LABORATORIO NO. 1 CONEXIÓN ESTRELLA DE CARGAS EQUILIBRADAS 1.1. OBJETIVO DEL LABORATORIO. 1.1.1. OBJETIVO GENERAL. Conocer las características de operación de la Conexión Estrella en un sistema trifásico Tres y Cuatro Hilos de cargas Resistivas, Inductivas, y Capacitivas. 1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Para alcanzar los objetivos generales debemos manejar adecuadamente los siguientes parámetros eléctricos involucrados en la práctica de laboratorio: Nociones Básicas de Campo Magnético y Campo Eléctrico. Coeficiente de Autoinducción. Capacitancia de un condensador. Conexión Estrella de cargas trifásicas equilibradas. Tensiones y Corrientes de Línea y de Fase en esta conexión. Diagramas senoidales trifásicos Diagramas fasoriales trifásicos carácterísticos. Principio de funcionamiento básico del motor trifásico de inducción. Medición de Potencia activa en redes monofásicas. 1.2. PUNTUALIZACIOES TEÓRICAS. 1.2.1. CONEXIÓN ESTRELLA. En cargas resistivas y capacitivas, donde no es necesario tomar en cuenta la polaridad, la conexión estrella es la unión de principios ó principios y finales, para obtener el neutro. En cambio, para el caso de cargas inductivas, el tratamiento es distinto, porque aquí sí es importante tomar en cuenta la polaridad de las bobinas, por lo que la conexión estrella se la debe realizar uniendo sólo principios ó sólo finales para obtener el neutro. En la Conexión Estrella, se debe entender como Tres Hilos, a las tres líneas (a veces denominadas fases), es decir, a las terminales simbolizadas por A, B y C ó R, S y T ó U, V y W ó H1, H2 y H3 ó L1, L2 y L3; etc. Y debe entenderse como Cuatro Hilos a las tres líneas, es decir: A, B y C ó R, S y T ó U, V y W ó H1, H2 y H3 ó L1, L2 y L3; y al Neutro, N. En forma general, el Neutro (Cuarto Hilo), puede instalarse como Neutro Físico ó Neutro Aterrado. El circuito representativo y las ecuaciones características son: -1-
Del circuito, podemos puntualizar los siguientes criterios: A, B, C - Terminales de línea ó terminales accesibles ó fases del circuito. N, N - Neutro de la fuente y neutro de la carga, respectivamente. Tanto N como N se encuentran al mismo potencial, por lo tanto son iguales en amplitud y fase. E AN, E BN, E CN - Fasores correspondientes a las fuerzas electromotrices de fase del generador trifásico, expresados en voltios y desfasados entre sí 120º. V AN, V BN, V CN - Fasores de Tensión de fase correspondientes a la carga trifásica, expresada en voltios y desfasados entre sí 120º. V AB, V BC, V CA - Fasores de Tensión de línea, tanto en la fuente como en la carga, denominada también tensión compuesta, porque resulta de la composición de dos tensiones de fase, es decir: En la figura es importante apuntar el desfase existente entre las tensiones de línea y las tensiones de fase, igual 30º, la tensión de línea se adelanta a la tensión de fase, en función a la secuencia a considerar, positiva. Fasorialmente: -2-
AB = V F 30º (Voltios) BC = V F 30º (Voltios) CA = V F 30º (Voltios En caso de tomar en cuenta la secuencia negativa, como giro de referencia de cada uno de los fasores, entonces en este caso, tendremos un retraso de la tensión de línea respecto a la tensión de fase, en un ángulo de 30º. Ver diagrama fasorial respectivo, a continuación: AB = V F -30º (Voltios) BC = V F -30º (Voltios) CA = V F -30º (Voltios De los diagramas fasoriales es necesario generalizar lo siguiente: Las tensiones de fase y de línea son iguales en magnitud y desfasados 120º eléctricos, considerar esta condición es bastante aconsejable en el estudio de cualquier sistema eléctrico trifásico; por lo que, es suficiente encontrar uno de los fasores de tensión y en base a éste desfasar 120º, considerando la secuencia empleada, para encontrar a las dos restantes. En la figura es importante apuntar el desfase existente entre las tensiones de línea y las tensiones de fase, igual 30º, la tensión de línea se adelanta a la tensión de fase, en función a la secuencia a considerar, positiva. Fasorialmente: AB = V F 30º (Voltios) BC = V F 30º (Voltios) CA = V F 30º (Voltios En caso de tomar en cuenta la secuencia negativa, como giro de referencia de cada uno de los fasores, entonces en este caso, tendremos un retraso de la tensión de línea respecto a la tensión de fase, en un ángulo de 30º. Ver diagrama fasorial respectivo, a continuación: -3-
AB = V F -30º (Voltios) BC = V F -30º (Voltios) CA = V F -30º (Voltios La tensión en las tres líneas será resultado de la ley de tensiones de Kirchhoff, en las tres mallas: (Secuencia Negativa) Malla AB: Malla BC Malla CA: AB = AN - BN = V AN 0º - V BN 120º V AN = V BN = V CN = V F AB = AN - BN = V F ( 0º - 120º ) AB = AN - BN = V F (1 + 1/2 - j 0.866) AB = AN - BN = V F (3/2 - j 0.866 ) = V F -30º AB = V F -30º (Voltios) BC = BN - CN = V BN 120º - V CN -120º V AN = V BN = V CN = V F BC = BN - CN = V F ( 120º - -120º ) = I F ( - 1/2 + j 0.866 + 1/2 + j0.866 BC = BN - CN = V F ( 2 x j 0.866 ) = V F 90º BC = V F 90º (Voltios) CA = CN - AN = V CN -120º - V AN 0º V AN = V BN = V CN = V F CA = CN - AN = V F ( -120º - 0º ) = I F ( - 1/2 - j 0.866-1 ) -4-
CA = CN - AN = V F ( - 3/2 - j 0.866 ) = V F 30º A partir del observador será CA = V F -150º (Voltios) 1.3. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR. CARGA CARGA RESISTIVA CARGA INDUCTIVA CARGA CAPACITIVA CARACTERÍSTICAS Lámparas Incandescentes: Potencia: 200 W Tensión: 220 V 6 Unidades ( 2/fase) Motor de Inducción: Potencia : 3 KW Tensión: 380/220 V Corriente: Frecuencia: 50 Hz Capacitor Monofásico: Capacidad: 24 μf Tensión: 380 V Potencia: 1220 1100 VA Frecuencia: 50-60 Hz EQUIPOS DE MEDICIÓN, MATERIAL Y ACCESORIOS Fuente de Alimentación 380 V, 4 Hilos (Tres fases + Neutro) Multímetro Electrónico, parámetros requeridas, Voltaje, escala 600 V; Corriente, Shunt Amperimétrico 20 A ; Óhmetro, escala 200 Ω Pinza Amperimétrica, Escala 20 200 A Vatímetro Monofásico: Escalas: Voltaje 450 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 1.4. MONTAJE DEL CIRCUITO. Carga Resistiva: 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 tiene 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. -5-
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 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. Carga Inductiva: Identifique el motor trifásico con el que llevará adelante su experimento. Copie fielmente los datos de placa del receptor. Coloque el motor en una posición, que le permita manipular con toda comodidad. 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 el Neutro, se pueden unir los terminales U1, V1, W1 ó U2,V2, W2, en los motores actuales. Para realizar el Neutro, se pueden unir los terminales U, V, W ó x, y, z, en los motores antiguos. Realizado el neutro, hacerlo accesible a la medición y conexión derivando de él, un chicotillo. Energizar a la carga, motor de inducción, con la tensión de alimentación de 380 V y en 4 hilos, observar el sentido de giro y la velocidad adquirida por el motor. Proceda a levantar lecturas de parámetros eléctricos, característicos. Invierta el sentido 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 y de corriente. 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 1, registre la primera lectura, vatímetro 1. Luego proceda a registrar la lectura del vatímetro 2, siempre en base a la figura 1. 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. -6-
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 - Potencia 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 neutro, una un terminal de cada fase entre sí y obtendrá un terminal común denominado Neutro 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, 380 V en 4 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. -7-
1.5. CIRCUITOS DE ANÁLISIS. Carga Resistiva: Carga Inductiva: Carga Capacitiva: -8-
1.6. LECTURA DE DATOS. CARGA Corriente (A) Voltaje Línea (V) Voltaje Fase (V) Potencia (W) Potencia (VA) Cos RESISTIVA INDUCTIVA CAPACITIVA 1.7. CUESTIONARIO. 1. Realice un diagrama Fasorial, a escala, de los parámetros lecturados de Tensión de Línea y de Fase, Corriente y Factor de Potencia, para cada una de las cargas analizadas. 2. Realice un diagrama Senoidal, a escala, de los parámetros lecturados de Tensión de Línea y de Fase, Corriente y Factor de Potencia, para cada una de las cargas analizadas. 3. En la carga resistiva, se lecturó una corriente de línea o de fase, indicar el significado eléctrico en operación de una planta industrial, referido a la remuneración 4. En la carga inductiva, se lecturó la corriente de vacío de un motor, compare y comente sobre la relación de corriente lecturada y la corriente nominal de placa del motor experimentado. 5. En la carga inductiva, se lecturó la potencia de vacío de un motor, compare y comente sobre la relación de potencia lecturada y la potencia nominal de placa del motor experimentado. 6. En la carga inductiva, se lecturó una corriente de línea o de fase, indicar el significado eléctrico en operación de una planta industrial, referido a la penalización. 7. En la carga capacitiva, se lecturó una corriente de línea o de fase, indicar el significado eléctrico en operación de una planta industrial, referido a la bonificación. 1.8. CONCLUSIONES. 1.9. BIBLIOGRAFÍA. En Clases de Laboratorio se aclarará las dudas que tenga, no olvide leer al respecto. Fecha de Entrega : Una semana después de la realización del Laboratorio. -9-