POTENCIA

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 1/32 MEDICION DE POTENCIA EN C. A. I-Medición de Potencia Activa Trifásica GENERALIDADES Potencia : La potencia consumida en un elemento cualquiera de un circuito es la velocidad con que la energía eléctrica es convertida en cualquier otra forma de energía (calor, mecánica, química, etc.). La potencia es la energía eléctrica consumida en la unidad de tiempo. Los generadores eléctricos generan y entregan potencia aparente. Las máquinas eléctricas consumen esa potencia, es decir, la potencia activa, la transforman en potencia mecánica en el eje de la máquina, y la potencia reactiva, no la consumen, sino que la utilizan para crear su campo magnético. Estas tres potencias trifásicas están relacionadas en el triangulo de potencia. Podemos ver el ángulo ϕ que también aparece en el diagrama vectorial de tensión y corriente. Potencia Monofásica: P f = U f .I f . cos ϕ [W ] = [V ]⋅ [A ] Donde: Uf = Tensión de fase If = Corriente de fase Cos ϕ = Factor de Potencia ϕ = ángulo entre Uf e If En un sistema de tres fases es decir trifásico, la potencia es: Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Mendoza Pt = 3 .U f . I f . cos ϕ • Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Potencia Trifásica Si la carga está conectada en estrella: UL 3 I f = IL Uf = Entonces: UL 3 U .I L .cosϕ = 3. . L .I L . cosϕ 3 3 3 Entonces la potencia trifásica es igual a : Pt = 3. Pt = 3.U L .I L . cos ϕ • Si la carga está conectada en triángulo: Páginas 2/32 Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 3/32 U f =UL If = IL 3 Entonces: Pt = 3.U L . IL . cosϕ = 3. 3 IL . cosϕ 3 3 3 Entonces la potencia trifásica es igual a : .U L . Pt = 3.U L .I L . cosϕ Conclusión: La ecuación de potencia es la misma, independientemente de si la carga está conectada en estrella o en triángulo. Esta expresión de la potencia está deducida partiendo de la base de que las tres tensiones de fase son iguales y están desfasadas entre si un mismo ángulo; además las tres corrientes son iguales entre sí, y están desfasadas un mismo ángulo. Es decir que el sistema es simétrico y equilibrado y es propio de las centrales generadoras, líneas de transporte de energía y las estaciones y subestaciones de transformación. Simetría: se refiere a las Tensiones. Cuando en un sistema de tensiones, éstas tienen igual modulo y están desfasadas entre sí un mismo ángulo, se dice que el sistema es simétrico. U R = U S = UT Equilibrio: se refiere a las cargas o corrientes. Cuando éstas en un sistema de intensidades tienen igual módulo y están desfasadas entre sí un mismo ángulo, se dice que el sistema es equilibrado o balanceado. I R = I S = IT Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 4/32 Teniendo en cuanta ésta últimas definiciones podremos clasificar los sistemas de tensiones y corrientes según sean:  simétrico Tensiones  asimétrico  equilibrad os Corrientes  desequilib rados Componiendo los distintos sistemas, decimos que podemos medir potencia en sistemas: Simétricos y equilibrados Simétricos y desequilibrados Asimétricos y equilibrados Asimétricos y desequilibrados Estos sistemas pueden ser estrella o ∆ (triángulo) y si son estrella pueden tener o no neutro accesible. Es decir que tomando un ejemplo, podemos medir potencia en un sistema asimétrico en las tensiones, y desequilibrado en las corrientes, sin neutro accesible. Hasta ahora hemos hablado de potencia como 3.U L .I L . cos ϕ , que es potencia activa. Definiremos otras potencias como la reactiva, y la aparente. Potencia activa : Pac = 3.U L .I L . cos ϕ Potencia reactiva : Pr = 3 .U L . I L .senϕ En “estrella” o “triángulo” Potencia aparente : Pap = 3.U L .I L Hemos calculado la potencia activa y reactiva multiplicando la tensión y corriente de línea por cos ϕ y sen ϕ, siendo ϕ el ángulo entre la corriente y la tensión de fase. Al “cos ϕ“, lo denominamos factor de potencia y al “sen ϕ“, factor de potencia reactivo. Así como medimos potencia activa para distintos sistemas de tensió n y corriente, podemos medir también potencia reactiva y factor de potencia (cos ϕ).  Pac  cos ϕ =  3.U L .I L   y   Pr  sen ϕ =  3.U L .I L   En cada sistema según sea simétrico o no y equilibrado o no, habrá un método para la medición de potencia (Pap, Pac, Pr) y factor de potencia (cos ϕ), que de resultados correctos con errores aceptables. Es importante recordar que para cada método habrá consideraciones o premisas de las que se partirán para justificar dicho método, de modo que serán restricciones para su aplicación en la práctica. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 5/32 Por ejemplo: para medir potencia en un sistema simétrico y equilibrado según Blondel se necesitaran tres vatímetros para un sistema trifásico, pero podemos medir con dos vatímetros, según Aron, haciendo ciertas consideraciones. Si no respetamos esas consideraciones, el método nos dará lecturas erróneas y no se pueden tomar en cuenta. MEDICIÓN DE POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA A) LÍNEA MONOFÁSICA: Medición de potencia activa La potencia activa en líneas monofásicas se mide con un vatímetro según se indica en los circuitos siguientes: Dependiendo del valor de Zc se colocará antes o después la bobina voltimétrica respecto de la amperométrica según se analizó para corriente continua en el método de medición de resistencia y potencia por el método voltíme tro y amperímetro. En CA la Z de la carga se compara con la Z de la bobina voltimétrica del vatímetro; y en CC la R de la Carga se compara con la resistencia de la bobina voltimétrica del voltímetro. Se podría utilizar para medir potencia monofásica un voltímetro, un amperímetro y un cosfímetro. Pac = U .I . cos ϕ . La medición resulta ser indirecta y poco precisa ya que debemos leer tres instrumentos cometiendo en cada caso los errores sistemáticos del método (propagación del error) y accidentales, ade más la sensibilidad de cada uno de ellos, que es distinta, aparece una imprecisión igual o mayor que si usamos un vatímetro solamente. Agregamos que el costo total de la medida es menor en éste último caso, pues usamos un solo instrumento. B) LÍNEA TRIFÁSICA: Medición de potencia activa Las líneas trifásicas pueden clasificarse en: 1) Líneas Tetrafilares : Cuatro hilos (tres fases y neutro). Teorema de Blondel: “La potencia en un circuito de n conductores se puede medir con n vatímetros de modo tal que cada uno tenga su bobina de intensidad en uno de los n conductores y la bobina de tensión esté entre cada conductor y un punto en común”. 1.a) Sistema Simétrico y desequilibrado. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 6/32 Para un sistema trifásico tetrafilar deberemos usar tres vatímetros conectados de la siguiente forma: Ptrif = PWR + PWS + PWT Ptrif = U R− N .I R . cos ϕ R + U S −N .I S . cos ϕ S + UT −N .I T . cos ϕ T La suma de las tres lecturas es igual a la potencia total consumida por la carga. Si la potencia no varia con el tiempo , se puede utilizar un solo vatímetro, que se conecta sucesivamente en las 3 posiciones indicadas anteriormente como WR, W S y WT . Existen un par de llaves selectoras que forman un conjunto que permiten realizar rápidamente estas tres mediciones sin necesidad de conectar o desconectar tres veces el vatímetro, como se indica en la siguiente figura: 1.b) Sistema Simétrico y equilibrado. Si la carga es equilibrada, es decir que los tres circuitos monofásicos son idénticos entre sí, bastara medir uno de ellos y multiplicar por tres su indicación para tener la potencia trifásica. PR = PS = PT Ptrif = 3.PR = 3.U . I . cos ϕ Lo podemos apreciar en el siguiente gráfico: Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 7/32 Sino se puede asegurar que el sistema es equilibrado no se puede medir potencia trifásica colocando un solo vatímetro en una fase. Si se produjera algún cambio en la carga o en la tensión de generación cambiaría la potencia en cada una de las fases a través del tiempo y los valores simultáneos. Por lo general las cargas trifásicas son siempre motores. El método de medición sucesiva es equivalente al método de medición simultáneo, si en el primero no hay variación de ningún parámetro. 2) Líneas Trifilares (Sin neutro) a) Medición con tres vatímetros : Neutro Artificial b) Medición con dos vatímetros : Método de Aron 2.a) Medición de Potencia con tres vatímetros : Neutro Artificial La forma más simple de medir potencia activa en sistemas trifásicos sin neutro, hace usos de 3 vatímetros gemelos que se conectan formando una estrella, por lo que convergen sus circuitos voltimétricos a un punto único llamado neutro artificial o ficticio. Justificación: siendo los 3 vatímetros iguales, sus circuitos voltimétricos tomarán iguales intensidades, pero desfasadas entre sí 120º, de modo que en el punto de unión, centro de estrella, las tres corrientes se compensarán totalmente, dando resultante nula, no se requiere conductor de retorno al generador como lo haría el conductor neutro. Conectamos los tres vatímetros según indica la figura siguiente: Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 8/32 La potencia media total entregada a la carga trifásica durante un intervalo T es: 1 PT = T T ∫ (u Rn .i R + u Sn .i S + u Tn .iT ).dt 0 La potencia media total medida por los tres vatímetros es: T P3W 1 = ∫ ( u R0 .iR + u S 0 .iS + u T 0 .iT ).dt T 0 (1) En cualquier condición siempre se cumple: u R 0 = u Rn − u 0n ; u S 0 = u Sn − u 0 n ; u T 0 = u Tn − u 0n La expresión (1) se puede escribir: P3W 1 = T Entonces: T  1  ( u . i + u . i + u . i ) . dt −  u . ( i + i + i ) .dt ∫0 Rn R Sn S Tn T 4 S 43 4T  T ∫0  on 1R42  =0  T PTrif . Act = Pw R + Pw S + Pw T = P3W Si las impedancias de las ramas voltimétricas de los tres vatímetros son iguales (vatímetros gemelos), la unión en estrella forma un neutro artificial, ya que cumple con su definición. Neutro: cuando las tensiones desde el nodo hacia cada línea es la misma (en módulo) y desfasada 120º. U R −0 = U S −0 = U T − 0 Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 9/32 Conclusión: Tres vatímetros miden la potencia de la carga independientemente del equilibrio de corrientes, de la simetría de las tensiones, de la forma de onda de ambos parámetros y del pote ncial del punto “O”. Esto indica que no necesariamente las impedancias de las bobinas voltimétricas de los vatímetros deben ser iguales cuando se emplea el circuito visto. A su vez también es válido el método aunque la carga esté conectada en estrella o en triángulo, ya que si se reduce el triángulo a estrella se verifica lo enunciado. Como vemos el esquema eléctrico de la figura, los tres vatímetros tienen sus circuitos voltimétricos unidos al punto “O”, éste punto es un centro de estrella. Para que éste punto tenga las características de un neutro artificial debe tener la misma d. d. p. (diferencia de potencial) con cada una de las tres fases, es decir: U R −0 = U S −0 = U T − 0 Para que esto sea cierto, las tres tensiones compuestas deben ser iguales: U R − S = U S −T = U T − R Además se debe cumplir que la impedancia de las tres ramas voltimétricas de los vatímetros, sean iguales entre sí, a fin de que la distribución de tensiones sea uniforme. Zv (WR ) = Zv (WS ) = Zv (WT ) En general las ramas voltimétricas son prácticamente resistivas puras, para limitar la corriente, y a su vez aumentar el alcance, todos los vatímetros tienen en esa rama resistencia óhmica (anti-inductiva) muy elevada. Además ésta resistencia nos asegura que la intensidad que circula por la rama voltimétrica el error de fase (o ángulo de error) G es nulo. Concluimos que la igualdad de impedancias se convierte en igualdad de resistencias Rv (W R) = Rv (W S) = Rv (W T) ( 2) Esta última nos da la posibilidad de medir con un solo vatímetro si el sistema es equilibrado, ya que entonces sabemos de antemano que las tres potencias monofásicas son iguales. Bastará medir una sola y multiplicar por tres para hallar la potencia trifásica total. Para satisfacer la expresión (2) reemplazaremos los otros dos instrumentos por resistencias de igua l valor óhmico a la rama voltimétrica del vatímetro. Para realizar ésta medición se construyen vatímetros que ya cuentan internamente con las resistencias para las otras fases. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 10/ 32 Conclusión: El método de los tres vatímetros da la potencia exacta e invaria nte cualquiera sea el punto de referencia tomado como centro de estrella, siempre que no variemos ni la fuente ni la carga. Si las tres impedancias que forman el centro de estrella son iguales, éste centro se convierte en un neutro artificial. 2.b) Medic ión de potencia con dos vatímetros: Método de Aron Se puede medir potencia activa trifásica con dos vatímetros cuando el sistema no tiene neutro, es decir que es trifilar. Se utiliza el circuito de la figura siguiente donde el punto común de los dos vatímetros es la fase T, por ejemplo. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 11/ 32 Vamos a imponer solamente una condición: las tensiones e intensidades varían senoidalmente para poder representarlas vectorialmente, más adelante veremos que la fórmula de Aron también es válida sin que se cumpla dicha condición. Demostraremos que: P trif = P R −T + P S −T = W 1 + W 2 Donde: P R −T = U R −T × I R P S −T = U S −T × I S Siendo U R −T ,U S −T , I R , I T , tensiones e intensidades de línea puesto que no se conoce la carga. Aplicando las Leyes de Kirchoff para intensidades y tensiones: IR + IS + IT =0 • (1) Sistema Trifilar (3 hilos) . No imponemos la condición de que el sistema sea equilibrado U R −S + U S −T + U T − R = 0 • No imponemos la condición de que el sistema sea simétrico. Además se cumple siempre que: U R −T = U R − N − U T − N U S −T = U S − N − U T −N (En nuestro caso el vatímetro W1 está conectado en la fase R, de modo que la tensión es UR-T ) U R −T = −U T −R Entonces, podemos demostrarlo vectorialmente: Pw1 = U R −T .I R . cos(U R −T Pw2 = U S −T .I S .cos(U S −T ∧ ∧ I R ) = U R −T .I R .cos(ϕ R − 30 º ) = U R −T × I R ( prod.escalar) I S ) = U S −T .I S . cos(ϕ S + 30 º ) = U S −T × I S Pw1 + Pw2 = U R −T × I R + U S −T × I S = [U R − N − U T − N ]× I R + [U S − N − U T − N ]× I S Pw1 + Pw2 = U R − N × I R − U T − N × I R + U S − N × I S − U T − N × I S   Pw1 + Pw2 = U R − N × I R + U S − N × I S + U T − N ×  −14 I R2−4 IS 3   IT   De (1) IT = −I R − I S Pw1 + Pw2 = U R − N × I R + U S − N × I S + U T −N × I T Pw1 + Pw2 = U R − N .I R .cos ϕ R + U S − N .I S .cos ϕ S + U T − N .I T . cos ϕ T Pw1 + Pw2 = PwR + PwS + PwT = P trif .act. En este desarrollo no se impuso ninguna condición, excepto que el sistema sea trifilar, entonces se puede tener el caso de que : Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza U RS ≠ U ST ≠ U TR Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 12/ 32 y / o I R ≠ I S ≠ IT Conclusión: 1. La suma de las mediciones de los dos vatímetros es igual a la suma de las indicaciones que hubieran revelado tres vatímetros conectados a cada una de las fases y neutro artificial. Es decir que se obtiene con éste método una medición de potencia trifásica. 2. Como no hemos impuesto condiciones de simetría ni de equilibrio para demostrar el método, decimos que sirve para medir potencia en cualquier sistema trifásico, simétrico o no, equilibrado o no, siempre que sea trifilar. 3. Este método solo es posible de utilizarse, cuando no existe conductor neutro, o bien si previamente puede garantizarse (por medición) que la intensidad del neutro es nula. 4. Es independiente de que la carga esté conectada en estrella o triángulo. 5. El método de Aron se emplea en sistemas de transmisión (alta tensión) y de distribución primaria (media tensión), que son sistemas trifásicos que nunca poseen neutro. Desde luego que habrá que utilizar transformadores de medida (TI, TV) para conectar los vatímetros. 6. También se los utiliza en la industria cuando se trata de grandes potencias, por ejemplo, en explotaciones petrolíferas, explotaciones mineras, etc., pues constituyen sistemas trifásicos sin neutro. Habíamos impuesto una única condición para deducir el método de Aron y es que tensiones e intensidades variasen senoidalmente. Pero la formula final es también válida aunque no se cumpla dicha condición. Tomando valores instantáneos: p t = u R .i R + u S .i S + u T .iT = u R .i R + u S .i S + u T .(− i R − i S )     p t =  u R − uT .iR +  u S − u T .i S 1 424 3 424 3 1  u R −T   uS −T  p t = u R −T .i R + u S −T .iS Entonces la potencia instantánea trifásica es igual a la suma de las potencias instantáneas uR −T .iR y uS −T .i S . Es importante recordar que los vatímetros son sensibles a los valores eficaces de tensión e intensidad y por lo tanto su indicación de potencia activa no está afectada de la forma de onda. Antes de conectar un vatímetro se debe medir la intensidad y la tensión para evitar el deterioro del instrumento por someterlo a magnitudes excesivas. 220 – 380 13,2 – 33 – 66 132 – 220 – 500 [V] [KV] [KV] B. T. M. T. A. T. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 13/ 32 Aplicación del Método de ARON para sistemas simétricos y equilibrados 1. Potencia Activa Trifásica De acuerdo al circuito eléctrico y al diagrama vectorial tenemos: Pw1 = U R −T .I R . cos(ϕ R − 30 °) Pw2 = U S −T .I S .cos(ϕ S + 30 °) Entonces si es simétrico y equilibrado: U R −T = U S −T = U C IR = IS = I ϕR = ϕS = ϕ Si hacemos la suma de los valores leídos de Pw1 y Pw2 obtendremos: Pw 1 + Pw 2 = U C .I . cos( ϕ − 30 °) + U C .I . cos( ϕ + 30 °) Pw 1 + Pw 2 = U C .I .[cos( ϕ − 30 °) + cos( ϕ + 30 °) ] Pw 1 + Pw 2 = U C .I .(cos ϕ . cos 30 ° + senϕ .sen 30 ° + cos ϕ . cos 30 ° − sen ϕ .sen 30 °) Pw 1 + Pw 2 = U C .I . cos ϕ .21.42 cos 30 4 3º 3 Pw1 + Pw2 = 3.U C .I . cos ϕ = P trif . act . Si ahora suponemos que vamos ha medir la potencia que consume un motor trifásico, alimentado simétricamente. La potencia activa como vimos anteriormente será: Pw1 = U R −T .I R .cos(ϕ R − 30 º ) Pw2 = U S −T .I S . cos(ϕ S + 30 º ) PT = Pw1 + Pw2 Por el tipo de carga podemos escribir : Pw1 = Uc..I .cos(ϕ − 30 º ) = k. cos(ϕ − 30 º ) Pw2 = Uc.I . cos(ϕ + 30 º ) = k. cos(ϕ + 30 º ) Si ahora creamos una tabla dándole valores a Pw1, Pw2 y a su suma PT, obtenemos: Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza f Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 14/ 32 Pw1 Pw2 PT 0º 3 k 2 30º k 60º 3 k 2 1 k 2 1 k 2 90º -30º -60º 0 -90º 1 - k 2 3 k 2 1 k 2 0 1 - k 2 k 3 k 2 1 k 2 3k 3 k 2 3 k 2 Tipo de Carga: Resistiva Tipo de Carga: Inductiva - Resistiva 0 3 k 2 3 k 2 Tipo de Carga: Capacitiva - Resistiva 0 Si ahora representamos para un mismo gráfico la lectura del vatímetro 1, del vatímetro 2 y la potencia activa trifásica en función del ángulo y del coseno f de la carga. Potencia Reactiva Trifásica. Si efectuamos la diferencia de las lecturas de los vatímetros Pw1 y Pw2 resulta: Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 15/ 32 Pw 1 − Pw 2 = U C .I . cos( ϕ − 30 ° ) − U C .I . cos( ϕ + 30 °) Pw 1 − Pw 2 = U C .I .[cos( ϕ − 30 °) − cos( ϕ + 30 °) ] Pw 1 − Pw 2 = U C .I .(cos ϕ . cos 30 ° + sen ϕ .sen 30 ° − cos ϕ . cos 30 ° + sen ϕ .sen 30 ° ) Pw 1 − Pw 2 = U C .I .sen ϕ .21 .sen 4 230 4 3º 1 Pw1 − Pw2 = U C .I .senϕ Pero nuestro objetivo es obtener la potencia reactiva trifásica y no la monofásica, por lo que afectamos a ambos miembros de la igualdad anterior por 3 . 3.( Pw1 − Pw2 ) = 3.U C .I .sen ϕ = PRe act .Trif . Nota: se puede aplicar Aron directamente, para calcular potencia reactiva trifásica, mediante dos varímetros. Factor de Potencia Trifásico. tg ϕ = Preact.trif . Pact.trif . ϕ = arctg = 3.(Pw1 − Pw2 ) Pw1 + Pw2  3 .(Pw1 − Pw2 ) 3 .(Pw1 − Pw2 ) ⇒ cos ϕ = cos arctg  Pw1 + Pw2 Pw1 + Pw 2   También puede utilizarse la siguiente expresión: cos ϕ = 1 1 + tg 2ϕ Partiendo de dos lecturas w1 y w2 se puede determinar el factor de potencia, haciendo el cociente de la lectura menor y la mayor. |w1| > |w2|, para carga inductiva. |w2| > |w1|, para carga capacitiva Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 16/ 32 Si hacemos una tabla para algunos valores del ángulo f : .f cos f w2 w1 0º 30º 1 0,866 1 0,5 60º 0,5 0 90º 0 -1 De la curva podemos obtener para cualquier relación de w2/w1, el factor de potencia Se puede construir ésta tabla de otro modo, utilizando la siguiente fórmula, para graficar la curva cosf =f(w2/w1), para luego utilizarla como ábaco: cos ϕ = 1+ x 2. x 2 − x + 1 donde: x= Wmenor W 2 = Wmayor W1 En el análisis efectuado del método de Aron, ya sea en forma general o aplicado a sistemas simétricos y equilibrados, se ha supuesto una carga R-L, en donde se observa que la lectura del vatímetro W1 es siempre positiva, cualquiera sea el desfase en la carga, en cambio el vatímetro W2 puede reflexionar en forma negativa, positiva o no deflexionar. Es decir:  ϕ = 0º ⇒ Pw1 = + si  ϕ = 90 º ⇒ Pw1 = +  ϕ = 0 º ⇒ Pw2 = +  si ϕ = 60 º ⇒ Pw2 = 0 ϕ = 90 º ⇒ Pw2 = −  Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 17/ 32 Por lo tanto la expresión analítica del método de Aron queda: Pact.tirf . = Pw1 ± Pw2 Preact. trif .   para c arg a R − L = 3.(Pw1 m Pw 2 )  Pact.tirf . = Pw 2 ± Pw1 Preact. trif .   para c arg a R − C = 3.(Pw 2 m Pw1 )  Cuando la carga es R-L la indicación de W1 siempre es positiva, y si la carga es R-C, W2 siempre es positivo y el que cambia de signo en algún momento es W1. Es necesario que se respete la secuencia de conexión de los vatímetros, es decir, que debe determinarse claramente que lecturas corresponden al W1 y cuales al W2. FORMAS DE CONEXIÓN Y PRECAUCIONES EN MEDICIONES CON VATÍMETRO. Generalmente en un vatímetro de precisión la d.d.p. admitida entre las bobinas de intensidad y de tensión es de 100v a 120v. Si se sobrepasa éste valor pueden originarse desviaciones de la aguja por fenómenos de cargas electrostáticas y en consecuencia errores en la medida. Además, el instrumento puede romperse debido alas altas tensiones, en el caso que éstas produzcan una perforación del aislamiento de las bobinas. Esto oc urrirá si en lugar de invertir la bobina amperométrica se invirtiera la voltimétrica, veamos un ejemplo: En la Fig. A, en el punto 1 hay 379v, en 2 hay 0v, hay una d.d.p. de 379v en un espacio muy pequeño. Se puede producir un arco eléctrico entre ambo s puntos y esto rompe el instrumento. Con esto estamos contradiciendo la primera regla de conexión, ya que entre las bobinas de intensidad y de tensión hay una d.d.p. de más de 120v. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 18/ 32 Invirtiendo los bornes de la bobina amperométrica Fig. B, en el punto 1 hay 379v, en el 2, 380v, en 3 hay 375v, en 4 hay 379v y en 5 380v. Entre los puntos más próximos (1 y 2) hay una d.d.p. de 1 Volt y entre 2 y 4, habrá 4 Volts, entonces nunca habrá problemas. Cuando la tensión del circuito es baja (menos de 100v), es ind istinto invertir una u otra bobina. En la práctica se suele invertir la bobina de tensión teniendo en cuenta que maneja menos corriente que la amperométrica y no tenemos que cortar el servicio (no abrimos el circuito de carga). En las medidas indirectas, es decir con transformadores de tensión e intensidad, la d.d.p. entre las bobinas de intensidad y tensión del vatímetro, está dada por la línea de tierra que une los secundarios de los transformadores. Esta d.d.p. es de unos 100v en el caso del método de los dos vatímetros ya que los dos puntos de los transformadores de tensión que están unidos a la fase común, están puestos a tierra. Los vatímetros tipo industrial o de campo admiten una d.d.p. de 500v entre sus bobinas, éste valor determina la aislamiento entre dichas bobinas, que es un factor determinante para la elección de la tensión admisible. Para tener en cuenta: La d.d.p. entre la bobina de intensidad y la de tensión debe ser la menor posible. Para obtener la deflexión correcta se debe respetar la polaridad del instrumento. El sentido de la desviación de la aguja, en cualquier vatímetro no depende del sentido de la corriente en las bobinas de intensidad y de tensión, sino de la relación de las direcciones entre ellas. Los conductores de tensión, deben ser protegidos para evitar la colocación incorrecta de los conductores que puede dar lugar a cortocircuitos. En la práctica no se conoce generalmente el tipo de carga a la que vamos a medir la potencia consumida. Necesitamos saber la tensión del sistema y el orden de la corriente, para poder elegir el vatímetro a utilizar y en que rango hacerlo trabajar. En el método de Aron es necesario respetar la secuencia de conexión de los vatímetros, para conocer correctamente cual de los vatímetros es W1 y cual es W2. De no ser así, cuando calculemos la potencia reactiva para cualquier ángulo f nos dará con signo contrario, y sino conocemos el tipo de carga, interpretaremos erróneamente la medición. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 19/ 32 II-Medición de Potencia Reactiva MEDICIÓN DE POTENCIA REACTIVA MONOFÁSICA A) Método Directo La potencia reactiva Monofásica queda expresada, por la siguiente fórmula: P react.mono f = U.I.sen ϕ [VAR] Siendo f el ángulo de desfasaje entre I y U en la carga: La potencia Reactiva monofásica se mide con el Varímetro , que es un instrumento similar al vatímetro, constituido por dos bobinas, una fija y una móvil, en serie con ésta última se conecta una bobina adicional, de tal forma que los flujos magnéticos que ambas generan están desfasados 90º entre sí. Es un instrumento de lectura Directa y se lo conecta en forma análoga al vatímetro. Varímetro [VAR] Supongamos que en la rama voltimétrica colocamos una reactancia pura, por ejemplo una auto-inductancia, el diagrama vectorial queda: En este caso, la potencia que vamos a medir es: α eq = K 1.I ef .U ef . cos( 90 − ϕ ) = K1.I ef .U ef .sen ϕ α eq = P react .monof . = K1.I ef .U ef .sen ϕ Entonces haciendo circular una corriente IM desfasada 90º respecto a UM , por la rama voltimétrica, de modo que este desfasada un ángulo (90 – f ) respecto de I; podremos medir potencia reactiva. Recordemos que el par eléctrico para instrumentos electrodinámicos es proporcional al producto de dos corrientes, I e IM en corriente continua; y en corriente alterna, Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 20/ 32 las corrientes son valores instantáneos i e iM. Cuando vamos a medir potencia, un bobinado es excitado con una corriente iM proporcional a la tensión aplicada, y la ecuación del par ME queda en función de ésta tensión, de la corriente de la bobina fija y del ángulo que forman ambas magnitudes. Este ángulo depende sólo del tipo de carga, pero la función trigonométrica que lo afecta depende de la potencia que deseamos medir, activa o reactiva. Si en lugar de conectar una auto-inductancia en la rama voltimétrica, conectamos una capacidad para lograr el desfasaje de 90º entre UM e IM no altera en nada todo el razonamiento (sólo deflectaría en sentido contrario). Pero, tanto auto- inductancias como capacidades, en la práctica no son puras, es decir que el mayor desfasaje que se puede conseguir es de unos 80º; de esto surge de la necesidad de recurrir a otro método para lograr los 90º y éste es utilizar una red desfasadota denominada: CONEXIÓN HÜMMEL. B) Método Indirecto. En éste caso podemos obtener la potencia reactiva monofásica, con la ayuda de un vatímetro, un voltímetro y un amperímetro. Con la lectura de éstos instrumentos obtenemos el Pvatímetro. Pactiva cos ϕ = = , y de aquí obtenemos mediante el arco coseno el ángulo f , U .I Paparente luego de conocido éste, podemos calcular el seno de f , que multiplicado por las lecturas del voltímetro y amperímetro, nos da el valor de la potencia reactiva monofásica. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 21/ 32 2) Medición de potencia reactiva trifásica en un sistema simétrico y equilibrado mediante un vatímetro. ∧ PW = I R .U S −T . cos  I R U S −T    PW = I R .U S −T . cos(90 − ϕ ) (1) cos(90 − ϕ ) = senϕ ( 2) PW = I R .U S −T .senϕ PW = I R . 3 .U fase .senϕ 1 424 3 US −T PW = 3.P reactiva monofásica 3 .PW = 3 . 3 .I R .U f .senϕ = 3..I R .U f .senϕ = P reactivatrifásica P react. trif . = 3.PW Teniendo un sistema simétrico y equilibrado es posible obtener la potencia reactiva trifásica, contando con un vatímetro y conectándolo de acuerdo al esquema anterior, teniendo en cuenta que la bobina de intensidad se conecta a una de las fases y la de tensión a las fases restantes, de esta forma se produce un desfasaje de 90º entre la tensión correspondiente a la fase que se conecta la bobina de intensidad (UR) y la tensión con la cual trabaja la bobina de tensión (US-T). Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 22/ 32 Según (1), el vatímetro trataría de medir la potencia activa, pero según la relación trigonométrica (2), resulta que la lectura del vatímetro es proporcional a la potencia reactiva trifásica debemos multiplicar dicha lectura del vatímetro por 3 . 3) Medición de potencia reactiva trifásica en un sistema simétrico y desequilibrado. En éste caso podemos utilizar dos métodos, el método de los 3 vatímetros para redes trifásicas de 4 hilos y el método de los 2 vatímetros para redes trifásicas de 3 hilos, siempre conectándolo como ya se ha mencionado, es decir, la bobina amperométrica en una fase y la voltimétrica en las dos restantes, a fin de lograr el desfasaje de 90º entre las tensiones correspondientes. Método de los tres Vatímetros. P react.trif . = 1 3 (PW R + PW S + PW T ) Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 23/ 32   ∧   ∧  .U S −T .cos  I R U S −T  + I S .U T −R . cos  I S U T −R  +          ∑ lectura de los 3 vatímetros = I R  ∧  + I T .U R −S .cos  I T U R −S       Por ser alimentaci ón simétrica ⇒ U S −T = U T − R = U R − S = U compuestas  ∧  cos  I R U S −T  = cos (90 − ϕ R ) = senϕ R    ∧  cos  I S U T −R  = cos (90 − ϕ S ) = senϕ S    ∧  cos  I T U R − S  = cos (90 − ϕ T ) = senϕ T   ∑ lectura de los 3 vatímetros = U Por ser U comp = 3 .U fase PRe act.trif . = U comp 3 .I R .Senϕ R + U comp .I S .Senϕ S + U comp .I T .Senϕ T comp ⇒ La potencia Reactiva Trifásica : (I R .Senϕ R + I S .Senϕ S + I T .Senϕ T ) PRe act.trif . = PRe activa monofásica R + PRe activa monofásica S + PRe activa monofásica T P react.trif . = 1 3 (PW R + PW S + PW T ) Como se puede observar en el esquema de conexión anterior, se utilizan 3 vatímetros para potencia activa conectados en la forma indicada, es decir con la bobina de tensión trabajando con las fases que quedan libres, con respecto a donde se conectó la bobina de intensidad. Entonces la bobina voltimétrica tiene aplicada la tensión compuesta o de línea que es 3 veces mayor que la tensión de fase (considerando siempre un sistema de alimentación en estrella). Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 24/ 32 La potencia reactiva trifásica es igual a la suma de las lecturas de los vatímetros dividido por 3 , puesto que cada vatímetro mide la potencia reactiva de una fase aumentada en 3 , por el hecho de que la bobina de tensión trabaja con una tensión compuesta en ves de hacerlo con la tensión de fase. A pesar de existir el conductor neutro, no es posible conectar las bobinas de tensión a la tensión de fase, porque no se lograría obtener el desfasaje de 90º entre la tensión simple de la fase donde se ha conectado la bobina amperométrica y la tensión compuesta a la que está sometida la bobina de tensión. 3) Medición de la potencia reactiva trifásica mediante varímetros. a) Método de los 3 (tres) varímetros: Preact.trif . = U R − N .I R .senϕ R + U S − N .I S .senϕ S + U T − N .I T .senϕ T Preact. trif . = PVAR _ R + PVAR _ S + PVAR _ T El método es para sistemas tetrafilares o con neut ro artificial, y no importa si el sistema es simétrico y/o equilibrado. b) Método de los 2 (dos) varímetros. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Preact.trif . = U R −T .I R .sen(U R −T Preact.trif . = P VAR( R −T ) ∧ Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I I R ) + U S −T .I S .sen(U S −T ∧ Páginas 25/ 32 IS) + PVAR(S −T ) Éste método se utiliza en sistemas trifilares, y tampoco importa si el sistema es equilibrado. III - Medición Del Factor De Potencia 1) Métodos de Lectura Directa: Cosfímetro. Se podría decir que es un electroimán de bobinas cruzadas, como veremos a continuación. Hemos visto como funciona un vatímetro y un varímetro. Si tomamos ambos instrumentos y los conectamos como indica el circuito de la figura siguiente, es decir las bobinas están montadas sobre el mismo eje, son mecánicamente solidarias. La aguja del instrumento -1- tenderá a medir potencia activa, la aguja de -2- tenderá a deflexionar en proporción a la potencia reactiva, pero como están solidarias sobre el mismo eje, van a tomar una posición intermedia que indica cual potencia prevalece sobre la otra. Éste mecanismo es en esencia un cosfímetro , la construcción real es de forma más sencilla. El instrumento está formado por una bobina amperométrica y dos bobinas voltimétricas móviles, cruzadas formando un ángulo de 90º. Se conecta como un vatímetro. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 26/ 32 Los flujos magnéticos φ0 y φ1 son proporcionales a las corrientes I0 e I1. El campo φ0 está en fase con I0. Entre U e I hay un desfasaje f . La bobina S1 está en serie con una resistencia anti-inductiva R1 de modo que la corriente I1 está en fase con U. La bobina S2 está en serie con una auto -inductancia pura, entonces la corriente I2 está retrasada respecto de la tensión U. El ángulo que forman las bobinas móviles con la fija está en función de la posición que tome la aguja, de ésta manera tendremos ángulos en el tiempo y en el espacio. Entonces podemos hacer dos diagramas: a) Flujos en el espacio: decalaje o ángulo geométrico. b) Corrientes en el tiempo: ángulos eléctricos. Éste aparato no tiene par antagónico mecánico, el par que siempre hemos logrado con espirales elásticos, simplemente posee dos pares que se oponen entre sí, es decir que la bobina S1 tiende a girar en sentido horario y la S2 en sentido antihorario, por lo tanto un par hace las veces de antagónico del otro. A continuación veremos que un par es función del sen θ, y el otro, del cos θ , esto significa que un par se atenúa mientras que el otro aumenta, de tal manera que el par mayor hará girar el sistema. Las bobinas móviles S1 y S2 se alimentan por medio de escobillas como indica la figura siguiente: El rozamiento de las escobillas, se ha reducido prácticamente a cero, haciendo que las superficies sean bien pulidas, limpias y que apenas tengan presión entre sí, para que la fuerza causada por el rozamiento no ocasione un par importante, los aritos (1) son pequeños, de tal manera, que aunque la fuerza no sea nula, el brazo de palanca es pequeño, para que su momento Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 27/ 32 sea despreciable. Con esto se logra independencia en el giro. Si alimentáramos las bobinas mediante espirales, el sistema giraría un c ierto ángulo máximo, por ello es que se prefieren los aros y escobillas. Respuesta del sistema: Los pares eléctricos que se forman entre la bobina S1 y S, y S2 y S son: ∧ ∧ = K . φ . φ . sen ( φ φ ). cos( φ φ ) M E 10 1 1 0 11230 1 1 230 espacio ME ME 10 20 tiempo = K1 .φ1 .φ 0 .senθ .cos ϕ = K 2 .φ 2 .φ0 .sen(90 − θ ). cos(90 − ϕ ) Hemos dicho que los flujos son proporcionales a las corrientes: ∧ ∧ (φ1 φ 0 ) = ( I 1 I 0 ) 123 123 tiempo tiempo φ1 = K '.I1 φ 2 = K ' '.I 2 , , φ0 = K .I 0 En el equilibrio , los pares M 10 y M 20 se igualan : ME 10 = ME 20 [K 1 .K '.K .I 1 .I 0 .senθ . cos ϕ = K 2 .K ' '.K .I 2 .I 0 . cos θ .senϕ ] Constructivamente puede lograrse que:  K ' = K' ' a)   K1 = K 2 b ) I1 = I 2 U U = K 3 .U , I2 = = K 4 .U R ω .L Si R = ω .L ⇒ K 3 = K 4 ⇒ I1 = I 2 I1 = La expresión (1) queda: [K 1 .K '.K .I1 .I 0 .senθ .cos ϕ = K 2 .K ' '.K .I 2 .I 0 . cos θ .senϕ ] senθ . cos ϕ = cos θ .senϕ senθ senϕ = . cos θ cos ϕ tg θ = tgϕ Entonces: θ = ϕ (1) Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 28/ 32 El aparato se construye de tal forma que el ángulo que adopta en la porción de equilibrio, sea el ángulo de desfasaje f . La escala del instrumento se podrá graduar en ángulos o en coseno del ángulo. En el primer caso tendremos un fasímetro, en el segundo un cosfímetro. Existen cosfímetros monofásicos y trifásicos. Generalmente se fabrican para 5A y 100V, para intensidades y tensiones mayores se los conectan a través de transformadores de medición. (TI y TV) 2) Medición Indirecta, para sistemas Monofásicos. Utilizando un amperímetro, un voltímetro y un vatímetro Luego se aplica la formula: cos ϕ = Lectura del vatímetro Lectura del amperímetro × Lectura del voltímetro b) Método de los tres voltímetros. Utilizamos una resistencia auxiliar no inductiva R. Considerando una carga inductiva, la intensidad I atrasa un ángulo f, respecto de la tensión V1. Por otra parte la resistencia R es no inductiva, por lo tanto, la intensidad I está en fase con la tensión V2. Además la lectura del voltímetro V es la suma vectorial de V1 y V2. Aplicando el teorema del coseno: V 2 = V 2 2 + V 12 − 2.V 1.V 2. cos(180 − ϕ ) cos(180 − ϕ ) = − cos ϕ V 2 = V 2 2 + V 12 + 2.V 1.V 2. cos ϕ Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza cos ϕ = Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 29/ 32 V 2 − V 2 2 − V 12 2.V 1 .V 2 Como podemos ver, es fácil obtener el valor del coseno f , contando con las lecturas de los voltímetros. Este método se utiliza, además para obtener la potencia activa de un sistema monofásico, cuando la potencia es pequeña y por consiguiente también la intensidad (alrededor de los 15 mA), de éste modo los errores producidos en los instrumentos son ínfimos. P act. = V 1 .I1 .cos ϕ  V 2 − V 12 − V 2 2 P act. = V 1 .I1 . 2 .V 1.V 2    V 2 − V 12 − V 2 2  = I1 . 2.V 2    V 2 − V 12 − V 22 V 2 = R.I 1 ⇒ P act. = I 1. 2.R.I1   V 2 − V 12 − V 22 P act. =  2 .R           c) Método de los tres Amperímetros. Análogamente al método anterior es posible obtener el valor del factor de potencia contando con tres amperímetros y una resistencia auxiliar no inductiva, además consideramos que la caída de tensión en los amperímetros es cero. Aplicando el teorema del coseno: I 2 = I 12 + I 2 2 − 2.I1 .I 2 . cos(180 − ϕ ) cos(180 − ϕ ) = − cos ϕ I 2 = I 2 2 + I 12 + 2.I1 .I 2. cos ϕ cos ϕ = I 2 − I1 2 − I 2 2 (1) 2 .I 1.I 2 Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 30/ 32 Este método también permite medir la potencia activa monofásica: P act. = V 1 .I1 .cos ϕ  I 2 − I12 − I 2 2 P act. = V 1 .I1 . 2.I1 .I 2  V V = R.I 2 ⇒ R  I 2 − I1 2 − I 2 2   P act. = V .  V  2. R    I 2 − I12 − I 22 P act. = R. 2    I 2 − I1 2 − I 2 2  = V 1 . 2 .I 2        (2)  A los efectos de construir el diagrama vectorial se supone la carga de tipo resistiva – inductiva, por ello I1 está retrasada con respecto de V, un ángulo f , cuyo coseno hemos determinado. La resistencia auxiliar R es de tipo no inductiva y de valor conocido, con el c ual podemos calcular la potencia activa. Como vemos, el valor del coseno f q ueda determinado por la fórmula (1), en función de las lecturas de los amperímetros. 3) Medición del factor de potencia en sistemas trifásicos. a) SISTEMA SIMÉTRICO Y EQUILIBRADO. a.1) Utilizando un vatímetro, un amperímetro y un voltímetro. Cuando el sistema es simétrico y equilibrado, el desfasaje entre la tensión y corriente, es el mismo para cada fase, por lo cual el factor de potencia trifásico medio coincidirá con el factor de potencia en cada fase. Éste valor se determina con un vatímetro, un voltímetro y un amperímetro, que medirán la potencia de una fase, la tensión de una fase y la corriente de la fase respectiva. Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 31/ 32 a.2) Método de Aron. Partiendo de dos lecturas w1 y w2 se puede determinar el factor de potencia, haciendo el cociente de la lectura menor y la mayor. |w1| > |w2|, para carga inductiva. |w2| > |w1|, para carga capacitiva. Si hacemos una tabla para algunos valores del ángulo f : f cos f w2 w1 0º 30º 60º 90º 1 0,866 0,5 0 1 0,5 0 -1 . w2 , el factor de potencia. Se w1 puede construir ésta tabla de otro modo, utilizando la siguiente fórmula, para graficar la  Pw2  curva cos ϕ = f   , para luego utilizarla como ábaco:  Pw1  De la curva podemos obtener para cualquier relación de cos ϕ = 1+ x 2. x − x + 1 2 donde: x= Wmenor W 2 = Wmayor W1 Universidad Tecnológic a Nacional Facultad Regional Mendoza Departamento de Electrónica Medidas Electrónicas I Páginas 32/ 32 b) SISTEMA SIMÉTRICO Y DESEQUILIBRADO Cuando las cargas están repartidas desigualmente entre las fases, habrá que obtener el factor de potencia por cada fase y luego calcular el valor promedio de las tres fases, obteniendo así el valor medio del coseno f trifásico. ________________________________________________________________________ Integrantes de la Cátedra : Titular: Ing. Roberto Martínez JTP: Ing. Eduardo Grosso Ayudantes: Ing. Pedro Pérez Ing. Walter Javier Paris Unidad Compilada por: Ing. Walter Javier Paris Revisión: Ing. Roberto Martínez