Laboratorio N 7: Circuitos Elctricos Trifsicos UNI - FIM

NDICE

I. OBJETIVOS.........2

II. FUNDAMENTO TERICO.......2

III. EQUIPOS E INSTRUMENTOS USADOS........9

IV. PROCEDIMIENTO.....11

V. CUESTIONARIO.....11

VI. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES.......15

BIBLIOGRAFA.15

I. OBJETIVO

Analizar y evaluar en forma experimental la medida de las magnitudes elctricas existentes en los circuitos trifsicos

II. FUNDAMENTO TERICO

2.1) Circuitos Trifsicos

Para comprender como funcionan los circuitos trifsicos es necesarios primero conocer cmo se denominan las partes que lo componen as como todos los conceptos relacionados.

Nocin de fase: Los generadores trifsicos constan de 3 bobinas donde se inducen 3 voltajes monofsicos desfasados entre s 120. Voltajes de fase: Cada bobina del generador puede ser representada como una fuente de voltaje senoidal. Para identificar a cada voltaje se les da el nombre de voltaje de la fase a, de la fase b y de la fase c.

Secuencia de fase positiva: Por convencin se toma siempre como voltaje de referencia al voltaje de fase a. Cuando el voltaje de fase b est retrasado del voltaje de fase a 120 y el voltaje de fase c est adelantado al de fase a por 120 se dice que la secuencia de fase es positiva. En esta secuencia de fase los voltajes alcanzan su valor pico en la secuencia a-b-c.

Los voltajes de a, b y c representados con fasores son los siguientes:

En donde es la magnitud del voltaje de la fase a.

Secuencia de fase negativa:En la secuencia de fase negativa el voltaje de fase b est adelantado 120 al de la fase a y el voltaje de fase c est atrasado 120 al de la fase a.

Cargas o receptores trifsicos:

Es habitual llamar a los receptores trifsicos "cargas". Si una carga monofsica es equivalente a una impedancia, una carga trifsica equilibrada est formada por tres impedancias iguales. A la hora de conectar entre si estas 3 impedancias hay dos posibilidades:

Conexin estrella Conexin tringulo

Adems las corrientes absorbidas por una carga trifsica se clasifican en 3 corrientes de lnea y 3 corrientes de fase; ambos grupos, iguales en valor eficaz y desfasadas 120 entre s.

Carga trifsica equilibrada en estrella :

Los bornes de las impedancias suelen recibir la denominacin que podemos ver en la figura. Los bornes finales de cada impedancia se conectan formando el punto neutro de la estrella y los iniciales reciben a los conductores de fase de la red.

La caracterstica ms importante de la conexin equilibrada es que el punto neutro de la carga coincide elctricamente con el punto neutro de la red trifsica que la alimenta, aunque fsicamente puedan estar separamos una distancia apreciable. Es decir, si conectamos un voltmetro entre ambos puntos neutros, marcara 0 V. Al ser ambos puntos neutros el mismo, cualquier voltmetro entre una fase y alguno de los neutros, marcar lo mismo. Observa que en la siguiente figura el voltmetro marca 0 (V); marcan la tensin de fase (230 V), puesto que estn conectados entre alguna fase y el punto neutro.

Carga trifsica equilibrada en tringulo :

Para conectar 3 impedancias en tringulo, cada una de ellas debe estar conectada entre 2 fases. Para ello basta con unir cada borne final con el borne inicial de la siguiente impedancia:

_ X con V, Y con W ^ Z con U.

Finalmente, unimos los bornes iniciales a las fases de la red. No existe por tanto, el punto neutro de la carga.

Observar que cada impedancia est conectada entre 2 fases, por tanto soporta la tensin de lnea, que ser 400 V si la tensin de fase de la red es 230 V. En este caso habr que tener precauciones especiales puesto que cada impedancia de fase debe estar preparada para soportar 400 V.

Relaciones estrella-tringulo:

Supongamos que disponemos de 3 impedancias iguales y pretendemos con ellas realizar una carga trifsica. El consumo de corriente de lnea de la carga, depender de que la conexin sea . Vamos a comparar las expresiones vistas en el apartado anterior, suponiendo que evidentemente la tensin de red no vara.

Nota: 3 impedancias en consumen el triple de corriente de lnea que en estrella, a la misma tensin de red.

Potencia en los sistemas trifsicos equilibrados:

El concepto de potencia activa, factor de potencia, etc, no sufren ninguna alteracin por tratarse de un sistema trifsico. Es obvio por otra parte que un sistema trifsico consumir el triple de potencia que uno monofsico de las mismas caractersticas. No obstante, las frmulas trifsicas ms utilizadas son las siguientes:

Donde:

Si trabajamos con tensin y corriente de lnea, estas frmulas son aplicables tanto a la conexin como a la de .

Sistemas trifsicos desequilibrados:

Se estudiar el caso de un sistema trifsico de tensiones equilibrado, pero que trabaja alimentando a una carga desequilibrada. Se entiende que una carga es desequilibrada cuando las impedancias de cada fase no son iguales, situacin que encontramos en la distribucin de energa elctrica en BT a los edificios. En este caso, las intensidades absorbidas por la carga sern desequilibradas, con lo cual no tienen por qu ser iguales en valor eficaz ni estar desfasadas 120.

Para conseguir un suministro de tensin constante a las instalaciones monofsicas (viviendas, locales comerciales, etc.) a partir de una red trifsica, es imprescindible un 4to conductor activo llamado conductor neutro, cuya interrupcin puede causar sobretensiones que pueden derivar en grave riesgo para las personas y las instalaciones.

Para una carga equilibrada en , el punto neutro de la alimentacin y el de la carga son elctricamente el mismo, por lo que cada impedancia soporta la tensin de fase de la red y las corrientes absorbidas son equilibradas. Si la carga es desequilibrada, no se cumple esta propiedad y los puntos neutros son elctricamente distintos, por lo que la tensin en cada impedancia depender de los valores hmicos de las mismas y las corrientes absorbidas sern desequilibradas. En la figura se puede ver el resultado de una simulacin mediante software electrotcnico, en la que se conecta una carga desequilibrada en (resistencias por fase de 43, 20 y 82 ) a una red trifsica de 230 V de tensin de fase y 400 V de tensin de lnea.

Las conclusiones de la simulacin son las siguientes: Los puntos neutros son elctricamente distintos (N y N), por lo que la tensin en las impedancias ya no es 230 V. Las impedancias de 43 y 82 sufren sobretensiones de 266 y 302 V respectivamente, por lo que pueden calentarse demasiado, quemarse y daarse sus aislamientos. La impedancia de 20 sufre una cada de tensin que impedir su correcto funcionamiento. Si fuese por ejemplo una lmpara, brillara muy poco. Las corrientes absorbidas son lgicamente desequilibradas (tienen distinto valor eficaz). Para que la tensin de cada impedancia sea la tensin de fase de la red, hay que conseguir que el punto neutro de la carga sea el punto neutro de la alimentacin de red. Para ello basta con conectar un conductor entre ambos puntos neutros, llamado conductor neutro. En la figura de abajo podemos ver una simulacin con conductor neutro, en la que se puede ver que las impedancias estn a la tensin de fase de la red 230 V y no sufren sobretensiones ni prdidas de tensin.

Por otra parte si hay un conductor ms, hay una corriente ms, llamada corriente de retorno por neutro . Si aplicamos la LCK en el punto neutro de la estrella tenemos:

Se puede comprobar como la suma de los valores eficaces de las corrientes de lnea, no coincide con el valor eficaz de la corriente de retorno por neutro, puesto que se trata de una suma fasorial de corrientes desequilibradas.

Carga desequilibrada en tringulo :

Actualmente este tipo de conexin est en desuso debido a las exigencias reglamentarias de tensin. Las redes de BT normalizadas son:

220/380 V, red antigua en proceso de sustitucin.230/400 V, red actual desde la implantacin del REBT 2002.En estas redes puesto que los circuitos monofsicos deben alimentarse a la tensin de fase (220 o 230 V, segn la normativa en vigor), estos circuitos se distribuyen entre fase y neutro, con lo que los receptores forman en su conjunto una carga trifsica desequilibrada en estrella.

Si conectsemos estos circuitos monofsicos en , cada receptor estara conectado a 400 V, superando con mucho su tensin nominal, con lo que la intensidad absorbida por estos tambin aumentara por encima de la nominal, producindose grandes calentamientos que pueden derivar en deterioro definido de los receptores y ser adems causa de incendio. Por este motivo, la conexin carece actualmente de aplicacin prctica.

III. EQUIPOS Y ELEMENTOS A UTILIZARSE

1 panel de lmparas incandescentes (R). 1 panel de 3 condensadores iguales de 20 uF (C). 1 vatmetro trifsico (W). 1 cosfmetro trifasico (cos). 1 Medidor de Energa Trifsico Digital (kWh). 1secuencmetro. 1 multmetro digital (V). 1 Cronometro. 1 Motor Electrico Trifasico de 220 V. 1 Pinza amperimetrica (A). 1 interruptor tripolar (S). Conductores para conexiones.PANEL DE 3 LAMPARASPANEL DE CONDENSADORES

COSFIMETRO

VATIMETRO

SECUENCIMETRO

MEDIDOR DE ENERGIA

CRONOMETRO DIGITAL

MULTIMETRO DIGITAL

MOTOR TRIFASICO

PINZA AMPERIMETRICA

INTERRUPTOR TRIPOLARCABLES CONECTORES

IV. PROCEDIMIENTO

1.- Anotar las especificaciones tcnicas que presentan el vatmetro, cosfmetro, medidor de energa y secuencmetro, asimismo observar el diagrama de conexin que presentan los mismos.

2.- Verificar la escala de los instrumentos para evitar posibles daos. 3.- Sistema sin compensacin (Sin condensadores): Conectar el medidor de energa trifsico seguido del vatmetro y del cosfmetro a la lmpara incandescente balanceada en tringulo seguido del motor trifsico .

4.- Sistema con compensacin (Con condensadores): Conectar el medidor de energa trifsica seguida del vatmetro y del cosfmetro a la lmpara incandescente balanceada en tringulo seguido del motor trifsico y esta vez ms los condensadores balanceados .

5.- Para cada caso (3 y 4) cerrar el interruptor trifsico S y alimentar el circuito a 220 V. Medir los valores de V y A en cada una de las fases (tensiones de lnea y fase, as como las corrientes correspondientes), utilizando el multmetro digital y la pinza amperimtrica respectivamente. Tomar la lectura del vatmetro y el cosfmetro, asimismo, observar lo indicado en el secuencmetro y anotar el N de veces que se enciende la luz indicadora (impulsos) del medidor de energa en un tiempo de 60 segundos.

V. CUESTIONARIO

5.1) Tabular los valores de las magnitudes medidas para cada caso, compara la potencia leda por el vatmetro con la potencia:

CASO I: BANCO DE FOCOSPara resistenciasPr1=77.11 WPr2=64.64 WPr3=51.75 W

Vemos que la potencia total consumida por los focos es de 193.5w pero en la hoja de datos tomamos la lectura del vatmetro y fue de 230w por lo tanto 36.5w se perdieron en forma de calor.CASO II: MOTOR ELECTRICO

CASO II: CARGA COMBINADA

Pr1=77.11 WPr2=64.64 WPr3=51.75 W

5.2) Considerando las tensiones de lnea balanceadas y las impedancias calculadas en los tems 1, 2, 3, halle analticamente las corrientes (de fase y de lnea), las potencias (activa y reactiva) y el factor de potencia. Tabule los valores calculados. CASO IVrs224.1 V

Vst223.9 V

Vtr222.6 V

Ir0.6 A

Is0.5 A

It0.4 A

SPQ

R177.1177.110

R264.6464.640

R351.7551.750

CASO IIVrs224.3 V

Vst223.3 V

Vtr223.7 V

Ir2.8 A

Is2.9 A

It3 A

Donde el factor de potencia es:

SPQ

Z1369.34328.71168.4

Z2369.34328.71168.4

Z3369.34328.71168.4

CASO III

R-SS-TT-R

222.1223.3224.4

2.82.83.0

222.1223.3224.4

0.60.50.5

222.1223.3224.4

3.23.32.9

Donde el factor de potencia es:

Como , entonces VarS=1339.09 VA

5.3) Muestra para cada caso y para cada secuencia de fase un diagrama fasorial, indicar las tensiones de lnea, de fase y las de corriente, obtenidas a partir de los clculos.

CASO I

CASO II

CASO III

5.4) Dar las divergencias de los valores tericos (pregunta 2) y experimentales (pregunta 1) de la magnitud potencia activa dando los errores absoluto y relativo porcentuales, en forma tabulada. V(voltaje)I(corriente)P(potencia)

Error relativoError absolutoError relativoError absolutoError relativoError absoluto

Caso I4.42%0.2312.2%36.515.6%

Caso II2.10.95%0.26.67%138.8612.34%

Caso III3.31.5%0.39.97%118.910.34%

VI. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

7.1) Conclusiones

En todo sistema trifsico balanceado las corrientes de lnea son iguales. En un sistema elctrico, las cargas inductivas retrasan la corriente respecto al voltaje, mientras que cargas capacitivas adelantan la corriente respecto al voltaje, es decir sus efectos se contrarrestan. La potencia reactiva tiene como funcin magnetizar la bobina de los reactores, y a diferencia de la potencia activa o til no puede ser utiliza. En la prctica todos los elementos pasivos: resistores, inductores y capacitores tienen resistencia elctrica. El error obtenido se debe a la falta de calibracin de los instrumentos de medida (vatmetro y cosfimetro). Se concluye que para tomar medidas adecuadas con la pinza amperimtrica, lo mejor es apartar al cable donde se realizar la medicin de los dems para que el campo magntico de los cables restantes no tengan gran influencia sobre la medicin realizada.

7.2) Observaciones

BIBLIOGRAFA

Gua de Laboratorio de Circuitos Elctricos (ML121) - Ing. Francisco Sinchi Yupanqui, Ing. Bernab Tarazona Bermdez. Introduccin al Anlisis de Circuitos, Robert L. Boylestad. Pearson, 10ma edicin. 1