ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL (BILBAO) Departamento de Ingeniería Eléctrica INDUSTRI INGENIARITZA TEKNIKORAKO UNIBERTSITATE-ESKOLA (BILBO) Ingeniaritza Elektriko Saila ALUMNO P8: CIRCUITOS TRIFÁSICOS III ASIGNATURA TITULACIÓN PROFESOR FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍA ELÉCTRICA GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA D. JUAN CARLOS LOSÁÑEZ GONZÁLEZ CURSO 2º GRUPO 01 CURSO ACADÉMICO 2.013-2.014
PRÁCTICA Nº 8: CIRCUITOS TRIFÁSICOS III 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. En esta práctica procederemos a medir el consumo de una carga, equilibrada y desequilibrada, conectada a una fuente trifásica simétrica, mediante el uso de vatímetros monofásicos. La carga será un motor trifásico asíncrono, que conectaremos con un condensador entre dos de las fases, con el objeto de que la impedancia sobre la red sea desequilibrada. A continuación conectaremos tres condensadores en paralelo con la carga, tanto en triángulo como en estrella, con el fin de mejorar el factor de potencia. 1.1. Medidas sobre cargas equilibradas. Disponiendo dos o tres vatímetros, según indica el método Aron, obtenemos las lecturas de las que podremos obtener tanto la potencia activa como la reactiva, por tratarse de una carga equilibrada; en cualquier otro caso no sería posible. Puesto que la carga conectada es una estrella, sólo disponemos de tres líneas de alimentación, por lo que necesitaremos dos vatímetros. La potencia activa es la suma de las dos lecturas: La potencia reactiva el la diferencia entre las dos lecturas. A la lectura del primer vatímetro (intensidad de una línea y tensión entre la misma línea y la anterior en secuencia) le restamos la del segundo (intensidad de una línea y tensión entre ésta y la siguiente en secuencia); esta disposición corresponde a una alimentación en secuencia directa, que es la que comprobamos que ofrecía nuestra instalación en la práctica anterior. La potencia aparente se calcula como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las potencias activa y reactiva. Fecha: 12 de febrero de 2.014 1
Tanto en esta medida como en las siguientes se intercala un amperímetro entre la línea de alimentación y la bobina amperimétrica del vatímetro, con el fin de detectar y evitar que se supere la intensidad nominal del instrumento, lo que podría ser peligroso para su integridad. Figura 1. Montaje para medidas de potencias con carga equilibrada. 1.2. Medidas sobre cargas desequilibradas. Al añadir un condensador entre dos de las conexiones de la carga equilibrada, ésta deja de serlo. Con cargas desequilibradas el montaje anterior sólo ofrece medidas de cada una de las líneas de alimentación, pero no son extrapolables a las demás, por lo que sólo podemos conocer la potencia activa con estos datos, pero no la reactiva. Para conocer la potencia reactiva en el circuito debemos añadir tres vatímetros más, cada uno de ellos midiendo la intensidad de una de las fases, y la tensión entre la línea siguiente y la subsiguiente en secuencia. Figura 2. Montaje para medidas de potencias con carga desequilibrada. Fecha: 12 de febrero de 2.014 2
Las medidas de los vatímetros 1 y 2 pueden sumarse, para obtener la potencia activa, independientemente de que la carga sea o no equilibrada y de la secuencia de fases. Los nuevos vatímetros nos darán las siguientes lecturas: Puesto que Para secuencia directa: Para secuencia inversa: Puesto que estamos trabajando con secuencia directa, tal como vimos en la práctica anterior, utilizaremos la fórmula correspondiente. La potencia aparente y el factor de potencia se calculan por el mismo procedimiento que en el caso anterior. Si tenemos en cuenta que la suma de las intensidades de las tres líneas es cero y Fecha: 12 de febrero de 2.014 3
Llegamos a la conclusión de que podemos medir las potencias activa y reactiva y, por tanto, también la aparente, con sólo tres vatímetros. Con los vatímetros W1 y W2, que usábamos con el método Aron y uno más, que mide la corriente de la tercera línea y la tensión entre las líneas cuya intensidad miden W1 y W2, respectivamente, tenemos acceso a todas las medidas de potencia en una carga desequilibrada alimentada a tres hilos. Este método de medida con tres vatímetros recibe el nombre de Righi, y es capaz de medir los valores de todas las potencias, con sólo tres vatímetros, sobre cargas equilibradas o no, con la única limitación de que la alimentación se realice sobre tres hilos. Figura 3. Montaje para medidas según el método Righi. 1.3 Mejora del factor de potencia. Con la carga utilizada en los montajes de la práctica (un motor trifásico asíncrono), que es de carácter inductivo, obtendremos un ángulo de desfase. Eso implica que el circuito está recorrido por una intensidad mayor que la necesaria para realizar el trabajo útil del motor. Esto se traduce en mayores pérdidas en los conductores y mayor coste del consumo eléctrico, por lo que es deseable disminuir, dentro de lo posible, el desfase o, lo que es lo mismo, la potencia reactiva. Tras la observación del factor de potencia, conectaremos los tres condensadores, con el fin de mejorarlo; lo haremos en triángulo y en estrella, para observar cómo el factor de potencia varía en distinta medida, según el tipo de montaje. La potencia reactiva (inductiva) anulada por la conexión de los condensadores (capacitiva) se calcula, según el montaje, por las siguientes fórmulas, donde vemos que el efecto de un montaje en triángulo es mayor (triple) que en estrella. Para el triángulo Para la estrella Fecha: 12 de febrero de 2.014 4
2. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. Para las primeras medidas se instalan los dos vatímetros que especifica el método Aron para cargas alimentadas a tres hilos, más un amperímetro en cada uno de los tres hilos. 2.1. Medidas con 2 vatímetros (cargas equilibradas). Con el montaje original dispuesto realizamos la medida, por la que conocemos la potencia activa del motor (en vacío), que es de 180 W, y la potencia reactiva, que es de 692 v.a.r. La potencia aparente se calcula según el triángulo de potencias. Figura 4. Triángulo de potencias. Obtenemos un valor de 716 VA. 2.2. Medidas con 3 vatímetros (cargas desequilibradas). Cuando añadimos uno de los condensadores a la carga (motor), la carga se desequilibra, haciendo imposible las medidas de potencias reactivas con el montaje que hemos dispuesto, por lo que añadimos tres vatímetros, destinados a medir la potencia reactiva exclusivamente; son W4, W5 y W6, de la Figura 2. Todos los instrumentos que utilizamos tienen la misma constante (K=1), por lo que las medidas se corresponden directamente con las lecturas, lo que nos permite simplificar la tabla de lecturas de las potencias. El segundo vatímetro, por otra parte, da una indicación negativa, por lo que invertimos los dos conectores de la bobina voltimétrica. Tabla 1. Medida de potencias sobre carga desequilibrada. Fecha: 12 de febrero de 2.014 5
Se aprecia que podemos usar indistintamente las fórmulas (4), por lo que los vatímetros W4 y W5 se hacen inútiles. Los retiramos, simplificando el montaje de las medidas, que ahora se corresponde con el método Righi, que nos permite realizar todas las medidas de potencia con sólo 3 vatímetros, siempre que la alimentación de la carga se realice a tres hilos. 2.3. Mejora del factor de potencia. La potencia aparente representa aproximadamente cuatro veces la potencia activa, lo que supone un factor de potencia muy malo. Para solucionar este problema tenemos tres condensadores, que podremos disponer en triángulo o en estrella, para conectar en paralelo con la carga; como hemos visto antes, la conexión en estrella tiene un efecto menor sobre el factor de potencia que la conexión en triángulo. Figura 4. Montaje para medidas de corrección del factor de potencia. Cuando añadimos al motor (carga equilibrada) una red de condensadores (carga equilibrada), obtenemos un conjunto también equilibrado, por lo que ya no utilizaremos el tercer vatímetro, continuando con el método Aron, más un amperímetro en una de las líneas de alimentación y otro en la entrada del motor; así podremos ver que la intensidad de línea disminuye al corregir el factor de potencia, mientras la corriente que circula a través del motor se mantiene constante. Esta diferencia se debe a que los condensadores suministran esa intensidad, disminuyendo la potencia reactiva del conjunto, y este efecto es mayor cuando los condensadores se conectan en triángulo, como ya habíamos deducido antes. Tabla 2. Medidas de potencia y f.d.p. con corrección estrella y triángulo. Fecha: 12 de febrero de 2.014 6
3. CONCLUSIONES. En las medidas de carga equilibradas obtenemos la potencia activa y la reactiva, que en cualquier otro caso no sería posible con sólo 2 vatímetros. La potencia reactiva es la diferencia entre las dos lecturas, multiplicada por raíz de 3. A la lectura del primer vatímetro le restamos la del segundo; esta disposición corresponde a una alimentación en secuencia directa. Con el montaje que hemos realizado conseguimos las medidas, que nos dan la potencia activa del motor (en vacío), que es de 180 W, y la potencia reactiva, que es de 692 v.a.r. La potencia aparente se calcula según el triángulo de potencias con las que obtenemos el valor de 716 VA. En las medidas con 3 vatímetros de cargas desequilibradas, al añadir uno de los condensadores la carga se desequilibra, por lo se que hace imposible hallar las medidas de las potencias reactivas directamente, y es por eso que añadimos 3 vatímetros para hallarla. Con estos 3 vatímetros más conseguimos hallar la potencia reactiva y comprobamos que nos da lo mismo, 692 v.a.r., y con la potencia activa, que es 180 W, con lo que comprobamos que el valor es el mismo 716 VA, aunque no estén en la misma fase. En la mejora del factor de potencia comprobamos que la conexión en triángulo es mejor que la conexión en estrella, puesto que reducimos la intensidad en la entrada a 2.35 A, en vez de a 3.50 A, mientras por la carga su valor alcanza en todos los casos 4.75 A (igual que antes de mejorar el factor de potencia del circuito). Se observa que el montaje en estrella y la potencia aparente baja de 716 V.A. a 530 V.A. (conexión en estrella) y pasa a ser 220 V.A. (conexión en triángulo), mientras el factor de potencia sube de 0.25 a 0.32 y a 0.77, con lo que comprobamos que la mejora es bastante sustancial, haciendo que un valor inicial tan malo como 0,25 se convierta en uno aceptable. Fecha: 12 de febrero de 2.014 7