LABORATORIO NO. 5 SISTEMAS EQUILIBRADOS CUATRO HILOS

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1 LABORATORIO NO. 5 SISTEMAS EQUILIBRADOS CUATRO HILOS 4.1. OBJETIVO DEL LABORATORIO OBJETIVO GENERAL. Conocer operativamente el principio de operación de cargas trifásicas equilibradas en un sistema eléctrico trifásico Cuatro Hilos, con neutro físico OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Para alcanzar los objetivos generales debemos manejar adecuadamente los siguientes parámetros eléctricos involucrados en la práctica de laboratorio: Operación trifásica de carga resistiva en conexión estrella. Operación trifásica de carga inductiva en conexión estrella. Operación trifásica de carga capacitiva en conexión estrella. Diagramas Fasoriales y Senoidales de cargas trifásicas equilibradas, individuales y globales. Interpretación de la Compleja por Fase y por tres fases Interpretación adecuada de placa de características técnicas de cargas estática y rotatorias Medición de Activa y Reactiva, con la ayuda de vatímetros monofásicos Diagramación Fasorial de s por fase y trifásico Interpretación adecuada del Factor de. Compensación de la Reactiva de un sistema eléctrico trifásico, cuatro hilos PUNTUALIZACIOES TEÓRICAS EQUILIBRIO SENOIDAL IDEAL. Surge la necesidad de discriminar los sistemas equilibrados estrictamente senoidales, ello quiere decir, que tanto la fuente como la carga no contienen distorsión armónica muy pronunciada, es decir podemos explicitar básicamente lo siguiente: Que las tres fuerzas electromotrices generadas sólo dependen temporalmente de la función seno o coseno fundamental más sus desfases respectivos, característica de un sistema trifásico. Que las cargas son lineales ó realmente tienen o poseen un % de THD permisible por norma 5 7 %, según ANSI, CEI, que hacen que se considere a la carga como equilibrado. Aclarado tanto en la fuente como en la carga podemos concluir que un sistema se considera equilibrado si: El desfase entre f.e.m. y/o tensiones de Línea ó de Fase es de 120º. Conexión Estrella. El desfase entre corrientes de Línea ó de Fase es de 120º. Conexión Triángulo. La relación entre Tensiones de Línea y Tensiones de Fase es. Conexión Estrella. La relación entre Corrientes de Línea y Corrientes de Fase es. Conexión Triángulo. Las Impedancias de las tres fases de la carga son iguales, tanto en magnitud como en fase. La diferencia de potencial entre el Neutro fuente y Neutro carga, es igual a cero. Conexión Estrella. Las Tensiones de línea son iguales en magnitud y desfasados entre sí, 120º. Las Tensiones de fase son iguales en magnitud y desfasados entre sí, 120º. Las Corrientes de línea son iguales en magnitud y desfasados entre sí, 120º. Las Corrientes de fase son iguales en magnitud y desfasados entre sí, 120º. La corriente en el neutro es igual a cero. La suma fasorial de corrientes de línea, es igual a cero. -1-

2 La suma fasorial de corrientes de fase, es igual a cero. La suma fasorial de Tensiones de línea, es igual a cero. La suma fasorial de Tensiones de fase, es igual a cero. La suma de dos fasores es igual en magnitud a ellas pero no en fase. La diferencia de dos fasores, es igual a la magnitud de ellas, pero, no se encuentran en fase. En circuitos trifásicos, es necesario tener conocimiento y dominio de los análisis fasoriales y senoidales monofásicos de cargas Resistivas puras, Inductivas puras, Capacitivas puras e Impedancias Inductivas e Impedancias Capacitivas. AN - BN - CN - Son fasores de tensión de fase de la carga Las mismas pueden representarse en forma senoidal ó temporal como: Cuya representación en función del tiempo ó senoidal será: Y cuyo diagrama fasorial de secuencia positiva del circuito será: -2-

3 REDUCCIÓN AL CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFÁSICO. A partir de la conexión estrella podemos seguir analizándolo como fuente y como carga en estrella, en el que se puede ver claramente la existencia de tres circuitos independientes con neutro de retorno común para cada circuito, como se puede ver a continuación. Luego podemos escribir las ecuaciones de voltaje de Kirchhoff para cada circuito independiente, en base a los esquemas siguientes por fase: 4.3. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR. CARGA CARGA RESISTIVA CARGA INDUCTIVA CARGA CAPACITIVA CARACTERÍSTICAS Lámparas Incandescentes: : 200 W Tensión: 220 V 6 Unidades ( 2/fase) Motor de Inducción: : 3 KW Tensión: 220/380 V Corriente: Frecuencia: 50 Hz Capacitor Monofásico: Capacidad: 24 μf Tensión: 380 V : VA Frecuencia: Hz -3-

4 CARGA CARGA CAPACITIVA CARGA INDUCTIVA CARGA INDUCTIVA CARACTERÍSTICAS Capacitor Monofásico: Capacidad: 40 μf Tensión: 380 V : VA Frecuencia: Hz Motor de Inducción: : 5.5 KW Tensión: 380 V Corriente: 11.8 A Frecuencia: 50 Hz Cos = 0.84 Motor de Inducción: : 2 3 HP Tensión: 220 V Corriente: 8.7/9.5 A Frecuencia: 50 Hz Cos = 0.72/0.85 Velocidad 690/1390 rpm CARGA CARGA INDUCTIVA CARGA INDUCTIVA CARGA INDUCTIVA CARACTERÍSTICAS Motor de Inducción: : 3 KW Tensión: 220/380 V Corriente: 9.57/5.5 A Frecuencia: 50 Hz Cos = 0.82 Motor de Inducción: : 3 KW Tensión: 220/380 V Corriente: 9.57/5.5 A Frecuencia: 50 Hz Cos = 0.82 Motor de Inducción: : 4.4 KW Tensión: 220/380 V Corriente: 14/8.5 A Frecuencia: 50 Hz Cos = 0.82 EQUIPOS DE MEDICIÓN, MATERIAL Y ACCESORIOS Fuente de Alimentación 380 V, 4 Hilos (Tres fases + Neutro) 2 Transformadores trifásicos, reductor de 380/380 V 1 Transformador Trifásico reductor 380/220 V 2 Transformadores de Corriente relación 2.5, 10, 25 / 5 A Multímetro Electrónico, parámetros requeridas, Voltaje, escala 600 V; Corriente, Shunt Amperimétrico 20 A ; Óhmetro, escala 200 Ω Pinza Amperimétrica, Escala A Vatímetro Monofásico: Escalas: Voltaje 300 V, Corriente 5-10 A Calculadora Científica Chicotillos con terminales tipo Tenaza, Banana, Mixto con y sin derivación Alicates: de Fuerza, de Punta, de Corte Destornilladores: Plano y Estrella Pelacable -4-

5 4.4. CIRCUITOS DE ANÁLISIS. FIGURA 1-5-

6 FIGURA 2-6-

7 FIGURA 3-7-

8 4.5. MONTAJE DEL SISTEMA. Sistema de Alimentación: Asegúrese del sistema de alimentación principal, % % 380+ V, 4 Hilos. El sistema bajo prueba, es Estrella 4 Hilos, 380 V, por lo que debemos recurrir a dos transformadores aisladores de 380 a 380 V. Se debe conectar dos transformadores en paralelo para proteger a éstos contra sobrecorriente magnetizantes, para ello suficiente conectar bornes homólogos entre sí, tanto en el arrollamiento primario como en el secundario y las conexiones de ambos arrollamientos deben ser indénticos, es decir, Yy0. Medición de Activa. Vatímetro. Identifique terminales de la bobina de corriente y terminales de la bobina de tensión, en el vatímetro monofásico. Seleccione la escala de 300 V y la corriente de 5 A, ahora, si la corriente supera los 10 A, conecte la bobina de corriente a través de un transformador de corriente, en la relación 25-10:5. Para identificar los lados de ambas bobinas correspondientes a lado de la carga y los correspondientes al lado de la fuente, medir potencia monofásica en un circuito resistivo. Cuando se alimente deberá registrar una potencia positiva, o sea, despliegue normal, ante cualquier despliegue negativo, sólo debe intercambiar terminales de la bobina de corriente lo que era línea ahora, será fuente y viceversa. En base al circuito de la figura 1 conectar el vatímetro monofásico al circuito de prueba, si el registro fuera negativo, sólo intercambiar terminales de la bobina de corriente ó de las bobinas de tensión. Lámparas Incandescentes: Identifique el tablero de trabajo, dónde se encuentran las lámparas incandescentes. Copie fielmente los datos de placa del receptor. Con el multímetro, en la escala de continuidad 200 Ω, probar continuidad de las lámparas seleccionadas para la conexión, recuerde que son dos por fase. Proceda a conectar las cargas, para ello, verifique que cada lámpara posea dos terminales accesibles, principio y final, conecte en paralelo dos de ellas y obtendrá cuatro terminales accesibles donde dos de ellas se encuentran al mismo potencial, consecuencia de la conexión en paralelo y listos para realizar el arreglo estrella. Repita lo mismo con las otras dos fases restantes. Ver Circuito de Análisis. Realice el neutro artificial uniendo un terminal de cada fase, las que se encuentran al mismo potencial, no interesa la polaridad de la carga, con lo que habrá unido las tres fases en un solo punto, denominado neutro. Ahora tiene dos terminales accesible, con el mismo potencial, por fase, más el neutro que acaba de realizar. Conecte a la fuente un terminal común, mismo potencial, a cada fase de la alimentación R,S,T, N. Ver figura 1. Cierre el interruptor principal de la línea energizando su carga, deberán iluminar las lámparas con el flujo luminoso nominal, si existe diferencia de iluminación, fíjese las fases se encuentran desequilibradas y el neutro se encuentra abierto. Si todo resulta normal proceda a levantar las lecturas de los diferentes parámetros eléctricos indicados en la parte de Circuito de Análisis. Realice su trabajo con el respectivo cuidado, la línea de alimentación es de 380 V y se encuentra cerca al transformador principal de suministro eléctrico al Laboratorio. -8-

9 Figura 1 Si todo resulta normal proceda a levantar las lecturas de los diferentes parámetros eléctricos indicados en la parte de Circuito de Análisis y Lectura de Datos. Realice su trabajo con el respectivo cuidado, la línea de alimentación es de 380 V, usted trabaja con 220 V, cualquier falla serás importante porque se encuentra cerca al transformador principal de suministro eléctrico al Laboratorio. Motores de Inducción: Identifique los motores trifásicos con el que llevará adelante su experimento. Copie fielmente los datos de placa del receptor. Fíjese la conexión del transformador usado anteriormente, ahora lo volverá a utilizar. Coloque el motor en una posición, que le permita manipular con toda comodidad. Existe un motor en conexión Dahlander, este no debe conectarse físicamente, sólo debe alimentarse en los terminales superiores de la bornera y luego en los terminales inferiores de la bornera Desconecte los puentes de conexión del motor a experimentar, hágalo con mucho cuidado, no pierda de vista los tornillos, tuercas y puentes de la bornera del motor. Con el multímetro, en la parte del óhmetro, escala de 200 Ω, pruebe la continuidad de los tres devanados existentes en el motor, dibuje el circuito en su hoja de prueba. Habrá identificado los terminales de los devanados del motor, cuya simbología será U1, V1 y W1 U2,V2 y W2 ó U, V y W x, y, z, el primero para los motores actuales y el segundo para motores antiguos. Para realizar la conexión triángulo, el motor ya viene con terminales definidos, como lo verificó anteriormente, ahora, sólo debe apelar a sus puentes, éstos son tres, y justamente para hacer la conexión triángulo, coloque los puentes en forma vertical, de esta forma el motor que conectado en triángulo. Si se fija sus apuntes, se están uniendo U1 con W2, V1 con U2 y W1 con V2. En los motores antiguos se unen U con z, V con x y W con y. Realizado la conexión triángulo conecte 3 chicotillos a los 3 puentes, uno por cada uno, ya sea en la parte superior o en la parte inferior, estos tres chicotillos irán a conectarse a la fuente de alimentación de 220 V. Energizar a la carga, motor de inducción, con la tensión de alimentación de 220 V y en 3 hilos, observar el sentido de giro y la velocidad adquirida por el motor. Proceda a levantar lecturas de parámetros eléctricos, característicos. Invierta el sentido de giro del motor con sólo intercambiar dos fases, pueden ser cualquiera de ellas. Verifique las lecturas obtenidas en el punto anterior, según Lectura de Datos. El desfase entre la tensión y corriente en la fase de la carga, denominado Factor de Potecia, se obtendrá no de la placa del motor, sino más bien, por medición. Identifique el Vatímetro a utilizar en esta medida, en lo que principalmente concierne a los terminales de línea y de carga, en sus respectivas bobinas de tensión ( 300 V) y de corriente ( 5 A ). Para ello pruebe el instrumento con una carga resistiva, en forma monofásica. Conecte dos vatímetros según indica la figura 1 y proceda de la siguiente forma: Con el vatímetro monofásico identificado, línea y carga, conectar en base a la figura 3, registre la primera lectura, vatímetro 1. Luego proceda a registrar la lectura del vatímetro 2, siempre en base a la figura 3. Una de las lecturas registrará en forma negativa, ante ello, invierta la bobina de corriente, es decir, lo que es línea a la carga y viceversa, esta lectura debe restar de la anterior lectura positiva, la potencia será la diferencia de lecturas de los dos vatímetros. -9-

10 Figura 1 La diferencia de lecturas nos dará la potencia activa real consumida por el motor y en base a él y las lecturas de corriente y voltaje de línea se determinará, el factor de potencia con la siguiente fórmula: Donde: P - total resultante de la diferencia de lecturas V - Voltaje de línea medido con el voltímetro del multímetro I - Corriente de línea medido con el amperímetro del multímetro. Carga Capacitiva: Identifique el capacitor monofásico con el que llevará adelante su experimento. Copie fielmente los datos de placa del receptor. El capacitor sólo tiene dos terminales no polarizados. Use tres capacitores de iguales características técnicas, para formar el lazo cerrado, usando tres chicotillos y de éstos derive tres chicotillos para la alimentación de la carga. En las diferentes conexiones del capacitor, actúe tomando siempre el terminal activo para conectar, ello con el respectivo cuidado, así preservará el terminal activo del capacitor. Alimente a los tres restantes terminales accesible, una por fase, la alimentación trifásica de la Red, vale decir, 220 V en 3 Hilos. Para la realización de la medición de corriente en línea tenga cuidado con las corriente IRUSH, en cada conexión y desconexión. Para el descargado del capacitor sométalo a una resistencia ó una bobina y logrará descargar el capacitor sin causar daño al receptor LECTURA DE DATOS. Lectura de Cargas Individuales: CARGA Corriente Linea (A) Voltaje de Línea Voltaje de Fase (W) (VA) Cos % Lámparas Incandescentes Motor de Inducción -10-

11 Motor de Inducción Motor de Inducción Motor de Inducción CAPACITIVA 1 CAPACITIVA 2 Lectura del Sistema Trifásico Sin Compensación: SISTEMA TRIFÁSICO Corriente Linea (A) Voltaje Línea Voltaje de Fase (W) (VA) Cos % Sin Compensación Lectura del Sistema Trifásico Con Compensación 1: SISTEMA TRIFÁSICO Con Compensación 1 Corriente Linea (A) Voltaje Línea Voltaje de Fase (W) (VA) Cos % Lectura del Sistema Trifásico Con Compensación 2: SISTEMA TRIFÁSICO Con Compensación 2 Corriente Linea (A) Voltaje Línea Voltaje de Fase (W) (VA) Cos % -11-

12 4.7. CUESTIONARIO. 1. Realice un diagrama trifilar en hoja tamaño pliego (ploteado), que muestre los siguientes parámetros involucrados en el experimento: Diagrama Fasorial de Tensiones, Corrientes y Factor de, Secuencia positiva, a escala. Diagrama Senoidal de Tensiones, Corrientes y Factor de, Secuencia positiva a escala. Diagrama Fasorial de s; Activa, Reactiva, Aparente y Factor de, a escala. Diagrama Senoidal de s, Activa Reactiva, Aparente y Factor de, a escala. Cálculo analítico y fasorial de la lectura de los tres vatímetros monofásicos. Placa de característica de equipos componentes del sistema trifásico, cuatro hilos, 380 V. Parámetros de tensión, corriente, factor de potencia y potencia calculados. Circuito representativo de impedancias, tensiones y corrientes equivalentes. Errores cometidos entre los parámetros lecturados y los calculados. Errores cometidos entre los parámetros lecturados y de Placa de características. En los siguientes casos: En la mitad de la totalidad de cargas involucradas en el circuito de análisis. En la alimentación al sistema trifásico tres hilos 220 V. En cada carga participante del sistema trifásico, cuatro hilos, 380 V. 1. Encontrar el Equivalente Monofásico del Sistema y muestre en un plano, lo siguiente: Diagrama Fasorial de Tensiones, Corrientes y Factor de, Secuencia positiva, a escala. Diagrama Senoidal de Tensiones, Corrientes y Factor de, Secuencia positiva a escala. Diagrama Fasorial de s; Activa, Reactiva, Aparente y Factor de, a escala. Diagrama Senoidal de s, Activa Reactiva, Aparente y Factor de, a escala. Cálculo analítico y fasorial de la lectura de los tres vatímetros monofásicos. Placa de característica de equipos componentes del sistema trifásico, cuatro hilos, 380 V. Parámetros de tensión, corriente, factor de potencia y potencia calculados. Circuito representativo de impedancias, tensiones y corrientes equivalentes. Errores cometidos entre los parámetros lecturados y los calculados. Errores cometidos entre los parámetros lecturados y de Placa de características. En los siguientes casos: En la mitad de la totalidad de cargas involucradas en el circuito de análisis. En la alimentación al sistema trifásico cuatro hilos, 380 V. En cada carga participante del sistema trifásico, cuatro hilos, 380 V CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA. En Clases de Laboratorio se aclarará las dudas que tenga, no olvide leer al respecto. Fecha de Entrega : Tres semanas después de la realización del Laboratorio. -12-