POTENCIA ACTIVA EN C.A. Y MEDICIÓN DE FACTOR DE POTENCIA

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1 POTENCIA ACTIVA EN C.A. Y MEDICIÓN DE FACTOR DE POTENCIA OBJETIVOS: Determinar la potencia activa, aparente y el factor de potencia en circuitos monofásicos. Observe las normas de seguridad al realizar esta experiencia tanto con las conexiones, instrumentos y equipos. FUNDAMENTO TEORICO: Potencia eléctrica La potencia eléctrica se define como la cantidad de energía eléctrica o trabajo, que se transporta o que se consume en una determinada unidad de tiempo. Si la tensión se mantiene constante, la potencia es directamente proporcional a la corriente (intensidad). Ésta aumenta si la corriente aumenta. Potencia en corriente continua Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Esto es, (1) Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P. Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como: 1

2 Potencia en corriente alterna Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los valores eficaces o valores cuadráticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. En el caso de un circuito de carácter inductivo (caso más común) al que se aplica una tensión sinusoidal con velocidad angular y valor de pico resulta: Esto provocará una corriente retrasada un ángulo respecto de la tensión aplicada: La potencia instantánea vendrá dada como el producto de las expresiones anteriores: Mediante trigonometría, la anterior expresión puede transformarse en la siguiente: Y sustituyendo los valores de pico por los eficaces: Se obtiene así para la potencia un valor constante, el tiempo,. y otro variable con Al primer valor se le denomina potencia activa y al segundo potencia fluctuante. Potencia fluctuante Al ser la potencia fluctuante de forma senoidal, su valor medio será cero. Para entender mejor qué es la potencia fluctuante, imaginemos un circuito que sólo 2

3 tuviera una potencia de este tipo. Ello sólo es posible si (cos(±90º)=0), quedando rad caso que corresponde a un circuito inductivo puro o capacitivo puro. Por lo tanto la potencia fluctuante es debida a un solenoide o a un condensador. Tales elementos no consumen energía sino que la almacenan en forma de campo magnético y campo eléctrico. Potencia compleja La potencia compleja (cuya magnitud se conoce como potencia aparente) de un circuito eléctrico de corriente alterna, es la suma (vectorial) de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo(conocida como potencia promedio, activa o real) y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctricos y magnéticos de sus componentes que fluctuará entre estos componentes y la fuente de energía (conocida como potencia reactiva). Esta potencia no es la realmente "útil", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y señala que la red de alimentación de un circuito no sólo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" las bobinas y condensadores. Se la designa con la letra S y se mide en voltiamperios (VA) (la potencia activa se mide en vatios (W), y la reactiva se mide en voltiamperios reactivos (VAR) La fórmula de la potencia aparente es: Factor de Potencia Se define factor de potencia, f.d.p., de un circuito de corriente alterna, como la relación entre la potencia activa, P, y la potencia aparente, S,1 si las corrientes y tensiones son señales perfectamente sinusoidales. Si las corrientes y tensiones son señales perfectamente sinusoidales,2 el factor de potencia será igual a cos o como el coseno del ángulo que forman los fasores de la intensidad y el voltaje, designándose en este caso como cosφ, siendo φ el valor de dicho ángulo. De acuerdo con el triángulo de potencias de la figura 1: 3 (Si las corrientes y tensiones son señales perfectamente sinusoidales)

4 PARTE EXPERIMENTAL: EQUIPOS E INSTRUMENTOS.- Amperímetro. Voltímetro. Fuente de alimentación variable. Vatímetro. Cosfimetro. Cables de conexión. Reóstato. Condensador. Bobina. DESARROLLO DEL EXPERIMENTO.- Para esta experiencia, primero armaremos nuestro circuito como se aprecia en la grafica siguiente: De ahí conectaremos diferentes cargas en el circuito (como RL, RC y RLC). 4

5 Caso Nº 1: Carga RL Variaremos nuestra fuente de alimentación de nuestro circuito, y luego tomaremos las lecturas de los instrumentos en la siguiente tabla: V A P S F.P Caso Nº 2: Carga RC V A P S F.P Caso Nº 3: Carga RLC V A P S F.P CUESTIONARIO: 1. Explicar el principio del funcionamiento de los vatímetros electromagnéticos. Así mismo, explicar la importancia de los asteriscos (a veces son +) Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella. 5

6 El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente continua, la deflexión de la aguja es proporcional tanto a la corriente como al voltaje, conforme a la ecuación W=VA o P=EI. En un circuito de corriente alterna la deflexión es proporcional al producto instantáneo medio del voltaje y la corriente, midiendo pues la potencia real y posiblemente (dependiendo de las características de cargo) mostrando una lectura diferente a la obtenida multiplicando simplemente las lecturas arrojadas por un voltímetro y un amperímetro independientes en el mismo circuito. 2. Porque es necesario conocer el factor de potencia en una instalación eléctrica En los artefactos tales como lámparas incandescentes (focos), planchas, calefón y estufas eléctricas, toda la energía que requieren para su funcionamiento se transforma en energía lumínica o energía calórica, en estos casos el Factor de Potencia toma valor 1 (100 % energía activa). En otros artefactos, por ejemplo lavarropas, heladeras, equipos de aire acondicionado, ventiladores y todos aquellos que poseen un motor para su funcionamiento, como también los tubos fluorescentes, entre otros, una parte de la energía se transforma en energía mecánica, frío, luz o movimiento (energía activa), y la parte restante requiere otro tipo de energía, llamada energía reactiva, que es necesaria para su propio funcionamiento. En estos casos, el Factor de Potencia toma valores menores a 1. Resumiendo, la energía que se transforma en trabajo, se la denomina ENERGIA ACTIVA, mientras que la usada por el artefacto eléctrico para su propio funcionamiento, se la llama ENERGIA REACTIVA 3. Cuáles son las consideraciones para medir la potencia y factor de potencia en circuitos trifásicos Medición de Potencia Trifásica con dos watimetros Este método es apropiado para medir factor de potencia KVAR, KW, KVA en cargas conectadas en delta o en estrella que estén balanceados. Todos los wattmetros monofásicos están construidos de acuerdo a su principio de operación, con dos bobinas una bobina que es de corriente (B. C) que se conecta en serie y una bobina de potencia (B. P) que se conecta en paralelo, la lectura que nos da un sistema monofásico es: 6

7 Medición el factor de potencia Medición del factor de potencia con voltímetro, amperímetro, vatímetro y varímetro La expresión (1) de la potencia activa en función de los valores eficaces de tensión y corriente permite determinar, para una carga monofásica (o una fase de una carga trifásica desequilibrada) el valor del factor de potencia mediante el uso de voltímetro, amperímetro y vatímetro. En corriente trifásica, si el sistema es perfecto, sólo hay que agregar 3 a la expresión anterior. Si el sistema trifásico es asimétrico y desequilibrado la determinación del factor de potencia promedio o total se realiza midiendo las potencias activas y reactivas totales. La cantidad de vatímetros y varímetros empleados dependerá del tipo de sistema (tri o tetrafilar). Es fácil entender que cualquiera de las conexiones estudiadas para medir P y Q según las características del sistema nos permitirá calcular el factor de potencia 4. Comparar las indicaciones del vatímetro con las expresiones VIcosθ e I²R y discutir los resultados. BIBLIOGRAFIA