante nominal del medidor CN está determinada por la relación de engranajes del num erador, y a ésta se aj usta, durante su contraste, el medi dor de energía.
Existen dos tipos de num eradores en cuanto se refiere a su construcción y en consecuencia a la lectura. Uno denominado numerador de tambor o de disparo y el s egundo, numerador de agujas o de esferas. El primer tipo, o sea el num erador de tambor, es de us o más frecuente y es el tipo que se ut iliza en los paíse s que fabrican instrumentos normalizados. El tipo de esferas está entrando ya en desuso; todavía se utiliza en los países anglos ajones (USA. Canadá. Inglaterra).
Partes componentes:
1_Bobina de tensión. 2_Bobina de intensidad. 3_Imán de frenado. 4_Tornill o de regulaci ón gruesa. 5_Abrazadera. 6_Bloqueo marcha inversa. 7_Angulo marcha inversa. 8_Tornillo para Regulación fina.
Características Principales En la placa de características de un me didor de energía se indi ca: a)
Corriente Nominal (In): corriente para la cual el medidor es diseñado y que sirve de referencia para la realización de en sayos y verificaciones. También s e la conoce com o corriente básica.
b)
Corriente máxima (Imáx): es la intensidad límite, es decir, el máximo amperaje que puede ser conducido en régimen permane nte por la corriente del medidor, sin que s u error porcentual y temperatura admis ible s ean superado s. Es te valor de la corriente límite se indica entre paréntesis detrás de la corriente nominal In(Imax); por ejemplo: 10 (20) A, 10(40) A, 15(60) A,15 (100)A., etc.
c) Tensión nominal: Tensi ón para la cual el medi dor es di seña do y sirve de referencia para la reali zación de pruebas. Se debe indicar que los m edidores electrónicos se dis eñan con un rango de tensión si n que se vea afectado su precisión.
d)
Cons tante del disco (K h): expresada en Wh/revolución, es el número d e vatios -hora correspondien tes a una revolución o vuelta completa del disco. Expresada en revolución/Kwh, es el número de revoluciones correspondiente a un KWh que de be da r el disco. En medi dores electrónicos, es ta constante viene expresada en Wh/pulso.
e) Clase de precisión: Es el valor máximo del error de medición expresado en porcentaje para el cual fue dise ñado el m edidor dentro del rango 10% de corriente nominal y su corriente máxima.
Tipos de Servicio en Baja Tensión o
Servicio monofásico dos hilos Es aquel que s e su mini stra desd e un transformador m onofásico, medi ante dos condu ctores, un activo (fase) y un neutro. Tensión nom inal 120 ó 127 Voltios.
o
Servicio monofásico tres hilos. Es el sum inis trado desde un transformador mono fásico, empleando 3 co nductores, dos activos (fases ) y un neutro (derivado des de el centro del bobinado s ecundario). Tensi ón nomi nal 120/240 Voltios .
o
Servicio bifásico tres hilos Es el suministro desde un transformador trifásico o un banco de tres transformadores monofásicos conectados en es trella (aterrado) en el lado s ecundario, empleand o 3 conductores, do s activos (fases ) y un neutro. Tensión nom inal 120/208 ó 127/220 Voltios.
o
Servicio trifásico cuatro hilos delta. Es el s umini strado des de un ban co de 2 ó 3 transformad ores m onofásicos conectados en triángulo en ellado secundario, em pleando 4 conductores, tres activos y un neutro (éste último derivado del centro del bobinad o secundario de uno de es tos transformado res ), con la restricción de que uno de los conductores activos no podrá ser utilizado para servicio mono fásico. Tensi ón nomi nal 120/240 Voltios.
o
Servicio trifásico cuatro hilos estrella. Es el suministro desde un transformador trifásico o un banco de tres transformadores monofásicos conectados en estrella (aterrado) en el lad o secundario, emp leando cuatro conductores, tres activos y un neutro. Tensión nom inal 120/208 ó 127/220 Voltios.
Ahora s e dis pone d e nuevas tecnol ogías en cuanto a contad ores de energía debi do a que los anteriores eran fácilmente “arreglados” para registren m enos cantidad de energía consum ida que la real . Así como contadores multifunción inteligentes con diferentes tipos d e protección de la ins talación eléctrica.
Aparte de su i nnovador sistem a de telegestió n (para que la comp añía eléctrica pu eda cono cer la medición a distancia), es te nuevo dispos itivo res ulta interesan te porque dará a los clie ntes de forma "casi instantánea" los datos precisos de s u consum o y su coste. "Casi instantánea” significa con unos segundos de diferencia, lo que permitirá a un us uario apagar un equ ipo si d escubre que s e está produciendo un ga sto inútil o aprovecha r la tarifa horaria más barata". Este nuevo tipo de contadores inteligentes es tán siendo ya instal ados e n países como Italia con 31,6 millon esde aparatos ya puestos en hogares y se espera que ayuden a cons eguir un cons umo más eficiente de la ele ctricidad, a la vez que más barato para el consumido r. De hecho, estos aparatos permiten a los us uarios ben eficiarse de la
tarifa eléctrica de último recurso con discrim inación horaria, una tarifa con precios m ás baratos e n determinados tramos horarios que sup one un ahorro de cerca de un 10% en la factura de energía.
Instalación Eléctrica Se le lla ma instalación eléctrica al conjunto de ele mentos que perm iten transportar y distribuir la energía eléctrica, desde el punto de s uministro hasta los equipos que la utilicen. Entre estos elem entos se incluyen: tableros, interruptores, transformadores, bancos de capacitores, dispositivos, sensores, dispositivos de control local o remoto, cables , conexiones , contactos, canali zaciones , y soportes. Las instalacione s eléctricas pueden ser abiertas (conductores visib les), aparentes (en ductos o tubos), ocultas, (dentro de paneles o falsos plafones), o ahogadas (en muros, techos o pisos ).
Elementos que constituyen una instalación eléctrica
o
Básicamente son los siguientes:
Acom etida. Se entiende el punto donde se hace la conexión entre la red, propiedad de la compañía sum inis tradora, y el alime ntador que abastece al usuario . La cometida también se puede entender como la línea aérea o subterránea según sea el cas o que por un lado e ntronca con la red eléctrica dealimentación y por el otro tiene conectado el sis tema de m edición. Ademá s en las terminales de entrada de la cometida normalm ente se colocan apartarayos pa ra proteger la instalación y el equipo de al to voltaje. Equipos de Medición . Por equipo de medición se entiende a aquél, propiedad de la compañía suministradora, que se coloca en la cometida con el propósito de cuantificar el consumo de energía eléctrica de acuerdo con las condiciones del contrato de compra -venta. Este equipo es ta sell ado y debe de s er protegido contra agentes externos, y colocado en un luga r accesible p ara su lectura y revisi ón. Interruptores. Un interruptor es un d ispo sitivo que está dis eñado pa ra abrir o cerrar un circuito eléctrico por el cual es tá circulando una corriente. Arrancador . Se conoce como a rrancador al arreglo compue sto por un interruptor, ya sea termo mag nético de navajas (cuchillas) con fusibl es, un conductor el ectromagnético y un relevador bimetálico. El contactor consis te básicamen te de una bobina con un núcleo de fierro que si erra o abre un juego de contactos al energizar o des energizar la bobina.
Transformador. El transforma dor eléctrico es u eq uipo que s e utiliza para cambiar el voltaje de sumi nis tro al voltaje requerido. En las in stalaciones gran des pueden necesitarse varios niveles de voltaje, lo que se logra instalando varios transformadores (agrupados en subestaciones). Por otra parte pueden existir instalacione s cuyo voltaje sea el m ism o que tiene la acometida y por lo tanto no requieran de transformador. Tableros. El tablero es un gabine te metálico donde s e colocan ins trumen tos con i nterruptores arrancadores y/o dis posi tivos de control. El tablero es un eleme nto auxiliar para lograr una instalación s egura confiable y ordenada.
IV. Procedimiento: V.1. Armar el siguiente circuito
W 1
4 Medidor
220V
3
Lámpara
6
Detalle de la conexión eléctrica para el laboratorio: Bobina de tensión
Bobina de corriente
Conexión interna
2 1
3
4
6
Fase Acometida
Carga
Neutro Contador Monofásico
El conductor de fase entra por el borne Nº 1 y sal e por el borne Nº 6 (estos bornes corresponden internamen te a la bobina d e intensida d), y el conductor neutro entra al contador por el borne Nº 3 y sal e por el borne Nº 4. En los contadores que empl ean las norm as BSS, también s e utiliza el puente metálico entre los born es 1 y 2 y un puente interno entre los bornes 3 y 4 con el fin de facilitar la conexión de la bobina de tensión. La bobina de intensida d está en serie con el conductor de fase.
Se dispondrán consecutivamente desde 1 hasta 6 lámparas incandescentes de 100W en paralelo. Con la ayuda de un m edidor de potencia activa (Vatímetro) compl etar la tabla.
Datos importantes: La Energía experimental e stará dada p or la lectura del Vatímetro mu ltiplicada por el tiempo e n que permanece energizado el sistema:
Eexp P(W ) t ( seg ) La Energía teórica es tará dada por la lectura del medi dor:
E teo
1000 3600 # vueltas
C medidor
Donde :
1000: Es la conversión de KW a W, que es la unidad que obtenemos del Vatímetro. 3600: Conversión a segundos. #vueltas: Número de vueltas del rotor del medidor. C medidor : Constante del medidor: 525 rev Kw hr
*Según la escala del vatímetro habrá un factor por el que deberá mul tiplicarse la lectura obtenida.
Eteo
Eexp
(Watt-seg)
(Watt-seg)
20 571.42
P (W)
t (s)
20 160
160
126
2
3
27 428.58
27 280
220
124
3
4
34 285.71
33 705
315
107
4
5
41 142.00
41 800
380
110
5
6
48 000.00
47 850
435
110
6
7
Tabla.1
#Focos
#Vue ltas
