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Clase 8

Instrumentos de Imán Permanente y Bobina Móvil (IPBM)

- Aplicaciones –

2

MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica

Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata

Aplicación como Óhmetro

3

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IPBM óhmetro serie

mA

IxE

R Xo

ia RRRRR 210

X=0oR

ExII (max)0

Ix

Si:

La escala del óhmetro serie está invertida respecto a un amperímetro

Supongamos que Ri es despreciable o integrante de R2:

4

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IPBM óhmetro serie

11

1

1

oR

XF

0

0

(max)

R

E

XR

E

I

I

x

xF

F

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PUNTO MEDIO DE DISEÑO DE ESCALA

• La escala está invertida.• La escala es no lineal.• El punto medio de diseño de la escala

es R0

• Se usa para medir resistencias medias - altas (entorno al punto medio de diseño)

Se puede analizar la forma de la escala con el factor “F”:

E

R

X

ri

Ra

5

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IPBM óhmetro paralelo

X=∞aRR

Eaa II

(max)

Ia

Si:

La escala del óhmetro paralelo NO está invertida respecto a un amperímetro

aa

a

a

a

aRXR

XR

XR

XRR

EI

aa

aRRRRX

EXI

a

b

a

ab

aR

UI

XR

XRIU

a

a

TabperoIT

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IPBM óhmetro paralelo

(max)a

a

I

IF • La escala NO está invertida.

• La escala es no lineal.• El punto medio de diseño de la escala es Rp

• Se usa para medir resistencias medias - bajas (entorno al punto medio de diseño)

11

1

1

1

X

pRF

a

aa

RR

E

RRRRX

EX

F

RR

RRR

a

a

p

F

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Se puede analizar la forma de la escala con el factor “F”:

7

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IPBM óhmetros

X

mA R2

R1

E

R

X

ri

Ra

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IPBM óhmetros

Potenciómetro de ajuste

Llave de encendido

Escala no invertidaÓhmetro paralelo

Óhmetro serie

Potenciómetro de ajuste

Escala invertida

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Instrumentos de ImánPermanente y Bobinas Móviles Cruzadas

LOGOMETRO de IPBM(COCIENTIMETRO de IPBM)

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IPBM: Logómetros

SB

Sean dos bobinas móviles solidarias y ubicadas a 90° entre ellas dentro de un campo uniforme:

N

11

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IPBM: Logómetros

F F

f2

f1

2 1

I2

I1

f1

f2

B

F F

f2

f1

2 1

I2

I1

f1

f2

B

1

2

21I

I = tg cosI = sen I

º90

Sean dos bobinas móviles solidarias y ubicadas a 90° entre ellas dentro de un campo uniforme:

senIBlNFf 11111 = sen

cos = cos 22222 IBlNFf

senIGafCm 1111 =

cos = 2222 IGafCm

21 mm CC

En el equilibrio:

21 GG

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IPBM: Logómetros

I1 I2

tgRR

R

UR

U

I

Ix

x

1

2 = tg

U

R Rx

N S

0 20 40 60 800

2

4

6

Rx

• La escala es no lineal.• Se usa para medir resistencias muy altas• La tensión U se genera con un generador

de CC accionado manualmente.

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INSTRUMENTOS DE IMAN

PERMANENTE

Y BOBINA MOVIL

Aplicaciones con efecto Hall

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IPBM efecto Hall

d

iBKK

abHALLheV

...1

APLICACIONES:

MEDICION DE CORRIENTES

MEDICION DE TENSIONES

MEDICION DE POTENCIA

Material conductor o semiconductor

i

a

b

B

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IPBM efecto Hall: Medición de corriente

A

.ab xe K I

d

iBKK

abHALLheV

...1

XIB

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IPBM efecto Hall: Medición de Tensión

XUB d

iBKK

abHALLheV

...1

XU

Xab UKe .

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IPBM efecto Hall: Medición de Potencia

eab

K K B i

dh 1 . . .

U I

Xh Ui

XIB

R2

1R

B

XXab IUKe ..

XU

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INSTRUMENTOS DE IMAN

PERMANENTE

Y BOBINA MOVIL

Aplicaciones con lupa de tensión

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IPBM Lupa de Tensión

Diodo Zener

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IPBM Lupa de Tensión

-Uz

-Iz

Expande al final Expande al principio

1

2

U12 U12

1

2

+

-

+

-

Curva de un Zener en inversa

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Errores SistemáticosInstrumentos de IPBM

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IPBM: Errores Sistemáticos

• Efecto de la temperaturaModificación de la constante motora

-0,02%/ºC

Modificación de la constante elástica

+0,04%/ºC

Variación de la resistencia de la bobina

-0.4%/ºC

C

%

C

%

C

%

C

% 38,04,004,002,0 oooo

CºG

rK

aR

•Estabilidad del imán

•Influencia de los campos magnéticos externos

•Aparición de efectos termoeléctricos

mC

dC

mC

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IPBM: Errores Sistemáticos

34.10Cu C

CMn 610.6

I I s

R s

Ra aICu

Mn

Influencia de la temperatura en la R de la bobina en un amperímetro

'

a a CuR R (1 t)

'

s s MnR R (1 t)

tRRRR Cuaaaa '

tRRRR MnSSSS '

La temperatura influye en Ra y muy poco en Rs si es de manganina

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IPBM: Errores Sistemáticos

R R ra

CCu 310.4

CMn 610.6I I

I a

s I

r

R

Ra

s

aRr 9

tt CuCuRR

R

RR

aa

a

1,09

Si se coloca una “r” adicional de manganina se tiene:

)1()1(' trtRR MnCua

tRRRR Cua '

La variación de resistencia sigue siendo igualPero, si se cumple que:

Algo que era 0.4%/°C

pasa a ser 0.04%/°C

Técnica para minimizar la influencia de la temperatura en la R de la bobina

en un amperímetro

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IPBM: Errores Sistemáticos

(Pero esto produce un aumento del error de inserción)

C

%

C

%

C

%

C

% 38,04,002,004,0 oooo

Kr G Ra

0.04 -0,02

26

Norma IRAM 2325:

“Aislación Eléctrica

Guía para la Evaluación de

su Estado por Mediciones

de su Resistencia”

Aplicaciones de los Óhmetros serie y logómetros de

IPBM en la medición de resistencia de aislación

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Medición de Resistencia de Aislación: Norma IRAM 2325

Definiciones Básicas

Resistencia de Aislación (RA):

Según la norma IRAM 2325 se entiende por Resistencia de Aislación ( RA ) a la

resistencia óhmica que presenta la aislación eléctrica de un equipo o instalación,

al aplicarle una tensión continua de ensayo “E”. El valor de esta resistencia puede variar

apreciablemente desde el instante en el que se aplica la tensión continua “E”, hasta el

instante en que tiende a estabilizarse su valor.

Resistencia de Aislación Instantánea ( RA(t) ):

También se define la Resistencia de Aislación Instantánea ( RA(t) ) como la

resistencia de aislación en un instante “t” posterior a la aplicación de la tensión

continua de ensayo “E”. El valor de (RA(t)) se obtiene de la relación entre la

tensión continua “E” y la corriente total instantánea que toma la aislación.

)(

)(

tT

tAI

ER

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Definiciones Básicas

Corriente Total que toma una Aislación (IT):

Según la norma IRAM 2325 es el valor de la intensidad de corriente eléctrica que se

establece en una aislación al aplicarle una tensión continua de valor “E”.

En el más general de los casos, IT es la suma de cuatro componentes:

Corriente de carga de la capacitancia geométrica: Corriente que toma una

aislación debido a la carga electrostática de la capacitancia geométrica.

qcagT iiiiI

Medición de Resistencia de Aislación: Norma IRAM 2325

gi

Corriente de absorción: Corriente que toma una aislación debido a la polarización

de las cadenas moleculares dentro del material aislante.ai

Corriente de conducción o de fuga: Corriente que toma una aislación debido a la

conducción electrónica e iónica a través de la masa aislante.ci

Corriente de descargas parciales: Componente de la corriente total que toma una

aislación, y que se manifiesta solamente cuando “E” es mayor que la tensión de

aparición de descargas parciales.

qi

TI

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Definiciones Básicas

Corriente de carga de la capacitancia

geométrica

qcagT iiiiI

Medición de Resistencia de Aislación: Norma IRAM 2325

gi

Corriente de absorciónai

Corriente de conducción o de fugaci

Corriente de descargas parcialesqi

)(

)(

tT

tAI

ER

30

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Tabla I

Por esta razón no pueden usarse óhmetros convencionales para medir resistencias de aislación!

Medición de Resistencia de Aislación: Norma IRAM 2325

)(

)(

tT

tAI

ER

31

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Medidores de resistencia de aislación basados

en Logómetros IPBM

R Rx

N S

Poseen generadores de manivela de 500V o 1000V

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Medidores de resistencia

de aislación basados

en óhmetros serie IPBM

Poseen fuentes de alta tensión 250V, 500V, 1000V, etc.

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Probadores Multifunción de Instalaciones Eléctricas

Kyoritsu 6015

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Norma IRAM 2325

(establece 3 métodos

de ensayo para

evaluar el estado

de una aislación)

Ensayo de medición única:

Se realiza aplicando la tensión de ensayo “E” y

se mide RA a los 60 segundos.

El valor de RA se corrige por temperatura para

calcular la RA a 20°C.

El valor de RA corregido a 20°C se compara

con un valor mínimo establecido por norma.

Ensayo de absorción dieléctrica:

Ensayo de saltos de tensión:

Se realiza aplicando la tensión de ensayo “E” y

se mide RA a distintos intervalos de tiempo.

Se calculan ciertos índices y se los compara con

una tabla.

Se aplican tensiones de ensayo “E” crecientes y

se mide RA . Se evalúa la tendencia.

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Norma IRAM 2325: Ensayo de medición única:

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Norma IRAM 2325: Ensayo de medición única:

•Se realiza aplicando la tensión de ensayo “E” (ver Tabla I) y se mide RA a los 60

segundos.

•El valor de RA se corrige por temperatura para calcular la RA a 20°C.

•El valor de RA corregido a 20°C se compara con un valor mínimo establecido

por norma.

RA (20°C, 60s) > RA Mínimo (20°C)

RA (20°C, 60s) < RA Mínimo (20°C)

SI

La aislación es segura

La aislación es deficiente

En la práctica las aislaciones en buen estado tienen valores de RA (20°C, 60s) entre 10 y 100 veces mayores que RA Mínimo (20°C)

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Valores mínimos de Resistencia de Aislación según Norma

Mx

CRMINIMAA 334

1000

132008.0)º20(kVASkVU NN 10002.13

N

N

MINIMAAS

UCCR )º20(

)1(4)20( nMINIMAA UCR][kVUn

Resistencia aislación mínima para máquinas rotantes y máquinas en general:

][ MRA

RA MINIMA (20°C): Resistencia aislación mínima obtenida referida a 20ºC

Ejemplo: Un=380V RA MINIMA(20°C)=4(0.38+1) =

Para transformadores de potencia nominal ≥ 100kVA, se recomienda la siguiente ecuación:

5.5[M ]

Ejemplo:

Ec (1)

La Ec (1) apunta más a garantizar la seguridad que a calificar el estado de la aislación

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Ejemplo:

Medición de resistencia de aislación de una máquina eléctrica

de 380 V por el método de medición única:

RA medida (65ºC)=6M

Supongamos que es un motor trifásico y se encuentra a 65°C.Se lo desconecta y se mide con un medidor de resistencia de aislación de 500 o 1000 V entre una bobina y carcasa, dando por ejemplo 6MΩ.

39

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Ejemplo:

Medición de resistencia de

aislación de una máquina

eléctrica de 380V por el

método de medición única:

Corrección por temperatura-

IRAM 2325

)º65()º65()º20( CACCA RKR

MxRCA 623

)º20(

MRCA 138

)º20(

Corregimos la medida a 20°C con la siguiente ecuación:

40

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RA (20°C) =130M>5.5MΩ

Ejemplo:

Medición de resistencia de aislación de una máquina eléctrica

de 380V por el método de medición única:

)1(4)20()( nmínimaa UCR

MCR mínimaa 5.5)138.0(4)20()(

Conclusión: La aislación de esa bobina es más de 20 veces superior al

mínimo que establece la norma, por lo que está en buen estado y es

seguro el uso del motor

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RA

tºC de Ref.

tºC .

RA (20°C)≈130M

RA(65ºC)=6M

RA

Corrección por temperatura-

Literatura

Ejemplo:

Medición de resistencia de

aislación de una máquina

eléctrica de 380V por el

método de medición única:

También existen ábacos en la literatura que se pueden usar para hacer la misma corrección:

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Norma IRAM 2325: Ensayo de Absorción dieléctrica

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Ensayo de Absorción Dieléctrica

Se realiza aplicando la tensión de ensayo “E” y midiendo a partir del instante

inicial, la RA cada 10s hasta completar el primer minuto.

Los valores obtenidos se grafican en función del tiempo, calculando el valor

de RAD.

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Ensayo de Absorción Dieléctrica

Cumplido el primer minuto se continúa registrando lecturas, ahora cada

minuto hasta completar los 10’.

Con estos valores se traza la gráfica resistencia-tiempo, calculando el valor

de IP.

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Curvas de resistencias-tiempo para un ensayo de absorción dieléctrica con una duración de 60 s

NOTA: La parte de la curva que se indica con líneas de puntos corresponde a valores de RA que no son confiables,

por las dificultades de su medición, ni relevantes para determinar RAD.

Aislación

buena

Aislación

que puede

ser

defectuosa

RAD<1.2

RAD>1.6

35001.17

3000

90002.25

4000

Se evalúa la aislación de acuerdo a la forma de la curva obtenida y a la siguiente

tabla:

Ensayo de Absorción dieléctrica

Valores que se deben

cumplir según Norma

para decidor acerca del

estado de la aislación

Evaluación

con RAD

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Evaluación

con IP

Aislación

Buena

IP>4

Aislación que

puede ser

defectuosa

IP<1.5

Curvas de resistencias-tiempo para un ensayo de absorción dieléctrica con una duración de 10 minutos

9006

150

1101.1

100

Se evalúa la aislación de acuerdo a la forma de la curva obtenida y a la siguiente

tabla:

Ensayo de Absorción dieléctrica

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Norma IRAM 2325: Ensayo de saltos de tensión:

48

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Ensayo de Saltos de Tensión

Se realiza aplicando tensiones de ensayo “E” crecientes y midiendo a partir de

los 30 segundos la RA cada 10s hasta completar el primer minuto.

Los valores obtenidos se grafican.

48

1000V

1000V

2500V

5000V

2500V

5000V

Curvas resistencia-tiempo para el ensayo

con saltos de tensión

49

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Aislación buena

Aislación pobre

Curvas obtenidas con los valores de RA (60 s)

• 1 kV• 2.5kV• 5kV

Ensayo de Saltos de Tensión

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Norma IRAM 2325:

Comparación de mediciones en distintas épocas

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Seguimiento de la RA: Medición de RA en un MOTOR

20,00

26,67

20,00

27,78

20,00

27,22

20,00

27,22

20,56

26,67

20,00

25,56

18,89

26,67

20,00

26,67

19,44

ºC

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Seguimiento de la RA: Medición de RA en un MOTOR

Ejemplo de la variación de RA de un motor en un período de varios años.

En A se pone de manifiesto el efecto de envejecimiento y de la contaminación al observarse

valores decrecientes de RA. En B la caída pronunciada evidencia una falla de la aislación. En

C, se indica el valor de resistencia de aislación después que el motor ha sido rebobinado.

A

B

C

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Seguimiento de la RA: Medición de RA en un MOTOR

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Norma IRAM 2325:

Resistencia de aislación en instalaciones

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Medición de la RA en instalaciones

1

2

3

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Medidores de resistencia de aislación

con borne de guarda

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Cómo y cuándo utilizar el borne GUARD?

EARTH

GUARD

LINE

Muchos medidores de resistencia de aislación poseen un borne “GUARD”

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Cómo y cuándo utilizar el borne GUARD?Ejemplo: Queremos medir RA de un transformador

A B

RAB

RAT RBT

RAB: Resistencia de aislación entre primario y secundario (supongamos que valiera 3000MΩ)

RAT: Resistencia de aislación entre primario y carcasa (supongamos que valiera 100MΩ)

RBT: Resistencia de aislación entre secundario y carcasa ((supongamos que valiera 100MΩ)

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Medición de RA en un Transformador (SIN borne de Guarda)

IT

Earth

Line

Im

A B

RAB = 3000 MΩ

RAT

100 MΩRBT

0 ∞

MΩ

187,5

100 MΩ

60

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Medición de RA en un transformador (SIN borne de Guarda)

0 ∞

MΩ

187,5

61

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Medición de RA en un transformador

( )

( )

(G)CUARDA

LINE

EARTH

62

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Cómo y cuándo utilizar el borne GUARD?

Earth

Line

GuardIG

Im

ITEARTH

GUARD

LINE

63

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Medición de RA en un transformador (CON borne de Guarda)

Earth

Line

Guard

IG

Im

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Medición de RA en un Transformador (CON borne de Guarda)

IT

Earth

Line

GuardIG

Im0 ∞

MΩ

3000

RAT no influye porque queda en paralelo con la

fuente de 500V

RBT no influye porque queda en paralelo con la

con Ra que es << RBT