1 GradoPract Lab 1011 Intro

TEORÍA DE CIRCUITOS

Curso 2010 -‐ 2011

2010-2011

TEORÍA DE CIRCUITOS (GRADO EN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA)

TEORÍA DE CIRCUITOS (GRADO EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES) TEORÍA DE CIRCUITOS I (GRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA)

GRADO

E.T.S. INGENIEROS INDUSTRIALES

PRÁCTICAS DE LABORATORIO 1ª PARTE | INTRODUCCIÓN A LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO


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Estas prácticas de laboratorio pretenden complementar la formación teórica recibiba durante el estudio de esta asignatura y, a su vez, afianzar dichos conocimientos poniéndolos en práctica sobre dispositivos reales de interés práctico. Por tanto, no sólo ponen a prueba la solidez de los conceptos aprendidos sino que también permiten ampliarlos, mostrando su relación con los contenidos de otras asignaturas de la titulación.

En estas prácticas se realizarán medidas sobre varios circuitos eléctricos, debiéndose abordar los conceptos involucrados en las técnicas de cálculo utilizadas en cada una de ellas. También debe tenerse presente que, aunque éstas se refieren fundamentalmente a corriente alterna, los principios que la fundamentan son comunes a cualquier tipo de excitación, teniendo presente las particularidades que impone cada una. Dichas prácticas son las siguientes:

1. Medida de la resistencia interna de un generador.

2. Estudio de bobinas acopladas: terminales correspondientes y desfases.

3. Estudio de bobinas acopladas: medida de los parámetros eléctricos en R.E.S y con onda cuadrada.

4. Estimación de los parámetros del modelo de una bobina real: bobina con núcleo ferromagnético.

5. Cálculo del factor de potencia de un circuito con bobina real y su compensación.

6. Determinar la relación de transformación de un transformador real y sus terminales correspondientes.

7. Estudio de un transformador real funcionando en vacío. Estimación del modelo de su primario. Transitorio de conexión.

8. Medidas en un circuito trifásico y compensación del factor de potencia.

El estudiante debe cumplimentar (manualmente, con bolígrafo) la memoria de estas prácticas, que se puede encontrar en otro documento. Dicho documento se ha enviado a los profesores tutores por lo que serán ellos quienes se lo proporcionarán el día de la práctica.

En principio, las prácticas deben realizarse en tres sesiones de cuatro horas cada una. Sin embargo, por motivos organizativos, los Centros Asociados podrán programarlas en más sesiones.


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GUIA DE SEGURIDAD.

Antes de presentarse a la realización de las prácticas de laboratorio el estudiante debe leer y estudiar con detenimiento la guía se seguridad en el laboratorio ya que la mayoría de las prácticas se realizarán con baja tensión de la red eléctrica, de 230-400V, lo que entraña riesgos que deben evitarse con un adecuado procedimiento de trabajo, que cada estudiante debe poner en práctica y respetar escrupulosamente. Por tanto, la presente guía de seguridad pretende establecer unas normas mínimas de comportamiento durante la realización de las prácticas para evitar accidentes derivados del manejo inapropiado de los circuitos eléctricos así como del correspondiente material eléctrico. El estudiante debe estudiar y comprender estas normas para realizar las prácticas además de comprometerse a utilizarlas durante las mismas.

Objetivos de esta guía:

1. Evitar daños personales.

2. Evitar averías de los instrumentos de medida.

3. Evitar el deterioro de los componentes del circuito.

Conceptos previos acerca de seguridad eléctrica:

Los seres vivos también son conductores de la corriente eléctrica y si se exponen a contactos con

cables o estructuras sometidas a tensión existe la posibilidad de que la corriente circule a través

del cuerpo humano produciéndose una electrocución. Para que se produzca ésta se deben cumplir

simultáneamente las condiciones siguientes:

1º) que el cuerpo humano sea conductor: esto se produce siempre y se incrementa con la

humedad;

2º) que el cuerpo humano forme parte de un circuito eléctrico (contacto eléctrico):

recuerde que el suelo puede estar a un potencial y que podemos cerrar un circuito

apoyándonos en una estructura sometida a un potencial diferente al del suelo; 3¬∫) que el

cuerpo humano esté sometido a una tensión peligrosa.

Los contactos eléctricos pueden ser de dos tipos: contactos directos y contactos indirectos.

Se produce un contacto directo cuando el cuerpo humano toca cualquier elemento conductor que

forme parte de un circuito eléctrico: terminales de conductores o de componentes eléctricos,


Curso 2010 -‐ 2011 conductores no aislados. Para evitar contactos directos se debe establecer una distancia de

seguridad y procurar no rebasarla durante ningún movimiento que sea necesario. Evidentemente

no se deben tocar elementos metálicos en tensión (partes activas).

Los contactos indirectos se producen cuando el cuerpo humano toca cualquier elemento metálico

(envolvente) que encierre el circuito y que por error o defecto se encuentre bajo tensión con

respecto a tierra. Para evitar este tipo de contactos se utilizan las tomas de tierra y los

interruptores diferenciales. Por lo tanto conviene comprobar con un voltímetro si existen

tensiones con respecto a tierra de algún elemento metálico que aunque no deba formar parte del

circuito se encuentre en las inmediaciones de éste.

Reglas de trabajo a respetar:

1. Considerar que todos los circuitos, sus partes componentes, y el instrumental a utilizar está

bajo tensión hasta que se asegure que el total aislamiento de la red y se compruebe que los

elementos almacenadores de energía (especialmente los condensadores) están descargados.

2. Se debe introducir siempre un interruptor entre la red o fuente de energía y el circuito objeto

de la práctica. Se debe asegurar que dicho interruptor está abierto antes de realizar cualquier

manipulación del circuito, mediciones incluidas.

3. Toda conexión debe ser firme de tal manera que no pueda soltarse durante la realización de la

práctica. También debe evitarse que cualquier elemento susceptible de movimiento dé lugar a

desconexiones o interacciones no deseadas con el circuito. Si una conexión no es correcta ésta

puede dar lugar a la formación de arcos y a la producción de quemaduras.

4. Antes de conectar el circuito al interruptor de enlace con la red o fuente de energía debe

verificarse que los instrumentos de medida se hayan conectados perfectamente de tal manera que

sea imposible el desprendimiento de las puntas de prueba durante la realización de la práctica.

5. Siempre que se vaya a cambiar un instrumento o su punto de conexión se debe interrumpir el

suministro de energía al circuito y asegurarse de la descarga de los condensadores que pueda

contener. Si ha de modificar la escala de un instrumento es conveniente que mantenga una mano

en el bolsillo: la carcasa del instrumento suele estar conectada a tierra y puede, sin darse cuenta,

apoyarse en algún punto sometido a tensión cerrándose circuito a través de su cuerpo.


Curso 2010 -‐ 2011 6. Los instrumentos de medida son delicados y, por lo tanto, antes de utilizar cualquier

osciloscopio se debe determinar si la toma de tierra del enchufe de alimentación está conectado

internamente a cada pinza de referencia de las puntas de prueba. Si esto es así es posible que se

produzcan cortocircuitos a través de la masa del osciloscopio y para evitarlo deben tomarse las

siguientes medidas:

1º) aislar mediante un transformador la masa del osciloscopio de la tierra del laboratorio;

y 2º) utilizar una única pinza de referencia durante las medidas.

También hay que tener especial cuidado cuando se realizan lecturas con el multímetro en modo

amperímetro o en modo ohmetro: en el primer caso tenemos que tener en cuenta que la

intensidad de corriente que circula no sea superior a la admisible (suele haber 2 tomas, una de

10A y otra de 0,2A); en el caso del ohmetro hay que asegurarse de que el circuito a analizar se

encuentra desconectado de toda fuente de tensión.

7. Recuerde que las tensiones superiores a los 20V son potencialmente peligrosas.

8. No se abrirá nunca el secundario de un transformador de intensidad sin haber abierto primero

el primario.

9. Los instrumentos de medida soportan unas magnitudes eléctricas máximas: se debe comprobar

previamente que no se van a sobrepasar dichos límites de funcionamiento.

10. Para cada componente el fabricante se suele especificar unos valores máximos de tensión,

intensidad y potencia permisibles, sobrepasados los cuales se deteriora el componente. Antes de

conectar el circuito se debe verificar que en ningún caso se sobrepasarán dichos valores, lo que

conlleva la realización previa del análisis del circuito. Además hay componentes que deben

conectarse según una determinada polaridad como es el caso de los condensadores electrolíticos:

si los conecta a una tensión de polaridad contraria pueden explotar con el consiguiente riesgo

para las personas que se encuentren en su inmediación.


Curso 2010 -‐ 2011 PROCEDIMIENTO DE TRABAJO

Todas las manipulaciónes se harán sin tensión, para lo que se procederá como sigue, teniendo en

cuenta que para evitar problemas utilizaremos unas regletas de conexión provistas de un

interruptor luminoso, sobre las que se realizarán las conexiones del circuito en cuestión.

1. Antes de conectar cualquier elemento se harán dos comprobaciones imprescindibles aunque

sean redundantes:

1º) el interruptor estará apagado (posee una luz de encendido), y

2º) su enchufe se desconectará de la toma de tensión de red (a pesar de la luz siempre

conviene no fiarse).

2. Una vez realizadas TODAS las conexiones se comprobará que se ajustan al esquema del

circuito que se desea probar.

3. A continuación se comprobará que todas las uniones son firmes (en caso contrario cualquier

movimiento puede desprender el terminal de un cable que suelto puede caer y hacer contacto con

cualquier estudiante).

4. Se comprobará que TODOS los instrumentos están encendidos y en las escalas adecuadas a la

medición a realizar.

5. Los instrumentos deben estar en posición de fácil lectura y se debe tener a mano una libreta

para realizar las anotaciones (esto parece una tontería pero no será la primera vez que la hoja de

anotaciones se ha dejado debajo de una parte del circuito y al ir a cogerla se entra en contacto

con un punto en tensión).

6. Puesta en tensión del circuito: se conecta la regleta a la red y se activa el interruptor de

encendido. Se anotan las medidas sin contactar con el circuito.

7. Desconexión del circuito: Se apaga el interruptor y se desconecta la clavija de alimentación de

la regleta de conexiones. Si hay condensadores se deben descargar a través de una resistencia (de

1kΩ, p.ej.). A partir de ese momento el circuito se encontrará sin tensión y ya podremos volver a

manipularlo.


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1. Medida de la resistencia interna de un generador.

Objetivo: Se pretende medir la impedancia interna del generador sinusoidal que se utilizará en una práctica posterior. En esta práctica se supondrá que el efecto reactivo es despreciable por lo que dicha impedancia interna se reduce a una resistencia de salida o resistencia interna del generador, Z0≈R0.

Conocimientos necesarios:

Fuentes ideales y reales de tensión. Divisores de tensión.

Relación entre la tensión de salida y la intensidad de carga en una fuente real.

Instrumentos y componentes a utilizar:

Generador de tensión sinusoidal, voltímetro, amperímetro y componentes eléctricos.

Objetivo:

Deberán determinarse la tensión interna de la fuente y su resistencia interna o resistencia de salida. Por tanto, se trata de obtener el equivalente Thevenin de una fuente real, que en los cálculos teóricos suele abordarse mediante el cálculo tanto de la tensión de vacío como de la intensidad de cortocircuito.

La medida de la tensión de salida en vacío permite obtener el valor de la tensión interna de la fuente, E0.

Lógicamente, la situación de cortocircuito debe evitarse para no poner en riesgo la fuente, lo que conlleva la realización de varias medidas con algún valor de carga y plantear las ecuaciones necesarias para deducir el valor de la resistencia buscada. Para reducir posibles errores de medida, conviene repetir el procedimiento con varios valores de carga y promediar los resultados. Debido a que la fuente interna del generador es de tipo electrónico, conviene no cargar demasiado dicho generador (no demandar demasiada intensidad) por lo que se aconseja no utilizar resistencias menores a 1kΩ.

Lo habitual es que la impedancia interna se únicamente resistiva y de valores comprendidos entre 50 y 500Ω, pero podría presentar otros valores e incluso un carácter reactivo (inductivo o capacitivo). Por por este motivo, y debido a que la fuente es de frecuencia variable, deben repetirse también las medidas para varias frecuencias para asegurarse de que el carácter es puramente resistivo (si la impedancia de salida dependiese de la frecuencia, entonces habría que estimar la parte imaginaria de dicha impedancia).


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2. Estudio de bobinas acopladas: terminales correspondientes y desfases.

Con esta práctica se inicia el estudio de unas bobinas acopladas reales. Sin embargo el estudio se iniciará con bobinas con un comportamiento próximo al de las bobinas ideales ya que aquí se utilizará un núcleo ferromagnético de bajas pérdidas. Si el núcleo fuese de aire, entonces el comportamiento sería prácticamente ideal (salvo a frecuencias elevadas, donde aparecen componentes capacitivas entre las espiras del devanado).

En esta práctica se trabajará con muy baja tensión, lo que puede considerarse como “tensión de seguridad” y permitirá un trabajo más relajado al estudiante.

Objetivos:

1. Comprobación de los terminales correspondientes y relación con la disposición física de los devanados.

2. Comprobar la relación entre el sentido del devanado real, los terminales correspondientes y los desfases observables en las tensiones en los devanados.


Osciloscopio, generador de funciones y componentes (bobinas acopladas con núcleo de ferrita, resistencias y condensadores).

Descripción de la práctica:

En este apartado se van a determinar los terminales correspondientes de dos bobinas acopladas. Esta determinación se realizará de tres formas diferentes:

- por inspección de los devanados, aplicando de la “regla de la mano derecha”, - visualizando el desfase de las tensiones mediante el osciloscopio, y

- midiendo las tensiones entre sus terminales al conectar las bobinas en serie, asociándolas de diversas formas atendiendo a los terminales correspondientes.


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3. Estudio de bobinas acopladas: medida de sus parámetros eléctricos en R.E.S. y con onda cuadrada.

Esta práctica complementa la anterior, permitiendo medir los parámetros de inductancia de la bobina. Partes en las que se divide esta práctica:

1. Cálculo de las autoinducciones de las bobinas acopladas.

2. Cálculo de la inductancia mutua.

3. Visualización de las bobinas en régimen transitorio.

Objetivos:

Esta práctica permite revisar gran parte de los conceptos estudiados en la asignatura, entre los que destacan:

1. Bobinas acopladas y comportamiento en régimen estacionario sinusoidal.

2. Utilización de puentes para medida: equilibrio e independencia de la frecuencia.

3. Régimen no sinusoidal (se utilizará una onda triangular de intensidad).


Osciloscopio, generador de funciones y componentes (los de la práctica anterior). Conviene que las inductancias de las bobinas sean del orden de decenas de mH, ya que valores más pequeños harían necesario utilizar frecuencias elevadas y con éstas pueden presentarse efectos capacitivos “parásitos” que perturben las medidas.

Comentarios acerca de la práctica:

Para calcular la inductancia de una bobina se pueden seguir múltiples procedimientos, algunos de ellos poco prácticos pero de interés teórico. A continuación se citan algunos:

• Medida de la impedancia (cociente U/I) a diversas frecuencias. • Comparación de tensiones en asociaciones L-R o L-R-C. • Utilización de puentes de medida. • Medición de la constante de tiempo con señal cuadrada. • Medida de la tensión en una bobina con señal triangular de

intensidad. Aquí, para la medida de las inductancias propias se han seleccionado dos de estos métodos, aunque se utilizará preferentemente uno sólo: el conocido como de comparación de tensiones, basado en la comparación de la caída de tensión en los dos componentes de un circuito L-R serie y la utilización de un puente de medida (el puente de medida se utilizará aquí para comprobar la inductancia mutua).


Curso 2010 -‐ 2011 Cuando un circuito L-R serie es recorrido por una intensidad de corriente alterna sinusoidal de frecuencia f, se tiene que la caída de tensión en la resistencia es proporcional al valor de la resistencia mientras que la caída de tensión en la bobina lo es a la frecuencia de la señal y al valor de la inductancia de dicha bobina. Cuando ambas caídas de tensión son iguales, también lo serán resistencia y reactancia. Por lo tanto, al ser conocido el valor de la resistencia y la frecuencia de la señal, entonces se calcula la inductancia. En esta práctica es importante que los conductores sean lo más cortos posibles, salvo que se trate de cables coaxiales.

El puente de medida utiliza dos ramas reactivas con resistencia en serie, dispuestas en paralelo entre sí. La rama R-L contiene la bobina que se desea medir y se dispone en paralelo con una rama C-R de capacidad conocida, pero deben asociarse los elementos de tal forma que el equilibrio en el puente sea independiente de la frecuencia. Una vez más, es importante que la longitud de los conductores sea la menor posible.

Se apreciará que el primer método depende de la frecuencia mientras que el segundo no.

Por otro lado, la asociación en serie ambas bobinas acopladas puede realizarse “en fase” o “en contrafase”, atendiendo a cómo se conecten los terminales correspondientes de ambas bobinas, resultando que la inductancia Leq del conjunto serie tiene diferente valor. En el primer caso vale:

Leq = L1 + L2 + 2·M

mientras que en el segundo caso vale: L'eq = L1 + L2 – 2·M

Por tanto, midiendo en ambos casos la inductancia equivalente del conjunto se puede calcular la inductancia mutua.

Finalmente se pide calcular el coeficiente de acoplamiento.


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4. Estimación de los parámetros del modelo de una bobina real: bobina con núcleo ferromagnético.

Determinar el modelo de una “reactancia” de iluminación. Realizar las medidas de tensión, intensidad y potencia en dicho componente.

Conocimientos necesarios: Utilización de diagramas fasoriales para analizar circuitos RLC simples;

comportamiento de una bobina ideal (inductancia pura) con excitaciones continua y sinusoidal;

comportamiento de una bobina real (inductancia y resistencia del cobre) con excitación sinusoidal;

comportamiento de una bobina real (inductancia, resistencia del cobre y resistencia equivalente a la disipación en el hierro) con núcleo ferromagnético con excitación sinusoidal;


voltímetro, amperímetro, vatímetro y componentes eléctricos.

Introducción teórica:

• Bobinas ideales En el apartado §2.4 (pág. 53) del libro de texto se estudian las bobinas ideales frente a una excitación cualquiera, siendo la relación fundamental que liga a la tensión en la misma con la intensidad que la recorre la expresión (2.25), derivada de la ley de Faraday:

Por tanto, si una bobina se somete a una corriente constante la tensión entre sus extremos será nula, lo que equivale a que se comporte como un cortocircuito. Recuerde que esto no quiere decir que no exista flujo o campo magnético en el núcleo sino que su variación es nula. Por tanto, si la bobina conduce una corriente eléctrica de intensidad I resulta que almacenará una cantidad de energía de valor:

y esa energía debe liberarse sobre el resto del circuito, lo que puede dar lugar a un transitorio indeseado si se intenta interrumpir bruscamente la corriente en la bobina. Con excitación alterna la potencia activa absorbida por una bobina ideal es nula (es la media de la potencia instantánea) porque almacena energía durante una parte del período de la señal alterna y lo devuelve durante otra parte; de hecho, absorbe energía durante los cuartos de ciclo en los que la tensión y la intensidad tienen el mismo signo y la devuelve al circuito durante los otros demás cuartos de ciclo.

De todo esto puede deducirse que una bobina ideal:


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• No presenta caída de tensión con excitación continua aunque sí almacena energía en forma de flujo magnético.

• Con excitación alterna presenta una caída de tensión determinada por (2.25) pero no absorbe potencia activa.

• Bobinas reales

Una bobina real está formada por un arrollamiento de N espiras de un material conductor, que habitualmente es cobre. Por tanto, al analizar el comportamiento de esta bobina se debe tener en cuenta la resistencia óhmica del devanado además de su inductancia. Esto motiva que se hable de bobina ideal cuando se desprecia dicha resistencia y de bobina real cuando sí se tiene en cuenta. Además existe otra diferencia notable entre las bobinas ideales y aquellas de las reales que se fabrican utilizando un núcleo ferromagnético: estas últimas presentan un comportamiento fuertemente no lineal, aunque para simplificar su estudio a menudo se utilizan valores medios de las características y se supone un comportamiento lineal. En estos casos es importante el comprender este hecho y tenerlo en cuenta si los cálculos realizados con un modelo lineal no permiten describir satisfactoriamente el comportamiento del dispositivo modelado.

Bobina ideal

Con núcleo no ferromagnético. Bobinas: { Bobina real: { Con núcleo ferromagnético.

Ahora la caracterización físico-matemática de la relación existente entre la corriente que recorre una bobina real y la tensión entre sus extremos es:

donde R0 es la resistencia óhmica de los devanados al paso de la corriente alterna. Si esta bobina se somete a una corriente continua, entonces no habrá caída de tensión inductiva pero sí habrá una tensión debida a dicha resistencia óhmica. Por eso, con excitación continua la anterior relación se simplificará, expresándose como:

k es un factor menor que la unidad y que se debe al efecto pelicular. El efecto pelicular consiste en que el radio efectivo de conducción de un conductor se reduce, realizándose la conducción preferentemente por el material inmediato a la superficie del conductor. Este efecto depende de la frecuencia y del diámetro del conductor, aumentando mucho con la frecuencia. Afortunadamente su efecto a frecuencia de red (50Hz) es despreciable, para conductores de muy poca sección (menores de 8mm de radio), resultando en estos casos que es k=1. El circuito eléctrico ideal (conocido como modelo) que se utiliza para analizar una bobina real es el que se muestra a continuación, donde se asocian en serie una bobina ideal, de inductancia L, y una resistencia de valor R0.


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Si se mide la potencia activa absorbida por una bobina real, en excitación sinusoidal, se encuentra que no es nula y que su valor coincide con el disipado por la resistencia óhmica de los devanados:

Otra cuestión a tener en cuenta consiste en que una bobina real puede comportarse, a efectos prácticos, como una bobina ideal o como una resistencia, dependiendo del número de espiras y de su sección. Así, si se devanan muchas espiras de mucha sección puede ocurrir que la caída de tensión en alterna debida a esa resistencia sea despreciable frente a la caída de tensión debida a la inductancia resultando que la bobina se comporta como ideal. Por el contrario, si se utiliza hilo de muy poca sección y se realizan pocas espiras, puede suceder que la bobina se comporte como una resistencia.

• Núcleo ferromagnético

Una bobina real puede poseer un núcleo no ferromagnético (aire en la mayoría de los casos) en cuyo caso su comportamiento es lineal y su estudio se reduce, como ya se ha comentado, a identificar el valor de la resistencia óhmica de los devanados y el de la inductancia de la bobina.

El análisis se complica cuando la bobina posee un núcleo ferromagnético pues su comportamiento difiere del de una simple resistencia en serie con una inductancia: la potencia activa absorbida por una bobina de núcleo ferromagnético es mayor que la disipada en la citada resistencia óhmica derivada del conductor de cobre de su devanado. Además, esa potencia activa “extra”, PX, que depende del núcleo de hierro, no es despreciable en general:

Por este motivo el modelo eléctrico anteriormente utilizado para describir una bobina real de núcleo no ferromagnético no sirve el caso de una bobina real con núcleo ferromagnético. Para realizar cálculos con un modelo que sea adecuado debe cumplirse la condición de que las medidas realizables sobre la bobina real coincidan con los resultados obtenidos de los cálculos que se puedan hacer con dicho modelo.

El modelo más habitual consiste en utilizar una resistencia R0 en serie con un circuito R-L paralelo constituido por una bobina L y una resistencia RFe, que tiene por objeto disipar esa potencia extra que depende del núcleo ferromagnético; dicho modelo es el mostrado en la figura siguiente.


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Es importante comprender que la resistencia RFe es ficticia y sólo se incluye en el modelo para que absorba, en los cálculos eléctricos, una potencia activa igual a la medida experimentalmente. De hecho su valor debe ser tal que se cumpla la siguiente relación:

El valor de la resistencia RFe depende del material utilizado en el núcleo y de la mecanización del mismo ya que depende de dos tipos de “pérdidas” o potencias disipadas. Una de estas pérdidas es conocida como pérdidas por histéresis y depende del material empleado. Otra de las pérdidas se debe a corrientes inducidas en el propio núcleo ferromagnético (ya que en general ese material es conductor) y se conocen como pérdidas por corrientes de Foucault que pueden reducirse laminando chapas de poco espesor, aislándolas entre sí y orientándolas convenientemente. Además, como ambas pérdidas sólo se producen bajo excitación alterna, esta resistencia desaparece del modelo si esa bobina se conecta a corriente continua.

Para estimar los parámetros de este modelo se suele hacer una medida sobre la bobina real en corriente continua y luego se miden, en alterna: la tensión aplicada a la bobina, la corriente que circula por ella y la potencia activa que absorbe. Con esos valores se calculan los parámetros R0, RFe y L de dicho modelo.

Este modelo, para una bobina con núcleo ferromagnético se utiliza para describir muchos elementos reales. Uno de estos casos es el de la reactancia de iluminación en el que los valores de ambas resistencias son considerables. Otro caso de utilización de este modelo lo constituye el primario de un transformador y que permite determinar la magnetización del núcleo; en este caso el valor de la resistencia de los devanados suele ser muy inferior (puede llegar a ser miles de veces inferior) a la resistencia equivalente a las pérdidas en el hierro.

Descripción de la práctica: 1. En primer lugar se conecta la reactancia a una fuente de tensión continua1, una fuente

regulable de laboratorio, a través de un conjunto de voltímetro y amperímetro, para obtener los valores I, U y P manejados por esa reactancia bajo este tipo de excitación. Para estimar la potencia absorbida se utilizarán los valores medidos de U e I, pero es conveniente realizar tres medidas a diferentes tensiones para realizar el ajuste.

2. A continuación se conecta a una fuente de tensión alterna, que en este caso es la tensión de red, a través de un conjunto de voltímetro, amperímetro y vatímetro, para obtener los valores I, U, S, P, Q y cosφ manejados por esa reactancia. Para ello se

1 MUY IMPORTANTE: cuando se utilice tensión continua debe tenerse mucho cuidado con la desconexión

y con el tiempo que permanezca conectada la bobina a la fuente. En el primer caso se debe poner a cero la tensión de

la fuente antes de desconectarla para evitar su destrucción debido a la sobretensión de desconexión que se produce

en la bobina. En el segundo caso debe realizarse la medida lo más rápidamente posible pues la bobina se calienta

muchísimo en continua.


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conectarán los instrumentos a la reactancia y posteriormente a la tensión de red. Dependiendo del vatímetro utilizado es posible que se deba realizar alguna de las dos configuraciones que se muestran a continuación. También es probable que ese instrumento permita obtener las lecturas de tensión aplicada, intensidad circulante además de la potencia activa absorbida.

3. Con estos valores se deben estimar los parámetros del modelo.


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5. Cálculo del factor de potencia de un circuito con bobina real y su compensación.

En esta práctica se debe implementar un circuito real muy habitual en aplicaciones domésticas como es el formado por un fluorescente y sus elementos auxiliares. Uno de estos elementos es la “reactancia” cuyo modelo se ha determinado en la práctica anterior.

Objetivos:

Determinar un modelo para un fluorescente conectado a la reactancia anterior. Realizar las medidas de tensión, intensidad y potencia en cada componente de dicho circuito. Calcular el factor de potencia de este circuito y realizar su compensación.


Análisis de un circuito inductivo bajo excitación sinusoidal.

Factor de potencia de un circuito bajo excitación sinusoidal.

Compensación del factor de potencia.


Voltímetro, amperímetro, vatímetro y componentes eléctricos. Introducción teórica:

• Comportamiento de un tubo fluorescente

Un fluorescente es un dispositivo de iluminación que contiene un gas y un recubrimiento fosforescente. Por lo tanto su comportamiento inicial es el mismo que un dieléctrico circulando a su través una corriente muy pequeña, pero que no da lugar a que se emita luz. Sin embargo, cuando la tensión a la que se somete a un fluorescente supera un determinado valor, se produce la ionización en cadena del gas, pasando de comportarse como un aislante a hacerlo como un conductor en el que su resistencia decrece a medida que aumenta la corriente circulante. Así, un fluorescente, al igual que cualquier lámpara de descarga, se comporta como una resistencia negativa no lineal, esto es, cuando aumenta la intensidad se reduce la tensión y es no lineal pues la relación u/i tampoco lo es. Por tanto si se conecta directamente un fluorescente a una fuente de tensión el dispositivo se destruye porque la corriente aumenta sin límite hasta sobrepasar el valor máximo que soporta. Debido a este comportamiento hay que introducir en serie un dispositivo eléctrico externo que se encargue de limitar dicha corriente y de ello se encarga una bobina (conocida comercialmente como reactancia de iluminación). Además, son necesarios otros elementos auxiliares que deben encargarse de producir una sobretensión inicial de “cebado” del gas pues en caso contrario éste se comporta como un aislante al ser dieléctrico.


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• Cebado del fluorescente

Para cebar el fluorescente, o sea, para obtener la ionización inicial, se hace circular una corriente a través de la propia bobina limitadora (o reactancia) y de dos filamentos de caldeo situadas en los extremos del fluorescente interrumpiéndola bruscamente, a continuación. Esta interrupción da lugar a una sobretensión a través del gas que lo ioniza e inicia el comportamiento como resistencia negativa. El dispositivo que logra la interrupción es el denominado cebador que está constituido por un interruptor de “apertura automática” que abre el circuito unos instantes después de ser sometido a tensión. El esquema del conjunto es el que se muestra a continuación.

Filamento Filamento


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6. Determinar la relación de transformación de un transformador real y sus terminales correspondientes.

Los transformadores son unos de los dispositivos electrotécnicos de mayor interés. Se utilizan para cambiar las características de tensión de la energía que se suministra a un circuito. Una de sus principales características es la relación de tensiones, además de la fase de la tensión de uno de los devanados con respecto al otro.

Objetivos:

El primer objetivo es el de calcular la relación de transformación de tensiones de un transformador monofásico, en vacío. En la segunda parte se deben determinar los terminales correspondientes.


terminales correspondientes en bobinas acopladas;

comportamiento de una bobina real con excitación sinusoidal; relación de transformación;


multímetro, vatímetro y componentes eléctricos.


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7. Estudio de un transformador real funcionando en vacío. Estimación del modelo de su primario. Transitorio de conexión.

Objetivos:

Realizar la deducción del modelo del primario de un transformador real (se conoce como ensayo de vacío del transformador). Observar en el osciloscopio la forma de onda de la corriente de vacío. Registrar el transitorio de conexión y compararlo con el teórico. Nota importante: el manejo del osciloscopio lo realizará el monitor encargado de las prácticas.


comportamiento de una bobina real con excitación sinusoidal (véase la teoría de la práctica nº 1) y transitorios de primer orden en circuitos R-L.


multímetro, vatímetro, osciloscopio y componentes eléctricos.


El ensayo de vacío, como se lo conoce en la disciplina de Máquinas Eléctricas, no es otra cosa que la identificación de los parámetros del modelo de la bobina primaria cuando está conectada a la tensión especificada pero el secundario o secundarios se encuentran en vacío, esto es, cuando no hay nada conectado a dichos terminales.

Se apreciará que en vacío o a muy pequeña carga, un transformador real se comporta como un transformador ideal a cuyo primario se conecta, en paralelo, una bobina real. La misión de esta bobina es la de “producir” el flujo necesario en el núcleo del transformador (recuérdese que un transformador ideal no necesita de ninguna corriente para crear un flujo variable que genere la tensión transformada en el secundario). De esta forma el comportamiento eléctrico del transformador real y de este modelo idealizado es idéntico para un funcionamiento en vacío (en la asignatura de Máquinas Eléctricas se verá que este modelo es insuficiente para analizar el comportamiento de un transformador real a cualquier régimen de carga, y en la asignatura de Electrónica de Potencia o Industrial se verá que incluso se debe complicar todavía más el circuito equivalente para analizar los transformadores de pulsos).


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8. Medidas en un circuito trifásico y compensación de su factor de potencia.


conexión de cargas a un sistema trifásico;

vatímetros: forma de conexión y utilización.


Generador trifásico,

bombillas y motor trifásico (actuará como carga), voltímetro,

amperímetro, vatímetros y

componentes eléctricos.


Esta práctica consta de dos partes, la primera se realizará con elementos resistivos (bombillas de incandescencia) mientras que la segunda se realizará con un motor eléctrico trifásico, que se modelará como una asociación L-R serie en cada fase. Sobre esta última carga se calculará el factor de potencia (con el motor en vacío debería estar comprendido entre el 0,2 y el 0,6 inductivo).

En la primera parte, deben conectarse las cargas tanto en estrella como en triángulo, para comprobar las consecuencias de esos tipos de conexión.

En la segunda parte, tras calcular el factor de potencia de esa carga (el motor) se procederá a su compensación calculando el banco de condensadores y comprobando el resultado obtenido.

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