FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍA ELÉCTRICA

Transcripción

1 FNDAMENTOS DE TECNOLOGÍA ELÉCTRCA CRSO ÍNDCE Determinación del coeficiente de autoinducción de una bobina. Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, determinación de curvas características en elementos pasivos.

2 3 Fundamento teórico φ φ δ Figura : Diagrama vectorial de una bobina ideal P = cosϕ =0 ϕ =90º Figura : Diagrama vectorial de una bobina real P = cosϕ = pérdidas 0 ϕ <90º δ: Ángulo de pérdidas Coeficiente de calidad: Q = tg δ PRÁCTCA Nº 5: MEDDAS EN CRCTOS DE CORRENTE ALTERNA MONOFÁSCA 4 Bobina real con núcleo de aire: pérdidas en el cobre R X L Figura 3: Circuito equivalente de una bobina real con núcleo de aire Bobina real con núcleo ferromagnético: pérdidas en el cobre y en el hierro R eqs R X Ls P Cu >>P Fe R Fe X L Figura 5: Circuito equivalente serie Figura 4: Circuito equivalente de una bobina real con núcleo ferromagnético R eqs y R eqp son unas resistencias equivalentes que incluyen las pérdidas en el cobre y en el hierro. X Ls y X Lp son las reactancias según circuito equivalente aproximado serie o paralelo. Fe L P Fe >>P Cu R eqp X Lp Figura 6: Circuito equivalente paralelo

3 5 Métodos para la determinación de coeficiente de autoinducción: Método de Joubert, para bobinas con núcleo de aire. Método industrial, para bobinas con núcleo de aire y con núcleo de hierro. 6 Método de Joubert Es de aplicación para bobinas con núcleo de aire. El método se basa en la aplicación de la ley de Ohm, realizándose a la reactancia objeto de análisis dos ensayos, uno con corriente continua y otro con corriente alterna. Mediante el ensayo en corriente continua se determina el valor de la resistencia del hilo con el que está devanada la bobina. Mediante el ensayo en corriente alterna a frecuencia industrial se determina la impedancia de la bobina. 3

4 7 Método de Joubert Esquemas de montaje A A Z=R+jX L V (R) 30 V Hz V Z=R+jX L Figura 7: Ensayo en c.c. obtención de R Figura 8: Ensayo en c.a. obtención de Z Para el ensayo con corriente continua, se realiza un montaje en corta derivación ya que el valor de la resistencia de la bobina es bajo (aprox. 0Ω) Para el ensayo con corriente alterna, se realiza un montaje en larga derivación ya que la impedancia objeto del ensayo tiene un valor elevado. 8 Método de Joubert En el ensayo en corriente continua se anula la componente inductiva de la bobina, por tanto, únicamente interviene la resistencia del hilo con el que está devanada: R = En el ensayo en corriente alterna además de la resistencia del hilo aparecerá la reactancia de la bobina X L =ω L, luego, en conjunto tendremos una impedancia Z, que podemos determinar mediante la ley de Ohm generalizada: Z = 4

5 9 Método de Joubert Sabiendo que la impedancia,z=r+jx L, se puede determinar el valor dex L (reactancia de la bobina). Conocido el valor dex L, se puede determinar el valor del coeficiente de autoinducción de la bobina (L). δ Z X L X L = ωl = Z R φ L = Z R ω = Z R πf R Figura 9: Triángulo de impedancias 0 Método de Joubert El llamado ángulo de pérdidas (δ), que es el complementario del ángulo de fase φ. Se cuantifica mediante su tangente: tg δ = R X L El coeficiente de calidad de una bobina (Q) viene marcado por la inversa de la tangente del ángulo de perdidas de la misma: Q = = tg δ X R L 5

6 PRÁCTCA Nº 5: MEDDAS EN CRCTOS DE CORRENTE ALTERNA MONOFÁSCA Método industrial Es de aplicación para bobinas con núcleo de aire y con núcleo de hierro. Tiene la desventaja de tener que introducir un nuevo instrumento (vatímetro). Y como ventaja que únicamente se realiza un montaje. Con el método de Joubert, en el ensayo en corriente continua, únicamente se medía la resistencia del devanado (R), sin tener en cuenta las pérdidas en el hierro. Con el método industrial se emplea un vatímetro que mide las pérdidas totales, en el caso de una bobina con núcleo de hierro, las pérdidas en el cobre y en el hierro (debidas a histéresis y Foucault). Método industrial Esquema de montaje W A δ φ 30 V Hz V P =cosϕ P cos ϕ = Ángulo de pérdidas: Figura 0: Ensayo en c.a. método industrial δ = 90º-ϕ Coeficiente de calidad: Q = tgδ 6

7 Determinación del coeficiente de autoinducción 3 Método industrial Si con un ensayo con corriente continua se mide el valor de la resistencia del devanado (R), se podrían calcular las pérdidas en el cobre y por diferencia con la potencia que se mide en el vatímetro, se determinarían las pérdidas en el hierro, y se podrían calcular los parámetros de la bobina de acuerdo con el circuito equivalente de la figura 4. Normalmente se emplean los circuitos equivalentes serie o paralelo (figuras 5 y 6). El circuito de la figura 5 es adecuado cuando el valor de las pérdidas en el cobre prevalecen respecto a las del hierro. Y el circuito de la figura 6, al contrario, es decir, cuando prevalecen las pérdidas del hierro. En general, para reactancias con pocas pérdidas, (con f.d.p. bajo, ϕ > 80º), los valores que se obtienen de las reactancias y los coeficientes de autoinducción son similares en los dos circuitos aproximados. por el método industrial. 4 Método industrial Cálculos considerando el circuito aproximado serie: R eqs X Ls El valor del módulo de la impedancia Z viene determinado por las lecturas de amperímetro y voltímetro: El valor de la resistencia equivalente (devanado y pérdidas en el hierro) se determina por medio del vatímetro y amperímetro. La potencia es: P = R eqs Z = ConocidosZyR eqs, se calcula X Ls, teniendo en cuenta el triángulo de impedancias. X Ls = ω L s = Z Reqs Z R Z Reqs Ls = = ω π f eqs 7

8 por el método industrial. 5 Método industrial Cálculos considerando el circuito aproximado paralelo: Fe L R eqp X Lp Fe δ φ Por medio del vatímetro, voltímetro y amperímetro se determina el f.d.p. y las componentes de la corriente ( fe e L ) P cos ϕ = Fe =cosϕ L L =senϕ El valor de la resistencia equivalente (devanado y pérdidas en el hierro) y la reactanciax Lp : R eqp = X Lp = Fe L El coeficiente de autoinducción: X Lp X Lp Lp = = ω π f 6 Realización del ensayo Se ensaya una bobina Método Joubert: Con el montaje de la figura 7, se alimenta con la red de corriente continua regulable con un valor de tensión bajo ( a 5 V). Con el montaje de la figura 8 se alimenta con la red de corriente alterna regulable a 30V, 50Hz. ENSAYO Nº Tabla. Ensayo en c.c. método de Joubert VOLTÍMETRO AMPERÍMETRO LECT. K V LECT. K ENSAYO Nº VOLTÍMETRO AMPERÍMETRO LECT. K V LECT. K Método industrial: Con el montaje de la figura 0, se alimenta con la red de corriente alterna regulable a 30 V, 50 Hz. ENSAYO Nº 3 FRECENCÍMETRO Tabla 3. Ensayo en c.a. método industrial Tabla. Ensayo en c.a. método de Joubert VOLTÍMETRO AMPERÍMETRO VATÍMETRO LECT. K V LECT. K LECT. K P 8

9 7 Resultados MÉTODO R X L L tgδ Q M. JOBERT M. NDSTRAL, CRCTO APROXMADO SERE M. NDSTRAL, CRCTO APROXMADO PARALELO Tabla 4. Tabla comparativa de resultados Cuestiones De qué tipo es la bobina ensayada? Cuál de los tres resultados obtenidos es el más exacto? Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, 8 Fundamento teórico Se denomina curva característica de un elemento a la representación gráfica de su ecuación de definición en la formau=f(i) ói=g(u), siendo g=f - Se entiende por elemento a las partes más simples de las que están compuestos los circuitos. Los elementos se clasifican en: activos (aquellos que ceden energía), y pasivos (aquellos que absorben o almacenan energía del circuito). Clasificación de los elementos pasivos: Elemento bilateral: es aquel que permite el paso de corriente con igual facilidad en ambos sentidos. Elemento unilateral: es aquel que no permite el paso de corriente con igual facilidad en ambos sentidos. Elemento lineal: es un elemento cuya ecuación de definición es lineal. Elemento cuasilineal: es aquel que en un cierto margen puede considerarse lineal. Elemento no lineal: es un elemento cuya ecuación de definición es no lineal. 9

10 Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, 9 Fundamento teórico El osciloscopio en un aparato de medida que permite medir tensiones, pero no lo hace a través del desplazamiento de un aguja, o de la lectura de un contador, sino que lo que hace es desplazar un haz de electrones que se generan en un cátodo emisor, y posteriormente acelerado por un ánodo hasta llegar a la pantalla, recubierta interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el impacto de los electrones. Si se aplica una diferencia de potencial a cualquiera de las dos parejas de placas de desviación, tiene lugar una desviación del haz de electrones debido al campo eléctrico creado por la tensión aplicada. Figura : Osciloscopio 0 Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, En las placas de deflexión horizontal se aplica una tensión en diente de sierra, ello hace que el haz se mueva de izquierda a derecha y durante el tiempo en que el diente crece, en ausencia de señal en las placas de desviación vertical, dibuje una línea recta horizontal en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un nuevo barrido. Este retorno no es percibido por el ojo humano debido a la velocidad a que se realiza y a que, de forma adicional, durante el mismo se produce un apagado (borrado) parcial o una desviación del rayo. Si se aplica a las placas de desviación vertical la señal a medir (a través del amplificador de ganancia ajustable) el haz, además de moverse de izquierda a derecha, se moverá hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la señal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensión aplicada. Ya tenemos reflejada en la pantalla la forma de una señal de tensión variable con el tiempo. 0

11 Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, El osciloscopio es capaz únicamente de visualizar señales de tensión, pero con un transductor adecuado que convierta cualquier otra magnitud en una señal de tensión se pueden visualizar otras magnitudes físicas convertidas en tensiones. Si tenemos en cuenta que en una resistencia=r, si tomásemos una resistencia de Ω, los valores deese repetirían con el tiempo, luego la resistencia es el transductor adecuado para visualizar y medir las corrientes. El osciloscopio, también permite visualizar, una vez anulada la base de tiempos la señal que le entra por un canal en función de la señal que entra por el otro, ello nos va a permitir visualizar las curvas características de los elementos. Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, Control del trazo Control de placas de deflexión vertical Circuito de disparo del TGGER Control de placas de deflexión horizontal BASE DE TEMPOS TG-LEVEL VARABLE POSTON Y X NTEN POSTON FOCS X X5 CH CH DAL ADD NORM. NV SLOPE MODE X X0 CAL/VAR VOL/DV TME/DV TGGER SORCE X/Y PROMAX 40C AC GND DC AC GND DC...CH... CH CH POWER

12 3 Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, + E R - + n (t) - Figura : Medida de tensiones y corrientes con un osciloscopio El osciloscopio que vamos a utilizar es de dos canales con masas comunes, por ello una de las dos tensiones hay que llevarla inversamente polarizada y pulsar el botón NV en el canal Y. 4 Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, Realización del ensayo: Realizar el montaje de la figura. Se realiza un ensayo con cada elemento a medir, trabajando simultáneamente con los dos canales, para poder ver desfases y forma de las ondas de tensión y corriente. No se realizan medidas de valores, únicamente se hará el dibujo de la forma de las ondas. Para obtener la forma de la onda de la corriente no se pondrá una resistencia (transductor) de Ω, sino que se elegirá una resistencia elevada (0 Ω) que nos devuelva la misma forma de onda, pero que a la ver proteja al circuito de elevadas corrientes. na vez vista la variación con el tiempo de la tensión y la corriente, se pasará a la posición X-Y, para visualizar la curva característica.

13 5 Medidas de tensiones y corrientes mediante el uso del osciloscopio, Resultados obtenidos Para cada elemento: Dibujar sus gráficas. dentificar elemento. u(t) i(t) u(i) t i 3