tipos de instrumentos

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DEPTO. DE CONVERSIN Y TRANSPORTE DE ENERGA

CT-4381

LABORATORIO DE CONVERSIN DE ENERGA I

INFORME PRCTICA N 1:

TIPOS DE INSTRUMENTOS

Rubn Armas 08-10069 Wendy Galarza 08-10392 Natalie Guilln 08-10504 Anthony Bujosa 09-10116

Jos Macas 09-10466

Sartenejas

Octubre, 2012

2

RESUMEN

La primera prctica del laboratorio de Conversin de Energa I, tuvo como propsito el

indagar las caractersticas de los principales instrumentos de medicin, tanto analgicos como

digitales, y observar su funcionamiento para las ondas y seales que se estudiarn en el resto del

curso.

Los valores RMS de las seales (caractersticas de suma importancia para las ondas a

estudiar), se obtuvieron con precisin en el instrumento analgico de hierro mvil y en el

instrumento digital con true RMS. Ya que las seales no fueron sinusoides perfectas, ni los

instrumentos de bobina mvil rectificada ni el multmetro ofrecieron resultados acertados en la

medicin. De antemano, se saba que el instrumento de bobina mvil slo es utilizado para

mediciones en corriente directa, en las pruebas hechas slo fue capaz de dar el valor promedio

de la onda sinusoidal.

Gracias al osciloscopio se pudieron ratificar los resultados tericos obtenidos para el

circuito que se estudi. Adems se conoci con precisin las potencias manejadas en los

distintos elementos del circuito, medicin que no se pudo hacer ni con el vatmetro, ni con las

medidas de los instrumentos de medicin previamente citados.

Tambin se obtuvieron los armnicos para la seal sinusoidal de media onda y de onda

completa, gracias al estudio realizado en la herramienta computacional MATLAB;

observndose una gran cantidad de armnicas, incluso para la seal de onda completa. Gracias a

este estudio es importante concluir que para la medicin de estas ondas en el campo laboral, son

necesarias las mediciones de las ondas con instrumentos de hierro mvil, con TRUE RMS o con

osciloscopios.

3

2. INTRODUCCIN

Los objetivos previstos al inicio de esta prctica por ser la primera bsicamente consistieron

en familiarizarnos con el ambiente dentro del laboratorio, conocer la ubicacin de los

dispositivos de seguridad as como tambin el alcance de los mismos y por ltimo aprender a

reconocer los distintos tipos de instrumentos de medicin y su funcionamiento para as poder

realizar las mediciones de forma adecuada. Para cumplir este ltimo objetivo fue necesario un

estudio previo acerca de la construccin interna de los instrumentos ya que segn la disposicin

de sus partes se juzga cual de ellos es capaz de brindar valores medidos ms cercanos al valor

tomado como real o referencia, que en el caso expuesto es el obtenido del multmetro

electrnico de verdadero valor eficaz. Durante el trabajo de laboratorio utilizamos tanto los

instrumentos considerados adecuados como los inadecuados para cada medicin en el circuito

rectificador de media onda, adems nos apoyamos en la gran utilidad que significa poder

observar las seales de tensin y corriente en el osciloscopio para ubicar el valor medio y el

valor RMS y a su vez con estos ltimos calcular el factor de rizado y factor de forma, es

importante agregar tambin que estas seales nos permiten calcular la potencia instantnea en la

fuente y en la carga a partir de las seales de voltaje y corriente, para luego compararla con la

potencia obtenida por el vatmetro.

Se consideraron las normas y medidas de seguridad en todo momento, antes de la prctica

conociendo la limitacin de los equipos frente a las tensiones y corrientes que iban a ser

utilizadas y durante la prctica haciendo uso de un interruptor en el tablero que nos permiti

controlar en que momento deba o no deba energizarse el circuito.

4

3. METODOLOGIA

1) Con la ayuda de un hmetro digital se ajust el restato en un valor de 60 .

2) Para el montaje del puente rectificador de media onda monofsico no controlado, el cual se

muestra en la Figura 3.1, se utiliz uno de los 6 diodos de un puente rectificador trifsico, tal

como se muestra en la Figura 2.

Figura 3.1. Rectificador de media onda no controlado.

Figura 3.2. Puente rectificador trifsico

3) Se conect un ampermetro de hierro mvil, un voltmetro de bobina mvil y uno de hierro

mvil en las escalas 5 A, 100 V y 150 V respectivamente como se muestra en la Figura 3.3.

Figura 3.3: Conexin de instrumentos de medicin analgicos.

4) Se energiz el circuito y se tom dato de las mediciones de inters.

5) Se invirti la polaridad de los instrumentos, tomando dato de la lectura de los mismos.

6) Se des energiz el circuito.

5

7) Se conect un ampermetro de bobina mvil, un voltmetro de hierro mvil y uno de bobina

mvil en las escalas 5 A, 150 V y 100 V respectivamente como se muestra en la Figura 3.4.

Figura 3.4. Conexin de instrumentos de medicin analgicos.

8) Nuevamente se energiz el circuito y se tom dato de las mediciones de inters.

9) Se invirti la polaridad de los instrumentos y se tom dato de la lectura de los mismos.

10) Se apag el circuito.

11) Se conect un ampermetro y dos voltmetro de bobina mvil rectificada en las siguientes

escalas: 0-6 A, 0-250 V respectivamente.

Figura 3.5. Conexin de instrumentos de medicin analgicos.

12) Se repitieron las mediciones de voltaje (en la carga y la fuente) y corriente mostradas con

anterioridad, utilizando en esta oportunidad instrumentos de medicin digitales, entre estos

un multmetro y un TrueRMS conectndolos como se muestran en la Figura 3.6. Cabe

destacar que en esta parte no fue necesario interrumpir el circuito para obtener las

mediciones de corriente, ya que los instrumentos utilizados contaban con pinzas

amperimtricas.

6

Figura 3.6. Conexin de instrumentos digitales (multmetro y True RMS).

13) Se energiz el circuito y se tom dato de las mediciones obtenidas con los instrumentos.

14) Se des energiz el circuito y se retiraron los instrumentos digitales.

15) Se conectaron tres canales del osciloscopio para obtener las medidas de tensin (tanto en la

carga como en la fuente) y de corriente como se muestra en la Figura 3.7.

Figura 3.7. Conexin del osciloscopio digital

16) Se ajustaron las escalas de tiempo, de amplitud y la ventana de muestreo adecuadamente

para tomar las medidas deseadas.

17) Se guardaron en un pendrive las grficas de corriente y voltaje, obtenidas con el

osciloscopio, como un arreglo Csv para ser utilizadas posteriormente para el clculo de la

potencia instantnea y la potencia promedio por ciclo.

18) Se midi la potencia promedio por ciclo del circuito (generada y consumida), utilizando un

vatmetro analgico de hierro mvil en las escalas de 5 A en la bobina amperimtrica y 120

V en la voltimtrica. Y conectado como se muestra en la Figura 3.8.

19) Se multiplic la medida de potencia obtenida en el paso anterior por un factor de 5,

conforme a la leyenda del instrumento.

7

Figura 3.8. Conexin del vatmetro analgico para medicin de potencia generada.

Figura 3.9. Conexin del vatmetro analgico para medicin de potencia consumida por la carga.

Finalmente se apag el circuito y se desconect una vez que se baj el interruptor principal

de la lnea.

8

4. RESULTADOS

Mediciones

Regulares

Vfuente

(V)

Vcarga

(V)

Valor

Terico (V)

Error

(%)

Icircuito

(A)

Valor

Terico (A)

Error

(%)

Bobina Mvil 0 57 56,72 0,493 1 0,945 5,82

Bobina Mvil

Rectificada 131 66 92,63 28,74879 1,1 15,438 28,7

Hierro Mvil 126 88 89,09 1,223482 1,4 14,849 5,72

Multmetro

Digital 126 68,5 89,09 23,11146 1,12 14,849 24,6

True RMS 126,3 88,8 89,3 0,55991 1,49 14,885 0,1

Osciloscopio 127 85 89,8 5,345212 1,32 14,967 11,8

Tabla 4.1.- Mediciones de tensiones y corrientes realizadas en el laboratorio.

Nota: Los valores tericos se calcularon tomando como voltaje de la fuente el presente en el

laboratorio al momento de la prctica.

Polaridad Invertida Vfuente (V) Vcarga (V) Icircuito (A)

Bobina Mvil

Rectificada 131 66 1.1

Hierro Mvil 126 (150V) 88 (150V) 1.1A (5A)

Tabla 4.2.- Mediciones de tensiones y corrientes con instrumentos con polaridad invertida.

Pfuente 130 W

Pcarga 130 W

Tabla 4.3.- Potencias medidas con el Vatmetro.

9

Figura 4.1.- Voltaje de la fuente (distintas ventanas de muestreo).

Figura 4.2.- Voltaje de la carga (distintas ventanas de muestreo).

Figura 4.3.- Corriente de la carga (distintas ventanas de muestreo).

-0.102 -0.1 -0.098 -0.096 -0.094 -0.092 -0.09 -0.088

-100

0

100

t (s)

Vf

(V)

Ventana de muestreo 15 ms

-0.1 -0.095 -0.09 -0.085

-100

0

100

t (s)

Vf

(V)

Ventana de muestreo 16.7 ms

-0.1 -0.095 -0.09 -0.085

-100

0

100

t (s)

Vf

(V)


-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

-100

0

100

t (s)

Vf

(V)


-0.102 -0.1 -0.098 -0.096 -0.094 -0.092 -0.09 -0.088

0

50

100

150

t (s)

Vc (

V)


-0.102 -0.1 -0.098 -0.096 -0.094 -0.092 -0.09 -0.088 -0.086

0

50

100

150

t (s)

Vc (

V)


-0.1 -0.095 -0.09 -0.085

0

50

100

150

t (s)

Vc (

V)


-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

0

50

100

150

t (s)

Vc (

V)


-0.102 -0.1 -0.098 -0.096 -0.094 -0.092 -0.09 -0.088

0

0.5

1

1.5

2

2.5

t (s)

Ic (

A)


-0.1 -0.095 -0.09 -0.085

0

0.5

1

1.5

2

2.5

t (s)

Ic (

A)


-0.102 -0.1 -0.098 -0.096 -0.094 -0.092 -0.09 -0.088 -0.086 -0.084 -0.082

0

0.5

1

1.5

2

2.5

t (s)

Ic (

A)


-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

0

0.5

1

1.5

2

2.5

t (s)

Ic (

A)


10

Valor Medio Valor Efectivo THD

Factor de

rizado

Factor de

forma

Vf (15 ms) 7,2437 V 130,9078 V 16.303% 18,044 18,072

Vf (16.7 ms) 1,2862 V 125,5979 V 0.588% 97,645 97,650

Vf (20.8 ms) 23,6753 V 125,7805 V 41.673% 5,218 5,313

Vf (200 ms) 1,2921 V 125,7609 V 0.5429 % 97,325 97,330

Vc (15 ms) 61,4434 V 92,2436 V 34.004% 1,119 1,501

Vc (16.7 ms) 55,212 V 87,4816 V 43.945% 1,228 1,584

Vc (20.8 ms) 66,3612 V 95,7955 V 61.631% 1,042 1,444

Vc (200 ms) 55,3137 V 87,6163 V 43.6615% 1,228 1,584

Ic (15 ms) 0,8192 A 1,4224 A 34.215% 1,419 1,736

Ic (16.7 ms) 0,7159 A 1,3506 A 43.908% 1,600 1,887

Ic (20.8 ms) 0,9293 A 1,4974 A 57.466% 1,263 1,611

Ic (200 ms) 0,7182 A 1,3517 A 43.787% 1,594 1,882

Tabla 4.4.- Valores RMS, medios, THD, Factor de rizado y Factor de forma a travs de MATLAB.

Figura 4.4.- Potencias instantneas.

Por medio de la herramienta computacional MATLAB se obtuvo el valor promedio por

ciclo de la potencia que entrega la fuente, y de las potencias que consumen tanto la carga como

el diodo:

11

Pf 132,188 W

Pc 116,938 W

Pd 15,251 W

Tabla 4.5.- Potencias calculadas a travs de MATLAB.

Mediante la herramienta de FFT (Transformada Rpida de Fourier), se obtuvieron las

grficas de barras de las componentes fundamentales y las armnicas para la ventana de

muestreo de 200ms, para las seales de voltaje de fuente, voltaje de carga y corriente de carga.

Sin embargo, slo se realizaron las mediciones con la ventana de muestreo de 200ms,

esto permiti obtener 415 armnicos, que son ms que suficientes para ver el comportamiento

de la seal, ya que despus del armnico 30 las dems seales se pueden identificar como ruido.

El clculo de THD se realiz con la suma de los cuadrados de los valores RMS de los

armnicos, divididos entre la fundamental, tomando en cuenta los primeros 31 armnicos para

cada seal.

Figura 4.5: Espectro de Fourier de la seal del Voltaje en la fuente (distintas ventanas de muestreo).

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


12

Figura 4.6: Espectro de Fourier de la seal de la corriente de la carga (distintas ventanas de muestreo)

Figura 4.7: Espectro de Fourier de la seal del voltaje en la carga (distintas ventanas de muestreo)

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armonicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armonicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armonicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armonicas


Magnitud

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Armnicas

Magnitud


13

5. ANLISIS DE RESULTADOS

5.1 Rubn Armas

En las mediciones realizadas sobre el circuito se obtuvieron las mejores mediciones de

valores RMS (nico dato til de una onda que no es sinusoidal pura) tanto en los instrumentos

de medicin de hierro mvil como con el instrumento de medicin digital con true RMS. Los

errores en las mediciones con estos instrumentos con respecto a los valores tericos variaron

entre 0.1% y 5.72% [Tabla 3.1]; el porcentaje de error bajo que se obtuvo en estas mediciones

se debe a que estos instrumentos son diseados para medir, sin importar la forma de la onda, el

valor RMS de la misma. A diferencia de los instrumentos de bobina mvil (capaces de medir

slo el valor medio en una onda sinusoidal pura) y los de bobina mvil rectificada (capaces de

medir slo el valor RMS o medio en una onda sinusoidal pura), estos instrumentos sern de

gran utilidad para la realizacin de mediciones en el campo laboral; donde se presentan gran

cantidad de armnicos en las seales y los valores RMS de las mismas slo sern confiables si

son obtenidos de un instrumento con true RMS, con instrumentos de hierro mvil o de las

formas de ondas obtenidas con un osciloscopio.

En el caso del instrumento de bobina mvil, para ondas sinusoidales, slo se podr

verificar si su valor medio es cero (Caso del voltaje de la fuente [Tabla 3.1]). Sin embargo para

la corriente y el voltaje de la carga (Seales sinusoidales de medio ciclo), el instrumento de

bobina mvil present resultados que con respecto a los valores medios obtenidos con

MATLAB [Tabla 3.4] 39,68% y 3,23% de error respectivamente. Esto se debe a que el valor

que presenta el instrumento depende en gran parte del la inercia del indicador y que para seales

de 60Hz, en muchas ocasiones no marca con exactitud el valor medio. El gran error en la

corriente se debe a que el instrumento no tiene la sensibilidad para medir estas corrientes.

A partir de la tabla 3.2, se pudo determinar que la polaridad de los instrumentos de

medicin de corriente alterna, no afectan los resultados. Ya que estn diseados para obtener

informacin de seales que posean valores, tanto negativos como positivos.

En la realizacin de la medicin de la potencia, se determin que el vatmetro que se

tuvo disponible, no posea la sensibilidad que se requera para las mediciones; por lo que la

potencia activa entregada por la fuente y consumida por la carga resultaron ser iguales (130W),

a pesar del consumo de potencia del diodo. La medicin fue realizada con el vatmetro ya que

14

mediante la multiplicacin de los valores RMS de las seales de tensin y corriente (obtenidos

con cualquiera de los instrumentos de medicin) se propagara el error de las mediciones

entregando resultados distorsionados.

Las medidas con el osciloscopio resultaron ser las ms tiles de todas, ya que gracias a

ellas y a la herramienta computacional MATLAB, se lograron corroborar los resultados tericos

en cuanto a la potencia y los valores RMS y medios de las seales. Adems permiti obtener la

potencia consumida por el diodo (15,251W) que por la sensibilidad de los instrumentos de

medicin usados antes que el osciloscopio fue imposible.

A pesar de que slo se hicieron las mediciones con una ventana de muestreo de 200ms

(bsicamente suficiente informacin ya que el osciloscopio daba 10240 puntos por ventana de

muestreo), se mostraron las grficas [Figura 3.3] aproximadas para las distintas ventanas de

muestreo, que dependiendo de la cantidad de ms a muestrear, se obtienen resultados distintos en

cuanto a nmero y amplitud de armnicos se refiere. Para los estudios que nos competen, 10240

puntos con una ventana de muestreo de 200ms (un t=2E-5, una Fmuestreo=50kHz, una

FNyquist=25kHz y por lo tanto 415 armnicos) es una ventana de muestreo ms que suficiente

para obtener todas las caractersticas de la seal. Sobre todo tomando en cuenta que despus del

armnico 31, aproximadamente, el resto comienzan a representar ruido. Al no tomar resultados

en ciclos enteros (Cmo con 20.8ms 15ms), los valores de los armnicos se desvirtan.

5.2 Wendy Galarza

En la prctica se estudi el comportamiento de instrumentos de medicin como hierro

mvil, bobina mvil, bobina mvil rectificada, multmetro digital, TRUE RMS y osciloscopio

digital para el estudio de corrientes, voltajes, potencias entre otros.

La primera medicin en simultneo fue la corriente con un ampermetro de hierro mvil,

voltaje en la fuente con un voltmetro de bobina mvil y voltaje en la carga con un voltmetro

de hierro mvil. Como se observa en la tabla 4.1, la corriente obtuvo un valor de 1,4 A y

tericamente 1,4849 A resultando un error de 5,72%; dicha medida fue bastante precisa puesto

que los instrumentos de hierro mvil miden el valor RMS de cualquier seal y adems son los

recomendados cuando la seal presenta distorsin armnica. Por otro lado la medicin del

15

voltaje en la fuente fue cero, lo cual es correcto porque el instrumento de bobina mvil mide

valores promedios y la seal de voltaje en la fuente es una onda peridica sinusoidal (el valor

medio de funciones peridicas sinusoidales es cero). Seguidamente la tensin en la carga

result ser 88 V y el valor terico fue 89,09 V, arrojando un error bajo de 1,223482% que

podra explicarse por el funcionamiento del instrumento de hierro mvil mencionado antes.

La segunda medicin en simultneo fue corriente con un ampermetro de bobina mvil,

voltaje en la fuente con un voltmetro de hierro mvil y voltaje en la carga con un voltmetro de

bobina mvil. En la tabla 4.1 se observa que el valor de la corriente obtenido en este caso fue de

1 A y el esperado era 0,945 A en cual hubo un error de 5,82 % siendo este pequeo pues el

valor terico calculado fue el valor medio. Para esta segunda medicin si se obtuvo voltaje en la

fuente, result ser 126 Vrms y cabe acotar que en los clculos se trabaj con 120 Vrms y

adems antes de energizar haba un voltaje de 0.98 Vrms. El voltaje en la carga en la prctica

fue de 57 V y el valor medio terico de 56,72 V, el cual arroj un error del 0,493 %.

La tercera medicin en simultneo fue corriente con un ampermetro y voltaje tanto en la

fuente como en la carga con voltmetros de bobina mvil rectificada. En la tabla 4.1 se puede

apreciar que la corriente en la prctica fue de 1,1 A y el valor esperado era 1,5438 A, en el cual

se obtuvo un error de 28,7%. Seguidamente el voltaje en la fuente fue de 131 V y el voltaje en

la carga de 66 V y se esperaba 92,63V, el mismo arroj un error del 28,74879%. Cabe acotar

que los instrumentos de bobina mvil rectificada estn diseados para la medicin de seales

AC en el tiempo, mide valores eficaces usando el valor promedio de la onda rectificada, si la

seal es sinusoidal pura; en este caso se puede apreciar en las figuras 4.2 y 4.3 que las seales

no son sinusoidales puras. Debido a este ltimo anlisis se explica el por qu los errores de estos

instrumentos fueron los ms altos.

Luego se invirti la polaridad de los instrumentos en todas las mediciones nombradas

anteriormente y se obtuvo los mismos resultados de voltaje y corriente en los instrumentos de

hierro mvil y bonina mvil rectificada (Ver tabla 4.2) ya que estos miden seales AC y no

importa la polaridad. En cambio, la aguja del voltmetro de bobina mvil deflect en direccin

contraria a la que fue diseada sin arrojar ninguna medicin debido a que no es posible.

A continuacin se repitieron mediciones de corriente y voltaje (en la carga y la fuente) con

instrumentos digitales. En la tabla 4.1 se puede apreciar que con el multmetro digital la

16

corriente fue de 1,12 A y se esperaba 1,4849 A, en la cual se obtuvo un error de 24,6%. El

voltaje en la fuente fue 126 V, en la carga 68,5 V y se esperaba 89,09 V, el cual arroj un error

del 23,11146%. Estos errores considerables podran explicarse debido a que estos instrumentos

son diseados para medir el RMS de seales sinusoidales puras, y en este caso la seal de

corriente y de voltaje en la carga no presenta una forma sinusoidal pura como se observa en las

figuras 4.2 y 4.3.

Por otro lado con el TRUE RMS, se observa en la tabla 4.1 que el voltaje en la fuente fue de

126,3 V, el voltaje en la carga medido de 88,8V y se esperaba 89,03 V, el cual arroj un error

de 0,55991%. La corriente medida obtuvo un valor de 1,49 A y la esperada era 1,4885 A, el

cual alcanz un error de -0,1%. Se puede apreciar que estos valores son los ms cercanos a los

calculados tericamente, esto debido a que dicho instrumento tiene la capacidad de hacer

mediciones sin importar la presencia de distorsiones armnicas o el tipo de onda, es decir, es un

instrumento similar al de hierro mvil mencionado anteriormente.

En seguida con el osciloscopio se hicieron medidas de tensin (tanto en la carga como en la

fuente) y de corriente. Obteniendo una tensin en la fuente de 127 V, una tensin en la carga de

85 V siendo el valor terico 89,8 V; en el mismo se obtuvo un error del 5,345212%.La corriente

medida fue 1,32 A siendo la terica 1,4967 A obteniendo as un error de 11,8%. Dichas medidas

se hicieron para ser utilizadas posteriormente para el clculo de la potencia instantnea como se

puede observar en la figura 3.4; y la potencia promedio por ciclo en la tabla 3.4 que fueron

calculadas a travs de la herramienta MATLAB.

Por ltimo se midi la potencia promedio por ciclo del circuito (generada y consumida),

utilizando un vatmetro analgico de hierro mvil, en la tabla 4.3 se puede apreciar que la

potencia generada es igual a la potencia consumida (130 W), donde se concluye que la potencia

del diodo es igual a cero y esto debido a que el instrumento no posee la sensibilidad para medir

dicha potencia pues es pequea en comparacin con las otras. Sin embargo, estas potencias

fueron calculadas tericamente como se dijo en el prrafo anterior y se obtuvo la potencia

generada igual a 132,188 W, la potencia consumida 116,938 W y la potencia en el diodo no fue

cero sino que arroj un valor de 15,251 W ya que el diodo no es ideal sino que realmente posee

resistencia interna.

17

Por otra parte mediante la informacin del osciloscopio y la herramienta de FFT

(Transformada Rpida de Fourier), se realiz la descomposicin en series de Fourier de cada

onda tomando diferentes ventanas de muestreo. Se realizaron las mediciones con la ventana de

muestreo de 200ms, la misma permiti obtener 415 armnicos, los cuales son ms que

suficientes para ver el comportamiento de la seal, ya que despus del armnico 30 las dems

seales se pueden identificar como ruido. Donde se puede notar que mientras ms grande es la

ventana (200ms) ms precisa es la descomposicin. Esto se observa en las grficas 4.5, 4.6 y

4.7.

Finalmente con esta herramienta de MATLAB tambin se calcul el valor RMS, valor

medio, distorsin armnica, factor de rizado y factor de forma de la seal, los cuales daban

valores distintos de acuerdo a la variacin de la ventana de muestreo. Esto se debe a la

Transformada Rpida de Fourier, la cual al tomar ms muestras de la seal arroja valores ms

exactos. El clculo de THD se realiz con la suma de los cuadrados de los valores RMS de los

armnicos, divididos entre la fundamental. As, tomando en cuenta 31 armnicos se obtuvieron

los resultados mostrados en la tabla 4.4.

5.3 Natalie Guilln

En base a los resultados obtenidos de las mediciones efectuadas en el circuito

rectificador monofsico de media onda que se muestra en la figura 3.1 y que se ven reflejados

en la tabla de resultados nmero 4.1 que corresponde a las comparaciones entre valores

calculados y valores medidos en el laboratorio utilizando los instrumentos con su polaridad

convencional y en la tabla nmero 4.2 que corresponde al caso de polaridad invertida, se pueden

destacar los siguientes puntos:

Fue necesario ajustar el valor de la resistencia encargada de limitar la corriente

circulante por nuestro circuito rectificador para evitar que dicha corriente fuese

superior a 2A.

Los instrumentos de bobina mvil miden el valor promedio de las seales, es por

esta razn que en el caso que se midi la tensin entregada por la fuente alterna

se obtuvo cero, mientras que para la medicin realizada en la carga est presente

un valor distinto de cero ya que la misma slo aprecia una parte de la onda

alterna. Para poder medir dicha tensin result mas conveniente utilizar un

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voltmetro de hierro mvil, este instrumento mide el valor RMS con ms

precisin que el voltmetro de bobina mvil rectificada ya que este ltimo mide

RMS slo en seales sinusoidales centradas en cero donde se cumpla la relacin

Vrms=Vp/ , para comprobar esto se midi el valor pico con el osciloscopio y

al dividir entre se obtuvo un nmero que se aproxim mucho ms al valor

medido con el instrumento de bobina mvil rectificada que al valor medido con

el instrumento de hierro mvil, ocurre de igual manera para los ampermetros, la

mejor alternativa demostr ser utilizar el ampermetro de hierro mvil en cuanto

a los instrumentos analgicos.

Referente a las otras mediciones aplicadas al mismo circuito se agrega:

La data recolectada desde el osciloscopio, que contena las caractersticas de

todas las seales que medimos nos sirvi para hacer un estudio de los armnicos

de cada forma de onda registrada. Esto se hizo a travs de un cdigo

implementado en MATLAB. Se analiz el caso de los armnicos para distintas

ventanas de muestreo, y a medida que se iba aumentando el muestreo se hicieron

menos observables los armnicos mas grandes, y el armnico fundamental se

haca mas grande en magnitud.

En cuanto a las mediciones de potencia que se realizaron con el vatmetro

analgico, la potencia medida en la carga y la medida en la fuente result ser la

misma debido a que el instrumento no tiene sensibilidad para tomar la medida de

la potencia en el diodo ya que esta es despreciable comparada con la de la fuente.

Al calcular mediante MATLAB las potencias promedio por ciclo utilizando las

seales de voltajes y corrientes que medimos con el osciloscopio tanto en la

fuente como en la carga si se pudo apreciar la diferencia entre la potencia de la

fuente y la carga para hallar la potencia en el diodo, segn lo registrado sta

ltima representa el 11% de la potencia de la fuente.

19

5.4 Anthony Bujosa

Al utilizar el instrumento de bobina mvil para medir el voltaje de la fuente, se obtuvo

un valor nulo en la medida, ya que este instrumento es de corriente continua por diseo y al ser

utilizado en AC tiende al valor medio de la seal, la cul en este caso en particular es cero ya

que es una sinusoide simtrica respecto al eje x. En el caso de la medicin del voltaje y la

corriente en la carga, si se apreci un valor determinado ya que la forma de onda de dichas

seales son sinusoides truncadas y su valor medio es distinto de cero. A pesar de ser ste un

instrumento DC por diseo logra medir valores medios de seales AC con errores muy

pequeos. Sin embardo stas medidas son de muy poca utilidad.

Por otra parte, al utilizar el instrumento de bobina mvil rectificada para medir tanto la

corriente como el voltaje de la carga, se obtuvieron errores considerables con respecto a los

valores tericos ya que dicho instrumento est diseado para medir valores RMS de sinusoides

perfectas.

En la prctica, los instrumentos analgicos con menor error porcentual fueron los de

hierro mvil, siendo as los ideales para medir los valores efectivos de corriente y tensin en

circuitos en los cules se espera que haya distorsin en las formas de onda (armnicos).

El voltmetro digital tuvo resultados similares a los instrumentos de bobina mvil, razn

por la cual quedan descartados para realizar mediciones en presencia de armnicos.

En ltimo lugar, el instrumento que mejor resultado tuvo en las mediciones tanto de

corriente como de voltaje fue el TrueRMS con errores porcentuales entre 0.1 y 0.5.

Referente al vatmetro, se obtuvieron resultados distintos a los calculados con MATLAB

con la ayuda del osciloscopio, ya que el primero no cuenta con la precisin necesaria para

apreciar las prdidas de potencia en el diodo.

Por ltimo, cabe destacar la importancia del tamao de la ventana de muestreo al

momento de realizar una medicin, ya que esta influye (a travs de la frecuencia de muestreo)

en la cantidad de armnicos que podamos medir con precisin, en el THD, el factor de forma y

el factor de rizado como es de esperarse. Sin embargo, en sta prctica en particular, gracias a la

cantidad de puntos por ventana de muestreo que ofrece el osciloscopio del laboratorio, podemos

medir un numero sobredimensionado de armnicos casi independiente de la ventana de

muestreo.

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5.5 Jos Macas

Los datos obtenidos a partir de los instrumentos de bobina mvil son totalmente

despreciables al momento de querer obtener los valores reales del circuito, ya que, dichos

instrumentos son capaces slo de medir valores medios de las seales, lo cual los hace ideales

para trabajar con circuitos de corriente continua, mientras que nuestro circuito est alimentado

con corriente alterna. Por otra parte, los instrumentos de bobina mvil rectificada y multmetros

digitales si bien son capaces de medir valores RMS de tensiones y corrientes, slo lo hacen de

seales estrictamente sinusoidales. Por lo tanto en este caso tambin podemos despreciar los

resultados de dichos instrumentos, ya que, debido a la presencia de un elemento semiconductor

como lo es el diodo, las formas de onda de las variables dejan de ser sinusoides. No obstante,

con los instrumentos de hierro mvil al igual que con el TRUE RMS y el osciloscopio se

consigui tanto valores como formas de ondas bastante parecidos a los calculados en el

prelaboratorio, ya que estos aparatos tienen la capacidad de medir los valores RMS de una

seal, cualquiera que sea su forma (hierro mvil y TRUE RMS).

A partir de la Tabla 4.4. se pueden observar varios datos interesantes, comenzaremos

analizando Vf: se puede observar como el valor medio de la onda de 16.7 ms es 1,29 V lo cual

se puede atribuir a un voltaje de offset que quizs pudo haber sido incluido por un error de

medicin, en lo que se refiere a la distorsin armnica, como es lo esperado, las ondas de 16.7

ms y 200 ms resulta un THD menor al 1%, ya que son formas de ondas simtricas, mientras que

las ondas de 15 ms y 20.8 ms presentan un porcentaje de THD mayor, ya que no son totalmente

simtricas. Cuando analizamos Vc e Ic se observa que los valores de THD varan entre 30% y

60%, este porcentaje elevado se debe la presencia del diodo, que debido a su caracterstica

semiconductora restringe el semiciclo negativo de la corriente y por consecuencia el semiciclo

negativo del voltaje que cae sobre la carga.

Como se puede observar en la tabla 4.3 la sensibilidad del vatmetro no fue suficiente

para determinar con exactitud la potencia que suministraba la fuente ni la que consuma la

carga, por esta razn y con ayuda de la herramienta computacional MATLAB, se obtuvo la

forma de onda de las potencias instantneas de la fuente y la carga. A partir de estas dos seales

se obtiene la forma de onda de la potencia que consume el diodo, y calculando los valores

eficaces de todas las seales obtenemos las potencias promedios por ciclo de cada elemento

(Tabla 4.5). Se debe destacar que el diodo consume aproximadamente el 11.5% de la potencia

21

que entrega la fuente al circuito, esto es debido a la no idealidad del componente, ya que

tericamente no debera consumir potencia.

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5. CONCLUSIONES

En esta primera prctica se logr comprender el funcionamiento, precisin y utilizacin

de distintos tipos de instrumentos de medicin, tanto analgicos, como digitales. El instrumento

analgico de hierro mvil y el instrumento digital TRUE RMS, midieron con gran precisin los

valores RMS de corriente y voltaje en el circuito estudiado.

Los instrumentos de bobina mvil estn diseados para medir corriente directa. Sin

embargo, en las ondas sinusoidales que fueron estudiadas, por la inercia del deflector; el

instrumento sigui el valor promedio de las seales., siendo obtenidas con mrgenes de error

bajos.

En los instrumentos de hierro mvil y bobina mvil rectificada, no importa la polaridad

en la cual se coloque dicho instrumento puesto que miden seales alternas y siempre resultar el

mismo valor.

Los instrumentos de bobina mvil rectificada estn diseados para la medicin de

seales AC en el tiempo, mide valores eficaces usando el valor promedio de la onda rectificada,

slo si la seal es sinusoidal pura. El multmetro digital es un instrumento diseado para medir

el RMS slo de seales sinusoidales puras. Debido a que las seales no fueron sinusoides

perfectas, ni los instrumentos de bobina mvil rectificada ni el multmetro ofrecieron resultados

acertados en la medicin.

El osciloscopio aport una gran informacin del circuito, permiti la obtencin de las

formas de ondas de las seales de voltaje y corriente, as como tambin para el clculo de la

potencia media e instantnea del circuito. Tambin a travs de la herramienta de MATLAB y la

informacin aportada por este instrumento se pudo hacer uso de la transformada rpida de

Fourier donde se comprueba que mientras ms reducida sea la ventana de muestreo sobre la

seal mejor ser su reproduccin y clculo de armnicos, valor medio, valor eficaz, factor de

forma, factor de rizado y THD.

En la medicin de potencia, el vatmetro no brind la sensibilidad necesaria para

distinguir las potencias de la fuente y de la carga. En el clculo de las potencias en la

herramienta computacional MATLAB, se vio claramente que la potencia del diodo no era tan

despreciable, llegando a ser ms del 10% de la que aport la fuente al circuito.

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En el experimento realizado, los instrumentos ms acertados al valor estimado fueron el

de hierro mvil, TRUE RMS y el osciloscopio digital ya que realizan la medicin sin importar

el tipo de onda y la presencia de armnicos.

Finalmente, s se desea hacer una medicin en un circuito en el cul se espera que haya

distorsin en las ondas de corriente y voltaje (armnicos), ya sea por dispositivos electrnicos

de potencia o por cargas no lineales, los instrumentos ideales para dichas mediciones son los de

hierro mvil.

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6. BIBLIOGRAFA

Gua de Laboratorio de Conversin de Energa CT-4381. Universidad Simn Bolvar.

Departamento de Conversin y Transporte de Energa. Septiembre 2009.

Principles of Electrical Measurment, S Tumanski. Taylor & Francis. 2006.

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