Mediciones Eléctricas I

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MAR DEL PLATA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO INGENIERÍA ELÉCTRICA

CATEDRA: MEDICIONES ELECTRICAS I GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS MEDICION DE POTENCIA EN SISTEMAS MONOFÁSICOS CON CARGAS NO LINEALES Comisión Integrantes Fecha Presentación

Fecha y Firma Aprobación

1 - OBJETIVO DE LA PRÁCTICA. En esta práctica se va a analizar el comportamiento de distintas cargas con características no lineales. A partir de estos circuitos se estudiarán los conceptos de potencias no reactiva, ficticia y de distorsión, asociados al factor de potencia para ondas no sinusoidales.y la evualuación del contenido de armónicas en la corriente. Se aprovecharán las funciones de almacenamiento de señal del Scopmeter Fluke, para luego ser recuperadas por el software propio del equipo y posteriormente procesadas.

1

Mediciones Eléctricas I 2.- INTRODUCCIÓN TEÓRICA En presencia de cargas no lineales alimentadas con tensiones no-sinusoidales las ecuaciones básicas de los valores instantáneos de v(t) e i(t) pueden escribirse como: 

v(t )  U n sen(not  n )

(1)

n 1 

i(t )   I n sen(not  n )

(2)

n 1

La forma más conocida de evaluar el grado de distorsión de tensión y corriente es a través del concepto de distorsión armónica. Este factor queda definido como la relación entre el valor eficaz de

armónicos y el valor eficaz de la onda fundamental: 40

U i 2

THDu % 

2 i

100

U1

(3)

40

I i2

THDi % 

I1

2 i

100

(4)

En el régimen con tensión sinusoidal pura y circuito no-lineal, la potencia activa suministrada resulta:

fp( factor potencia)   

I rms 

V I cos 1 I1rms P1 P1   1rms 1rms  cos 1 S Vrms I rms V1rms I rms I rms



I n 0



2 nrms

 I o 2  ( n 1

In 2

)2

(5)

(6)

De la expresión (5) el factor de distorsión queda definido como:

I1rms I rms

(7)

fp  cos 1.FD

(8)

FD 

2

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Analizando la expresión (4):

THDi 

I n 1

2 nrms

I1rms 2

I rms 2  I1rms 2 I1rms 2



(9)

Deducimos que el factor de distorsión es:

FD 

1

(10)

1  THDi 2

Finalmente el factor de potencia verdadero expresado en función del THDi:

fpverdadero  fpdesplazamiento . fpdistorsión  cos 1

1

(11)

1  THDi 2

Volviendo a las definiciones de potencias: Potencia Activa:

P1  U .I1 cos 1

(12)

La (12) sólo tiene el término correspondiente a la componente fundamental, siempre y cuando la distorsión de tensión sea mínima, por lo que se pueden despreciar los otros productos de componentes de tensión y corriente La potencia reactiva es:

Q1  U .I1sen1

(13)

A su vez la potencia aparente queda definida como:

S  U rms I rms

y

(14) S

y puede descomponerse en:

S 2  P12  Q12  D 2

UI

(15)

O

Q E



F A

Q N

Siendo:

D C

z



D 2  U 2  I 2h  S 2 f a2

-y

(16)

h 2

Figura 1

D es la llamada potencia de deformación o distorsión.

3

x

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fa: Factor de armónicos de la corriente, que se define como la relación entre el valor eficaz del contenido armónico y el valor eficaz de la onda, es decir: 

fa 

I h 2

h

I

(17)

La potencia no-reactiva N, es la que no tiene justamente componente reactiva:

N  P2  D2

(18)

La potencia ficticia F carece de componente activa, es decir es el conjunto de las componentes no deseadas:

F  Q2  D2

(19)

Una de las formas más aceptadas de representar las distintas potencias actuantes en un sistema con cargas no lineales, el es esquema dibujado en la Figura 1, donde aparecen las nuevas potencias F, N y D.

4

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3 - MONTAJE A REALIZAR. El montaje del ensayo es el indicado en la Figura 1, de donde obtendremos las lecturas necesarias para el desarrollo de la práctica.

Pinza Transductora PINZA PROVA 21

C

Fluke

HIOKI Figura 1 La pinza amperométrica transductora marca Kyoritsu, convierte la señal de corriente en una señal de tensión que es enviada al osciloscopio Fluke para su captura y almacenamiento en una de las memorias disponibles para su posterior recuperación a través del cable óptico. La pinza PROVA 21, es conectada como amperómetrica y voltimétrica, de esta manera además de medir la distorsión armónica y los componentes armónicos de corriente y tensión, medirá la potencia activa, factor de potencia verdadero y el ángulo de fase 1. Procedimiento para el uso del instrumento PROVA 21 Power Harmonics & Leakage Tester El instrumento es utilizado para medir valores eficaces de tensión (usando las puntas) o de corriente (usando la pinza amperométrica). También es útil para medir los componentes de distintos armónicos de tensión y corriente y el índice de distorsión armónica total (THD). El procedimiento a seguir para determinar las amplitudes de una señal es la siguiente: 1) Primero es necesario seleccionar la unidad a medir usando la opción OFF/ mA/A/V/WmA/WA.

2) Se mide la señal de corriente o de tensión usando la pinza amperométrica o las puntas respectivamente. 3) Presionando la tecla FUNC se va seleccionando las distintas opciones de medición, como por ejemplo: medir el THD, potencia activa, potencia aparente, 1, factor de potencia verdadero, etc. 5

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4) Con la tecla ▲ OPCIÓN se despliegan las lecturas de cada uno de los componentes armónicos de corriente o tensión.

Figura 2- Instrumental PROVA 21 Power Harmonics & Leakage Tester.

Procedimiento para el uso analizador de armónicos HIOKI 3166 El analizador de armónicos es utilizado para determinar las amplitudes de los distintos armónicos de una señal, con su respectivo THDv y THDi. El instrumental tiene la posibilidad de conectarse siete pinzas sensoras (3 de corrientes y 4 de tensión), es decir, puede ser utilizado para una carga monofásica como para trifásica. El procedimiento a seguir para determinar los valores anteriormente mencionados es el siguiente:

1) Una vez conectado las pinzas sensoras en el circuito, primero es necesario usar la tecla WIRING para seleccionar las líneas a testear. Presionando esta tecla, aparecerán distintas configuraciones que dependerán del circuito a utilizar para su correcto funcionamiento. Ejemplo: • Simple fase-dos cables conectados = 1p2w. • Simple fase-tres cables conectados = 1p3w. • Tres fases-tres cables, dos mediciones de corrientes = 3p3w. • Tres fases-tres cables, tres mediciones de corrientes = 3p3w3i. • Tres fases-cuatro cables, tres mediciones de corrientes = 3p4w.

2) Con la tecla CHECK es posible verificar el modo correcto del testeo, es decir, si ha sido bien seleccionado el paso anterior. 3) Con la tecla U e I se puede determinar el rango de medición para la tensión y la corriente que se desea medir.

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4) Las teclas del CURSOR KEY son usadas para desplazarse en la pantalla de ítem en ítem. Presionando ▲►▼◄ es posible moverse en la dirección correcta en la pantalla. 5) En el caso de medir simultaneamente señales de corrientes y tensión, aparecerá en la parte inferior de la pantalla la opción ITEM (ésta podrá ser seleccionada usando las teclas de FUNCTION KEYS). La opción ITEM permitirá cambiar el canal de medición para poder tomar lectura de las líneas testeadas. 6) La tecla SAVE permite grabar en un disquete las mediciones de tensión, corriente y potencias así como las señales de corrientes y tensión.

WIRING

CHECK

U I

SAVE

CURSOR KEY

FUNCTION KEYS (FI to F5)

Figura 3- Analizador de Armónicos HIOKI 3166.

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4.2 ENSAYO CON LÁMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS. Para este ensayo se evaluarán los armónicos con el equipo Analizador de Redes HIOKI 3166 y la pinza PROVA obteniendo los valores indicados en la Tabla I. LECTURAS Medición

HIOKI 3166 METODO “ON”

METODO “OFF”

PROVA 21

U [V] I [A] P1 [W] S [VA] THDU% THDI% F.P. 

U

-

Componentes Armónicos (obtenidos del Hioki) [V] [º]

U1 U3 U5 I I1 I3 I5

[A]

[º]

I7 I9 I11 I13 I15 I17 I19 a) Representar la forma de onda de la señal capturada por el FLUKE. b) Dibujar el diagrama de barra de los espectros de los componentes armónicos de corriente con sus respectivos ángulos de defasajes. Dibujar en gráficos independientes como se muestran en la figura:

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MC's PlotXY - Fourier chart(s). Copying date: 03/09/2007 Mediciones Eléctricas I File dimmer.pl4 Variable c:XX0001-XX0003 [peak] Initial Time: 0,08 Final Time: 0,1 12 [A] 10 8 6 4 2 0 0

5

10

15 harmonic order

20

25

30

25

30

160

-120 0

5

10

15 harmonic order

c) Calcular el valor de la potencia D. d) Comprobar la expresión (11). e) Dibujar el diagrama de potencias F – P – S.

9

20