Prácticas de laboratorio de Circuitos Eléctricos AC

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Prácticas de Laboratorio de Circuitos Eléctricos AC

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Práctica 7

Potencia monofásica

1. Introducción

El análisis de potencia para circuitos AC es un poco más complejo que para circuitos DC, ya que introduce términos no tratados hasta el momento, como es la potencia compleja, activa y reactiva. Así mismo se introduce el factor de potencia como una cantidad importante ya que se encuentra relacionada con el impacto económico de las industrias.

2.  Objetivos

1. Analizar el comportamiento de la potencia compleja en un circuito RLC AC.
2. Interpretar el concepto de factor de potencia en un circuito AC.
3. Experimentar la medición directa de potencia mediante el uso de los vatímetros.

3. Equipos a Utilizar

1. 1 VARIAC.
2. 1 vatímetro.
3. 1 multímetro.
4. 1 inductor L > 300mH (seleccionada y reservada previamente).
5. 1 capacitor C > 5 µF (seleccionada y reservada previamente).
6. Resistencias de potencia.

4.  Marco teórico

4.1 Triangulo de potencias en circuitos AC.

En el estudio de estado estacionario para circuitos AC, resulta conveniente introducir la potencia compleja, definida como:

Donde  corresponde al conjugado de la corriente rms. Así mismo, haciendo uso de la trigonometría, la ecuación 1 se puede expresar de la siguiente manera:[pic 7]

Se puede notar de la anterior ecuación que  es equivalente al ángulo de la impedancia ( y esta a su vez igual que el ángulo de la potencia compleja.[pic 9][pic 10]

La ecuación 2, denota dos cantidades, una real y la otra imaginaria. La expresión real se conoce como potencia real, activa o promedio, medida en vatios, mientras que la expresión imaginaria es llamada como potencia imaginaria o reactiva, medida en voltio amperio reactivo. La magnitud de la potencia compleja se conoce como potencia aparente y su ángulo, como ángulo del factor de potencia. Por lo tanto, la potencia compleja se puede expresar también en la forma:

La Figura 1, representa el diagrama que ejemplifica la relación entre las anteriores cantidades, este es comúnmente llamado triángulo de potencias.

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Fig 1. Triángulo de potencias

(a) Carga resistiva, (b) Carga inductiva, (c) Carga capacitiva

Se puede comentar lo siguiente con base a la anterior figura:

1. Si Q es cero, la carga es resistiva, el factor de potencia es la unidad y S en el eje real positivo.
2. Si Q es positivo, la carga es inductiva, el factor de potencia está atraso y S se encuentra en el primer cuadrante.
3. Si Q es negativo, la carga es capacitiva, el factor de potencia está en adelanto y S se encuentra en el cuarto cuadrante.

4.2 Factor de potencia.

El factor de potencia es una cantidad importante, ya que se encuentra relacionado con el impacto económico de las industrias. Esta cantidad se define como:

Los valores extremos que puede tomar el factor de potencia se presentan por un lado cuando la carga es puramente resistiva, donde el ángulo del triángulo de potencias es igual a 0 y por consiguiente el factor de potencia igual a 1, y por otro lado, cuando la carga es puramente reactiva, y el valor del factor de potencia es igual a 0. En ese rango, entre 0° a +-90°, el factor de potencia puede tomar infinitos valores, que depende de la combinación de los elementos del circuito.

Se dice que el factor de potencia se encuentra en adelanto o en atraso, donde estos dos términos se refieren a la fase de la corriente con respecto a la tensión. Así mismo, como se comentó anteriormente, un factor de potencia en adelanto quiere decir que la carga es capacitiva, ver Figura 1-c, y en atraso tiene una carga inductiva, ver Figura 1-b.

4.3 Funcionamiento y formas de conexión de los vatímetros.

El instrumento utilizado comúnmente para la medición de potencia se llama vatímetros, los cuales pueden ser análogos o digitales. Este se compone de dos bobinas, una de ella se utiliza para medir corriente y la otra para medir tensión. La Figura 2 ilustra el circuito de un vatímetro básico, en ella se observa que se usa un resistor en serie para la bobina que mide la tensión, esto con el fin de limitar la corriente que pasa a través de ella.

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Fig 2. Diagrama de vatímetro básico

5.  Desarrollo Práctico

Seguir los correspondientes esquemas y tablas para cada uno de los siguientes experimentos. Para tener en cuenta antes del inicio del laboratorio, se plantea el siguiente ejercicio:

Experimento 1. Cálculo teórico

Desarrolle teóricamente el circuito RLC en serie de la Fig. 3., con el fin de comparar el comportamiento de las potencias activas y reactivas dependiendo del tipo de carga (resistiva, inductiva y capacitiva). Seleccione un inductor mayor a 300 mH, un capacitor mayor a 5 µF y una resistencia mayor a 33Ω. Calcule los valores de R, C y L (teniendo en cuenta la resistencia interna), para que el ángulo total de desfase se ajuste a 30° en atraso y complete la Tabla 1.

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