Práctica 7 - Laboratorio Ingeniería Eléctrica y Electrónica PDF

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIASEXTRACTIVASPRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE INGENIERÍAELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA.PRÁCTICA N° 7:“CIRCUITOS RLC DE CORRIENTE ALTERNA”PRACTICA N° 7CIRCUITOS RLC DE CORRIENTE ALTERNAOBJETIVO GENERALAl término de la práctica el alu...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

PRÁCTICAS DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA.

PRÁCTICA N° 7: “CIRCUITOS RLC DE CORRIENTE ALTERNA”

PRACTICA N° 7 CIRCUITOS RLC DE CORRIENTE ALTERNA OBJETIVO GENERAL Al término de la práctica el alumno ubicara experimentalmente los circuitos eléctricos en serie, paralelo y mixtos, con dispositivos resistivos, inductivos y capacitivos, por lo cual es importante conocer el funcionamiento de los mismos y cómo se comportan, además medirá sus voltajes, valores de las resistencias e intensidades de corriente, en corriente alterna. Manejar circuitos RLC con corriente alterna, observando las interacciones de los dispositivos, también efectuara las mediciones correspondientes para obtener los valores experimentales y compararlos con los valores teóricos. CONSIDERACIONES TEÓRICAS Los circuitos de corriente alterna (C.A.) se usan en los sistemas de distribución de energía eléctrica, para alimentar radios, televisiones y otros dispositivos de comunicación, así como una amplia variedad de motores eléctricos. El calificativo alterna significa que la corriente cambia de dirección, alternando periódicamente en una dirección y en otra. Por lo general se trabajan corrientes que varían en forma senoidal. Se sabe que tanto la fem como la corriente producida varían de modo sinusoidal en el tiempo por lo que se establece que existan valores de frecuencia angular de la fuente de fem de corriente alterna. Se dice que dos cantidades como corriente y diferencia de potencial, están en fase si alcanzan sus valores pico al mismo tiempo. Cuando se utilizan inductores se puede obtener una cantidad llamada reactancia del inductor, la unidad en el sistema internacional de la reactancia es el ohm, la reactancia de un elemento de circuito es una medida de su oposición al flujo de la corriente alterna, la reactancia interviene en un circuito de C.A. como la resistencia en C.D. La reactancia de un elemento proporciona la diferencia de potencial que se debe aplicar para producir la unidad de corriente a través del circuito a una frecuencia dada.

Fig. 5 Gráfica de voltaje y corriente instantáneos

CIRCUITOS RLC EN SERIE Estos circuitos consisten en un resistor, un inductor y un capacitor en serie con una fuente de corriente alterna, el problema es determinar la corriente instantánea y su relación de fase con la diferencia de potencial suministrada; la corriente instantánea es la misma en todos los puntos del circuito, en el instante descrito se supone que la corriente está aumentando. Cada término de la suma de las diferencias del potencial de cada elemento tiene una fase distinta respecto a la corriente, por lo que se relacionan obteniendo la suma vectorial de los fasores de diferencia de potencial. Una vez obtenida la diferencia de potencial y con la corriente dada obtenemos la impedancia del circuito en serie, la cual es la resistencia media cuadrática, (calculada mediante un análisis vectorial utilizando el fasor de corriente y los fasores de la diferencia de potencial del resistor, capacitor e inductor) la unidad de la impedancia es el ohm, cabe destacar que la impedancia es una función de la frecuencia. En un circuito eléctrico la energía se suministra por la fuente de fem; almacenada por los elementos capacitivos e inductivos y se disipa en los elementos resistivos, la conservación de la energía requiere que en un tiempo en particular, la velocidad a la que se suministra la energía por la fuente de la fem debe ser igual a la velocidad a la cual se almacene en los elementos capacitivos e inductivos mas la velocidad a la que se disipa en los elementos resistivos. La energía disipada en el resistor fluctúa con el tiempo, de igual modo que con los elementos capacitivos e inductivos, en la mayoría de los casos de corrientes alternas no merece atención la forma como varia la potencia en cada ciclo el

interés principal está en la potencia promedio disipada en cualquier ciclo en particular, la energía promedio almacenada en los elementos inductivos o capacitivos permanece constante durante cualquier ciclo completo, por lo que la energía se transfiere a los elementos resistivos donde se disipa.

CIRCUITOS RLC EN PARALELO Son circuitos que tienen dispositivos resistivos, capacitivos e inductivos conectados en paralelo, en estos es conveniente utilizar ω, si se proporciona la frecuencia ordinaria, es conveniente transformarla utilizando: 𝜔 = 2𝜋𝑓 En el funcionamiento de los circuitos de C.A. se debe tener en cuenta que para un resistor los voltajes y la corriente siempre están en fase, y los fasores correspondientes en un diagrama de fase tienen la misma dirección. Para un inductor el voltaje está adelantado de la corriente en 90° (Φ=90°), para un capacitor el voltaje está atrasado en 90° (Φ=-90°). Es importante recordar que en los circuitos de corriente alterna, todos los voltajes y corrientes son funciones sinusoidales del tiempo, en lugar de con stantes. Por lo tanto, en circuitos en serie, la corriente instantánea es la misma en todos los elementos del circuito, mientras que en circuitos en paralelo la diferencia de potencial instantánea es la misma a través de todos los elementos del circuito.

MATERIAL EMPLEADO a) b) c) d) e) f)

5 resistencias ( 10k Ω, 2,2kΩ, 1kΩ, 680Ω ) Una fuente de corriente alterna regulada de 0-127 Volts. (Variac) Multímetro digital que pueda de medir corriente en C.A. 6 cables con caimanes Un capacitor de 6μF a 350 V de C.A. Bobinas (se proporcionarán en el Lab) La fuente de C.A. (variac) y el capacitor de proporcionarán en el lab. O usar la salida de C.A. de su fuente en la salida de alterna.

DESARROLLO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO 1 1.- Arme el circuito de figura 1 obtenga las mediciones de los parámetros resistivo en serie de corriente directa, anotando los valores obtenidos y realizando su cálculos respectivos.

FIGURA No. 1 Datos: 𝑉 = 25 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝐴. 𝑅1 = 1𝑘𝛺 𝑅2 = 4.7 𝑘𝑜 ℎ𝑚 𝑅3 = 10𝑘𝛺 𝑅𝑇 = (1000 + 4700 + 10000)Ω = 15700 Ω

𝐼=

25𝑉 𝑉 = = 1.592 𝑚𝐴 𝑅 15700Ω

𝑉𝑅1 = 𝐼𝑇 ∗ 𝑅1 𝑉𝑅2 = 𝐼𝑇 ∗ 𝑅2 𝑉𝑅3 = 𝐼𝑇 ∗ 𝑅3 𝑉𝑅1 = 1.592 × 10−3 𝐴 ∗ 1000 Ω = 1.59 𝑉 𝑉𝑅2 = 1.592 × 10−3 𝐴 ∗ 4700 Ω = 7.48 𝑉 𝑉𝑅3 = 1.592 × 10−3 𝐴 ∗ 10000Ω = 15.92 𝑉

Variables

Valor teórico

Valor experimental

% Error

IT

1.59 A

1.43 v

10.06%

VR1

1.59 v

1.43 v

10.06%

VR2

7.47 v

6.73 v

16.554%

VR3

15.9 v

14.31 v

10%

Tabla 1

EXPERIMENTO 2 Arme el circuito RC en paralelo de corriente directa de la figura 2, y anote los valores en la tabla 2, realizando sus cálculos respectivos. Datos: 𝑉𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 25 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝐶1 = 6 𝜇𝐹 𝑅2 = 2.2𝑘𝛺 𝑉 𝐼 = 𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑅1 1 1 𝑋𝐶 = = 𝑊𝑐 2𝜋𝑓𝑐 𝑍𝑇 =

𝐼=

𝑋𝑐 𝑅1 𝑋𝑐 + 𝑅1

𝑉 𝑅

FIGURA No. 2

𝐼=

𝑋𝐶 =

25 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 2.2𝑘𝛺

=

25 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 = 0.0113636 𝐴 2,200 𝛺

1 1 = = 442.0970 Ω 2𝜋 ∗ 60𝐻𝑧 ∗ 6𝜇𝐹 2𝜋 ∗ 60𝐻𝑧 ∗ 6 ∗ 10−6 𝐹

𝑍𝑇 =

𝑍𝑇 =

𝑋𝑐𝑅1 𝑋𝑐 + 𝑅1

442.0970 ∗ 2,200𝛺 = 368.121 Ω 442.0970 + 2,200𝛺

𝐼=

25 = 0.0679124 A 368.121

𝐼𝑋𝐶 = 𝐼𝑇 – 𝐼𝑅2 𝐼𝑥𝑐 = 0.06791 − 0.011 = 0.05655 𝐴

Variables

Valor teórico

Valor experimental

% Error

V

25

25.70

2.8%

IR1

10.65 mA

11.68

2.73%

IC1

39.47 mA

42.47

24.88%

Tabla 2

EXPERIMENTO 3 Arme el circuito RL en serie de corriente alterna de la figura 3, anotando sus valores obtenidos en la tabla 3 realizando sus cálculos respectivos. Datos: 𝐸 = 25 𝑉𝐶𝐴 𝑅1 = 680𝛺 𝑋𝐿 = 2𝜋𝑓𝐿 = 𝜔𝐿 𝑍𝑇 = 𝑅1 + 𝑋𝐿 𝑋𝐿 = 2 ∗ π ∗ f ∗ L = 2 ∗ π ∗ 60𝐻𝑧 ∗ (1 × 10−3 𝐻) = 0.37699 Ω 𝐼=

25𝑉 𝑉 = = 36.74 𝑚𝐴 𝑅 680 Ω + 0.37699 Ω

𝑉𝑅1 = 𝐼 𝑅1 = (36.7443 × 10−3 𝐴) ∗ (680 Ω) = 24.98 𝑉 𝑉𝑋𝐿 = 𝐼 𝑋𝐿 = (36.7443 × 10−3 𝐴) ∗ ( 0.37699Ω) = 0.013 𝑉

FIGURA NO. 3

Valor teórico

Valor experimental

% Error

IT

36.74 mA

33.02 mA

10.12%

VR1

24.98 V

22.45 V

10.13%

VXL

0.013 V

0.017 V

21.42%

Variables

Tabla 3

EXPERIMENTO 4 Arme el circuito RLC en paralelo de corriente alterna de la figura 4, anotando los valores obtenidos en la tabla 4, realizando sus cálculos respectivos.

FIGURA 4

Datos: 𝐸 = 25𝑉 𝑅1 = 680𝛺 𝑋 𝑙 = 2 𝜋𝑓 𝐿 = 𝝎𝑳 = 2 ∗ 60𝐻𝑧 ∗ 𝛱 ∗ 1 × 10−3 = 0.37699 𝛺 𝐶2 = 6𝜇𝐹 𝑋𝐶 = 𝑅𝑇 =

1 1 1 = = = 442.097 Ω 2𝜋𝑓𝐶1 𝑤𝐶1 (2π ∗ 60 Hz) ∗ (6 × 10−6𝐹 )

1 1 = = 0.3765 Ω 1 1 1 1 1 1 + + + + 𝑅 1 𝑋𝐿 𝑋𝐶 680 Ω 442.097 Ω 0.37699 Ω 𝐼𝑇 =

𝑉𝑇 25 𝑉 = = 66.41 𝐴 𝑅 𝑇 0.3765 Ω

𝐼𝑅4 = 𝐼𝑋𝐿 = 𝐼𝑋𝐶 =

Variables VR1 VXL VXC IT IR IXL IXC

𝑉 25 𝑉 = = 0.03676 𝐴 𝑅1 680 Ω

𝑉 𝑋𝐿

=

25 𝑉 = 66.315 𝐴 0.37699 Ω

𝑉 25 𝑉 = = 0.05654 𝐴 𝑋𝐶 442.097 Ω

Valores teóricos Valores exp. 25 V 25.48 V 25 V 24.84 V 25 V 25.81 V 66.41 A 109.91 A 0.03676 A 0.03747 A 66.315 A 118 A 0.05654 A 0.05789 A Tabla 4

% Error 1.92% 0.64% 3.24% 65.50% 1.9314% 77.93% 2.3876%

BIBLIOGRAFIA ● JOHNSON DAVID, Análisis básico de circuitos eléctricos Ed. Prentice Hall, México 1991 ● Chester L. Dawes, Tratado de electricidad tomo...