INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECÁNICA Carrera: Ingeniería en Mantenimiento Industrial Laboratorio de Electricidad II FOLLETO DE LABORATORIO PROFESOR: ING. LISANDRO ARAYA I semestre 2012 Canadian Engineering Accreditation Board Bureau canadien d accréditation des programmes d ingénierie Carrera evaluada y acreditada por: CEAB
Índice General. GUÍA PARA LA PRESENTACIÓN DE INFORMES DE LABORATORIO II SEGURIDAD EN LABORATORIOS DE ELECTRICIDAD. INSTRUCTIVO PARA EL ESTUDIANTE VI NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO X LABORATORIO 1. CIRCUITOS EN SERIE Y EN PARALELO EN CORRIENTE ALTERNA 1 LABORATORIO 2. CIRCUITO MIXTO RLC 4 LABORATORIO 3. MEJORAMIENTO DEL FACTOR DE POTENCIA 6 LABORATORIO 4. RESONANCIA EN SERIE 8 LABORATORIO 5. RESONANCIA EN PARALELO 11 LABORATORIO 6. CIRCUITO MONOFÁSICO TRIFILAR 14 LABORATORIO N 0 7. MEDICIÓN DE POTENCIA EN CIRCUITOS TRIFÁSICOS CONEXIÓN EN DELTA 16 LABORATORIO 8. MEDICIÓN DE POTENCIA EN CIRCUITOS TRIFÁSICOS CONEXIÓN EN ESTRELLA 19 LABORATORIO 9. TRANSFORMADOR MONOFÁSICO 22 LABORATORIO 10. REGULACIÓN DE TENSIÓN 25 LABORATORIO 11. AUTOTRANSFORMADOR Y PRUEBAS DEL TRANSFORMADOR 27 LABORATORIO 12. CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICO EN BANCOS TRIFÁSICOS 32 i
Guía para la presentación de Informes de Laboratorio La información que se proporciona en esta Guía tiene por finalidad el ayudar al estudiante a presentar la información obtenida en los laboratorios. El formato puede variar de acuerdo a las características particulares de la práctica que se esté realizando. Sin embargo, se espera que se tenga en todos los casos un orden lógico de presentación en el informe. El informe de laboratorio debe realizarse utilizando Word o equivalente, en letra Arial, tamaño 12, con hojas tamaño carta, a espacio simple o a espacio y medio entre cada reglón, y guardando un espaciado de 12 puntos antes y después de cada párrafo. El informe se recibirá únicamente en electrónico a la dirección que el profesor designe el primer día de lecciones, de común acuerdo con los alumnos. El alumno al enviar el informe entiende y acepta que este se puede seleccionar como muestra en el proceso de acreditación y explícitamente está de acuerdo en dar su permiso de uso para tal fin. Además, debe de seguirse los siguientes lineamientos: El informe debe escribirse en forma impersonal (tercera persona) y en pasado. Se debe respetar el espaciado solicitado entre párrafos. Se deberá utilizar el sistema internacional de unidades. Los títulos de los apartados se deberán colocar con un formato que los destaque, pero que sea coherente al utilizado en el cuerpo del informe. El texto debe ser justificado a ambos lados. Se debe respetar siempre el margen de las páginas, ninguna información puede salir de este. Cada uno de los apartados descritos en esta Guía debe empezar en una nueva página. El reporte deberá contar con los apartados, que a continuación se describen. Portada Deberá de utilizarse la portada aprobada para informes del área eléctrica de la Escuela. La portada nunca se numera. Índice Los índices deberán ser autogenerados por el programa Word (o equivalente), y deberán servir como hipervínculo al título referenciado, según las facilidades del programa utilizado. ii
Se debe incluir un índice general en una hoja aparte, además de índices de figuras, tablas, gráficos, etc. Según corresponda (estos no se deben colocar en páginas aparte). El índice no se numera. Objetivos Deben indicar la finalidad del trabajo que se realizó. Estos objetivos aparecen indicados en cada una de las prácticas a realizar. Esta sería la página número 1. Materiales y equipo Debe incluir el listado completo del equipo utilizado para realizar el laboratorio, esta información también está disponible en las prácticas a realizar. A pesar de lo anterior, este apartado debe indicar los instrumentos realmente usados en la práctica, si por algún motivo estos cambiaran. Procedimiento Corresponde a una descripción de los procedimientos empleados, la cual debe ser lo suficientemente completa como para permitir una reproducción del trabajo. La organización de esta sección es simple y cronológica y debe indicar la razón de cada paso realizado. Esta información también está disponible en las prácticas a realizar. A pesar de lo anterior, este apartado debe indicar el procedimiento realmente seguido en la práctica, si por algún motivo este cambiara. Resultados teóricos y experimentales Generalmente se incluyen cuadros y gráficos que encierran un resumen de resultados teóricos y prácticos, así como porcentajes de error entre los mismos. Nunca se presenta una discusión o interpretación de los mismos. No se recomienda aglomerar demasiada información en un cuadro. El título de las tablas, cuadros o gráficos debe concordar con los datos correspondientes, e incluir las unidades de medida cuando corresponda. El número y nombre de la tabla o cuadro se escribe en la parte superior, como encabezado. En la parte inferior debe aparecer un comentario corto y explicativo que indique la fuente de los datos obtenidos. En el caso de figuras, éstas se rotulan en la parte inferior con número y título. Debe aparecer en todos los casos las unidades y parámetros de los ejes, así como la escala utilizada. La numeración de los títulos debe ser autogenerada por el programa Word o equivalente. Toda figura, ilustración, ecuación, tabla, gráfico, cuadro, etc. debe ser numerada y contener título. iii
Discusión de resultados Se discuten e interpretan los resultados obtenidos con base en los objetivos establecidos. Se indican causas y efectos, así como límites y defectos de los resultados obtenidos. En este apartado se debe hacer referencia a los aspectos que relacionen lo observado con lo medido, así como lo que indican los autores en la literatura citada. Es importante que quede claramente establecido el aporte del autor del informe en discusión. Conclusiones En esta sección se hace un listado claro y conciso de las conclusiones a las que llega el autor del reporte, sobre los aspectos que incluye el laboratorio. Las conclusiones se presentan como oraciones, sin explicación, ya que la esta se encuentra en la discusión. Apéndices Incluye una serie de aspectos importantes que el lector del informe podrá consultar para apoyar aseveraciones que se refieren en los apartados anteriores y que los apoyan. Los apéndices son producto del trabajo del autor del informe. Anexos. Incluye una serie de aspectos importantes que el lector del informe podrá consultar para apoyar aseveraciones que se tocan en apartados anteriores y que los apoyan. Los anexos no son producto del trabajo del autor del informe, es información que este transcribe de otras fuentes. Algunos aspectos que pueden agregarse tanto en los anexos como en los apéndices, incluyen. Teoría Debe aparecer una síntesis de los fundamentos teóricos del tema, con información actualizada, que sirva para comparar, discutir y apoyar las implicaciones relacionadas o derivadas del trabajo hecho. Dicha revisión debe ir respaldada por la bibliografía consultada, ya que de otra forma no es válida. No se debe copiar información que aparezca en esta Guía de Laboratorio. Muestra de cálculos Es un resumen de fórmulas o procedimientos utilizados para hacer los cálculos teóricos. Deben aparecer los resultados obtenidos, pero no las operaciones que se realizaron para llegar a ellos. iv
Nomenclatura Indicar las abreviaturas utilizadas en el reporte y el significado que las mismas tienen en el contexto del reporte presentado. Bibliografía Todas las publicaciones contenidas en esta sección deben haber sido citadas en el texto. El ordenamiento de las citas bibliográficas debe hacerse alfabéticamente, si respetando los formatos aprendidos en los cursos de Comunicación. v
Seguridad en laboratorios de Electricidad. Instructivo para el estudiante Cuando se trabaja con electricidad es imprescindible que se tenga claro los riesgos que conlleva el trabajar con corriente eléctrica. Esta, aunque no es la principal causa de accidentes, cuando ocurren son graves y en muchos casos mortales. Las consideraciones que se citan a continuación deben ser acatadas por el estudiante cuando trabaje en los laboratorios, pero más importante aún, cuando en su vida profesional se vea expuesto a situaciones en donde exista corriente eléctrica. Riesgos de incendio Los incendios provocados por causas eléctricas ocurren principalmente por: Sobrecarga de conductores que provoca calentamiento en cables y equipo. Sobrecalentamiento debido a fallas de equipo de control Fallas en el aislante de conductores. Combustión de materiales inflamables por cercanía a equipos de baja tensión (papel, madera) Combustión de materiales inflamables por chispas o arcos (thinner, pinturas, etc.) Shock eléctrico El shock eléctrico, dependiendo de su intensidad, puede causar desde una sensación de cosquilleo, hasta estímulos musculares dolorosos que podrían provocar la pérdida total del control muscular y llegar hasta la muerte. Los mecanismos de muerte por electricidad son: Fibrilación ventricular. Se denomina fibrilación ventricular al trastorno del ritmo cardiaco que presenta un ritmo ventricular rápido (>250 latidos por minuto), irregular, de morfología caótica y que lleva irremediablemente a la pérdida total de la contracción cardiaca, con una falta total del bombeo sanguíneo y por tanto a la muerte del paciente. Tetanización. Es un proceso por el cual un músculo deja de responder a los estímulos que lo hacen contraer voluntariamente y por lo tanto moverse, demostrando que estamos vivos y respiramos. Se manifiesta por la contracción de los músculos de las extremidades, lo que trae como consecuencia que la víctima quede prendida al conductor. Doble acción. Tetanización y fibrilación a la vez vi
Parálisis bulbar. Afecta predominantemente de los nervios que controlan la masticación, la deglución y el habla), Parálisis cardiocirculatoria y respiratoria. Factores a considerar para evitar accidentes a) Intensidad de la corriente En corriente alterna, el umbral mínimo de percepción es 1,1 ma. El umbral mínimo de contracción muscular ocurre con 9 ma, pudiendo ocurrir contracción de los músculos, que expele al accidentado lejos del conductor. De no ser así, se podría llegar a la asfixia por contracción de los músculos respiratorios. En corriente alterna el umbral de corriente peligroso corresponde a 80 ma, donde se puede llegar a fibrilación ventricular. Entre 3 o 4 amperios de corriente puede llegar a causar depresión del sistema nervioso central Esto se puede resumir de la siguiente manera Intensidad Posible efecto en el cuerpo humano 1 ma Leve sensación de hormigueo. De 2 a 4 ma Temblor de los nervios en los dedos hasta el antebrazo. De 5 a 7 ma Leve sensación de choque, no doloroso aunque incómodo. La persona promedio puede soltar la fuente que proporciona corriente. Reacciones involuntarias al choque pueden resultar en lesiones De 10 a 15 ma Sensación desagradable, pero todavía es posible soltarse. De 19 a 22 ma Fuertes dolores de brazo. Ya no es posible soltarse voluntariamente. De 25 a 50 ma Irregularidades cardiacas, aumento de presión arterial, efecto de tetanización, inconciencia y fibrilación ventricular. De 50 a 200 ma Menos de medio ciclo cardiaco: No se da fibrilación. Fuerte contracción muscular. Menos de un ciclo cardiaco: Fibrilación, inconsistencia. Marcas visibles. Paro cardiaco reversible. Más de un ciclo cardiaco: Quemaduras Mayor a 4 A Parálisis cardiaca y respiratoria. Quemaduras graves. Con toda probabilidad, puede causar la muerte. 10 A Paro cardiaco, quemaduras severas y con toda probabilidad, puede causar la muerte. b) Resistencia eléctrica del cuerpo Esta depende de muchos factores, por lo que es difícil de determinar. El elemento principal en la resistencia del cuerpo humano es la resistencia de la piel, la cual varía de persona a persona. Esta disminuye si se está enfermo, se tienen lesiones en la piel y si el ambiente circundante es húmedo. vii
La resistencia entre 2 partes opuestas del cuerpo puede estar en el orden de los kilo ohmios, aunque puede ser de apenas unas decenas de ohmios entre partes cercanas, sobre todo si la piel está humedecida. Bajo condiciones secas la piel humana es muy resistente. Si la piel está húmeda, la resistencia del cuerpo baja considerablemente. Condiciones secas: I = V/R = 120 V/100000 Ω = 1,2 ma Condiciones húmedas: I = V/R = 120 V/1000 Ω = 120 ma Lo suficiente para causar fibrilación ventricular. Tensión y corriente La intensidad de la corriente (amperes) es el factor fundamental para poder predecir el tipo de daño que la electricidad puede causar al cuerpo. Voltajes menores a 20 o 30 voltios son inofensivos excepto en ciertos lugares muy sensibles del cuerpo tales como la boca, labios, lengua, genitales, etc. Por encima de esos voltajes, la corriente que circula puede llegar a provocar daños graves e incluso la muerte. c) Factores en que cuenta el tiempo de contacto Para que se produzca fibrilación en el corazón se requiere que el contacto sea de al menos del orden de un período cardiaco medio, que es del orden de 0,75 s. Tiempos de contacto menores a eso no producen fibrilación. Esto es muy importante desde el punto de vista de la protección que suministran los disyuntores diferenciales, ya que el corte de corriente en ellos se produce en tiempos aproximados de 200 milisegundos, a efecto de que el organismo no sea atravesado por corrientes peligrosas. d) Forma de corriente Tanto en corriente alterna como en continua se aplica la Ley de Ohm. La corriente continua puede producir electrólisis pero teniendo en cuenta el tiempo de exposición y la tensión La corriente alterna, en igualdad de condiciones, es de 3 a 4 veces menos peligrosa que la corriente continua. No obstante, en términos generales, 100 ma, tanto la corriente continua como la alterna, son peligrosamente mortales. e) Otras consideraciones La susceptibilidad es mayor si la persona está haciendo un buen contacto con tierra, tal como cuando está apoyada a superficies húmedas o majadas. Ambientes con alta temperatura, en donde la transpiración de las personas se incrementa, presentan un riesgo adicional, porque el viii
aislamiento que proporciona la ropa se ve reducida debido a la humedad. Se pueden producir quemaduras al pasar corriente eléctrica por el cuerpo, en especial en los puntos de contacto con los conductores eléctricos. Descargas eléctricas tales como chispas o arcos, pueden encender vapores inflamables, causando explosiones y fuego. En el laboratorio, el shock eléctrico es posible que sea leve, pero puede generar otros riesgos por la reacción refleja de sobresalto, que puede hacer que el afectado o sus compañeros pierdan el control de materiales y equipo que se esté manipulando, causando otro tipo de accidentes. ix
Normas de seguridad en el laboratorio Hábitos de conducta No fumar en los laboratorios por seguridad e higiene. No consumir alimentos ni bebidas dentro del laboratorio. Mantener el puesto de trabajo limpio y en orden La mesa de trabajo debe estar libre de abrigos, bolsos, libros, etc. No dejar bultos u otros objetos en los lugares de circulación, en especial entre los pupitres. Salud Si tiene algún padecimiento, o si se usa algún medicamento que considere relevante para el curso normal de la práctica, esta debe informarse al profesor antes de realizar la práctica. No ingresar al laboratorio bajo los efectos de drogas o alcohol. Vestimenta En trabajos con máquinas o en sus inmediaciones, no se debe vestir con prendas sueltas o con partes que cuelguen, como por ejemplo, corbatas, flecos, etc. No se deben usar sandalias, zapatos abiertos o tacón alto en el laboratorio. Usar camisas de manga larga de algodón. Materiales sintéticos pueden provocar que en un accidente de quemadura esta se adhiera a la piel. Se sugiere el uso de gabacha, que no sea larga ni floja, de algodón o con un porcentaje alto de este Usar pantalón largo. No se debe, al realizar la práctica, llevar anillos, relojes de pulsera, collares u otros accesorios que puedan engancharse, tales como piercings en cualquier parte del cuerpo. En caso de que se tenga pelo largo, se debe llevar recogido con el fin de evitar riesgos. Realizar los laboratorios con ropa seca y en superficies secas. En general En los laboratorios no se deben gastar bromas, ni jugar, ni comunicarse con gritos. Estudiar atentamente la guía del laboratorio a realizar. Seguir en todo momento las instrucciones del profesor. Ante cualquier duda, consultar al profesor. x
En prácticas de laboratorio supervisadas, no se debe energizar ningún panel o fuente de voltaje sin que el profesor haya revisado la instalación correspondiente. No se pueden realizar experimentos que no estén autorizados por el profesor. Mantener el debido respeto hacia el profesor, los compañeros y compañeras. No utilizar el celular durante las sesiones de laboratorio. Mantenerlo apagado. Equipo de protección De manera particular, y según sea la naturaleza del laboratorio, será indispensable utilizar equipo de protección. Esto será indicado por el profesor en cada laboratorio en particular, teniendo en consideración los riesgos que tenga el mismo. Esto incluye: Uso de anteojos o pantallas de protección en operaciones donde exista riesgo de salpicadura. Uso de guantes aislantes o protectores cuando se trabaja con piezas cortantes Uso de cascos, mascarillas y calzado especial cuando estos se requieran. Máquinas En algunas ocasiones no se puede eliminar el riesgo en el origen y por tanto es necesario utilizar medios de protección colectiva, tales como resguardos o dispositivos de seguridad. El resguardo es un componente de una máquina que se utiliza como barrera material para garantizar la protección. Un dispositivo de protección es aquel que impide que se inicie o se mantenga una fase peligrosa de la máquina, mientras se detecta o sea posible la presencia humana en la zona de peligro. Por tanto: No ponga fuera de servicio los dispositivos de seguridad existentes. Utilice correctamente los elementos de seguridad. No utilice equipos y maquinaria sin conocer su funcionamiento. Antes de realizar cualquier tarea en una máquina, siga atentamente las instrucciones. En caso de duda, pregunte al profesor(as). xi
Desconectar de la red eléctrica las herramientas y equipos antes de proceder al ajuste. No reparar, desatascar o limpiar equipo. Notificar la anomalía para que el personal capacitado realice la tarea. No bloquear sistemas electrónicos, eléctricos, mecánicos, etc. xii
Laboratorio 1. Circuitos en serie y en paralelo en corriente alterna Objetivos: 1. Comprobar experimentalmente la validez de los cálculos teóricos, por medio del análisis de un circuito RL en serie y de un circuito RC en paralelo. 2. Determinar experimentalmente cómo varían en un circuito RL en serie, la tensión en la resistencia y en el inductor, así como la corriente total del circuito, al aumentar la frecuencia de una corriente alterna sinusoidal. 3. Determinar experimentalmente cómo varían en un circuito RC en paralelo, la corriente total del circuito, así como la corriente en el capacitor y en la resistencia, al aumentar la frecuencia de una corriente alterna sinusoidal. Equipo requerido: 1 multímetro digital 1 generador de audio EICO 378 1 inductor de 0,1 H 1 capacitor de 0,1 µf 1 resistencia de 100 Ω 1 resistencia de 1000 Ω Cables de conexión Primera parte Circuito RL en serie con corriente alterna 1. Para el siguiente circuito RL en serie, realice los cálculos teóricos correspondientes, con el propósito de seleccionar adecuadamente la amplitud de las escalas del equipo que se va a utilizar. Figura 1. Circuito RL en corriente alterna. 1
2. Mida y anote los valores reales de la resistencia R del circuito y de la resistencia interna del inductor, a efecto de comparar su concordancia: Tabla 1. Valores reales de los elementos empleados. R R L Valor teórico 100 330 Valor experimental 3. Arme el circuito, con los valores de resistencia e inductancia que se indican. 4. Escoja la amplitud apropiada de escala en el generador de audio y gradúe la frecuencia a 1 khz. 5. Encienda la fuente y lleve lentamente el generador de audio a un voltaje de 5 V ac. 6. Lea los valores de corriente del circuito, así como las caídas de tensión en la resistencia y en el inductor. Anote los resultados en la Tabla 2, y compárelos con los valores teóricos. 7. Baje el voltaje del generador de audio a 0 V ac y repita todos los pasos anteriores para una frecuencia de 5 khz. Tabla 2. Datos teóricos y experimentales del circuito RL en serie I (ma) V R (v) V L (v) FRECUENCIA TEÓRICO EXP. % E Teórico Exp. % E TEÓRICO Exp % E 1 khz 5 khz. Nota: Debe anotarse el ángulo en los valores teóricos de la tabla. Segunda parte Circuito RC en paralelo con corriente alterna 1. Para el siguiente circuito RC en paralelo, realice los cálculos teóricos correspondientes, con el propósito de seleccionar adecuadamente la amplitud de las escalas del equipo que se va a utilizar. Figura 2. Circuito RC en corriente alterna. 2. Mida y anote el valor real de la resistencia R del circuito a efecto de comparar su concordancia. 2
Tabla 3. Valores reales de los elementos empleados. R Valor teórico 1000 Valor experimental 3. Arme el circuito, con los valores de resistencia y capacitancia que se indican. 4. Escoja la amplitud apropiada de escala en el generador de audio y gradúe la frecuencia a 1 khz. 5. Encienda la fuente y lleve lentamente el generador de audio a un voltaje de 5 Vac. 6. Lea los valores de corriente total del circuito, así como los valores de la corriente que pasa por la resistencia y la capacitancia. Anote los resultados en la Tabla 4, y compárelos con los valores teóricos. 7. Baje el voltaje del generador de audio a 0 Vac y repita todos los pasos anteriores para una frecuencia de 5 khz. Tabla 2. Datos teóricos y experimentales del circuito RC en paralelo I t (ma) I R (ma) I c (ma) FRECUENCIA TEÓRICO EXP. % E Teórico Exp % E TEÓRICO Exp. % E 1 khz 5 khz. Nota: Debe anotarse el ángulo en los valores teóricos de la tabla. 3
Laboratorio 2. Circuito mixto RLC Objetivo: Analizar un circuito mixto RLC con corriente alterna senoidal y comprobar experimentalmente la validez de los cálculos teóricos. Equipo requerido: 1 multímetro digital 1 generador de audio EICO 378 1 inductor de 20 mh 1 capacitor de 47 nf 1 resistencia de 1000 Ω Cables de conexión Procedimiento: Circuito RL en serie con corriente alterna 1. Para el siguiente circuito mixto RLC, realice los cálculos teóricos correspondientes, con el propósito de seleccionar adecuadamente la amplitud de las escalas del equipo que se va a utilizar: Figura 1. Circuito RLC en corriente alterna. 2. Mida y anote los valores reales de la resistencia R del circuito y de la resistencia interna del inductor, a efecto de comparar su concordancia. Anote los valores en la Tabla 1. Tabla 1. Valores Teóricos y Experimentales de las resistencias. R R L Valor teórico 1000 60 Valor experimental 3. Arme el circuito, con los valores de resistencia e inductancia que se indican. 4. Escoja la amplitud apropiada de escala en el generador de audio y gradúe la frecuencia a 4 khz. 4
5. Encienda la fuente y lleve lentamente el generador de audio a un voltaje de 5 V ac. 6. Ubicando apropiadamente el multímetro digital según sea el caso, proceda a medir la corriente que pasa por la resistencia, el inductor y el capacitor. Nota: Asegúrese de apagar el generador de audio cada vez que cambie la ubicación del multímetro digital, para ponerlo en serie con el elemento siguiente. 7. Proceda a medir el voltaje a través de la resistencia, del inductor y del capacitor y anótelos también en la Tabla 2. 8. Compare los valores experimentales con aquellos calculados teóricamente, y obtenga las conclusiones correspondientes. Tabla 2. Valores teóricos y experimentales para el circuito RLC Valor Valor experimental % de error teórico I total (ma) I inductor (ma) I capacitor (ma) V resistencia (voltios) V inductor (voltios) V capacitor (voltios) Nota: Debe anotarse el ángulo en los valores teóricos de la tabla. 5
Laboratorio 3. Mejoramiento del factor de potencia Objetivo: Calcular el valor del condensador requerido para mejorar el factor de potencia de una carga, y comprobar experimentalmente los resultados. Equipo requerido: 1 osciloscopio de rayos catódicos 1 generador de audio EICO 378 1 inductor de 20 mh 1 capacitor variable 1 resistencia de 22 Ω Cables de conexión Procedimiento: 1. Mida y anote los valores reales de la resistencia R del circuito y de la resistencia interna del inductor, a efecto de comparar su concordancia: R R L Tabla 1. Valores experimentales y teóricos Valor teórico 22 60 Valor experimental 2. Realizar los cálculos necesarios para obtener el valor del capacitor requerido para cambiar el factor de potencia a 0,83 utilizando una frecuencia de 5 khz. Con esta información, asegúrese de seleccionar adecuadamente las escalas de medición de los instrumentos. Figura 1. Medición del desfase en una bobina. 6
3. Una vez instalado el equipo según la Figura 1, ajuste el generador de audio a la tensión y a la frecuencia indicadas. 4. Conecte el osciloscopio de rayos catódicos con especial cuidado, verificando que las terminales se conecten bien. 5. Obtenga las señales del voltaje de la bobina y la corriente total del circuito. Mida el período de las ondas y el desfase existente entre ambas. Obtenga el ángulo de desfase entre ambas y calcule el factor de potencia experimental inicial del circuito. Anote los resultados en la Tabla 2. 6. Conecte el capacitor con el valor calculado al circuito tal y como se muestra en la Figura 2. Figura 2. Corrección del factor de potencia. 7. Nuevamente obtenga las señales de voltaje de la bobina y la corriente total del circuito. Mida el período de las ondas y el desfase existente entre ambas. Obtenga el ángulo de desfase entre ambas y calcule el factor de potencia experimental final del circuito. Anote el valor obtenido en la Tabla 2. Factor de potencia inicial Factor de potencia final Tabla 2. Valores teóricos y experimentales Valor teórico Valor experimental % de error 8. Con el factor de potencia teórico y experimental, obtenga el porcentaje de error. 7
Laboratorio 4. Resonancia en serie Objetivos: Obtener experimentalmente la frecuencia de resonancia de un circuito RLC en serie, y compararla con la frecuencia de resonancia calculada teóricamente. Obtener las curvas experimentales de corriente en función de la frecuencia, y la impedancia en función de la frecuencia, y compararlas con las curvas obtenidas teóricamente. Equipo requerido: 1 Generador de Audio EICO 378 1 Multímetro digital 1 Resistencia de 680 Ω 1 Inductancia de 30 mh 1 Capacitor de 0,033 F Cables conectores Procedimiento: 1. Verificar el valor de la resistencia de 680 Ω, y el valor de la resistencia interna del inductor. R R L Tabla 1. Valores experimentales y teóricos Valor teórico 680 80 Valor experimental 2. Calcule la frecuencia de resonancia y la corriente obtenida por medio de esos datos. 3. Ajuste el miliamperímetro en la escala adecuada. 4. Arme correctamente el circuito RLC según se indica en la siguiente figura. Figura 1. Circuito para medir la resonancia en serie. 5. Conecte el Generador de Audio a una frecuencia de 1000 Hz, y ajústelo a 5 Vac. Tome la lectura de corriente que indica el miliamperímetro y anote el resultado en la Tabla 2. 8
6. Repita el paso anterior para diversas frecuencias, aumentando de 1000 en 1000 Hz la frecuencia hasta llegar a un valor de 10000 Hz. En cada caso, no olvide ajustar el valor del voltaje a 5 Vac cada vez que varíe la frecuencia. Anote los valores obtenidos en la Tabla 2. 7. Debido a que cuenta con el valor teórico de resonancia, al acercarse a ésta, tome los valores de frecuencia, aumentando la misma de 100 en 100 Hz. Tabla 2. Valores teóricos y experimentales de corriente en el circuito RLC en serie. Frecuencia (khz) 1 2 3 4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 6 7 8 9 10 Corriente teórica (ma) Corriente experimental (ma) % de error 8. Calcule los valores de la impedancia y anote los resultados en la Tabla 3. 9
Tabla 3. Valores teóricos y experimentales de impedancia en el circuito RLC en serie. Frecuencia (khz) 1 2 3 4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 6 7 8 9 10 Impedancia teórica () Impedancia experimental () % de error 9. Utilice los datos de corriente e impedancia obtenidos experimentalmente en la para graficar ambos con respecto a la frecuencia. 10
Laboratorio 5. Resonancia en paralelo Objetivos: Obtener experimentalmente la frecuencia de resonancia de un circuito LC en paralelo, y compararla con la frecuencia de resonancia calculada teóricamente. Obtener las curvas experimentales de corriente en función de la frecuencia, y la impedancia en función de la frecuencia, y compararlas con las curvas obtenidas teóricamente. Equipo requerido: 1 Generador de Audio EICO 378 1 Multímetro digital 1 Inductancia de 20 mh 1 Capacitor de 0,047 F Cables conectores Procedimiento: 1. Verificar el valor de la resistencia interna del inductor. R L Tabla 1. Valores experimentales y teóricos Valor teórico 60 Valor experimental 2. Calcule la frecuencia de resonancia y la corriente obtenida por medio de esos datos. 3. Ajuste el miliamperímetro en la escala adecuada. 4. Arme correctamente el circuito LC según se indica en la siguiente figura. Figura 1. Circuito para medir la resonancia en paralelo. 5. Conecte el Generador de Audio a una frecuencia de 10 khz, y ajústelo a 5 Vac. Tome la lectura de corriente que indica el miliamperímetro y anote el resultado en la Tabla 2. 6. Repita el paso anterior para diversas frecuencias, disminuyendo de 1 khz en cada medición de la frecuencia hasta llegar a un valor de 2 khz. En cada caso, 11
no olvide ajustar el valor del voltaje a 5 Vac cada vez que varíe la frecuencia. Anote los valores obtenidos en la Tabla 2. 7. Debido a que cuenta con el valor teórico de resonancia, al acercarse a ésta, tome los valores de frecuencia, disminuyendo la misma de 100 en 100 Hz. Tabla 2. Valores teóricos y experimentales de corriente en el circuito LC en paralelo Frecuencia (khz) 2 3 4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 6 7 8 9 10 Corriente teórica (ma) Corriente experimental (ma) 8. Calcule los valores impedancia y anótelos en la Tabla 3. % de error 12
Tabla 3. Valores teóricos y experimentales de impedancia en el circuito LC en paralelo Frecuencia (Hz) 2 3 4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 6 7 8 9 10 Impedancia teórica () Impedancia experimental () % de error 9. Utilice los datos de corriente e impedancia obtenidos experimentalmente en la para graficar ambos con respecto a la frecuencia. 13
Laboratorio 6. Circuito monofásico trifilar Objetivo: Comprobar experimentalmente las características fundamentales de un circuito Monofásico Trifilar. Equipo requerido: 1 multímetro digital 3 amperímetros para corriente alterna 1 voltímetro para corriente alterna 1 transformador (para producir una fuente Monofásica Trifilar) 1 caja de resistencias variables 1 caja de inductancias variables 1 caja de capacitancias variables Cables de conexión Procedimiento: 1. Arme el circuito que se indica a continuación, tomando como carga de la línea 2 (Z en la figura) una resistencia de 90 / 500 W. Figura 1. Circuito monofásico trifilar. 2. En todos los casos, calcule, antes de iniciar cada parte del laboratorio, los valores máximos de corriente, a efecto de regular las escalas de los amperímetros. 3. Encienda la fuente y mida el voltaje de línea a neutro. 4. Tome las lecturas de los amperímetros A 1, A 2 y A N, y anote los resultados en la Tabla 1, junto a los datos teóricos calculados. 14
Tabla 1. Cálculo de la corriente en el neutro con una carga resistiva Cálculo teórico Valor experimental % de error A 1 A 2 A 3 (I N ) Nota: Debe anotarse el ángulo en los valores teóricos de la tabla. 5. Repita los pasos 3 y 3 utilizando una inductancia de 250 mh como carga de la línea 2 (Z en la figura), y anote los resultados en la Tabla 2, junto a los datos teóricos calculados. Tabla 2. Cálculo de la corriente en el neutro con una carga inductiva Cálculo teórico Valor experimental % de error A 1 A 2 A 3 (I N ) Nota: Debe anotarse el ángulo en los valores teóricos de la tabla. 6. Repita los pasos 3 y 4 utilizando una capacitiva de 20 F como carga de la línea 2 (Z en la figura), y anote los resultados en la Tabla 3, junto a los datos teóricos calculados. Tabla 3. Cálculo de la corriente en el neutro con una carga capacitiva Cálculo teórico Valor experimental % de error A 1 A 2 A 3 (I N ) Nota: Debe anotarse el ángulo en los valores teóricos de la tabla. 15
Laboratorio N 0 7. Medición de potencia en circuitos trifásicos conexión en delta Objetivo: Calcular la potencia de un circuito trifásico de corriente alterna con conexión en delta con cargas balanceadas y cargas desbalanceadas, utilizando los métodos de dos y tres vatímetros, y comprobar los resultados experimentalmente. Equipo requerido: 3 Vatímetros Simpson, modelo 390-2 1 Fuente trifásica 1 Caja de resistencias Hampden 1 Interruptor Cables conectores Conexión del vatímetro Simpson Figura 1. Vatímetro analógico Simpson. Alimentación La alimentación de la fuente debe conectarse, para cada uno de los casos a los terminales que indican 15 A o 3 A de la parte superior derecha del panel de conexiones, según los cálculos efectuados. Conexión a la carga De la parte inferior derecha del panel, indicado con la letra A, con signos positivo y negativo adelante, se procede a hacer la conexión a la carga, según lo indica el diagrama del circuito. Puente Para conectar el vatímetro se procede a pasar un cable de las terminales marcadas como 15 A o 3 A a las terminales marcadas como 300 V o 150 V, según sea la potencia que se desea medir en cada caso y que está indicada 16
en la parte superior del panel de conexiones con 300 W, 600 W, 1500 W y 3000 W. Conexión a un punto común La conexión de todos los vatímetros a un punto común llamado punto x en los circuitos se hace desde la parte inferior del multímetro, indicado con la letra V, con signos positivo y negativo adelante. Procedimiento 1. Mida el valor óhmico de la caja de resistencias a efecto de verificar los datos que se indican en este procedimiento. Tabla 1. Valores de resistencia de las cargas utilizadas Delta balanceada Delta desbalanceada Carga Teórico Práctico Carga Teórico Práctico 800 W 60 800 W 60 800 W 60 800 W 60 800 W 60 500 W 90 2. Proceda a realizar las conexiones necesarias para armar el circuito en delta que se muestra en el esquema de conexión. Tenga especial cuidado en la conexión en delta, y por ningún motivo proporcione energía al circuito sin que este haya sido revisado previamente por el profesor. Una mala conexión podría generar altas corrientes en el mismo debido a cortocircuitos. Figura 2. Conexión en delta balanceada y desbalanceada a implementar. 3. Proporcionando una tensión línea a línea de 208 V, obtenga la lectura de corriente, voltaje y potencia, utilizando el método de los 2 y 3 vatímetros. Para utilizar cada uno de los métodos, haga uso del interruptor del circuito, teniendo especial cuidado en que el puente sea hecho correctamente de acuerdo a los valores de potencia que se requieren medir. 17
Figura 3. Medición de la potencia de un circuito delta, utilizando dos o tres vatímetros. P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 Tabla 2. Delta balanceada (Método de los tres vatímetros) Potencia real (W) Potencia exp. (W) % de error Corriente (A) Voltaje (V) Tabla 3. Delta balanceada (Método de los dos vatímetros) Potencia real (W) Potencia exp. (W) % de error Corriente (A) Voltaje (V) Tabla 4. Delta desbalanceada (Método de los tres vatímetros) Potencia real (W) Potencia exp. (W) % de error Corriente (A) Voltaje (V) Tabla 5. Delta desbalanceada (Método de los dos vatímetros) Potencia real (W) Potencia exp. (W) % de error Corriente (A) Voltaje (V) 18
Laboratorio 8. Medición de potencia en circuitos trifásicos conexión en estrella Objetivo: Calcular la potencia de un circuito trifásico de corriente alterna con conexión en estrella con cargas balanceadas y cargas desbalanceadas, utilizando los métodos de dos y tres vatímetros, y comprobar los resultados experimentalmente. Equipo requerido: 3 Vatímetros Simpson, modelo 390-2 1 Fuente trifásica 1 Caja de resistencias Hampden 1 Interruptor Cables conectores Procedimiento 1. Mida las resistencias de la caja de resistencias a efecto de verificar los valores que se indican en este procedimiento. Tabla 1. Valores de resistencia de las cargas utilizadas Delta balanceada Delta desbalanceada Carga Teórico Práctico Carga Teórico Práctico 800 W 60 800 W 60 800 W 60 800 W 60 800 W 60 500 W 90 2. Proceda a realizar las conexiones necesarias para armar el circuito en estrella que se muestra en el esquema de conexión. Tenga especial cuidado en la conexión en estrella, y por ningún motivo proporcione energía al circuito sin que este haya sido revisado previamente por el profesor. Una mala conexión podría generar altas corrientes en el mismo debido a cortocircuitos. Figura 1. Conexión en estrella balanceada y desbalanceada a implementar. 19
3. Proporcionando una tensión línea a línea de 208 V, obtener la lectura de corriente, voltaje y potencia, utilizando el método de los 2 y 3 vatímetros. Para utilizar cada uno de los métodos, haga uso del interruptor del circuito, teniendo especial cuidado en que el puente sea hecho correctamente de acuerdo a los valores de potencia que se requieren medir. No conectar el común de los vatímetros con el neutro ya que crea un corto. Figura 2. Medición de la potencia de un circuito estrella balanceado, utilizando dos o tres vatímetros. 4. Para la conexión en estrella desbalanceada se debe instalar la línea a neutro a la carga en estrella y al punto común x. Además, se debe desconectar el interruptor, por cuanto en estrella desbalanceada, por ningún motivo, se debe utilizar el método de los dos vatímetros. P 1 P 2 P 3 Figura 3. Medición de la potencia de un circuito estrella desbalanceado. Tabla 2. Estrella balanceada, método de los tres vatímetros Potencia real (W) Potencia exp (W) % de error Corriente (A) Voltaje (V) 20
P 1 P 2 P 1 P 2 P 3 Tabla 3. Estrella balanceada, método de los dos vatímetros Potencia real (W) Potencia exp (W) % de error Corriente (A) Voltaje (V) Tabla 4. Estrella desbalanceada, método de los tres vatímetros Potencia real (W) Potencia exp (W) % de error Corriente (A) Voltaje (V) 21
Laboratorio 9. Transformador monofásico Objetivo: Describir el comportamiento de los transformadores Monofásico en sus características de polaridad y de saturación. Equipo requerido: 1 Banco de transformadores Monofásico 1 Multímetro digital Cables conectores Procedimiento: 1. Realice las conexiones indicadas en el siguiente diagrama del transformador Monofásico. Figura 1. Prueba de polaridad H1-H2 con X1-X7. 2. Para probar la polaridad H1 H2 con X1 X7 conectar X1 con H1 y mida la tensión H2 X7 con el voltímetro de corriente alterna. 3. Alimentar a 120 V por X1 X7 sin desconectar el cable X1- H1 y comparar la lectura del voltímetro con la tensión aplicada al primario. Deducir la polaridad H1 H2 y anotarla en la Tabla 1 Bobina Tabla 1. Polaridad H1-H2 con X1-X7 Voltaje del primario (v) Voltaje voltímetro (v) Polaridad del transformador H 1 H 2 4. Cambiar los puntos H1 por H5 y H2 por H3 como se indica en la siguiente figura. Observe la polaridad. 22
Figura 2. Prueba de polaridad H3-H5 con X1-X7. 5. Deducir la polaridad H3 H5 y anotarla en la Tabla 2. Bobina H 3 H 5 Voltaje del primario (voltios) Tabla 2. Polaridad H3-H5 con X1-X7 Voltaje voltímetro V (voltios) Polaridad del transformador 6. Modifique el circuito a la configuración que muestra la Figura 3 a efecto de obtener la curva de saturación del transformador. Con los datos obtenidos y anotados en la Tabla 3, construya la curva de tensión en función de la corriente de excitación: V = f(iexc). Figura 3. Saturación del transformador. 7. Varíe el voltaje de alimentación hasta alcanzar un valor máximo de 160 volts, y anote los resultados en la Tabla 3. 8. Construye un gráfico del comportamiento del voltaje del secundario con respecto a la corriente en el primario, de tal forma que se muestre apropiadamente la saturación. 23
Tabla 3. Corriente de excitación de acuerdo al voltaje aplicado Voltaje aplicado al primario Voltaje del secundario Corriente de excitación (V) (V) I exc (ma) 25 30 40 50 60 80 100 120 140 160 24
Laboratorio 10. Regulación de tensión Objetivo: Describir la forma de regular tensión en circuitos Monofásico, utilizando resistencias, inductores y condensadores. Equipo requerido: 1 Banco de transformadores Monofásico 1 Multímetro digital 1 Banco de resistencias 1 Banco de inductores 1 Banco de capacitores Cables conectores Procedimiento 1. Arme el siguiente circuito y ajuste el voltaje V 2 en vacío a 220 V. Figura 1. Circuito de prueba para la regulación de voltaje. 2. Cerrar el interruptor y cargar el circuito con resistencias, aumentando la carga paulatinamente, manteniendo regulada la tensión a 220 V en V 2, acercándose lo mejor posible a la corriente teórica de 2.27 amperios. 3. Una vez logrado esto, proceda a abrir el interruptor y tome la lectura del voltaje del primario. Anote los resultados en la Tabla 1. Tabla 1. Resultados experimentales con carga resistiva V primario (V) V 2 (V) I (ma) Con carga 220 Sin carga 4. Repita el procedimiento anterior utilizando esta vez una carga inductiva, y anote los resultados en la Tabla 2. 25
Tabla 2. Resultados experimentales con carga inductiva V primario (V) V 2 (V) I (ma) Con carga 220 Sin carga 5. Repita el procedimiento anterior utilizando una carga capacitiva, y anote los resultados en la Tabla 3. Tabla 3. Resultados experimentales con carga capacitiva Vprimario (V) V 2 (V) I (ma) Con carga 220 Sin carga 26
Laboratorio 11. Autotransformador y pruebas del transformador Objetivos: Determinar experimentalmente el valor de las pérdidas de los transformadores aplicando las pruebas de corto circuito y circuito abierto a un transformador, con el fin de poder encontrar el equivalente de las pérdidas por rama de magnetización a través de la prueba circuito abierto y el equivalente de las pérdidas en las bobinas con la prueba de corto circuito. Describir el comportamiento de los auto transformadores monofásicos y operando en bancos trifásicos, en lo que se refiere a sus características de transformación. Equipo requerido: 2 Transformadores Monofásicos 1 Vatímetro 2 Voltímetros de corriente alterna (del tablero) 1 Multímetro digital 1 Fuente trifásica (del tablero) Cables conectores 1 Multímetro Fluke Procedimiento Prueba de circuito abierto 1. Se coloca el multímetro digital en la opción de amperímetro para medir la corriente en el primario del transformador, también se conecta un voltímetro para medir la tensión al lado primario del transformador y además se debe conectar un vatímetro al lado primario del transformador, tal como se muestra en el siguiente diagrama de conexión. 27
Figura 1. Prueba de circuito abierto. 2. Alimentando el primario con una fuente alterna senoidal y dejando el transformador trabajando en vacío, gradúe la tensión hasta que el voltímetro marque 120 V. 3. Una vez alcanzada esta tensión determine los datos de voltaje, corriente y potencia en los instrumentos anótelos en la Tabla 1. Tabla 1. Prueba de circuito abierto V OC = I OC = P OC = 4. Teniendo los valores de la Tabla 1 proceda, a través del cálculo, a determinar los valores resistencia e inductancia de la rama de magnetización, colocando los resultados en la tabla 2. Tabla 2. Valores de resistencia e inductancia de la rama de magnetización R C = X M = Prueba de corto circuito 1. Se coloca el multímetro digital en la opción de amperímetro para medir la corriente en el primario del transformador, también se conecta un voltímetro para medir la tensión al lado primario del transformador junto con un vatímetro al lado primario del transformador, aparte de eso se debe colocar un cable a ambos lados de las terminales del secundario del transformador H1 a H5 (corto circuito) tal como se muestra en el siguiente diagrama de conexión. 28
Figura 2. Prueba de corto circuito. 2. Alimentando el primario con una fuente alterna senoidal incremente el voltaje poco a poco (No se debe alimentar el transformador a tensión nominal en esta prueba, ya que al haber un cortocircuito en el secundario, ocasionaría corrientes excesivas que podrían quemar el transformador) hasta que el amperímetro marque la corriente a plena carga de dicho transformador (Recordar que el transformador es de 500 VA 120/240 V). 3. Una vez alcanzada esta tensión determine los datos de voltaje, corriente y potencia en los instrumentos y anótelos en la Tabla 3. Tabla 3. Prueba de Corto Circuito V SC = I SC = P SC = 4. Teniendo los valores de la Tabla 3 proceda, a través del cálculo, a determinar los valores resistencia e inductancia equivalente de las pérdidas de las bobinas al lado primario del transformador, colocando los resultados en la Tabla 4. Tabla 4. Valores de resistencia e inductancia equivalente de las bobinas del transformador. R eq = X eq = 29
Autotransformador 1. Conecte el circuito según se muestra en la figura. Figura 1. Autotransformador utilizando el bobinado secundario. 2. Fije el voltaje entre X1 y X7 en 120 Voltios. Este será el voltaje primario. 3. Mida el voltaje entre X1 y X2 y anotarlos en la Tabla 1. Este el voltaje secundario. Calcular la respectiva relación de vueltas. 4. Repita el pasa anterior para las bobinas secundarias: X1-X3, X1-X4, X1-X5, X1-X6. Tabla 1. Mediciones del autotransformador. Bobina secundaria Voltaje Secundario Relación transformación X1-X2 X1-X3 X1-X4 X1-X5 X1-X6 Conexión trifásica del auto transformador empleado para el arranque de motores trifásicos 1. Armar el circuito según se muestra (circuito empleado arranque motores trifásicos) Figura 2. Autotransformador como arranque de motores trifásicos. 30
2. Recordar que el transformador es de 500 VA, y se usa como devanado primario de X1 a X7 que soporte 120 voltios máximo. La corriente máxima en esta conexión es de 4 amperios. 3. La carga se conecta en delta y se accionan los interruptores para operar a 1000 W por fase. No exceder de 2 amperios en la línea. 4. Medir el voltaje en la línea del secundario (que llegue a la carga). 5. Deducir a qué porcentaje de relación está conectado el secundario del transformador. 6. Puede cambiarse este porcentaje? Cómo puede variarse? Qué efectos se observan con los cambios? 31
Laboratorio 12. Conexión de transformadores monofásico en bancos trifásicos Objetivo: Describir el comportamiento de los transformadores Monofásico en bancos trifásicos, en lo que se refiere a sus características de transformación. Equipo requerido: 3 Bancos de transformadores Monofásico 2 Voltímetros de corriente alterna (del tablero) 1 Fuente trifásica (del tablero) Cables conectores Procedimiento 1. Realice las conexiones indicadas en los diagramas de conexión de los diagramas de conexión indicados en cada una de las configuraciones de transformadores Monofásico en bancos trifásicos. Si el primario se conecta en delta utilice los devanados H como primario, si es en estrella utilice los X. Conexión delta delta Conexión delta estrella Conexión estrella estrella Conexión estrella delta Conexión delta abierta delta abierta 2. Lleve el voltaje de línea a 208 V en cada uno de los casos, y observe el voltaje que indica el otro voltímetro. Tabla 1. Medidas de las conexiones trifásicas del experimento. Conexión Delta - Delta Delta Estrella Estrella - Estrella Estrella Delta Delta abierta Delta abierta Voltaje aplicado al primario (V) Voltaje en el secundario de línea (V) 32