Metodos Y Tecnicas Para La Medida De La Potencia Electrica: Capitulo Iii

(1)

1

Ing. Basilio Salas A. Ing. Basilio Salas A. Medidas II

Medidas II

METODOS

Y

TEC

NIC

S

P

L

MEDID

DE

L

POTENCI

ELECTRIC

Ing

Ing Basilio

Basilio Salas

Salas

CAPITULO III

(2)

(3)

PO

TENCIA ELE

CTRICA

GENERALIDADES

2

(4)

POTEN

CIA

ELECTRICA

•

INTRODUCCION

En la operación de los

En la operación de los sistema

sistemas eléctricos

s eléctricos, de

, de A

AT

T y BT

y BT,

, el

el

determinar la potencia eléctrica permite conocer el estado de

cargabilidad de las líneas, la potencia entregada por los

generadores, la potencia consumida por los usuarios, etc.

•

CONCEPTO DE POTENCIA ELECTRICA

Capacidad q

Capacidad que tie

ue tiene

ne todo e

todo equipo o

quipo o carga e

carga eléctrica,

léctrica, para

para

producir o desarrollar trabajo eléctrico.

3

(5)

POTENCIA INSTANTANEA

La potencia eléctrica instantánea, esta definido por:

4

Ing. Basilio Salas A. Medidas II

(6)

POTENCIA INSTANTANEA

Graficando:

•

La potencia, está conformado por un término constante, y por otro término

senoidal de doble frecuencia

•

Tiene valores positivos y negativos, que significa una transferencia de

energía activa de la fuente a la carga y viceversa, respectivamente.

5

(7)

•

POTENCIA ACTIVA:

Valor medio de la potencia instantánea

• Unidades, W, KW, MW

•

POTENCIA REACTIVA

Desarrollado por los

elementos inductivos y/o capacitivos.

Unidades: VAR, KVAR, MVAR

COMPONENTES DE LA POTENCIA ELECTRICA

6

(8)

•

POTENCIA APARENTE

Unidades: VA, KVA, MVA.

•

FACTOR DE POTENCIA: Cos

φ • Indica el grado y tipo de

desfasaje entre V e I

• Inductivas: -Cos ϕ • Capacitivas: +Cos ϕ • Resistivas: Cos ϕ = 1.

• TRIANGULO DE POTENCIAS

COMPONENTES DE LA POTENCIA ELECTRICA

7

(9)

MEDIDORES DE

POTENCIA ELECTRICA

EL VATIMETRO

8

(10)

VATIMETRO ELECTRODINAMICO

La interacción de los campos electromagnéticos generados por las bobinas fijas y móvil, producen el desplazamiento del sistema móvil, el que es contrarrestado por el sistema antagonista, hasta alcanzar el equilibrio.

Θ = _{kp V x I Cos Ø}

Estructura básica y principio de funcionamiento

9

(11)

• Los vatímetros analógicos, circuitalmente están representados por

una bobina amperimetrica, conectada en serie con la carga; y otra bobina voltimetrica con una resistencia serie, conectada en paralelo con la carga

VATIMETRO ELECTRODINAMICO

Circuito Equivalente

10

(12)

Características mas importantes:

‐

Robustos

‐

Soportan sobrecargas y corrientes de

inserción

‐

Precisión: 0.5, 1, 2, 3.

‐ Ancho de banda ≤ 400 Hz

‐

Inmunes a campos electromagnéticos

VATIMETRO ELECTRODINAMICO

Características mas Importantes

11

(13)

VATIMETROS DIGITALES

El multiplicador recibe en sus entradas las señales de tensión y corriente, y entrega en su salida un voltaje senoidal amplificado, proporcional a la potencia eléctrica instantánea.

Estructura básica y principio de funcionamiento

12

(14)

• La potencia instantánea, es integrada para obtener la potencia

media o activa, para luego ser convertida a valor digital por el ADC, y finalmente es procesada por el uC, y mostrar su valor por el

display.

VATIMETROS DIGITALES

Estructura básica y principio de funcionamiento

13

(15)

• Existen 2 tipos de multiplicadores

analógicos:

a) Multiplicador con Amp Op

b) Multiplicador con Sensor de Campo Directo o DFS

•

EL MULTIPLICADOR CON

AMPLIF OPERACIONAL

.

• Circuito integrado con

amplificadores operacionales, en configuración de 4 cuadrantes

VATIMETROS DIGITALES

Multiplicadores Analógicos

14

(16)

• Dispositivo, basado en el fenómeno Hall, descubierto en 1879 por Edwin H. Hall, y

consta de una oblea de semiconductor, por donde circula una corriente Hall (Ih) y sometido a un campo magnético B.

• El campo magnético B, produce una

separación de los portadores de la corriente I, entre las caras del semiconductor, generándose una diferencial de potencial entre ellas, denominadavoltaje Hall.

VATIMETROS DIGITALES

El Sensor de Campo Directo DFS

15

(17)

VATIMETROS DIGITALES

Multiplicador Hall Vatimétrico

16

Componentes:

• Bobina de campo con núcleo

de ferrita.

• Sensor Hall semiconductor. • Amplificador de señal.

Dispositivo multiplicador de las señales analógicas de tensión y corriente de alta sensibilidad, tal que pueden sensar corrientes en mA y KA.

(18)

• La corriente Hall directamente proporcional a la tensión de red, circula por el

semiconductor.

• La corriente de red, produce el campo magnético B, que da lugar a la separación

de cargas en el semiconductor, generando la tensión Hall (Vh), que representa la potencia instantánea.

Medidas II Ing. Basilio Salas A. 17

Estructura y Principio de Funcionamiento Multiplicador Hall

VATIMETROS DIGITALES

Dispositivo de alta sensibilidad, tal que pueden sensar

(19)

El diagrama circuital, de los vatímetros digitales es similar al de

los vatímetros electrodinámicos.

VATIMETROS DIGITALES

DIAGRAMA CIRCUITAL Y SIMBOLO

18

(20)

•

Alta resolución

•

Alta precisión: 0.05 a 0.5

•

Bajo consumo interno

•

Gran ancho de banda (>

10 KHz.)

•

Lectura directa

•

Costo relativamente

elevado.

Características mas importantes

VATIMETROS DIGITALES

19

(21)

TIPOS Y ESPECIFICACIONES DE UN VATIMETRO

20

(22)

SIMULACION DE LA POTENCIA

INSTANTANEA

21

(23)

SIMULACION DE LA POTENCIA MEDIA

22

(24)

• Los comparadores digitalizan las señales de V e I. El AND 1, genera un

ancho de pulso equivalente al periodo de desfasaje. El AND 2, deja pasar los pulsos del oscilador, en el periodo de desfasaje. El micro controlador cuenta los pulsos, y calcula el coseno del ángulo de desfasaje.

COSFIMETRO DIGITAL

Estructura y Principio de Funcionamiento

23

(25)

TÉCNICAS PARA LAS MEDIDAS

DE POTENCIA MONOFASICA

24

(26)

• El vatímetro, siempre va acompañado de un voltímetro y un

amperímetro, para controlar el alcance de sus circuitos Amp y Voltim

• Los terminales marcados con asteriscos deben ser cortocircuitados

• Se debe tener el Circ. Amperim en serie con la carga, y el Circ. Voltim en

paralelo con la misma.

MEDIDA DIRECTA

Conexión Básica del Vatímetro Monofásico

25

(27)

MEDIDA DIRECTA

Conexión Básica del Vatímetro Monofásico

Conexionados con errores en corriente y tensión:

En el primer caso, los elementos amperimetricos incluyen en la medida, el consumo interno de los voltimetricos, siendo correcto para el voltaje. En el segundo caso, los elementos voltimetricos incluyen en la medida la caída de tensión en los amperimetricos, siendo correcto para la corriente.

26

(28)

a) En vatímetros electrodinámicos

Para determinar el valor de la potencia medida, debe tomarse en cuenta los siguientes parámetros de lectura del vatímetro:

b) En vatímetros Digitales.

En este caso, la potencia medida se obtiene directamente de la pantalla del instrumento, ya que los cálculos los realiza los

circuitos internos.

MEDIDA DIRECTA

Lectura de los Vatímetros

27

(29)

Ejemplo1:

Se mide la potencia de una carga inductiva de fdp 0.5, instalada en una red de 220 V, 60 Hz. El

vatímetro electrodinámico

utilizado, acusa los siguientes datos:

Alcance en corriente : 10 A Alcance en voltaje : 300 V

Escala máxima :150 div

Lectura :110 div

Determinar el alcance del

vatímetro, y la potencia medida.

MEDIDA DIRECTA

Lectura de los Vatímetros

28

(30)

• Ejemplo 2

• La lectura de los instrumentos,

instalados en un circuito

monofásico son W = 420 Watts A= 1.8 Amp. V= 220 Volt.

Determinar los parámetros internos de la impedancia. • Ejemplo 3 • En el ejemplo anterior, determinar el triángulo de potencias de la carga.

MEDIDA DIRECTA

Uso del Vatímetro

29

(31)

• Circuito de medida:

• La potencia de la carga es:

• Por ley de corrientes:

• Graficando las corrientes

vectoriales:

• Por ley de cosenos:

• Reemplazando en Pc:

Método Amperimétrico

MEDIDA INDIRECTA POR INSTRUMENTOS

30

(32)

• Circuito de medida: • Graficando las tensiones

vectoriales:

• La potencia de la carga es:

• Por ley de cosenos:

• Por ley de tensiones:

• Reemplazando en Pc:

Método Voltimétrico

31

(33)

• Este método, tiene la

desventaja de no medir la potencia nominal de la carga, debido a la caída de tensión que se produce en la resistencia auxiliar R.

• Entonces, para determinar la potencia nominal de la carga, debe

aplicarse una relación de proporcionalidad:

Método Voltimétrico

32

(34)

En redes de MT ó AT, se utilizan TC y TT, para adecuar los niveles de

tensión y corriente a los circuitos del vatímetro

En redes de BT con corrientes

elevadas, (>50 A), requiere instalar TC, para adecuarlos al circuito

amperimetrico del vatímetro.

MEDIDA INDIRECTA POR TRANSFORMADORES

Uso de los TC y TT

33

(35)

POTENCIA EN SISTEMAS

TRIFÁSICOS

34

(36)

SISTEMAS TRIFASICOS

Los sistemas trifásicos, de acuerdo al número de líneas

alimentadoras, son de dos tipos

a)

Sistemas trifásicos de 4 líneas

cuyas cargas están conexionados en estrella (Y) con neutro corrido.

b)

Sistemas trifásicos de 3 líneas

cuyas cargas están conexionados en delta (Δ) ó en estrella (Y), con neutro aislado

Tipos de Red

35

(37)

Fuentes y Cargas Trifásicas

Fuentes trifásicas

Las fuentes de alimentación, generalmente son de tipo simétrica, donde las tensiones son de igual magnitud y desfasados en 120º, caso contrario son asimétricas.

Cargas eléctricas.

Las cargas, pueden ser equilibradas o desequilibradas, es decir de impedancias iguales o diferentes, tanto en magnitud como en fase.

SISTEMAS TRIFASICOS

36

(38)

SISTEMAS TRIFASICOS EQUILIBRADOS

Tensiones y Corrientes en Sistemas Equilibrados de 4 Líneas

Triangulo de tensiones secuencia positiva

(39)

SISTEMAS TRIFASICOS EQUILIBRADOS

(40)

Secuencia positiva

Tensiones y Corrientes en Sistemas desequilibrados de 4 Líneas

SISTEMAS TRIFASICOS DESEQUILIBRADOS

39

(41)

SISTEMAS TRIFASICOS DESEQUILIBRADOS

Corrientes en Sistemas Desequilibrados de 3 Líneas

En los sistemas trifásicos de 3 líneas, se produce un desequilibrio de las corrientes de línea y de fase.

(42)

Triangulo de tensiones para secuencia positiva, con

desplazamiento del neutro

SISTEMAS TRIFASICOS DESEQUILIBRADOS

Tensiones en Sistemas Desequilibrados de 3 Líneas

Las cargas desequilibradas producen el desequilibrio de las tensiones de fase, dando lugar a un desplazamiento del neutro.

Desplazamiento del neutro :

(43)

• CARGAS EQUILIBRADAS

La potencia trifásica en cargas equilibradas en Y ó Δ viene dado por: V: Tensión de línea I: Corriente de línea • CARGAS DESEQUILIBRADAS En sistemas trifásicos de cargas desequilibradas en Y ó

Δ, la potencia total resulta de la suma de las potencias

monofásicas de cada carga:

 Cos I V P _ 3 P3 P2 P1 P _ _ _

POTENCIA EN SISTEMAS TRIFASICOS

Cargas Trifásicas Equilibradas y Desequilibradas

42

(44)

MEDIDA DE LA POTENCIA

TRIFÁSICA MEDIANTE VATÍMETROS

MONOFÁSICOS

•

MEDIDA DIRECTA

•

MEDIDA INDIRECTA POR TRANSFORMADORES

(45)

En estos sistemas, con cargas equilibradas o desequilibradas en Y, se pueden utilizar

3 vatímetro monofásicos

. Cada vatímetro mide la potencia por fase.

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 4 Conductores

44

(46)

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 4 Conductores

Analizando la lectura de cada vatímetro, obtenemos:

45

(47)

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 3 Conductores

En estos sistemas, con cargas equilibradas o desequilibradas en delta o en estrella con neutro aislado, se puede utilizar el

método Aron

de 2 vatímetros monofásicos.

46

(48)

• La potencia en cada fase será:

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 3 Conductores

• Analizando el sistema, se tiene que la potencia total resulta de la

suma de la potencia por cada fase:

47

(49)

• Ahora, lectura de los vatímetros

conectados en las líneas R y T:

• Por ley de corrientes:

• Reemplazando en la lectura de los vatímetros:

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 3 Conductores

48

(50)

• Del gráfico de tensiones y corrientes:

• Luego, sumando estas ecuaciones:

• Por consiguiente:

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 3 Conductores

49

(51)

a)

a) Si Si lolos vs vatatímímetetrros os esestátán n ininsstatalaladodos s enen las líneas R

las líneas R y S, entonces será Wa eny S, entonces será Wa en R y Wb en S.

R y Wb en S. b)

b) Si Si lolos vs vatatímímetetrros os esestátán in insnstatalaladodos es enn las líneas S y T, entonces será Wa en las líneas S y T, entonces será Wa en S, y Wb en T.

S, y Wb en T. c)

c) Si Si lolos vs vaatítímemetrtros eos essttán án ininssttalaladados eos enn las líneas R y T, entonces será Wa en las líneas R y T, entonces será Wa en T, y Wb en R.

T, y Wb en R.

La identificación correlativa de los vatímetros depende de la secuencia La identificación correlativa de los vatímetros depende de la secuencia deldel sistema eléctrico. Así, para

sistema eléctrico. Así, para la secuencia positiva, la secuencia positiva, R-S-TR-S-T, se tendr, se tendrá:á:

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 3 Conductores

50

(52)

•

• En los sisEn los sistemas trifásicos temas trifásicos simétricos y simétricos y equilibrados, el ánguloequilibrados, el ángulo ϕϕ dede

desfasaje de la

desfasaje de la carga, carga, puede determinarse a partir puede determinarse a partir de los valoresde los valores acusados por los

acusados por los vatímetros:vatímetros:

•

• De donde se puede deducir algunos valores importantes del ángulo deDe donde se puede deducir algunos valores importantes del ángulo de

desfasaje: desfasaje: a a)) SSi i WWa a = = 0 0 ==> > ffi i = = 00 b b)) SSi i WWa a = = 2 2 WWb b ==> > ffi i = = 6600 cc)) SSi i WWa a = = WWb b ==> > ffi i = = 9900 d d)) SSii, , WWa a = = - - WWb b ==> > ffi i = = 112200

MEDIDA DIRECTA

Redes Trifásicas de 3 Conductores

51

(53)

MEDIDA DIRECTA

Conexionado de Va

Conexionado de Vatímetros con

tímetros con Neutro Artificial

Neutro Artificial

WT = Wa + Wb + Wc. WT = Wa + Wb + Wc.

Se aplica, en redes de 3 Se aplica, en redes de 3 conductores con neutro conductores con neutro inaccesible, alimentación inaccesible, alimentación asimétrica y cargas asimétrica y cargas desequilibradas. desequilibradas.

Los circuitos voltimétricos, Los circuitos voltimétricos, se conectan a un punto se conectan a un punto común, creando un neutro común, creando un neutro artificial.

artificial.

52

(54)

WT = Wa + Wb

MEDIDA INDIRECTA POR TRANSFORMADORES

Redes Trifásicas de 3 Conductores

53

(55)

WT = Wa + Wb + Wc

Redes Trifásicas de 4 Conductores

Medida de la potencia total en redes trifásicas de 4 conductores, mediante

3 vatímetro monofásicos,

alimentados por transformadores de medida, TC y TT. 54

(56)

MEDIDA DE LA POTENCIA

TRIFÁSICA MEDIANTE VATÍMETROS

TRIFÁSICOS

•

MEDIDA DIRECTA

(57)

• Los

Vatímetros trifásicos de 2 sistemas en conexión Aron,

se utilizan

para medir directamente la potencia trifásica en redes de 3 líneas, con cargas en delta o es estrella con neutro aislado.

MEDIDA DIRECTA

Vatímetros Trifásicos de 2 sistemas

56

(58)

• Se utilizan en redes de 4 líneas, y para cargas en estrella con neutro

corrido. Sin embargo también se pueden conectar en redes de 3 líneas

MEDIDA DIRECTA

Vatímetros Trifásicos de 3 sistemas

57

(59)

MEDIDA INDIRECTA POR TRANSFORMADORES

(60)

Redes Trifásicas de 4 Conductores

Medida de la potencia total en redes trifásicas de 4

conductores, mediante

vatímetro trifásico

de 3 sistemas., alimentado por transformadores de

medida, TC y TT.

59

(61)

a) VarÍmetro

Básicamente

es

un

vatímetro

que inserta

desfasadores de 90° en su

circuito voltimétrico para

medir

directamente

la

potencia reactiva.

W= VI Cos(90+

φ

)

W = VISen

φ

= Q

MEDIDA DE LA POTENCIA REACTIVA MONOFASICA

Métodos

60

(62)

b) Vatímetro con desfasaje

voltimétrico.

En redes trifásicas, se consigue desfasar 90° el

voltaje, conectando el circuito voltimétrico en fases

diferentes a la corriente

• Wa = Vst Ir Cos < Vst, Ir • Wa = Vst Ir Cos (90 –ϕ) • Wa = Vst Ir Senϕ

MEDIDA DE LA POTENCIA REACTIVA TRIFASICA

Métodos

61

(63)

• Ejemplo 1 • En un circuito trifásico equilibrado se tiene Wa = 200 Watts, Wb = -125 Watts; A = 1.6 A, V = 220 V. Determinar la impedancia vectorial Z de la carga. • Ejemplo 2:

En el circuito anterior si las cargas son desequilibradas, y los

instrumentos indican:

Wa = 180 W; Wb = 50 W; Ar = 1.1 A; As = 0.88 A; At = 1.25 A; Vrs = Vst = Vtr = 220 V.

Determinar el desplazamiento de las corrientes de línea.

MEDIDA DE LA POTENCIA EN CIRCUITOS

TRIFASICOS

62

(64)

SIMULACION DE LA MEDIDA DE POTENCIA

MONOFASICA

63

(65)

SIMULACION DE LA MEDIDA DE POTENCIA

TRIFASICA EQULIBRADA

64