informe 2 avanzados terminado

INFORME NÚMERO 2

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Circuitos Eléctricos Avanzados

PRESENTADO POR:

Cristian Fabian Romero Rojas

Juan Camilo Arias Avila

Juan Del Mar Garcia Villalba

John Fagua Arias

DOCENTE

INGENIERO. EIDER ALEXANDER NARVÁEZ

Facultad de Ingeniería Eléctrica

BOGOTÁ D.C.

FEBRERO DE 2014

OBJETIVOS

- Determinar experimentalmente el modelo de elementos pasivos (R, L o C o combinaciones) que se conectan en paralelo o en serie cuando son alimentados por una fuente AC de 60 Hz

- Determinar de forma indirecta el desfase en las señales de voltaje y corriente de una red pasiva alimentada por una fuente AC de 60 Hz.

- Medir directa o indirectamente las variables de voltaje, corriente, potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente y factor de potencia de una red pasiva alimentada por una fuente AC de 60 Hz

- Determinar y analizar el cambio en las variables de voltaje, corriente y potencia activa de una red pasiva cuando se corrige el factor de potencia.

MATERIALES

Módulo de cargas y reóstatos (DL 1017) Torrecillas para medidas y maquinas eléctricas (DL 1013M3) Vatímetro Multímetro Cables Pomona Pinza perimétrica Variac Clavija

PROCEDIMIENTO

o Primero que todo se necesita conocer cuáles son las valores de resistencias, condensadores e inductores que maneja el banco de cargas.

o Tener previamente los cálculos teóricos basándose en el valor que se encuentra en el banco de cargas.

o Después se pide en el laboratorio una llave by pass, cables Pomona de tamaño mediano y corto, voltímetro, vatímetro.

o Lo primero que hay que ver es que la máquina de Lorenzo tiene una seguridad que casi siempre esta puesta antes de usarla, dicha seguridad se encuentra en la parte inferior de la maquina se tiene que oprimir un botón para desbloquearla sin no se hace la máquina de Lorenzo no funcionara.

o Se coloca la llave en la ranura ubicada en el costado izquierdo, se le da vuelta y se suben los breakers que están al lado, se habilitan las líneas, se giran las manecillas con los valores que vamos a usar previamente ya calculados.

o Se conecta de la línea de alimentación a cada elemento (resistencia, bobina, condensador) ya sea en serie o paralelo y se le mira la potencia a cada configuración.

o En caso de ser un Varia con el que vamos a trabajar se pide una clavija y el Varia en el laboratorio además de unos cables Pomona se tiene que tener cuidado la conexión que se usa ya que se corre el peligro de quemar el fusible de 5A se conecta el varia al toma corriente y este se conecta a el banco de cargas y se conecta según sean las cargas necesitadas o calculadas anteriormente como hipótesis, se sube la perilla del Variac hasta comenzar los 120 V

o Para el uso correcto del Voltímetro digital se efectúa la diferencia de potencial ha de conectarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida.

o Para la pinza perimétrica Para utilizar una pinza, hay que pasar un solo conductor a través de la sonda, si se pasa más de un conductor a través del bucle de medida, lo que se obtendrá será la suma vectorial de las corrientes que fluyen por los conductores y que dependen de la relación de fase entre las corrientes. Si la pinza se cierra alrededor de un cable paralelo de dos conductores que alimenta un equipo, en el que obviamente fluye la misma corriente por ambos conductores (y de sentido o fase contrarios), nos dará una lectura de "cero".

MARCO TEORICO

Máquina de Lorenzo

DL 1013M3

La máquina de Lorenzo es apta para responder a las exigencias del laboratorio de máquinas eléctricas y al laboratorio de medidas eléctricas: todas las erogaciones son mayores con respecto a las potencias requeridas durante las pruebas de máquinas eléctricas de 1.1 KW y por lo tanto actas para la ejecución de los ejercicios previstos en los cursos de medidas eléctricas.

Tensión de alimentación trifásica 220 V + N y tierra; 50 / 60 Hz En la parte frontal de encuentra un claro sinóptico con el diagrama de conexión.

a. Tensión trifásica variable de o a 240V +N – 8Ab. Tensión trifásica variable de 0 a 440V – 4.5ªc. Tensión trifásica fija de red + N – 16 Ad. Tensión trifásica fija 380V – 4.5ª

DL 1017

Este módulo se compone de una robusta estructura metálica y un panel frontal en lámina barnizada a fuego.

Sobre el panel frontal se encuentran todos los comandos, los bornes de conexión y un claro sinóptico que indica el diagrama de conexiones.

El modulo incluye 6 secciones; carga resistiva, carga inductiva, carga capacitiva, reóstato de arranque para motores CA, reóstato de arranque para motores CC, reóstato de excitación.

Cada una de las secciones está compuesta por tres grupos de valores variables singularmente atreves de un conmutador, con posibilidades de conexión en estrella, a triangulo, y en paralelo.

Se pueden crear diferentes combinaciones en serie o en paralelo con cada uno de los valores disponibles.

VOLTIMETRO

El voltímetro es un instrumento que se utiliza para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. El voltímetro digital indica la tensión en forma numérica en una pantalla de cristal líquido (LCD). Además pueden tener prestaciones adicionales como la memoria, la detección de valor de pico, el verdadero valor eficaz (RMS), y el autorrango entre otras .Como todo instrumento de medida no es perfecto, ya que cuando trabaja toma una pequeña parte de la corriente perturbando el resultado obtenido en un cierto grado .La precisión del instrumento viene dada por el fondo de escala, que da el porcentaje de error del voltímetro digital tiene normalmente un fondo de escala de 1%.

PINZA AMPERIMETRICA

La pinza amperimétrica es un tipo especial de amperímetro que permite obviar el inconveniente de tener que abrir el circuito en el que se quiere medir la corriente para colocar un amperímetro clásico.

El funcionamiento de la pinza se basa en la medida indirecta de la corriente circulante por un conductor a partir del campo magnético o de los campos que dicha circulación de corriente que genera. Recibe el nombre de pinza porque consta de un sensor, en forma de pinza, que se abre y abraza el cable cuya corriente queremos medir.

Este método evita abrir el circuito para efectuar la medida, así como las caídas de tensión que podría producir un instrumento clásico. Por otra parte, es sumamente seguro para el operario que realiza la medición, por cuanto no es necesario un contacto eléctrico con el

circuito bajo medida ya que, en el caso de cables aislados, ni siquiera es necesario levantar el aislante

EL VARIAC

El Variac es un transformador con varios devanados reductores conectados a un conmutador rotativo, con el fin de reducir el voltaje AC desde el devanado primario, esa cualidad lo convierte en una fuente variables de AC la cual es ideal para hacer reparaciones en fuentes conmutadas.

Cuando existe un problema en una fuente de alimentación sobre todo del tipo conmutada, se pone en alto riesgo los componentes electrónicos que la conforman y estos suelen dañarse cuando sus parámetros máximos de operación son excedidos.

Para evitar este inconveniente se suele utilizar el Variac, seleccionando un voltaje intermedio con lo cual la mayoría de las fuentes conmutadas comienzan a funcionar pero sin exceder los límites, ante cualquier situación inusual se procede a disminuir el voltaje del Variac con lo cual se evitan daños a las fuentes de alimentación durante el servicio técnico.

HIPOTESIS

CIRCUITO RC - SERIE

f=60 Hz

T= 16.6ms

R=150Ω

C=14.3uf

W= 376.9 rad/s

La capacitancia no representa resistividad

Utilizamos 1

wc=Xc =

1

376.9∗14.3 x10−6=185.5 Ω

Para hallar el ángulo es el inverso es imaginario sobre real operando el arco tangente

θ=tan−1(wCR )=tan−1( 257.6

150 )

θ=56.7 °

Irms =V rmsZeq

Irms=120 V

238.558693Ω

Irms=503.02mA

Potencia activa

P¿Vrms∗Irms∗cosƟ

P=120V∗503.02 mA∗cos (56.7)

P=37.96w

Potencia reactiva:Q=Vrms∗Irms∗sen (θ )

Q=120 V∗503.02∗sen (56.7 )

Q=46.9 VAR

Potencia aparente:|S|=120 V∗503.02 mA

|S|=60.36 VA

Con la obtención de las potencias, podremos hallar el Factor de Potencia (F.P):

F . P .=cos (θ )F.P=0.62(+)

CIRCUITO RL - SERIE

F=60Hz

T=16.6ms

W=376.9rad/s

R=435Ω

L=0.71H

Z=R +jWL

Z=435Ω +j267.66Ω

Z=510.7512855Ω

θ=tan−1(wLR )=tan−1( 267.66

435 Ω )θ=35.1

Irms =V rmsZeq

Irms=120 V

435 Ω+ j267.6

Irms=402.1mA∟41.7

Irms=234.95mA

Potencia activa


P=120 V∗234.95 mA∗cos (35.1)

P=24.01W


Q=120 V∗234.95 mA∗sen (35.1 )

Q=14.76 VAR

Potencia aparente:|S|=Vrms∗Irms

|S|=120 V∗234.95 mA

|S|=28.194


F . P .=cos (θ )F.P.=0.85(-)

CIRCUITO RL - PARALELO

R=300 Ω

L=0.71 H

F=60 Hz

W=376.9911184 rad/seg

Z=(300 Ω ) ( j267.6636941 )300 Ω+ j 267.6636941

¿

j 80299.10823300Ω+ j267.6636941

∗300 Ω− j 267.6636941

300 Ω− j 267.6636941

¿ 24089732.47 j+21493155.94 Ω161643.8531 Ω

Z=149.0296848 j+132.9661198Ω

Z=199.7244 Ω

θ=53.6 °

Irms=120 VZ

=600.83 mA

P=Vrms∗Irms∗cos (θ)

P= (120 V ) (600.83 mA )∗cos (53.6 °)

P=48.02 W

Q=Vrms∗Irms∗cos (53.6 °)

Q=(120 V )(600.83 mA )∗sin(53.6°)

Q=53.78 W


|S|=72.09 VA


F . P .=cos (θ )F.P=0.55(-)

CIRCUITO RC – PARALELO

f= 60 Hz

T = 16.6 ms

W= 376.9rad/s

R=300Ω

C= 14.3F

1jwc

= 1j∗(376.9 )∗(14.3uF )

=− j 185.5Ω

Z= R//1

jwc

Z=

(300Ω ) (− j 185.5Ω j )300Ω− j185.5Ω

∗300Ω+ j 185.5Ω

300Ω+ j185.5 Ω

Z=(− j16695000 )− j10323075(Ω)

124410.25

Z=−134.1931232−82,97608115 j

z=157.7745998 Ω

θ=tan−1(wCR )=tan−1( 185.5

300 Ω )θ=35.3°

Irms=V rmsZeq

Irms= 120 V300+185.5 j

Irms=¿760.58mA

Potencia aciva


P¿120V∗760.58mA∗cos (35.3)

P=77.59W


Q=120 V∗760.58 mA∗sen (35.3 )Q=48.05 VAR


|S|=120 V∗760.58 mA

|S|=91.26 VA


F . P .=cos (θ )F.P=0.85(+)

CORRECIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA

Se desea corregir el factor de potencia a 0.90 (-)

cos−1 (0.90 )=25.84 °

CIRCUITO R-L SERIE

C . F . P=P∗( tan (θ 1 )−tan (θ 2 ))

W∗(Vrms)2

C . F . P=24.01∗( tan (35.1 )−tan (−25.84 ))

3.77∗(120)2

C . F . P=5.25 µF

CIRCUITO R-L PARALELO

C . F . P=P∗( tan (θ 1 )−tan (θ 2 ))

W∗(Vrms)2

C . F . P=48.02∗( tan (53.6 )− tan (−25.84 ))

3.77∗(120)2

C . F . P=16.3 µF

CIRCUITO R-C SERIE

L=(120 V )2

3.77∗37.96∗( tan (−25.81 )− tan(−56.7))

L=0.968 H

CIRCUITO R-C PARALELO

L=(120V )2

3.77∗77.59∗( tan (−25.81 )− tan(−35.3))

L=2.19 H

Simulaciones

CIRCUITO 1 RL

V 1

F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

R 1

4 3 5

L 10 . 7 1

0

I

L=0.71

CIRCUITO 2 RC

V 1

F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

R 1

1 5 0

0

C 11 4 . 3 U

I

CIRCUITO 3 RL

V 1

F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

0

R 13 0 0

L 10 . 7 1

CIRCUITO 4 RC

V 1

F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

R 13 0 0 C 1

1 4 . 3 U

I

0R=300

CIRCUITOS CON FACTOR DE POTENCIA YA CORREJIDO

Circuito 1

V 1F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

R 14 3 5

L 10 . 7 1

C 10 . 9 6 U

0

I

I

Circuito 2

V 1F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

R 11 5 0

0

C 11 4 . 3 U

L 10 . 9 6

R 2

1

I

I

Circuito 3

V 1F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

0

L 12 . 1 9R 1

3 0 0 C 11 4 . 3 4 u

R 2

1

I

I

I

Circuito 4

V 1F R E Q = 6 0V A M P L = 1 6 9 . 7V O F F = 0

A C = 1

0

L 1

0 . 7 1R 13 0 0

R 2

1

C 17 . 7 1 U

I

I

I

Tabla de Corrientes y ángulos de fase

Figura Frecuencia Corriente Angulo de fase(t) Angulo de fase (°)1 60 53.611m 1.5300m 33.063 60 711.266m 2.4610m 53.175 60 1.2420 4.2300m 91.47 60 914.849m 4.3400m 93.78

Tabla de Potencia

Fórmula para calcular el ángulo de fase en grados (ver tabla 1)

Ángulo de Fase (∆ t ): 1.9700ms

∅=¿¿

Fórmula para calcular la potencia reactiva (ver tabla 2)

Q=√(|s|)2−P2=√(5.2163)2−4.00282=Calcular y poner en tabla

Fórmula para calcular la potencia compleja (ver tabla 2)

S=P+ jQ

S=V I ¿

Y calcular el factor de potencia

F . P= PS

=V rms I rmscosθ

V rms I rms

Figura Frecuencia P |S| Q S f.p.2 60 22.126 26.063 13.7738 22.126 + j 13.7738 0.844 60 37.855 60.277 46.907 37.855 + j 46.907 0.626 60 68.899 147.95 130.92 68.899 + j 130.92 0.468 60 47.640 90.835 77.339 47.640 + j 77.339 0.52

Figura 1.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada azul, Corriente 1 en Verde, corriente 2 en rojo.

Figura 2.Potencia Instantánea, línea roja indica el 0 de referencia, frecuencia 60hz.

Figura 3.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada azul, Corriente 1 en Verde, corriente 2 en rojo.


Figura 5.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada amarillo, Corriente 1 Verde, corriente rojo, corriente 3 azul.


Figura 7.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada morado, Corriente 1 Verde, corriente rojo, corriente 3 azul.


Figura 9.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada rojo, Corriente en serie Verde.


Figura 11.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada Azul, Corriente en serie Verde.


Figura 13.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada Azul, Corriente 1 Verde, corriente 2 rojo.


Figura 15.Frecuencia 60Hz, Voltaje de entrada Azul, Corriente 1 Verde, corriente 2 rojo.


Figura Frecuencia Corriente 1 Corriente 2 Angulo de fase(t)

Angulo de fase (°)

1 60 61.416m 367.823m 5.6310m 122.11

3 60 694.793m 923.389m 1.9360m 41.985 60 563.108m 914.249m 407.158m 4.7340m 102.667 60 561.748m 610.692m 2.3489m 0 09 60 332.254m ------------------------ 1.4700m 31.8811 60 711.367m ------------------------ 2.3710m 51.4113 60 561.696m 626.019m 0 015 60 563.779m 911.680m 0 0

Tabla de Corrientes y ángulos de fase

Figura Frecuencia P |S| Q S f.p.2 60 21.674 25.844 14.07 21.674 + j 14.07 0.834 60 64.028 89.995 63.24 64.028 + j 63.24 0.716 60 55.661 100.603 83.80 55.661 + j 83.80 0.558 60 79.755 118.26 87.31 79.755 + j 87.31 0.6710 60 24.006 28.187 15.01 24.006 + j 15.01 0.8512 60 37.991 60.313 46.84 37.991 + j 46.84 0.6214 60 68.116 78.80 132.29 68.116 + j 132.29 0.8716 60 47.997 51.265 77.62 47.997 + j 77.62 0.92

Tabla de Potencia

ANALISIS DE RESULTADOS GENERALES

Por medio de la practica n°3 se fueron estableciendo los valores de las resistencias, inductores y capacitores para los circuitos (rl – serie y paralelo; rc - serie y paralelo), así poder obtener una potencia activa lo bastante grande para que el vatímetro tenga la facilidad de capturar la potencia que circula por los circuitos. En los circuitos montados se presentó una potencia activa entre 54w y 60w esto se debe a que los elementos pasivos escogidos tenían una potencia entre este rango.

En los circuitos es necesario la corrección del factor de potencia con ello se hace que la potencia reactiva que entra por el circuito baje y mientras eso pasa la potencia activa se incremente un determinado valor. para los circuitos (rl – serie y paralelo) es importante conectar un capacitor para poder regular la potencia activa presente en los circuitos, entre tanto para los circuitos (rc – serie y paralelo) es fundamental el acoplamiento de un inductor para así poder disminuir la potencia activa. Si se llegara a ensamblar los capacitores a los circuitos (rc – serie y paralelo) y un inductor en el circuito (rl – serie y paralelo) se obtendría una potencia activa elevada.

Al variar los componentes pasivos en los circuitos es evidente detectar que el valor de la potencia activa es posible que variara por culpa de este análisis que se le hagan a los circuitos con diferentes valores de la resistencia, inductores y capacitor.

CONCLUSIONES GENERALES

En los circuitos montados en el banco de Lorenzo se observó a través del multímetro que el promedio del Vrms en los circuitos es 122.8V, esto ocurre porque no es factible regular con exactitud el voltaje a menos que se conecte un estabilizador. La potencia activa y la Irms varían en el tiempo con respecto a los circuitos elaborados, en los circuitos en paralelo presentan una corriente por encima de los 500mA mientras que la potencia registraba valores por encima de 50W, es necesario para que el vatímetro detecte la potencia que circula por el circuito.

Al agregar una nueva carga a los circuitos esto genera un cambia drástico en la potencia activa y en la corriente Irms, el objetivo principal de corregir el factor de potencia de un circuito es reducir la cantidad de corriente que circula para una misma cantidad determinada de potencia, en las instalaciones de los circuitos se tiene un factor de potencia, en donde la corriente se retrasa respecto al voltaje (como una inductancia), mientras que un capacitor actúa totalmente diferente al ser conectado hace que el voltaje se retrase con respecto a la corriente.

El corregir el factor de potencia con condensadores en un circuito nos ayuda bastante disminuyendo las potencias reactivas que es la potencia que se está consumiendo pero que no se está aprovechando lo cual nos ayudaría a bajar los gastos de la corriente eléctrica siempre y cuando lo tomemos en 0.90 que es lo ideal.

BIBLIOGRAFÍA

Ministerio de Ciencia y Tecnología, “Guía técnica de aplicación: instalaciones de enlace. Previsión de cargas para suministros en baja tensión”, Guía-BT-10, ed. septiembre 2003.

F. Redondo Quintela, J. M. García Arévalo, N. Redondo Melchor, “Desequilibrio y pérdidas en las instalaciones eléctricas”, Montajes e Instalaciones, nº 338, pág. 77-82, abril 2000.

Ministerio de Ciencia y Tecnología, “Guía técnica de aplicación: instalaciones de enlace. Previsión de cargas para suministros en baja tensión”, Guía-BT-10, ed. septiembre 2003.

F. Redondo Quintela, J. M. García Arévalo, N. Redondo Melchor, “Desequilibrio y pérdidas en las instalaciones eléctricas”, Montajes e Instalaciones, nº 338, pág. 77-82, abril 2000

informe 2 avanzados terminado

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