CATEDRA: ELECTROTECNIA Y MAQUINAS ELECTRICAS TRABAJO PRACTICO DE LABORATORIO Nº 2 TITULO: CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA USO DEL OSCILOSCOPIO

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1 UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA CATEDRA: ELECTROTECNIA Y MAQUINAS ELECTRICAS TRABAJO PRACTICO DE LABORATORIO Nº 2 TITULO: CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA USO DEL OSCILOSCOPIO CICLO LECTIVO 2012 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

2 CÁTEDRA: ELECTROTECNIA Y MAQUINAS ELECTRICAS TRABAJO PRÁCTICO Nº 2 CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA USO DEL OSCILOSCOPIO ESTRUCTURA: Prof. TITULAR: Ing. MATEO RODRIGUEZ VOLTA Prof. ADJUNTO: Ing. OSCAR BERCOVICH J. T. P.: Ing. JULIO COCCO ALUMNO: COMISIÓN Nº INTEGRANTES: FECHA DE REALIZACIÓN: / /20 FECHA DE ENTREGA: / /20 FECHA DE APROBACIÓN: / /20 APROBACIÓN: 2

3 CONTENIDO 1. Uso de Osciloscopio a. Objetivos del Ensayo / Demostración Utilización del osciloscopio como instrumento de medición 2. Circuito / Equipo a Ensayar a. Medición de tensión continua. b. Medición de tensión alterna. c. Visualización del ciclo de histéresis en material ferromagnético. 3. Componentes: Equipos, Instrumentos, Elementos accesorios. Para la integración de los circuitos se deberán de utilizar una fuente regulada de tensión, un autotransformador y osciloscopios, de acuerdo con la tensión a medir. Como elementos pasivos se emplean reóstatos y resistencias sobre base cerámica, bobinas y trasformadores, de acuerdo con el detalle que se anexa a continuación Medición de tensión continua Elementos activos.- Fuente de corriente continua Elementos pasivos.- Reóstato 500 W 170 Ω Instrumentos de medición.- Osciloscopio marca KIKUSUI Medición de tensión alterna Elementos activos Autotransformador variable (Variac) Entrada 220 V Salida V Elementos pasivos R = 81Ω X L = 92 mhy Instrumentos de medición.- Osciloscopio marca KIKUSUI Visualización del ciclo de histéresis Elementos activos.- Autotransformador Elementos pasivos.- Circuito formado por elementos discretos (R, L, C), que permiten efectuar la visualización del ciclo de histéresis en un transformador Instrumentos de medición.- Osciloscopio marca KIKUSUI 3

4 4. Procedimiento de Ensayo/Demostración a. Medición de tensión Continua. b. Medición de Tensión Alterna Para verificar los valores de tensión y de corriente se colocaran un voltímetro y un amperímetro c. Visualización del Ciclo de HISTÉRESIS 4

5 Cuando se aplica una señal alterna a una bobina arrollada sobre un núcleo de material ferromagnético, la fuerza magnetomotriz (Fmm), origina un flujo Φ, el cual se canaliza principalmente por dicho material. La representación en un diagrama cartesiano de la evolución de las magnitudes indicadas determinará una figura axial que se denomina Ciclo de Histéresis. Con el auxilio de un circuito electrónico, se obtendrá el ciclo de histéresis que se desarrolla en el núcleo de un transformador visualizando el mismo en un osciloscopio alimentado por dos señales proporcionales a B (Densidad de flujo magnético) y a H (Intensidad de campo magnético o excitación magnética). Para ello la tensión que se aplica al vertical será proporcional a B =. =.. Donde: B: es inducción magnética N: es número de espiras de la bobina S: es sección del núcleo en m 2 En forma similar, al canal horizontal se le aplicará una tensión proporcional a la intensidad de campo magnético H =. =. Donde l es longitud del circuito magnético en (m) CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA 1. Objetivos del Ensayo/Demostración Orientar al alumno en la determinación de las relaciones entre los parámetros característicos de los elementos pasivos frente a la aplicación de una tensión alterna Se compararan, con fines didácticos, los resultados esperados con los obtenidos a fin de desarrollar las conclusiones correspondientes. 2. Circuito / Equipo a Ensayar Se realizarán los ensayos sobre elementos pasivos, determinando las relaciones entre tensión, corriente y potencia Análisis de la señal Se aplicará una tensión alterna, entendiéndose, por alterna aquella señal que cambia periódicamente de intensidad y de sentido. Este cambio tiene una constante en el tiempo, y a esta constancia se la denomina período, es decir que el período de una onda alterna es el tiempo necesario para obtener los mismos valores, se expresa en segundos. Las veces que este valor se repite en la unidad de tiempo se denomina: frecuencia. = 1 1 5

6 La frecuencia es un dado característico de la onda y en la distribución pública de energía es una constante fijada a nivel Nacional, y respetada por todos los generadores aportantes al sistema. El valor instantáneo de una onda alterna es el valor de tensión o de intensidad en un instante determinado. Solamente es posible su determinación por medio del osciloscopio. El valor de pico de una onda alterna es el valor máximo que una tensión o corriente alcanzada en un período. El valor medio de una onda alterna es la media aritmética de los valores instantáneos durante un período. Para una curva sinusoidal el valor medio es igual a cero. Para una alternancia es 0,637 del valor máximo. =. El valor eficaz de una señal alterna es igual al valor de una señal continua que disipe la misma cantidad de calor en la misma resistencia durante el mismo tiempo. = El valor instantáneo de una señal se representa por un vector cuyo modulo es igual al valor máximo de la señal y que gira con una velocidad angular ω, igual a la frecuencia f por la amplitud del período 2π. ω = 2πf Cuando se aplica a un circuito compuesto por elementos pasivos, lineales, bidireccionales, una tensión alterna, este permite la circulación de una corriente, cuyo modulo va a depender, por ley de ohm, del valor óhmico de los elementos que integran el circuito, será de igual frecuencia que la tensión aplica, y estará desfasada en el tiempo de acuerdo con los elementos que integran el circuito, RESISTIVO, INDUCTIVO O CAPACITIVO. El ángulo de desfasaje entre tensión y corriente se denomina ϕ, el giro de los vectores es antihorario CIRCUITO RESISTIVO PURO: Cuando se aplica a un circuito RESISTIVO PURO, una tensión alterna, esta genera por el elemento la circulación de una corriente cuyo modulo va a depender de la LEY DE OHM y el desfasaje entre tensión aplicada y corriente generada va a ser cero. 6

7 A V W R k α I k α U k α P =..cos ; La unidad es el vatio (W) Si "φ" es cero entonces cosϕ es 1 por LEY DE OHM =. ; =. ; = cosϕ: es un factor que interviene en la expresión de la potencia consumida en circuitos con aplicación de corriente alterna, por lo cual se denomina factor de potencia. Para visualizar las ondas de corriente y tensión en el osciloscopio, se arma un circuito serie formado por la resistencia en análisis y una resistencia adicional en lo posible de 1 Ω, de este modo colocando uno de los canales sobre esta resistencia se está visualizando la tensión en dicha resistencia, pero como corriente y tensión están en fase podemos decir que dicha onda representa la corriente por el circuito serie y analizamos la fase con la onda que podemos visualizar en el otro canal, que representa la tensión en la resistencia en estudio CIRCUITO INDUCTIVO PURO : Cuando se aplica a un circuito INDUCTIVO PURO, una tensión alterna, esta genera por el elemento la circulación de una corriente cuyo modulo va a depender de la LEY DE OHM y 7

8 el desfasaje entre tensión aplicada y corriente generada va a ser de 90º, en atraso con referencia a la tensión. A V W X L k α I k α U k α P Si la inductancia de la muestra ensayada fuese realmente pura, es decir su valor de resistencia fuese nulo, el vatímetro no indicaría ninguna potencia consumida a pesar de circular una corriente por el circuito. =.. Si ϕ es 90º entonces cosϕ es 0 Esto se explica de la siguiente manera: Si analizamos la curva de potencia obtenida a partir de multiplicar los valores instantáneos de u e i, vemos que cuando u e i tienen el mismo signo el producto es positivo, la bobina absorbe energía actuando como un receptor y cuando u e i son de signos contrarios su producto es negativo; la bobina devuelve energía al circuito en lugar de recibirla, comportándose el receptor como un generador. La bobina alimentada en alterna es comprable a un muelle sometido a una fuerza alternativa. Cuando la fuerza crece el muelle se comprime y absorbe energía mecánica. Cuando la fuerza disminuye el resorte se expande entregando la energía acumulada. 8

9 La potencia reactiva Q, se puede expresar como: =.. y su unidad es el Volt Amper reactivo [VAR] por LEY DE OHM:. = ; =. ; = ; =. Para visualizar las ondas de corriente y tensión en el osciloscopio, se arma un circuito serie formado por la inductancia en análisis y una resistencia adicional en lo posible de 1 Ω, de este modo colocando uno de los canales sobre esta resistencia se está visualizando la tensión en dicha resistencia, pero como corriente y tensión están en fase podemos decir que dicha onda representa la corriente por el circuito serie y analizamos la fase con la onda que podemos visualizar en el otro canal, que representa la tensión en la inductancia en estudio CIRCUITO CAPACITIVO PURO: Cuando se aplica a un circuito CAPACITIVO PURO, una tensión alterna, se produce una carga y descarga periódica, es decir que una corriente alterna circula en forma permanente entre las placas del mismo, resumiendo decimos que los capacitores no bloquean el paso de la corriente alterna como ocurre con una tensión continua. La corriente en un capacitor adelanta 90º con respecto a la tensión: La curva de potencia activa P, va a ser alterna con el doble de frecuencia que la tensión aplicada, y su valor medio es nulo en un periodo entero. 9

10 A V W X C k α I k α U k α P =.. Si φ es 90º entonces cosϕ es 0 =.. por LEY DE OHM:. = ; =. ; = 1 ; =. Con todos los conceptos vertidos se esta en condiciones de interpretar la importancia que tienen el factor de potencia (cos ϕ), para la transmisión de energía. Para poderla interpretar vamos a suponer un ejemplo, en el cual suponemos la necesidad de trasmitir una potencia de 100 KW en una línea de 220 V. El transformador que alimenta esta carga se calcula de acuerdo con la potencia aparente del sistema =. = ,55 = 100 Si la carga tienen un cosϕ = 0,8, se tienen tres opciones para alimentar la carga: Opción 1: se deberá reducir la carga alimentada por el transformador, pudiendo solo entregar: = ,55.0,8 = 80 Lo cual implica desconectar carga, quitándole rentabilidad al equipo ya que solo se facturaran 80 KW, con igual sección de conductores y con una máquina de 100 KW. Opción 2: se cambia el transformador, colocando un equipo que posibilite entregar a la carga los 100 KW =.. = =..., =568,18 = ,18 = 125 Si bien es posible, es una solución muy onerosa ya que se debe de cambiar el transformador por otro de mayor potencia, con el agravante de que la empresa proveedora del servicio puede facturar solo por los 100 KW consumidos por el cliente. Opción 3: Tratar de aproximar el coseno de φ a la unidad, con lo cual se podrá facturar una potencia muy próxima a la instalada, sin efectuar grandes inversiones. Como la mayoría de los receptores son inductivos, el cosϕ se compensa colocando en paralelo con la carga, capacitores. =.. = ,55.0,6 = 60 10

11 Es decir que si se colocan en paralelo con la carga un banco de capacitores de 60 KVAr, se optimiza el uso de toda la instalación aguas arribas del punto de conexión. Esta es la opción técnica y económicamente correcta sobre las tres planteadas. Para visualizar las ondas de corriente y tensión en el osciloscopio, se arma un circuito serie formado por el capacitor en análisis y una resistencia adicional en lo posible de 1 Ω, de este modo colocando uno de los canales sobre esta resistencia se está visualizando la tensión en dicha resistencia, pero como corriente y tensión están en fase podemos decir que dicha onda representa la corriente por el circuito serie y analizamos la fase con la onda que podemos visualizar en el otro canal, que representa la tensión en el capacitor en estudio ANALISIS DE UN CIRCUITO R, L, C SERIE Se medirán U R, U L y U C tomado la corriente como referencia se deberá de dibujar el diagrama vectorial, donde se deberá de hallar el desfasaje entre tensión aplica y corriente Componentes: Equipos, Instrumentos, Elementos accesorios. Para la ejecución de este ensayo se utilizará un amperímetro para corriente alterna, tres voltímetros para medir las tensiones parciales y un voltímetro para medir la tensión general Datos de todos los Instrumentos y Equipos Utilizados Procedimiento de Ensayo/Demostración. Se conectarán en serie, una resistencia, una inductancia y un capacitor, los elementos se suponen puros, sin pérdidas, por lo cual tensión y corriente estarán en fase 0º a 90 º según corresponda de acuerdo a lo ya descripto, construido el diagrama vectorial, se deberá de verificar en forma gráfica y valor de la tensión total o aplicada y se calculara del mismo el ángulo de desfasaje entre tensión general y corriente. 11

12 CIRCUITO Planillas de Registro de Datos y Eventos de Ensayo/Demostración TABLA DE VALORES V R V L V C V A k α V K α V k α V k α V k α A Material Auxiliar: Normas de Ensayo, Hojas de Datos, Curvas Características, Catálogos, Manuales, etc. Cálculos, Análisis, Desarrollos, Planillas de Registro de Datos Calculados, Gráficos, etc. Conclusiones. 12