ESCUELA POLITECNICA NACIONAL AREA DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS, CONTROL Y CIBERNÉTICA
LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS
PREPARATORIO DE: Tecnología Eléctrica
X
Análisis de Circuitos Eléctricos I Análisis de Circuitos Eléctricos II Práctica #:8 Tema: MEDICIÓN DE POTENCIA Realizado por: Alumno (s):
Javier Carrera Ortiz
Grupo:
W8TE-G5
(Espacio Reservado) Fecha de entrega: ____ / ____ / ____ año
mes
f. ______________________
día
Recibido por:
Sanción:
Semestre:
Oct - Mar Mar - Ago
x 2009-2010
VATÍMETRO
Se emplea en el mecanismo del electro dinamómetro como censor en la gran mayor parte de los instrumentos de los instrumentos medidores de baja frecuencia (menos de 400Hz). Los instrumentos tipo dinamómetro se pueden fabricar para medir la potencia promedio disipada en una carga, el factor de potencia o la potencia reactiva en un circuito. Pueden medir esas cantidades aún cuando las ondas a medir no sean senoidales. Esto permite que sean empleados para medir la potencia en los circuitos de cd así como en otras aplicaciones donde la onda no sea de forma senoidal. Se vio, cómo se conectan las bobinas del mecanismo de dinamómetro de modo que pudieran emplearse para medir corrientes y voltajes de ca. Se empleó una conexión en serie, y la misma corriente fluía tanto en los devanados estacionarios como en los giratorios. En el wáttmetro de dinamómetro, las bobinas estacionarias y la bobina giratoria del movimiento se conectan de manera distinta. La corriente que proviene de la fuente de potencia, i c, se hace pasar a través de las bobinas estacionarias, conectándolas así en serie con la carga. (A estas bobinas también se las llama bobinas de corriente o devanados de campo) La bobina móvil (bobina giratoria) tiene una resistencia alta R conectada en serie con ella. Esta bobina y la resistencia se conectan a través de la carga. A la rama de la bobina móvil también se le llama la rama del voltaje y pasa por ella una corriente pequeña i p (generalmente de 10 a 50 mA). La corriente en las bobinas estacionarias establece un campo magnético en el espacio entre ellas, que es proporcional a i c. La corriente en la bobina móvil es proporcional al voltaje a través de la caga (i p ≈ VL/R). Como la bobina móvil está localizada en el espacio entre las bobinas de campo, i p interactúa con su campo magnético y hace que gire la bobina móvil. Como se define la potencia en cualquier momento como P =V x I El par desarrollado en la bobina móvil es proporcional a la potencia instantánea.
A frecuencias mayores que algunos Hertz, la inercia de la aguja es demasiado grande para seguir las variaciones de p. En lugar de ello, la aguja toma una posición proporcional al promedio de v * i. Se calibra a esta posición para indicar la potencia promedio P.
En el amperímetro de dinamómetro, la corriente i era igual en ambas bobinas, de modo que la deflexión era proporcional al promedio de i 2. En el wáttmetro de dinamómetro, las corrientes en las dos bobinas son distintas, y la deflexión es proporcional al promedio de v * i.
El wáttmetro de dinamómetro tiene cuatro terminales externas a las que se debe conectar para medir la potencia. Dos de ellas se llaman terminales de voltaje y las otras dos se llaman terminales de corriente. Las terminales de corriente son las conexiones de las bobinas estacionarias, mientras que las terminales de voltaje se conectan a la rama de la bobina giratoria. Una terminal de cada tipo se marca ±. Es necesario conectar al terminal ± de corriente y al terminal ± de voltaje al mismo conductor de línea de corriente de entrada. De este modo, las bobinas estacionarias y la móvil estarán aproximadamente al mismo potencial. (Porque el valor de la resistencia en serie R de la rama de voltaje es mucho mayor que la resistencia de la bobina de voltaje, la mayor parte de la caída de voltaje a través de la rama de voltajes se origina en R) Entonces, no existirá campo eléctrico entre las bobinas estacionarias y de movimiento. Un campo eléctrico se originará entre las bobinas de voltaje y de corriente si están a potenciales diferentes. La fuerza de atracción podría restringir un poco la rotación de la bobina y producir indicaciones erróneas. VATIHÓMETRO El vatihómetro no suele hallarse en los laboratorios, pero se utiliza generalmente en la medición comercial de energía eléctrica. Es evidente que en cualquier lugar una compañía de electricidad suministra esta energía a los consumidores industriales o domésticos. En la figura se muestran los elementos principales de un vatihómetro monofásico.
La bobina de corriente se conecta en serie con la línea, y la bobina de voltaje se conecta a través de la línea. Ambas bobinas son devanadas en un marco metálico de diseño especial, con lo que se tienen dos circuitos magnéticos. Un disco de aluminio ligero se suspende en el entrehierro del campo de la bobina de corriente, el cual produce corrientes inducidas que circulan en el disco. La resistencia de las corrientes inducidas y el campo de la bobina de voltaje crean un par (acción de motor) en el disco, haciendo que éste gire. El par desarrollado es proporcional a la intensidad de campo da la bobina de voltaje y a las corrientes inducidas en el disco, las cuales son funciones de la intensidad de campo de la bobina de corriente. El número de vueltas del disco es proporcional a la energía consumida por la carga en un determinado tiempo y se mide en términos de kilo watts-hora (Kwh.). El eje que soporta al disco de aluminio se conecta por medio de un arreglo de engranes en un mecanismo de relojería situado junto a la carátula del medidor; esto proporciona una lectura calibrada en forma decimal del número de Kwh. Dos pequeños imanes permanentes proporcionan el amortiguamiento del disco. Cuando el disco gira, dichos imanes inducen corrientes. Esas corrientes inducidas por los campos magnéticos de los pequeños imanes permanentes amortiguan el movimiento del disco. Un watthorímetro monofásico típico se presenta en la figura.
La calibración de un watthorímetro se realiza en condiciones de plena carga y al 10% del régimen de carga. A plena carga, la calibración consiste en ajustar la posición de los pequeños imanes permanentes hasta que el medidor dé lecturas correctas. Con cargas muy ligeras, la componente de voltaje del campo produce un par que no es directamente proporcional a la carga. La compensación del error se efectúa insertando una bobina auxiliar del arranque o un plato sobre una porción de la bobina de voltaje, con el medidor operando al 10% del régimen de la carga. La calibración del medidor bajo esas dos condiciones proporciona lecturas satisfactorias con las demás cargas.
El watthorímetro de eje flotante utiliza un diseño único para sostener el disco. El eje en rotación tiene un pequeño imán en cada extremo. El imán superior es atraído por otro imán en el rodamiento superior; el imán inferior del eje es atraído por otro en el rodamiento inferior. De esta forma el movimiento flota sin tocar ninguna superficie de los rodamientos, y el único contacto con el movimiento es la conexión del eje con el tren de engranajes del mecanismo reloj que iniciará la medición. de conexión del vatímetro, errores cometidos y las condiciones de la carga para usar adecuadamente el vatímetro en cada una de ellas. FORMAS DE CONEXIÓN DEL VATÍMETRO Formas de Conexión del Vatímetro. Un vatímetro se puede conectar a una carga de dos formas diferentes, presentadas en las Figuras 3a y 3b respectivamente.
Fig. 3a
Fig.3b
En el circuito de la Figura 3.a, la corriente que circula por la bobina de corriente es la misma que circula por la carga R, pero el voltaje entre los extremos de la bobina de voltaje es igual a la suma del voltaje entre los extremos de la bobina de corriente más el de R. La representación esquemática de esta forma de conexión del vatímetro se muestra en la Figura 3.b. En esta configuración, la potencia medida por el vatímetro es igual a la suma de la potencia disipada por la carga más la potencia disipada por la bobina de corriente. La medición será más exacta cuanto mayor sea la carga R con respecto a la resistencia interna de la bobina de corriente. Las bobinas de corriente tienen resistencias cuyos valores se encuentran alrededor de los 0,1 W.
Fig. 4a
Fig. 4b
En el circuito de la Figura 4.a, el voltaje entre los extremos de la bobina de voltaje es igual al de la carga R, pero la corriente que circula por la bobina fija es la suma de la
corriente por R más la corriente por la bobina móvil. La representación esquemática de esta forma de conexión del vatímetro se muestra en la Figura 4.b. En este caso, la potencia medida por el vatímetro es igual a la suma de la potencia disipada por la carga más la potencia disipada por la bobina de voltaje. La medición será más exacta cuanto mayor sea la resistencia de la bobina de voltaje con respecto a la resistencia R. Las bobinas de voltaje tienen resistencias del orden de 6 a 12 KW, esto es, no presentan resistencias internas muy altas. Por lo que en general, las mediciones se verán afectadas por un error sistemático debido al efecto de carga producido por la bobina móvil. ERRORES COMETIDOS Aunque se hagan correctamente las conexiones a un wáttmetro de dinamómetro, se tiene un error en las mediciones. Este error se origina por la potencia necesaria para mantener el campo magnético de los devanados estacionarios y la potencia consumida por la caída de voltaje a través de la rama de voltaje. A 5A, la pérdida de potencia por las bobinas de corriente es de unos 0.8W. A 115V, la pérdida de potencia en el circuito de la bobina da voltaje es de aproximadamente 2.9W. Este error es pequeño si se trata de medir grandes potencias, pero puede ser apreciable si las potencias medidas son pequeñas (de 5W o menos). Se puede conectar un wáttmetro de modo que la rama de voltaje quede ya sea antes o después de las bobinas de corriente. Cuando se conecta del modo que se muestra, la rama de la bobina móvil se conecta en el punto A. En esta conexión, la rama de voltaje censa el voltaje real a través de la carga. Sin embargo, el campo magnético de las bobinas de corriente es demasiado grande debido a que algo de la corriente que origina su campo va a la rama de voltaje de la bobina móvil en lugar de ir a la carga. El resultado es la indicación de potencia promedio que es mayor que la potencia real disipada por la carga. Por otro lado, si se conecta la rama de la bobina móvil en el punto B, la corriente de las bobinas de corriente es correcta en este caso. Pero el voltaje a través de la rama de voltajes es demasiado grande, esto es, la rama de voltaje está censando la caída de voltaje de la carga y de las bobinas estacionarias en serie. Así, resulta de nuevo una indicación alta. Para reducir esos errores se pueden emplear dos métodos. El primero es hacer uso de la conexión que dé el menor error y aplicar un factor de corrección a los resultados. Cuando se emplea éste método, pueden resultar útiles las instrucciones siguientes. La conexión de la figura (a) será mejor cuando la corriente es alta y los voltajes a través de la carga son bajos, mientras que la conexión (b) es mejor para las cargas con alto voltaje y baja corriente. La segunda solución es emplear un vatímetro compensado, éste se construye enrollando el conductor que lleva la corriente de la bobina móvil i p de regreso en las bobinas de corriente que conducían originalmente i c = iL + ip. El devanado extra se lleva a cabo en la dirección opuesta al sentido del enrollamiento de las bobinas de corriente. Así, el flujo magnético originado por la corriente en el devanado adicional cancelará la parte del flujo magnético debida al flujo de i p en las bobinas originales de
corriente. Como resultado, el vatímetro compensado elimina los errores mencionados e indica con mucha mayor exactitud los valores bajos de potencia.
CONDICIONES DE LA CARGA PARA USAR ADECUADAMENTE EL VATÍMETRO EN CADA UNA DE ELLAS. En todas las clases de vatímetros hay que procurar que la diferencia de tensión entre las bobinas fijas y móviles sea la mínima posible, a fin de evitar posibles errores que podrían producirse por atracción electrostática entre ellas y, si la diferencia de tensión fuera muy elevada, podría producirse una descarga entre los dos devanados. Ésta en parte puede evitarse con la forma de embornamiento procurando que sea correcta (tal como se índica en las figuras 61, 62, 64. 66, 71 y 75), es decir uniendo siempre que sea posible las entradas de tensión e intensidad, y para los casos en que vayan acoplados a transformadores ver figura 77 quedando de esta forma anuladas las diferencias de tensión, entre ambas bobinas, siendo también muy recomendable su conexión a ti erra cuando el circuito lo permita.
Obsérvese la forma incorrecta de la conexión en la figura 76 en la cual la resistencia queda intercalada antes de la bobina móvil, y por lo tanto, con la diferencia máxima de tensión entre ellas.
BIBLIOGRAFÍA
TIPPENS, Física general, 6ta edición Tecnología Eléctrica, Castejón Agustín & Santamaría germán, editorial Mcgrawhill, 1993. ING. CEVALLOS AUGUSTO, “Hablemos de Electricidad”, Escuela Politécnica
Nacional, Quito – Ecuador.
