UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA CURSO: LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRICOS II GUIA DE LABORATORIO Nº4 POTENCIA COMPLEJA DE CIRCUITOS RLC 1.- OBJETIVO: Realizar la medida de la potencia activa, potencia aparente y la potencia reactiva en un circuito tipo R-C serie y circuito R-L-C paralelo utilizando el vatímetro monofásico, un voltímetro y un amperímetro; comparando estos resultados con los conseguidos teóricamente.
2.- FUNDAMENTO TEORICO: Desarrollar la teoría que permita la demostración del cálculo de la potencia instantánea en un circuito de corriente alterna monofásico, la evaluación fasorial de la potencia monofásica; la representación fasorial de la potencia aparente, la proyección de la potencia activa, la potencia reactiva y la forma como se debe evaluar los datos de un circuito para la verificación de los resultados de laboratorio.
POTENCIA La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio ( watt ). ). Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.
Potencia en corriente alterna Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los valores eficaces o valores cuadráticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.
Potencia fluctuante Al ser la potencia fluctuante de forma senoidal, su valor medio será cero. Para entender mejor qué es la potencia fluctuante, imaginemos un circuito que sólo tuviera una potencia de este tipo. Ello sólo es posible si ϕ = π / 2, quedando
Caso que corresponde a un circuito inductivo puro o capacitivo puro. Por lo tanto la potencia fluctuante es debida a un solenoide o a un condensador. Tales elementos no consumen energía sino que la almacenan en forma de campo magnético y campo eléctrico.
Consideremos un circuito de C. A. en el que la corriente y la tensión tienen un desfase φ.
Se define componente activa de la intensidad, Ia, a la componente de ésta que está en
fase con la tensión, y componente reactiva, Ir, a la que está en cuadratura con ella (véase Figura 1). Sus valores son:
El producto de la intensidad, I, y las de sus componentes activa, Ia, y reactiva, Ir, por la tensión, V, da como resultado las potencias aparente (S), activa (P) y reactiva (Q), respectivamente:
Potencia aparente La potencia compleja de un circuito eléctrico de corriente alterna (cuya magnitud se conoce como potencia aparente y se identifica con la letra S), es la suma (vectorial) de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo (conocida como potencia promedio, activa o real, que se designa con la letra P y se mide en vatios (W)) y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes, que fluctuará entre estos componentes y la fuente de energía (conocida como potencia reactiva, que se identifica con la letra Q y se mide en voltiamperios reactivos (VAR)). La relación entre todas las potencias aludidas es S^2 = P^2 + Q^2.
Esta potencia aparente (S) no es realmente la "útil", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y señala que la red de alimentación de un circuito no sólo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" las bobinas y condensadores. Se mide en voltiamperios (VA), aunque para aludir a grandes cantidades de potencia aparente lo más frecuente es utilizar como unidad de medida el kilovoltiamperio (kVA), que se lee como "kavea" o "kaveas". La fórmula de la potencia aparente es
Potencia activa Es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente
consumida por los circuitos y, en consecuencia, cuando se habla de demanda eléctrica, es esta potencia la que se utiliza para determinar dicha demanda. Se designa con la letra P y se mide en vatios -watt- (W) o kilovatios -kilowatt- (kW). De acuerdo con su expresión, la ley de Ohm y el triángulo de impedancias:
Resultado que indica que la potencia activa es debido a los elementos resistivos.
Potencia reactiva Esta potencia no tiene tampoco el carácter realmente de ser consumida y sólo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo necesario. Por ello que se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en voltiamperios reactivos (VAR) y se designa con la letra Q. A partir de su expresión,
Lo que reafirma en que esta potencia es debida únicamente a los elementos reactivos.
3.- ELEMENTOS A UTILIZAR
AMPERIMETROS
VOLTIMETRO
CABLES
REOSTATO
CAPACIMETRO
MULTIMETRO
CAPACITORES
PINZA AMPERIMETRICA
VAREAC
INDUCTANCIA (TRAFO)
4.- PROCEDIMIENTO DE EJECUCION Registrar y calibrar los componentes del circuito serie R-C. CAPACITOR
RESISTENCIA
25.1 µF
120.7 Ω
Una vez calibrada los componentes a utilizar procedemos al armado del circuito R-C en serie como se muestra en la figura.
Del circuito anterior se registro los siguientes datos que se muestran en la siguiente tabla.
VMEDIDO
VF
VR
VC
IT
W
S
φ
222
152.2
152.2
1.46
245
316.9
42.2
Para la capacitancia utilizada en el ensayo, registrar la información necesaria que permita establecer su cos φ.
Hallamos la impedancia del capacitor:
π Calculamos la corriente y luego la potencia compleja
Con el ángulo de la potencia compleja hallamos el cos φ.
Armar el circuito R-L-C paralelo, alimentarlo con la fuente de tensión de 220 V y repetir los pasos anteriores del circuito en serie. Ahora armamos el circuito en paralelo como se muestra en la siguiente figura.
Del circuito anterior se registro los siguientes datos que se muestran en la siguiente tabla.
VMEDIDO
VF
IR
IC
IL
W
S
φ
219
1.928
2.217
0.145
443
636
43.2
El factor de potencia experimental es: Cos(φ) = 0.706 Hallamos la impedancia del inductor:
Registrando la potencia activa con el vatímetro:
Hallamos el ángulo de la impedancia equivalente del circuito:
( )
Hallamos el factor de potencia:
5.- CUESTIONARIO 5.1 Calcular la potencia activa, el factor de potencia y la potencia aparente del circuito ensamblado. Comparar los resultados teóricos con los registrados en el laboratorio, establecer los errores.
Para el circuito R-L-C calculando teóricamente:
V teórico
V experimental
Error Absoluto
Error
Relativo
% P
813.58
443
379.58
46.65%
452.07
451.7
0.37
0.0818%
635.1
636
17.01
2.67%
0.87
0.706
-
-
4.52
4.29
0.23
5.08%
Potencia Activa Q Potencia Reactiva S Potencia Aparente Cos (φ) Factor
de
Potencia I total
5.2 ¿Cómo definirá al vatímetro ideal?
El vatímetro ideal debe medir por separado la tensión y la intensidad de la corriente, para después realizar la operación.
Este aparato debe de constar de dos bobinas; una amperimétrica y otra volumétrica. La bobina amperimétrica posee unas características similares a la de un amperímetro: tiene una resistencia muy baja y se conecta en serie.
La bobina volumétrica posee las mismas características que las de un voltímetro: tiene una resistencia muy alta y se conecta en paralelo
5.3 Analizar los dos tipos de conexión del vatímetro monofásico estableciendo las ventajas en su aplicación.
Conexión Serie: Como sabemos el vatímetro tiene una bobina para hallar la tensión y otra para la corriente para medir la tensión la ponemos en paralelo a la fuente entonces la tensión se mide directamente de la fuente y para el caso de la corriente en el circuito es única, en este circuito serie RC no hay componentes inductivos por lo que la potencia activa se muestra menor y el capacitor provoca un aumento en la potencia reactiva.
Conexión Paralelo: En el circuito RLC en paralelo el vatímetro
5.4 ¿Por qué se representa una elevada corriente en el momento de energizarse el circuito y que porcentaje de la corriente de estado estable es? La corriente baja conforme el tiempo transcurre no olvidemos las ecuaciones instantáneas que dependen del tiempo, esto hace que el condensador absorba energía y se cargue, mientras pasa el tiempo la corriente baja, ya que es directamente proporcional al voltaje. Debemos de tener en cuenta que cuando el circuito se energiza, el condensador se carga y si volvemos a manipular el circuito debemos de descargar el condensador para tener resultados óptimos.
6.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
Si vemos los resultados teoricos y experimentales en algunos parametroa ahí un gran margen de error debido a la resistencia de los cables, mediciones, y al transformador.
Verificamos que la toma de datos de los instrumentos amperímetro y voltímetro se comprueba con los datos del vatímetro.
Para la toma de datos se tiene que descargar el condensador ya que esto influye mucho en el circuito.
Observamos que la teoría es experimentalmente comprobada, que la potencia activa es siempre positiva en cuanto a las graficas, y la potencia reactiva cuenta con parte positiva y negativa, esto debido a la existencia de inductancias y capacitancias en el circuito.
7.- BIBLIOGRAFIA
fundamentos de circuitos electricos - 3ed sadiku
Analisis de Circuitos Electricos-Joseph A. Edminister Tercera Edicion
Circuitos Electricos 2-Corcoran Coechner
