Potencia en circuitos trifásicos PDF

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Informe sobre Potencia en circuitos trifásicos ...

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Potencia en circuitos trifásicos Juan Pablo Rodriguez Ugalde Universidad Nacional Electrotecnia I, Grupo 952 Profesor: Róger González, III-2018 Subgrupo 06 Resumen- En el siguiente informe, se dará un análisis sobre los circuitos trifásicos y sus potencias, tanto real como aparente. Ambos circuitos estaban conectados en configuración estrella. Se obtuvieron resultados de tensión de fase, corriente de fase, corriente de neutro, tensión en la inductor y tensión en el resistor. Gracias al programa LVDAC-EMS se lograron los resultados experimentales adquiridos en el circuito, para poderlos comparar con los resultados teóricos y de esta manera obtener el porcentaje de variación de la práctica. Palabras clave- potencia, estrella, trifásico.

1. Objetivos 1.1 Objetivo General • Estudiar la potencia real, aparente y reactiva en circuitos trifásicos. 1.2 Objetivos Específicos • Medir los valores de potencia trifásica de los circuitos • Aprender a calcular el factor de potencia en los circuitos trifásicos.

2.

Nota Teórica

Una fuente trifásica de tensión está constituida por tres fuentes monofásicas de igual valor eficaz pero desfasadas 120° entre ellas ( Universidad de Uruguay, 2014). La Figura A, ilustra lo expuesto:

Figura A. Fuente trifásica. ( Universidad de Uruguay, 2014)

Un sistema trifásico puede considerarse como 3 circuitos monofásicos, por lo que la potencia total instantánea a un circuito trifásico será la suma de las potencias instantáneas transferidas a cada uno de los tres sistemas monofásicos que lo forman. La potencia activa (P) está relacionada con las resistencias, la reactiva (Q) con los capacitores e inductores y la aparente (S) es la combinación de las dos anteriores. En la conexión estrella, la potencia activa total del sistema seria

Sabemos que Por lo tanto Análogamente la potencia reactiva.

Se define la potencia aparente, al ser sistema equilibrado

La principal aplicación para las fuentes trifásicas se encuentra en la distribución de la energía eléctrica, así como en su generación y transporte (Rodríguez & Rosales, 2007). Esto debido a que los sistemas trifásicos poseen las siguientes ventajas (Rodríguez & Rosales, 2007):

1. El sistema trifásico es más económico que el sistema monofásico a la hora de transportar una energía a una cierta tensión, ya que se obtiene un ahorro en el peso del cobre de un 25%. 2. La potencia instantánea de un sistema trifásico es constante e independiente del tiempo, por ello los sistemas trifásicos tienen un par absolutamente uniforme, lo que evita vibraciones y esfuerzos en el rotor. 3. Los motores monofásicos necesitan dispositivos especiales para conseguir su arranque, mientras que los motores trifásicos pueden arrancar por sí mismos.

3.

Trabajo Previo

1. Para la siguiente circuito se tiene una carga conectada en estrella y otra en delta en la misma fuente, determine el valor de las potencias aparente, real y reactiva ( , , y ) y el factor de potencia. La tensión de línea es de 208 V, 1 = 600 Ω y 2 = 1200 Ω.

Figura 1. Circuito con carga estrella-delta Zdelta=3Zestrella Z2 estrella =j12003=j400 Z3 estrella=Z1+Z2 estrella=600+j400=(600 +j400) IL=VfZf=208/3600 +j400=0,17

-33.69°

P=3 *VL*IL*cos()=3*208*0,17*cos(33,69°) =50,96 W Q = 3 *VL*IL*sen()=3*208*0,17*sen(33,69°) =33,97 VAR

S = P + jQ = 50,96 + j33,97 = 61,24

33.69° VA

FP=cos(33,69°)=0.82 2. Calcular los valores teóricos de los circuitos del procedimiento. Circuito 1.

Figura 2. Carga en serie R-L, conectada en estrella. Vf= 120 V If=VfZf=120

0°600 + j300=0,18

-26,57° A

Vresistor=If*R =(0,18

-26,57°)* (600

0°) = 108 -26,57° V

Vinductor=If*I =(0,18

-26,57°)* (300

90°) = 54 63,43° V

Ineutro= 0 A P=3 *VL*IL*cos()=3*(120*3)*0,18*cos(26,57°) =57,96 W Q = 3 *VL*IL*sen()=3*(120*3)*0,18*sen(26,57°) =28,98 VAR S = P + jQ = 57,96 + j28,98 = 64,80 26,57° VA FP=cos (26,57°)=0,894

Circuito 2.

Figura 3. Carga en serie R-C, conectada en estrella. Vf= 120 V If=VfZf=120

0°400 - j1200=0,095

Vresistor=If*R =(0,095 Vcapacitor=If*C =(0,095

71,57°)* (400

71,57° A 0°) = 38 71,57° V

71,57°)* (1200

-90°) = 114 -18,43° V

Ineutro= 0 A P=3 *VL*IL*cos()=3*(120*3)*0,095*cos(-71,57°) =10,81 W Q = 3 *VL*IL*sen()=3*(120*3)*0,095*sen(-71,57°) =-32,45 VAR S = P + jQ = 10,81 - j32,45 = 34,20 -71,58° VA FP=cos (-71,58°)=0,316

4.

Resultados

4.1. Equipo utilizado En la tabla _ se muestran los datos del equipo utilizado.

Tabla 1. Datos de placa del equipo utilizado Cantida d

Equipo

Placa

1

Fuente de alimentación (120/208 Vca)

-

1

Módulo de resistores

-

1

Módulo de inductores

-

1

Módulo de capacitores

-

39

Cables de conexión

-

1

Módulos de adquisición de datos

-

4.2 Parte A. Esta sección se reportan los datos recolectados a lo largo de la práctica. Tabla 2. Datos recolectados para el circuito RL conectado en estrella Tensión de fase 1 (V)

Tensión de línea (V)

Tensión Tensión Corriente Corriente Corriente Potencia Potencia Factor de de neutro real (W) aparente de de R en de L en de línea potencia (VA) (A) fase (V) fase (V) (A) fase (A)

118,19

206,6

100,08

53,21

0,16

0,16

0,16

51,18

58,41

0,876

Tabla 3. Datos recolectados para el circuito RC conectado en estrella Tensión de fase 1 (V)

Tensión de línea (V)

Tensión Tensión Corriente Corriente Corriente Potencia Potencia Factor de de neutro real (W) aparente de de R en de C en de línea potencia (VA) (A) fase (V) fase (V) (A) fase (A)

118,49

206,56

38,97

113,8

0,09

0,09

0,01

10,62

Parte B. Esta sección se reportan los porcentajes de variación adquiridos en la práctica.

32,7

0,325

Tabla 4. Porcentajes de variación para el circuito RL conectado en estrella Tensió n

Tensió n

de fase 1

de línea

1,26 %

0,67%

Tensió Tensió Corrient Corrient de e de fase n de R n de L e en fase en fase línea

Potenci a real

Potenci a aparent e

Factor de potenci a

7,33%

11,70%

9,86%

2,01%

1,46%

11,11%

11,11%

Tabla 5. Porcentajes de variación para el circuito RC conectado en estrella

Tensió n

Tensió n

de fase 1

de línea

1,26%

0,69%

5.

Tensió Tensió Corrient Corrient de e de fase n de R n de C e línea en fase en fase

Potenci a real

Potenci a aparent e

Factor de potenci a

2,55%

1,76%

4,39%

2,85%

0,18%

5,26%

5,26%

Análisis de Resultados

En este experimento, se logra observar el comportamiento de la potencia reactiva, real y aparente de sistema trifásico en configuración estrella. En el experimento, se pide conectar dos circuitos en estrella con diferentes impedancias cada uno, en uno se usan capacitores y en el otro, inductores. En el circuito con inductores, se observa cómo su potencia real y aparente dan resultados significativamente más altos que los del circuito con los capacitores. Además, se logra observar cómo la relación de tensiones inductor-resistencia y capacitor-resistencia se da y cómo en la primera conexión estrella (RL) la tensión en la resistencia es mucho mayor que la tensión en el inductor. Luego de logra observar la manera en que la tensión del capacitor es bastante mayor que la tensión de la resistencia. Los porcentajes de variación resultaron ser muy aceptables, los valores obtenidos se acercaron mucho a los valores teóricos con los que fueron comparados, sin embargo, siempre existe la incertidumbre por calibración y los errores humanos y de instrumentación.

En esta práctica se procede a observar el comportamiento de la potencia real, reactiva y aparente de un sistema trifásico balanceado en estrella, el análisis en estrella es para evitar complicaciones en la práctica, pues el análisis en estrella es más fácil de concretar, además tiene de la factibilidad de poseer un neutro. En la práctica se piden armar dos circuitos trifásicos balanceados en estrella, con la diferencia que uno posee resistores e inductores y el otro posee resistores y capacitores, para ambos casos se piden hallar los datos suficientes para poder conseguir la potencia real y aparente. Con respecto a la corriente que pasa por el neutro, teóricamente debería ser de 0 A puesto que es un sistema balanceado, aunque en la práctica se arrojaron algunos valores experimentales. En el primer circuito de la práctica se puede observar que la potencia real y la aparente son mayores a las del segundo circuito, además en el circuito resistivo-capacitivo se aprecia que la magnitud de la potencia reactiva es mayor a la real, y por consiguiente al momento de obtener los valores del factor de potencia en el sistema RC da un valor muy bajo, por debajo de lo recomendado (0,85). Los resultados arrojados son coherentes a los fines de la práctica, sin embargo por cuestiones físicas, calibración del equipo y posibles errores humanos, los resultados no son exactos, pero si tienen una variabilidad bastante certera al momento de comparar los resultados teóricos con los experimentales. En esta práctica se desea calcular la potencia real y aparente en un circuito trifásico el cual posee una carga balanceada conectada en estrella. Para lograr esto se mide la corriente de línea, la corriente en el neutro, la tensión de fase y la tensión en la carga. El primer circuito estudiado presenta como carga una resistencia y un inductor en línea en cada fase, los datos recolectados se muestran en la tabla 2. En esta configuración se obtiene un factor de potencia relativamente alto y por consecuencia la potencia real y la reactiva son de similar magnitud, esto es de esperarse pues la resistencia es quien consume la resistencia activa medida y esta resistencia es similar en magnitud al inductor, quien consume la potencia reactiva. Los datos recolectados concuerdan con los datos calculados de forma teórica y presentan bajos porcentajes de variación al ser comparados, como se observa en la tabla 4. En el segundo circuito se tiene una resistencia en serie con un capacitor en cada fase de la carga, los datos recolectados se muestran en la tabla 3. En esta configuración el factor de potencia es muy bajo y esto se ve reflejado al comparar la potencia real con la reactiva, esto ocurre porque el capacitor es mucho mayor en magnitud en comparación a la resistencia. Al comparar los datos experimentales con los teóricos se obtienen datos satisfactorios, como se observa en la tabla 5. Es importante destacar también que la corriente en el neutro siempre debe de ser cero, pues las cargas del sistema son balanceadas, este valor no se logra medir de forma exacta pues las cargas con las que se trabajó en el laboratorio no son perfectamente balanceadas.

A través de los cálculos realizados fue posible comprobar los resultados experimentales obtenidos de potencia en los circuitos trifásicos conexión estrella-estrella anteriormente. Con los resultados de tensión de línea y corriente de línea fue posible calcular la potencia fase como la potencia trifásica en el sistema. El porcentaje de error obtenido entre lo teórico a partir de la medida inicial y lo medido en el laboratorio fue de apenas un 1% en lo que corresponde a tensión de fase y corriente de fase en los circuitos RL- RC conectados en estrella-estrella, por lo cual se considera aceptable y queda evidenciada dicha afirmación. En la Tabla 2 se muestran las mediciones del circuito RL voltaje y corriente de línea, así como de voltaje de fase en la resistencia y en el inductor, corriente en el neutro, potencia real, potencia aparente y factor de potencia del circuito. Se obtuvieron variaciones entre los voltajes de fase de la resistencia y los voltajes de fase de los inductores, ya que estos no fueron de igual magnitud. En el caso del circuito RL la resistencia presentaba mayor tensión que el inductor. En el circuito RC la mayor tensión la presentaba el capacitor. Para el circuito RL y RC se obtuvieron porcentajes de error (tabla 4 y 5 ) de no más del 10% para el valor teórico y experimental de potencia real, y porcentaje de error menor a 2% para el valor teórico y experimental de potencia aparente y voltaje de fase, como se mencionó estos errores pueden deberse al error asociado a la escala de medición que muestra el valor de corriente y voltaje medido y a la incertidumbre asociada al aparato de medición analógico, así como también al error ocasionado por el experimentador.

6.

Conclusiones Se logró medir, satisfactoriamente, la potencia trifásica de los dos circuitos a realizar. • Luego de la práctica y del estudio teórico de la misma, se logró calcular el factor de potencia en circuitos trifásicos. Se pudo medir satisfactoriamente los valores de potencia real, reactiva y aparente en los circuitos en estrella presentados en la práctica. Se aprendió a calcular el factor de potencia presentado en los circuitos de la práctica, además de analizar su comportamiento tanto para RL como para RC

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Con ayuda del equipo disponible en el laboratorio, se logra tomar mediciones de potencia en un circuito trifásico. Haciendo uso de los datos recolectados a lo largo del laboratorio y el conocimiento teórico, es posible calcular el factor de potencia en un circuito trifásico. Se comprueba que la potencia en un sistema trifásico balanceado puede considerarse como 3 el equivalente monofásico. Calculándose así potencia real, potencia reactiva y potencia aparente en este. Entre las fuentes de error del experimento se encuentran: la incertidumbre asociada al multímetro y al voltímetro, la escala de medición utilizada y los errores cometidos por el experimentador. Los porcentajes de error aumentaron para los valores de corriente de línea y de fase, por lo que existe un mayor error asociado al equipo utilizado que es un amperímetro y a la escala de medición utilizada.

7.

Bibliografía

Universidad de Uruguay. (2014). Circuitos eléctricos trifásicos. Recuperado desde https://eva.fing.edu.uy/pluginfile.php/90431/mod_resource/content/1/CircuitosElect ricosTrifasicos.pdf. Rodríguez, S., & Rosales, G. (2007). Electrotecnia aplicada: Circuitos, transformadores y motores trifásicos. España: Vision Net....