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SESION 07: POTENCIA ELECTRICA EN LOS CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA

I. OBJETIVO Analizar y verificar en forma experimental la potencia activa, reactiva y aparente de los circuitos eléctricos de corriente alterna, mediante el vatímetro monofásico y el voltímetro –amperímetro. Analizar y verificar el procedimiento correcto para la utilización y funcionamiento del instrumento vatímetro. II. MARCO TEÓRICO: En circuitos AC se presenta la siguiente situación, en una resistencia el voltaje y la corriente siempre están en fase y la resistencia siempre es pasiva, todo el tiempo la energía eléctrica se convierte en calor; los condensadores y las bobinas almacenan energía y producen un ángulo de fase de 90° entre la corriente y el voltaje por lo que por periodos son activos y periodos son pasivos, significa que estos elementos devuelven energía hacia los generadores; en un circuito AC en general se consideran tres tipos de potencia: Potencia aparente (S): corresponde a la potencia total que envía la fuente al circuito de carga, es la suma vectorial de las potencias activa y reactiva, según se muestra en la siguiente figura. Se representa por S y se mide en voltiamperios (VA). Para una tensión dada la potencia aparente es proporcional a la intensidad que circula por la instalación eléctrica:

Potencia activa (P): corresponde a la potencia que realmente utiliza el circuito, representa la capacidad de una instalación eléctrica para transformar la energía eléctrica en trabajo útil: mecánica (movimiento o fuerza), lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es realmente la

consumida en una instalación eléctrica. Se representa por P y se mide en vatios (W).:

Donde Φ es el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente, al “cos Φ” se le llama el factor de potencia. Potencia reactiva (Q): La potencia reactiva (y la energía reactiva) no es una potencia (energía) realmente consumida en la instalación, ya que no produce trabajo útil debido a que su valor medio es nulo. Aparece en una instalación eléctrica en la que existen bobinas o condensadores, y es necesaria para crear campos magnéticos y eléctricos en dichos componentes. Se representa por Q y se mide en voltiamperios reactivos (VAr).:

III. ELEMENTOS A UTILIZAR - 01 variac monofásico - 02 resistencia variable 0-44 ohmios - 01 Multimetro digitales - 01 amperímetro analógico - 01 vatímetro electrodinámico 0-120 v, 5A - 01 vatímetro digital - 5 condensadores, Conductores de conexión IV. ACTIVIDADES a) Armar el circuito de la siguiente figura:

b) Regulando el variac monofásico obtener en el voltímetro “VT” una tensión de 80 voltios. c) Variando la resistencia R1 desde su máximo valor de 88 ohmios hasta 20 ohmios como mínimo, y para diferentes capacitores en el circuito, no deberá de circular más de 2.75 A en el circuito, registrar los valores V1,

V2, A, W del circuito para 08 valores de R1 y C. Punto A(amp) V1 (V) V2 (V) VT 1 2 3 4 5 6 7 8

0.82 1.23 1.37 0.78 0.74 0.95 0.95 0.84

15.7 37.5 54.7 35.3 41.1 57.2 65.6 68.0

73.8 64.8 51.8 68 64 49.7 36.2 32.1

80.2 80.1 80.1 81.5 80.5 80.5 80.1 80.1

W (watts) 9 45 76 25 29 55 66 60

R1 (Ω) 20 30.5 39.8 44 54.4 60.1 68 80

C (uFΩ) 30 50 70 30 30 50 70 70

Potencias consumidas R1 Punto 1 2 3 4 5 6 7 8

C

P1 =W

P1=I2 R1

P1 = Vr2 / R1

Qc=I2 XC

Qc = Vc2 / XC

9 45 76 25 29 55 66 60

13.45 46.14 74.70 26.77 29.79 54.24 61.37 56.45

12.32 46.11 75.18 28.32 31.05 54.44 63.28 57.80

59.45 80.26 71.12 53.79 48.42 47.88 34.20 26.74

60.27 79.15 70.82 52.3 46.32 46.56 34.59 27.19

STOTAL

PTOTAL

QTOTAL

60.97 91.90 94.21 59.38 56.04 72.16 72.25 64.04

11.59 45.75 61.96 26.70 29.94 54.56 63.55 58.08

59.86 79.70 70.97 53.04 47.37 47.22 34.37 26.96

Para registrar los valores anteriores se deberá tener en cuenta de no exceder los 2.75 amperios en el circuito (corriente máxima para el variac). V CUESTIONARIO 1. Explicar el principio de funcionamiento del vatímetro. El vatímetro es un dispositivo de medida de tipo electrodinámico y su constitución y funcionamiento es similar al del amperímetro o voltímetro.

Internamente está formado por dos bobinas, una fija y otra móvil. La fija es de hilo grueso y la móvil de hilo fino. La bobina fija es recorrida por la corriente del circuito, por eso la llamamos amperimétrica y la móvil es de hilo fino y mide la tensión, por lo que la llamaremos voltimétrica. Para que esta bobina sea recorrida por una corriente muy pequeña, se puede conectar una resistencia en serie con ella.

Así pues, haciendo que la bobina fija sea atravesada por la corriente del circuito a medir y que la corriente de la bobina móvil sea proporcional a la tensión de dicho circuito, el ángulo de giro de la bobina será proporcional al producto de ambas y por lo tanto a la potencia consumida por el circuito (potencia activa P).

2. ¿Qué es la potencia eléctrica activa? Es la potencia capaz de transformar la energía eléctrica en trabajo. Por lo tanto, esta potencia es la realmente consumida por los circuitos. Cuando se habla de demanda eléctrica, esta es la potencia que se utiliza para determinar dicha demanda.

La potencia activa se debe únicamente a los elementos resistivos. Se designa con la letra P y se mide en vatios (W) o kilovatios (kW). De acuerdo con su expresión, la ley de Ohm y el triángulo de impedancias: 𝑷 = 𝑽 𝑰 𝐜𝐨𝐬 𝝋 Donde: P :

Potencia Activa (W)

V :

Tensión del circuito (V)

I :

Intensidad de corriente del circuito (A)

φ :

Ángulo de desfase entre la tensión y la corriente (°)

3. ¿Qué es la potencia eléctrica reactiva? En las bobinas y condensadores, se produce una potencia que fluctúa por la red entre el generador y los receptores, no siendo transformada en trabajo efectivo en estos últimos. A esta potencia la denominamos Potencia reactiva, se representa por la letra “Q” y se mide en Voltamperios reactivos (VAr). 𝑸 = 𝑽 𝑰 𝐬𝐢𝐧 𝝋 Donde: Q :

Potencia Reactiva (VAR)

V :

Tensión del circuito (V)

I :

Intensidad de corriente del circuito (A)

φ :

Ángulo de desfase entre la tensión y la corriente (°)

Mientras más bajo sea el factor de potencia, mayor será la potencia reactiva consumida. Además, la potencia reactiva no produce ningún trabajo útil y perjudica la transmisión de la energía de las líneas de distribución eléctrica.

4. ¿Qué es la potencia eléctrica aparente? La potencia compleja o aparente, representada por S y medida en voltiamperios VA, es la suma vectorial de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo (potencia activa P) y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes (potencia reactiva Q).

Esto significa que la potencia aparente representa la potencia total desarrollada en un circuito con impedancia Z.

Mediante el triángulo de potencias se puede hallar el valor de S y aplicar el Teorema de Pitágoras: 𝑺=𝑽𝑰 𝑺𝟐 = 𝑷𝟐 + 𝑸𝟐 Donde: S :

Potencia Aparente (VA)

P :

Potencia Activa (W)

Q :

Potencia Reactiva (VAR)

V :

Tensión del circuito (V)

I :

Intensidad de corriente del circuito (A)

5. ¿Cómo se conecta el vatímetro? Dibuje el esquema. En el circuito de la primera figura, la corriente que circula por 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 segunda figura.

En esta conexión, 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 Ω.

6. ¿Qué instrumentos nos permiten encontrar la potencia eléctrica activa que consume un circuito?  Directo (vatímetro):  Utiliza 2 bobinas: una fija como amperímetro y una móvil como voltímetro.  Otorga la potencia activa sin necesidad de conocer la tensión o corriente del circuito.  Su exactitud depende del valor de la impedancia del circuito (mayor impedancia, mayor exactitud).

 Indirecto (voltímetro y amperímetro, osciloscopio):  Registramos los valores de tensión del voltímetro y corriente del amperímetro.  Determinamos nuestro ángulo de desfasaje en la impedancia.  Mediante el cálculo de la fórmula P = V I cos ϕ.  Mediante el osciloscopio podemos hallar valores de tensión, corriente y ángulo de desfasaje, haciéndolo más sencillo 7. ¿Qué instrumentos nos permiten encontrar la potencia eléctrica reactiva que consume un circuito?  Directo (varímetro): La imagen inferior muestra el esquema interno

de

un

varímetro

o

vatímetro

inductivo, este es el nombre que recibe el aparato, pues lo que mide es la potencia reactiva, al quedar el circuito voltimétrico desfasado 90º con respecto a la corriente.

 Indirecto (voltímetro y amperímetro, osciloscopio):  Registramos los valores de tensión del voltímetro y corriente del amperímetro.  Determinamos nuestro ángulo de desfasaje en la impedancia.  Mediante el cálculo de la fórmula P = V I sen ϕ.

 Mediante el osciloscopio podemos hallar valores de tensión, corriente y ángulo de desfasaje, haciéndolo más sencillo. 8. ¿Qué instrumentos nos permiten encontrar la potencia eléctrica aparente que consume un circuito? Si lo que queremos es medir la potencia aparente, entonces debemos recurrir a un montaje como el indicado en la figura:

El vatímetro W nos dará la potencia activa P, el voltímetro y amperímetro nos darán la potencia aparente S y a partir de estos datos, y de forma indirecta, podremos obtener la potencia reactiva Q tal y como se indica en las expresiones de más abajo. 9. Dibujar el diagrama fasorial completo correspondiente al circuito armado.

10. A partir de los datos, hallar las potencias activa, reactiva y aparente teóricas. VT (Ω)

R (Ω)

C (uF)

I (A)

ø (°)

80.2

20

30

0.82

77.25

80.1

30.5

50

1.23

60.10

80.1

39.8

70

1.37

43.59

81.5

44

30

0.78

63.54

80.5

54.4

30

0.74

58.40

80.5

60.1

50

0.95

41.44

80.1

68

70

0.95

29.13

80.1

80

70

0.84

25.35

P teó (kW)

Q teó (kVAR)

S teó (kVA)

14.51

64.14

65.76

49.11

85.41

98.52

79.48

75.66

109.74

28.32

56.91

63.57

31.21

50.74

59.57

57.33

50.61

76.48

66.47

37.04

76.10

60.80

28.81

67.28

11. A partir de los datos experimentales, hallar las potencias activa, reactiva y aparente experimentales. P1 = W

P1 = I2 R

P1 = VR2/R

Qc = I2 XC

Qc = Vc2/Xc

9

13.45

12.32

59.45

60.27

45

46.14

46.11

80.26

79.15

76

74.70

75.18

71.12

70.82

25

26.77

28.32

53.79

52.30

29

29.79

31.05

48..42

46.32

55

54.24

54.44

47.88

46.56

66

61.37

63.28

34.20

34.59

60

56.45

57.80

26.74

27.19

P exp (kW)

Q exp (kVAR)

S exp (kVA)

11.59

59.86

60.97

45.75

79.71

91.91

75.29

70.97

103.47

12. En forma tabulada dar la divergencia de valores existentes entre los valores teóricos y experimentales. P teó (KW)

P exp. (KW)

Error Absoluto (Ω)

Error Relativo (%)

14.51

11.59

2.92

20.12

49.11

45.75

3.36

6.84

79.48

75.29

4.19

5.27

28.32

26.70

1,62

5.72

31.21

29.95

1.26

4.04

57.33

54.56

2.77

4.83

66.47

63.55

2.92

4.39

60.80

58.08

2.72

4.47

Q teó (kVAR)

Q exp (kVAR)

Error Absoluto (Ω)

Error Relativo (%)

64.14

59.86

4.28

6.67

85.41

79.71

5.70

6.67

75.66

70.97

4.69

6.20

56.91

53.05

3.86

6.78

50.74

47.37

3.37

6.64

50.61

47.22

3.39

6.70

37.04

34.40

2.64

7.13

28.81

26.97

1.84

6.39

S teó (kVA)

S exp (kVA)

Error Absoluto (Ω)

Error Relativo (%)

65.76

60.97

4.79

7.28

98.52

91.91

6.61

6.71

109.74

103.47

6.27

5.71

63.57

59.39

4.18

6.58

59.57

56.04

3.53

5.93

76.48

72.16

4.32

5.65

76.10

72.26

3.84

5.05

67.28

64.04

3.24

4.82

VI. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:  Durante la práctica, se observó que el osciloscopio mostraba corrientes parásitas que distorsionaban las señales del circuito.  Se debe tener mucho cuidado en la manipulación de los instrumentos de medida  Al trabajar con altas fuentes de tensión se debe tener mucho cuidado ya que podrían dañar a los operarios  El vatímetro debe de estar marcando en cero para poder obtener la medida correcta  El amperímetro deberá de estar conectado en paralelo con las resistencias y aislado del circuito  Al medir los voltajes en el inductor y capacitor, se obtuvo lecturas mayores a del voltímetro del variac. Esto resulta imposible ya que no se puede crear voltaje de la nada.  Debido a lecturas erróneas de los voltímetros del inductor y capacitor, los diagramas fasoriales no concuerdan a lo explicado en teoría.  Aunque hayan sido erróneas las lecturas, el error porcentual de los parámetros evaluados no difieren mucho, van de 0.10% hasta 10%; sin embargo también hay errores muy grandes como de la lectura 1 (tabla 3).  El factor de potencia debe ser lo mas cercano a 1 puesto que si es menor de 1, tienen que suministrar mas corriente al usuario para una misma cantidad determinada de uso de potencia 

Las resistencias tienen valores reales así que es más fácil hallar su cálculo en impedancia.



Cuando queremos hallar impedancia de un circuito con capacitores y/o inductores, tenemos que percatarnos que estos tienen valores ideales. Existen dos tipos de impedancias, la real (resistores) y la ideales (inductores, capacitores).

VII BIBLIOGRAFIA: 

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica#Potencia_activa_o _Potencia_absorbida



http://www.asifunciona.com/respuestas/respuesta_2/respuestas_2.htm



http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//3000/30 13/html/44_potencias_aparente_y_reactiva.html



http://www.labc.usb.ve/paginas/mgimenez/Lab_Circ_Electronicos_Guia_Te orica/Cap11.pdf



http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//3000/3089/html /323_potencia_aparente.html

UNIVERSIDAD CATOLICA DE CATOLICA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍAS FÍSICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA, MECÁNICA ELÉSCTRICA Y MECATRÓNICA

Informe de Laboratorio 7 POTENCIA ELECTRICA EN LOS CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA

CIRCUITOS ELÉCTRICOS II

Presentado por: Burga Navarro, Luis Félix Sebastián

Grupo de prácticas 02

Jefe de prácticas Ing. Giovanna Chani Ollachica