Circuitos. Medida de Potencia en Corriente Alterna
1. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA La determinación de la potencia en corriente alterna (AC) normalmente suele realizarse por medio de Vatímetros, los cuales miden directamente la potencia, o bien mediante Contadores en los que la potencia se obtiene a partir de la energía registrada. En esta práctica el alumno deberá calcular la potencia consumida tanto en cargas monofásicas como trifásicas, empleando para ello Vatímetros colocados según diferentes configuraciones. En particular, se realizarán mediciones de potencia para los siguientes casos: q
Potencia activa y reactiva en una Carga Monofásica.
q
Potencia activa en una Carga trifásica con Neutro. Método de los Tres Vatímetros.
q
Potencia activa en una Carga trifásica sin Neutro. Método de los dos Vatímetros.
q
Potencia activa en una Carga trifásica sin Neutro. Conexiones especiales.
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA W
2.1. VATÍMETROS Ia
A
El instrumento encargado de medir la potencia en CA es el
Iv
ra
B
rv C
Vatímetro. Su representación esquemática es la de la Figura 1 y su principio de funcionamiento está basado en la interacción de dos
Figura 1
campos magnéticos los cuales son creados por la corrientes I a e I v que circulan por las bobinas de que dispone en su interior; el par producido entre ambos campos es proporcional al producto I a I v cosϕ av , siendo ϕ av el desfase entre las corrientes I a e I v .
El vatímetro consta, como ya se ha indicado, de dos bobinas (prácticamente se consideran resistencias puras) con las siguientes características: q
Bobina amperimétrica (ra): Se conecta en serie con la línea de corriente y su resistencia deberá ser lo menor posible con el fin de no perturbar la diferencia de potencial que existe en el circuito entre B y C.
q
Bobina voltimétrica (rv): Se conecta en paralelo con la carga cuya potencia se quiere medir y su resistencia deberá ser lo mayor posible para, de esta forma, evitar que el vatímetro desvíe corriente a la carga.
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Se define como vatímetro ideal aquél en el que se cumple que ra→0 y rv→∞. Mientras no se indique lo contrario los vatímetros se supondrán ideales. Ya se ha comentado anteriormente que la indicación de un vatímetro es proporcional al producto I a I v cosϕ av . Eligiendo una constante de proporcionalidad igual a rv la indicación del vatímetro será W = r v I a I v cosϕ av Puesto que rvIv es el módulo de la tensión entre A y C y dicha tensión está desfasada con I a el mismo ángulo que I v e I a (si la bobina puede considerarse resistiva), es evidente que la indicación del vatímetro es la potencia activa consumida por una carga situada entre B y C. En la siguiente figura se muestra la conexión de un vatímetro para la medida de la potencia activa consumida por una carga. A
I +
VAC
C
A
-
Z
I
W
VAC
C
I
+
Z
-
Figura 2
2.2. VATÍMETROS REACTIVOS Para la medida de la potencia reactiva se emplean vatímetros en los que la bobina voltimétrica es prácticamente reactiva (predomina la componente inductiva de la bobina sobre la resistiva). Su representación
Wr ra
Ia
A Iv
B
j·xv C
Figura 3
es similar a la de los vatímetros convencionales, como puede observarse en la figura. Solamente deberá indicarse que la bobina voltimétrica tiene carácter inductivo. Puede demostrarse, al igual que se ha hecho para los vatímetros convencionales del apartado anterior, que la indicación de los vatímetros reactivos es Wr = I a Vac senϕav , es decir, la potencia reactiva Q absorbida por una carga colocada entre B y C. La conexión de estos vatímetros es igual que la de los vatímetros convencionales. La potencia reactiva de una carga monofásica solamente puede medirse, en principio, con vatímetros de bobina reactiva. Sin embargo, como se verá a lo largo de la práctica, en redes trifásicas es posible medir la potencia reactiva utilizando para ello únicamente vatímetros convencionales.
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3. ESQUEMAS EXPERIMENTALES 3.1. MEDIDAS DE POTENCIA EN SISTEMAS MONOFÁSICOS POTENCIA ACTIVA W
-I
Ref.
1
A
Medidas 2L
V 3R
Cálculos
W
W
Z
Ω
V
V
Q
VA
I
A
S
VA
ϕ
°
cos ϕ
2 -V
POTENCIA REACTIVA Wr
Medidas sin C
-I
Ref.
1
A
Cálculos sin C
Wr
VA
Z
Ω
V
V
Q
VA
I
A
S
VA
ϕ
°
cos ϕ
2L V
C
Medidas con C 3R
2 -V
Cálculos con C Z
Ω
V
V
Q
VA
I
A °
S cos ϕ
VA
ϕ
Wr
VA
3.2. MEDIDAS DE POTENCIA EN SISTEMAS TRIFÁSICOS MÉTODO DE LOS TRES VATÍMETROS Medidas W 1=
L
2R
A
1
W1
W
W2
W
W3
W
V
V
I
A
V W 2=
L
2R
2
W 3=
L
Cálculos
2R
3
P
W
S
VA
cos ϕ N
Q
Carga Trifásica Con Neutro
VA
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MÉTODO DE LOS DOS VATÍMETROS W 1=
L
1
Medidas
3R
A
W1
W
W2
W
V
V
I
A
V W 2=
L
3R
L
3R
2
Cálculos P
W
Q
VA
3
Carga Trifásica Sin Neutro
cos ϕ VA
S
CONEXIONES ESPECIALES W 1=
1
L
3R
L
3R
L
3R
A V
2
W 2=
3 Carga Trifásica Sin Neutro
Medidas
Medidas
W1
W
W1
W
W2
W
W2
W
V
V
V
V
I
A
I
A
Cálculos
Cálculos
P
W
P
W
Q
VA
Q
VA
cos ϕ S
Secuencia 1
cos ϕ VA
S
VA
Secuencia 2
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4. MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO r
Cuadro de Alimentación trifásico de 220 V CA.
r
6 Resistencias de 10 Ω (aprox.).
r
3 Bobinas de 35 mH (aprox.) y un Condensador de 40 µF
r
3 Vatímetros 0-1000 W
r
1 Vatímetro Reactivo 0-1000 VA.
r
2 Polímetros.
5. PROCEDIMIENTO La práctica consistirá en realizar los esquemas experimentales del apartado anterior y efectuar las mediciones correspondientes en cada uno de ellos. Los valores medidos pueden anotarse en la tabla Medidas que se adjunta en cada esquema, o bien en los recuadros situados en los esquemas junto a cada instrumento de medida (Ver esquemas). Posteriormente, con las mediciones efectuadas en cada caso deberán hallarse los parámetros que se piden en la tabla de Cálculos. Algunos de ellos podrán obtenerse por diversos métodos; en estos casos deberán comentarse los métodos de obtención utilizados y las diferencias encontradas en cada uno de ellos.
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