Práctica 1 y 2: Medidas de tensión e intensidad. Adaptadores de medida. 1. Conceptos generales. 2. Resistencias en derivación (Shunts)

Transcripción

1 Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida: Práctica y Práctica y : Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida. Conceptos generales La corriente eléctrica que circula por un instrumento de medida está siempre limitada por la posibilidad de consumo de dicho aparato y por las exigencias mecánicas y constructivas. unque algunos de estos instrumentos pueden soportar y medir elevadas corrientes, la mayoría de ellos, solamente soportan corrientes muy pequeñas lo que, de no existir dispositivos especiales limitarán extraordinariamente su campo de medida. Por otro lado, muchos aparatos de medida se fabrican con varios campos de medición que, en cada caso, se eligen de forma que puedan conseguirse las condiciones más favorables, en lo que a precisión y sensibilidad se refiere. Es decir, que se presentan estos dos problemas:. Posibilidad de ampliar el campo de medida.. Posibilidad de disponer de varios campos de medida. Para ello, se dispone de un conjunto de elementos, llamados en general convertidores de medida, que permiten resolver los dos citados problemas. Para ampliar y diversificar el campo de medida se conecta al instrumento propiamente dicho, el convertidor de medida correspondiente. De éstos, unos solamente se emplean en corriente alterna y otros pueden utilizarse en corriente continua y alterna indistintamente. continuación se expresan los convertidores de medida más utilizados en la práctica.. esistencias en derivación (shunts). e emplean casi siempre en corriente continua, aunque también podrían emplearse en corriente alterna.. esistencias en serie (resistencias adicionales). e emplean casi siempre en corriente continua aunque también podrían emplearse en corriente alterna. 3. Transformadores de medida. e emplean solamente en corriente alterna; pueden ser: a) transformadores de intensidad b) transformadores de tensión. esistencias en derivación (hunts) El aparato de medida utilizado para medir la intensidad de corriente eléctrica es el amperímetro, el cual debe ser insertado en la línea por donde circula la intensidad a medir, de modo que toda ella ha de pasar por el interior del aparato y por tanto por la bobina del mecanismo de medida con el que esté dotado. La intensidad de corriente que podrá medir el amperímetro estará limitada por el valor máximo admisible por la bobina de su mecanismo de medida. Este valor suele ser muy reducido del orden de miliamperios y constituye el alcance del mecanismo de medida o valor a fondo de escala. Otro dato de interés en todo amperímetro, tanto si este es analógico como digital, es la caída de tensión en extremos del aparato cuando por él circula la máxima intensidad. partir de estos dos datos se puede calcular la resistencia que presenta el amperímetro cuando es conectado en un circuito, sin mas que aplicar la ley de ohm. Por ejemplo, el amperímetro de la figura mide una intensidad máxima de 5 con una caída de tensión de 300 m, según sus especificaciones. La resistencia que presenta en el circuito al que está conectado es de: =5 =300 m Electrotecnia

2 Práctica y : Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida Por tanto un amperímetro queda determinado por la intensidad máxima que puede medir (campo de medida o alcance) y la caída de tensión en sus extremos. Para ampliar el campo de medida de un amperímetro y por tanto poder medir intensidades más elevadas, se conecta en paralelo con el amperímetro una resistencia, cuyo objetivo es canalizar el exceso de corriente que el amperímetro no admite. Esta resistencia recibe el nombre de resistencia shunt, que llamaremos. Por ejemplo, si contamos con el mismo amperímetro del ejemplo anterior, =5 y deseamos medir una intensidad máxima de =5, la intensidad excedente que ha de derivarse por el shunt será de En estas condiciones la aguja del amperímetro indicará el final de la escala y por tanto, la caída de tensión en extremos del aparato será de =300 m (según sus especificaciones). iendo la misma que en extremo s del shunt por ser una conexión en paralelo. El valor de resistencia del shunt ha de ser como máximo de: y su potencia como mínimo de: 3 P W En una resistencia shunt el fabricante no suele indicar su valor óhmico sino la máxima intensidad que soporta y la caída de tensión a dicha intensidad, como si se tratara de un amperímetro. egún las especificaciones de intensidad y tensión en amperímetros y shunts se pueden dar tres casos distintos al combinar un amperímetro y un shunt. a) gual caída de tensión en el amperímetro y en el shunt.. Cuando ambos tienen igual caída de tensión para sus valores máximos de intensidad, la corriente máxima que se podrá medir será aquella que de lugar en extremos del conjunto a dicha caída de tensión. En tal caso dicha intensidad será la suma de los valores máximos admitidos tanto por el amperímetro como por el shunt. max max y el conjunto será un nuevo amperímetro cuya constante de escala es: K max Escala max Por ejemplo, suponemos un amperímetro de 300 divisiones en su escala, con un valor a fondo de escala de 5 y 300 m de caída de tensión, unido a una resistencia shunt de 0 con la misma caída de tensión. La constante de escala del conjunto será: K m Div Div y se podrá medir hasta un máximo de 5 a fondo de escala, habiendo incrementado la capacidad de medida del amperímetro en 0. b) Caída de tensión en el amperímetro inferior a la del shunt.. En este caso la máxima intensidad a medir será aquella que de lugar en extremos del conjunto a la caída de tensión del amperímetro (la menor de los dos). l alcanzar dicha tensión la intensidad en el amperímetro será su máxima y la aguja indicará el final de la escala, mientras que en el shunt la intensidad será inferior a su máximo por estar sometido a una tensión inferior y se calcula como: max max max max max max max max max max max Electrotecnia

3 Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida: Práctica y En este caso la intensidad máxima que se podrá medir será: max y la constante de escala del conjunto: K max Escala Por ejemplo, suponemos un amperímetro de 300 divisiones en su escala con un valor a fondo de escala de 5 y 00 m de caída de tensión unido a una resistencia shunt de 0 con 300 m de caída de tensión. La intensidad en el shunt a la tensión de 00 m será: siendo la constante de escala del conjunto: K m Div 6 Div y se podrá medir hasta un máximo de 8.3 a fondo de escala, habiendo incrementado la capacidad de medida del amperímetro en 3.3. c) Caída de tensión en el amperímetro mayor que en el shunt.. En este caso la máxima intensidad a medir será aquella que de lugar en extremos del conjunto a la caída de tensión del shunt (la menor de los dos). l alcanzar dicha tensión la intensidad en el shunt será su máxima, mientras que en el amperímetro la intensidad será inferior a su máxima, por estar sometido a una tensión inferior y se calcula como: max max max max max max En estas condiciones la intensidad máxima que se podrá medir será: max max En este caso la aguja del amperímetro nunca podrá llegar al final de la escala, quedando esta reducida al número de divisiones que le corresponde a la intensidad, siendo este el final de escala del nuevo amperímetro. nº divisiones Escala max y la constante de escala del conjunto será: max K nº divisiones Por ejemplo, suponemos un amperímetro de 300 divisiones en su escala con un valor a fondo de escala de 5 y 400 m, unido a una resistencia shunt de 0 y 300 m. La intensidad en el amperímetro a la tensión de 300 m será: que es la máxima que debe de indicar el amperímetro con un número de divisiones de nº divisiones y la constante de escala del conjunto será: K 005. m Div 05 Div y se podrá medir hasta un máximo de 3.75 al fondo de escala de 5 divisiones, habiéndose incrementado la capacidad de medida del amperímetro en max max Electrotecnia 3

4 Práctica y : Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida n ejemplo de resistencia shunt es la mostrada en la figura: 3. esistencias en serie (esistencias adicionales) Para la medida de tensiones el aparato utilizado es el voltímetro y a excepción de aquellos cuyo mecanismo de medida es electrostático el resto de voltímetros o aparatos que tienen bobinas voltimétricas (vatímetros, contadores de energía, etc.), las mediciones no se basan directamente en los efectos de la tensión eléctrica sino en los efectos producidos por la intensidad de corriente. Lo que sucede es que, de acuerdo con la ley de ohm, la tensión eléctrica y la intensidad de corriente son proporcionales y, por lo tanto, las escalas de los aparatos de medida pueden graduarse en voltios y medir de esta forma tensiones eléctricas. hora bien, con objeto de mantener lo más baja posible la potencia consumida, el mecanismo de medida ha de recibir intensidades de corriente muy pequeñas, del orden de 0. a 50 m aproximadamente. Como el mecanismo de medida de un voltímetro tiene una resistencia muy pequeña solamente es posible medir directamente tensiones muy débiles. i se quieren medir tensiones relativamente elevadas, se conecta una resistencia en serie con el mecanismo de medida que recibe el nombre de resistencia adicional y llamaremos a. De esta forma, al conectar el voltímetro a una diferencia de potencial la intensidad consumida por el aparato será muy reducida, al ser su resistencia interna elevada. La resistencia interna de un voltímetro ha de ser un dato facilitado por el fabricante y engloba tanto a la resistencia del mecanismo de medida como a la resistencia adicional que pueda tener incorporada. Está relacionado con el alcance máximo del voltímetro de tal forma que no se indica con su valor en ohmios sino en la relación, que nos dice cuantos de resistencia presenta el aparato de medida por cada voltio que puede medir. n voltímetro queda determinado por su alcance máximo y su relación. u resistencia interna se calcula como: i lcance i quisiéramos saber la intensidad consumida por el voltímetro bastaría con dividir la tensión medida por su resistencia interna. Esta será máxima para la tensión a fondo de escala que corresponde al alcance: max lcance i lcance lcance Por lo tanto la máxima intensidad consumida por un voltímetro corresponde a la inversa de la relación y es la máxima intensidad admitida por el mecanismo de medida del aparato, que da lugar a la máxima desviación de la aguja. Por ejemplo, supongamos un voltímetro de 3 de alcance y 0 K. u resistencia interna será de: i K y es la misma para todo el campo de medida. La intensidad máxima que consumirá el voltímetro será cuando mida el máximo valor de 3 y vale: 3 max 0. m a 4 Electrotecnia

5 Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida: Práctica y En ocasiones es necesario ampliar el alcance a un voltímetro y para ello es necesario conectar una resistencia adicional en serie con el aparato externamente, de modo que la tensión máxima que se podrá medir con el conjunto será la correspondiente al alcance del voltímetro más la caída de tensión en la resistencia adicional,. lcance El máximo incremento de tensión debido a a corresponde a la máxima intensidad admitida por el voltímetro: max a a Por lo tanto la constante de escala del nuevo voltímetro será: K lcance Escala Por ejemplo, en el voltímetro del ejemplo anterior de alcance 3 y 0 K, conectamos una resistencia adicional de 970 K. La máxima tensión que se podrá medir y por tanto el nuevo alcance es de: habiéndose experimentado un incremento en la medida de 97. i el aparato posee una escala de 300 divisiones, la nueva constante de escala es: K Div 4. Transformadores de medida Por lo general, los aparatos de medida utilizados en las mediciones de corriente alterna, no están construidos para soportar altas tensiones ni elevadas intensidades de corriente. demás, en los casos de medidas a alta tensión, estos aparatos de medida deben estar aislados de las altas tensiones para protección del personal encargado de las mediciones. Por estas razones, los aparatos de medida se conectan muchas veces a los circuitos cuyas magnitudes deben medir, a través de los denominados transformadores de medida. Puede decirse que un transformador de medida es un transformador cuyo devanado primario está bajo la acción de la magnitud que se mide y cuyo devanado secundario está conectado al aparato de medida correspondiente. l medir la magnitud en el devanado secundario, se determina la del devanado primario, por la relación de transformación. Existen dos grandes grupos de transformadores de medida.. Transformadores de intensidad (transformadores de corriente). u aplicación está basada en la relación entre la intensidad de corriente del devanado primario y la intensidad de corriente en el devanado secundario.. Transformadores de tensión. u aplicación está basada en la relación entre la tensión en bornes del devanado primario y la tensión en bornes del devanado secundario. Los transformadores de medida tienen los siguientes campos de aplicación: a) Permiten ampliar los campos de medida de los aparatos de medida de corriente alterna. b) eparan eléctricamente los aparatos de medida del circuito cuyas magnitudes se han de medir, con lo que resulta posible realizar, sin peligro, mediciones en circuitos de alta tensión, con aparatos de medida de baja tensión. c) Hacen posible la instalación de aparatos de medida, a distancia del circuito controlado. De esta forma se evita la influencia de los campos magnéticos exteriores en el funcionamiento de los aparatos de medida, se aumenta la seguridad del personal y es posible la colocación de los aparatos de medida en los lugares más convenientes (por ejemplo, en cuadros de distribución). continuación, se estudiarán con más detalle los fundamentos y características técnicas de los transformadores de medida. a Electrotecnia 5

6 Práctica y : Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida 4. Transformadores de intensidad e denominan también transformadores de corriente. Tal como se ve en la figura el transformador de intensidad T tiene conectado el devanado primario en serie con el circuito de medida y el devanado secundario a los bornes del aparato de medida. El devanado secundario de todos los T, está cerrado siempre por medio de una resistencia muy pequeña, que corresponde a la bobina amperimétrica o de intensidad del aparato de medida. Despreciando esta pequeña resistencia, se puede considerar que el secundario de los T está cerrado en cortocircuito. El principio de funcionamiento está basado, como en todos los transformadores, en la acción del flujo magnético alterno producido por la corriente primaria que se cierra a través del núcleo y que acopla a la bobina secundaria; en ésta, el flujo magnético induce una fuerza electromotriz. En el T, la corriente que circula por las espiras del devanado primario varía con la carga; de la misma forma varía también el valor del flujo magnético producido, que acopla al devanado secundario, induciendo en él una fuerza electromotriz variable. En cada instante, los amperiovueltas primarios son iguales y opuestos a los amperiovueltas secundarios, o sea: de donde resulta que: N N N N hora bien, como los amperiovueltas primarios y secundarios son aproximadamente iguales y opuestos, los flujos magnéticos y, producidos por ellos, también serán aproximadamente iguales y opuestos. Estos flujos actúan entre sí, rechazándose y desplazándose del camino común que para ellos representa el núcleo magnético. Es decir, que en los transformadores de intensidad existe un porcentaje muy elevado de flujos de dispersión de forma que, para cubrir la pequeña caída de tensión en los devanados, solamente una pequeña parte del flujo total pasa por el núcleo magnético. En resumen que, debido a que: estos flujos casi se compensan y el flujo total: t es muy pequeño, ya que y son casi iguales en valor y de sentido opuesto. Teniendo en cuenta el razonamiento expuesto en el párrafo anterior, se comprenderá que los bornes secundarios de un T no deben dejarse nunca abiertos. Efectivamente, si se abren estos bornes, no circula ya la corriente y, por lo tanto, no se produce el flujo que, prácticamente compensa la acción del flujo primario ; por lo tanto, en este caso, el flujo vale: y el flujo produce entonces los siguientes efectos: t. nduce en el devanado secundario tensiones muy elevadas que pueden resultar peligrosas, especialmente en los transformadores para pequeñas intensidades secundarias, es decir, con elevado número de espiras.. Provoca fuerte calentamiento en el hierro por histéresis y por formación de corrientes parásitas que pueden llegar hasta la destrucción del transformador. 3. Queda una magnetización remanente en el hierro que, cuando el transformador vuelve a trabajar en condiciones normales, provocará inadmisibles errores de medida. Es por esta razón que no deben instalarse fusibles en el circuito secundario de un transformador de intensidad, ya que si un fusible actúa, deja abierto el circuito secundario del transformador, con las consecuencias expuestas anteriormente. 6 Electrotecnia

7 Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida: Práctica y La relación de transformación está expresada por: la cual no es estrictamente constante. Depende, esencialmente: a) de la intensidad de corriente primaria ; m b) de la carga del secundario, es decir, de la impedancia resultante de los instrumentos y dispositivos conectados en serie, incluyendo las conexiones; c) de la frecuencia. in embargo, al realizar mediciones se toma el valor m como constante, denominándose valor nominal de la relación de transformación siendo e los valores nominales de intensidad en el primario y en el secundario respectivamente. Cuando se mide intensidad con un amperímetro combinado con un transformador de intensidad, la intensidad que circula por la línea donde se encuentra el primario se determina como: m siendo la intensidad medida por el amperímetro, por tanto: lectura K m lectura K de modo que el conjunto amperímetro y T equivale a un nuevo amperímetro cuya constante de escala es: alcance K escala m 4.. Transformador de intensidad toroidal n tipo de transformador de uso muy común es el transformador de intensidad toroidal o de núcleo anular, utilizado en aparatos de medida portátiles y de laboratorio. El secundario de este T está constituido por una bobina toroidal y el primario por un conductor que atraviesa el centro del anillo del secundario, como puede verse en la figura. El campo de medición puede modificarse haciendo pasar una o más veces el conductor primario a través del núcleo anular. La máxima intensidad que se podrá medir (y por tanto hacer pasar por el conductor primario) se obtiene dividiendo el valor nominal de intensidad en el primario por el número de veces que pasa el conductor primario por el centro del toroide. La relación de transformación para este transformador es la siguiente: m n Por ejemplo si el T toroidal de la figura tiene de valores nominales 00 e 5, las relaciones de transformación correspondientes a los tres casos de la figura son: para n 00 m para n m para n 4 m Como aplicación particular, citar un modelo de amperímetro que recibe el nombre de amperímetro de pinza o pinza amperimétrica. Es tá constituido por un amperímetro y el secundario de un T toroidal en forma de pinza, constituyendo una unidad constructiva compacta. El amperímetro, generalmente, posee un mecanismo de tipo magnetoeléctrico con rectificador y, en muchas ocasiones, dispone de varios alcances de medida seleccionables mediante un conmutador, que cambia el número de espiras del secundario del transformador. Electrotecnia 7

8 Práctica y : Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida El núcleo toroidal del secundario del transformador tiene forma de pinza de modo que se puede abrir para abrazar un conductor por el cual circula la intensidad a medir constituyendo ese conductor el primario del T. La mayor ventaja de este tipo de amperímetros está en que hacen posible la medida de intensidades de corriente, sin necesidad de deshacer las conexiones de una instalación. e obtiene de esta forma un dispositivo de medida sencillo, rápido y extraordinariamente flexible. El mayor inconveniente es la precisión, ya que solamente se fabrican en las clases.5,.5 y Transformadores de tensión Tal como se ve en la figura el transformador de tensión TT tiene conectado el devanado primario en paralelo con el circuito de medida y el devanado secundario a los bornes del aparato de medida, que puede ser un voltímetro o la bobina voltimétrica de un vatímetro, de un contador de energía, etc. l conectar el devanado primario en paralelo con la red, se toma de ésta una pequeña corriente de excitación que produce el flujo magnético común, el cual acopla magnéticamente el devanado secundario. Como esta corriente de excitación es muy pequeña, para obtener los amperiovueltas necesarios que puedan mantener el flujo magnético suficientemente grande como para soportar la carga de los aparatos de medida, a tensión constante es necesario que el devanado primario esté constituido por gran número de espiras, de pequeña sección: el número de espiras es proporcional a la tensión primaria. Los bornes secundarios de un transformador de tensión deben estar siempre cerrados, por medio de una resistencia elevada, como es la resistencia interior de un voltímetro, por ejemplo. i no se conecta ningún aparato de medida al transformador, los bornes secundarios deben permanecer abiertos, pues si se cierran en cortocircuito o con una resistencia pequeña, por los circuitos primario y secundario circula una corriente muy elevada que destruye su aislamiento, quemando el transformador. Para obtener una tensión secundaria, la mayor parte del flujo magnético producido en el devanado primario debe cerrarse por el núcleo de hierro, ya que la fuerza electromotriz inducida en el secundario es, como se sabe, proporcional al flujo magnético inductor; desde este punto de vista, el funcionamiento de un transformador de tensión es completamente opuesto al de un transformador de intensidad. Por consiguiente, la tensión secundaria del transformador de tensión depende, esencialmente, del flujo magnético común, que es algo menor que el flujo magnético primario, debido a las pérdidas de flujo por dispersión y la reacción del devanado secundario cuando por sus espiras circula la pequeña corriente de carga procedente de los aparatos de medida. En el proyecto de los transformadores de tensión no se presentan dificultades semejantes a las que existen para los transformadores de intensidad ya que en caso de cortocircuito, no actúa ningún incremento de tensión sobre los transformadores de tensión. demás, cabe recordar que, aunque en un sistema eléctrico, la corriente está sometida a grandes variaciones, que dependen de la carga conectada, por lo general, la tensión permanece aproximadamente constante; de lo cual se deduce que un transformador de intensidad ha de trabajar con la mayor precisión posible en todo el campo de medida, que es muy amplio, mientras que un transformador de tensión casi siempre trabaja sobre un reducido campo de medida. Por lo general, los transformadores de tensión se construyen admitiendo una tensión máxima de servicio de. veces la tensión nominal del transformador. i se considera que los devanados primario y secundario están magnéticamente acoplados por un flujo común, que se mantiene aproximadamente constante en cualquier estado de carga del transformador, la relación entre los números de espiras y las tensiones primarias y secundarias, es N N La relación de transformación de un transformador de tensión, está definida por: m 8 Electrotecnia

9 Medidas de tensión e intensidad. daptadores de medida: Práctica y Cuando se mide tensión con un voltímetro combinado con un transformador de tensión, la tensión entre los dos puntos de conexión del TT se determina como: m siendo la tensión medida por el voltímetro, por tanto: lectura K m lectura K de modo que el conjunto voltímetro y TT equivale a un nuevo voltímetro cuya constante de escala es: alcance K escala m Los valores de las tensiones nominales son los que sirven para fijar la precisión del transformador de tensión. Las tensiones nominales primarias de los TT están normalizadas entre y 400 K; corresponden a todas las tensiones nominales normalizadas en las redes de distribución de energía eléctrica. La tensión nominal secundaria está normalizada a 00. Capacidad de sobrecarga. Los TT pueden sobrecargarse por encima de la tensión nominal en un 0% de ésta, de forma permanente, y en un 0% durante corto tiempo. Para proteger los circuitos de medida contra cortocircuitos se intercalan fusibles en la parte de alta tensión; otros fusibles en la parte de baja tensión, protegen contra la falsa conexión y la falsa puesta a tierra. 4.. Transformadores de tensión capacitivos demás de los transformadores de tensión inductivos, también se construyen transformadores de tensión capacitivos, que resultan económicos para tensiones de servicio a partir de 00 K. En la figura se representa el principio de funcionamiento de uno de estos transformadores de tensión. n divisor de tensión capacitivo reduce la alta tensión de servicio (por ejemplo, 0 K) a 0 K o a 30 K; la bobina de reactancia () compensa la reactancia capacitiva del divisor. n transformador inductivo de tensión () se conecta a este divisor, a través de la reactancia anterior; a partir de aquí, se toma la tensión de medida correspondiente. Los transformadores de tensión capacitivos son resistentes a las sobretensiones de choque y pueden construirse hasta de clase de precisión 0.. in embargo, la relación del divisor capacitivo de tensión no es constante, por lo que las medidas solamente resultan válidas hasta una cierta frecuencia. demás en el circuito resonante constituido por la bobina () y los condensadores C y C, los cambios de temperatura provocan otros errores de medida. Las ventajas de los transformadores capacitivos de tensión son, sobre todo, de tipo económico: los condensadores pueden utilizarse, al mismo tiempo, para el acoplamiento de líneas de frecuencia portadoras de telecomunicación en los sistemas eléctricos. La figura representa un corte esquemático de un transformador de tensión capacitivo, con indicación de sus elementos constructivos: M.- Derivación de medida D.- eactancia de compensación B.- Limitador de tensión ZW.- Transformador intermedio DHF eactancia de puesta a tierra KB.- Detector de cortocircuito a tierra.- Descargador K.- Caja terminal de cables.- Conexión para telefonía de frecuencia portadora.- Caja de bornes para telefonía de frecuencia portadora 3.- Batería de condensadores 4.- ecipiente de medida 5.- Caja de bornes de medida C C Electrotecnia 9

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