1EXPERIMENTO DE LABORATORIO No.3 ENERGÍA REAL Y POTENCIA REACTIVA OBJETIVO 1. Interpretar el significado de energía positiva, negativa, real y reactiva. 2. Observar el flujo de la energía real y de la reactiva, en los circuitos trifásicos. ANALISIS En los circuitos de corriente directa, la energía real (en watts) suministrada a una carga siempre es igual al producto del voltaje y la corriente. No obstante, en los circuitos de corriente alterna, este producto es comúnmente mayor a la energía real (o activa) que la carga que consume. Por esta razón, se usan los wattímetros para medir la energía real (en watts). En los circuitos trifásicos, de tres alambres, de CA se necesitan dos wattímetros para medir la energía real, mientras que en los circuitos trifásicos de cuatro alambres se requieren tres. Estos medidores se combinan en un solo wattímetro de construcción especial, el cual simplifica mucho el problema de sumar las lecturas de dos o tres wattímetros, con el fin de obtener el potencial total trifásico. Un wattímetro común (figura 3-1) tiene tres terminales de entrada (1, 2, 3) y tres terminales de salida (4, 5, 6). WATTIMETRO TRIFASICO Si se conecta el wattímetro en una línea trifásica, como se muestra en la figura 3-1, mostrará la energía real total que está fluyendo en la línea. Si la energía de entrada hacia las de salida (de izquierda a derecha en la figura 3-1), la aguja del medidor se desviará hacia la derecha y la lectura será positiva. Sin embargo, si el flujo de energía es de derecha a izquierda, es decir, de las terminales de salida hacia las de entrada, la aguja se desviará hacia la izquierda y la lectura será negativa. Por lo tanto, la energía real es positiva o negativa, de acuerdo con su dirección de flujo. La dirección de flujo de energía se encontrará cuando se identifiquen las terminales de “entrada”. La energía reactiva es la energía asociada con la carga y descarga de los condensadores y el aumento y disminución de los campos magnéticos de los inductores, cuando forman parte de un circuito de corriente alterna. En virtud de que la energía (joules) en una bobina simplemente se vigoriza y decae, a medida que el campo magnético se aumenta y disminuye como respuesta a la corriente alterna que lleva, se concluye que no hay flujo de energía real en una bobina. Por otro lado, fluye una corriente a través de la bobina y aparece un voltaje a través de ella, de este modo cualquier observador supondrá que interviene alguna clase de energía, el producto del voltaje y la corriente en una bobina se llama energía reactiva y se expresa en vars o kilovars (kvar). Se requiere una energía reactiva para producir un campo magnético (alterno). Laboratorio de líneas de transmisión, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL el flujo de energía reactiva es de izquierda a derecha y el varímetro dará una lectura positiva. 2 De la misma manera. cuantifica con medidores apropiados llamados varímetros. En los circuitos trifásicos. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. el campo eléctrico (alterno) en un capacitor. como se ve en la figura 3-3. En los circuitos trifásicos de corriente alterna se comprenden muchos tipos de circuitos y dispositivos. 2. nunca se debe sumar o restar la energía real y reactiva. que sólo se hará visible. pero siempre se determina el flujo de la energía activa o reactiva introduciendo wattímetros y varímetros. Una impedancia Z forma parte de un circuito más grande (que no se muestra) y. debe reconocerse que la energía real y la reactiva fluyen independientemente entre sí. La energía reactiva. el medidor dará una lectura positiva. siempre que aparece. Inversamente. se conectan los wattímetros W1. 3) y tres de salida (4. Una de ellas no afecta a las otras. precisamente como la real. cuando se identifiquen las terminales de entrada del varímetro. W2 y los varímetros var1 y var2. Se supone que las terminales de entrada están a la izquierda de cada instrumento. obviamente. La figura 3-2 ilustra un medidor de ese tipo. Debido a la abrumadora pre ponderación de los dispositivos electromagnéticos (como opuestos a los dispositivos electroestáticos). por medio de una llave de inversión adecuada. Con un wattímetro se encontrará fácilmente la dirección del flujo de energía reactiva. UANL . El ejemplo de la figura 4 ilustrará cómo interpretar algunas lecturas típicas. el cual posee tres terminales de entrada (1. si el flujo de energía reactiva es de las terminales de salida hacia las de entrada. 5. se obtendrá una lectura negativa. para dar una lectura del flujo total de energía reactiva. también requiere una energía reactiva. a cada lado. Los medidores dan las lecturas siguientes: W1 = + 70 W var1 = . si se conectan una fuente y una bobina trifásicas. MEDIDOR DE VARS TRIFÁSICO Cuando fluye energía reactiva de las terminales de entrada a las de salida. se considera que la energía reactiva. los dos o tres varímetros que normalmente se necesitarían se combinan en un solo instrumento. 6). Laboratorio de líneas de transmisión.60 var W2 = -40 W var2 = . es la clase de energía que tiene la capacidad de producir un campo magnético. en el circuito. Por ejemplo. Como consecuencia.80 var ¿Cómo se interpretan estos resultados? Primero. Como W2 es negativa. A continuación observemos la energía reactiva. hacia la impedancia Z. está fluyendo energía real hacia la izquierda. está fluyendo energía real hacia la derecha. Se deduce que Z está absorbiendo (80 – 60) = 20 var y que está energía crea un campo magnético. saliendo de ella. INSTRUMENTOS Y COMPONENTES Módulo de suministro de potencia (120/208 V 3Ø) EMS 8821 Módulo de Resistencia EMS 8311 Módulo de Inductancia EMS 8321 Módulo de Capacitancia EMS 8331 Módulo de medición de CA (2.5/2. que produce o absorbe. UANL . En virtud de que W1 es positiva. a uno y otro lado de un circuito o dispositivo eléctricos. Este ejemplo muestra que cuando se conectan wattímetros y varímetros. En consecuencia. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. se concluye que la impedancia Z debe estar absorbiendo 70 + 40 = 110 watts. en tanto que están fluyendo 60 var hacia la izquierda. 3 Considérese primero la energía activa. se puede determinar la energía real o reactiva. están fluyendo 80 var hacia la izquierda. Módulo del motor de inducción de jaula de ardilla (opcional) EMS 8221 EXPERIMENTOS Precaución: ¡En este experimento de Laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga conexión alguna con la fuente de energía encendida! 208 V 3F Laboratorio de líneas de transmisión.5/2.5 A) EMS 8425 Módulo de medición de AC (250-V) EMS 8426 Módulo del watt-varímetro trifásico (300W – 300 var) EMS 8446 Conductores EMS 9128 Módulo del motor de inducción de rotor devanado o bien. pero use una carga inductiva de 300 ohms en paralelo con una carga capacitiva de 300 ohms. como se ve en la figura1. conectadas en estrella. Anote sus resultados en la tabla 1. Nota: Los conductores que vienen de la fuente deben estar conectados a las terminales 1. todas conectadas en estrella. en volt-amperes (VA). pero coloque la carga inductiva del Experimento 2 en paralelo a la carga resistiva. cuando se conecta y desconecta la carga inductiva? ________________________________________________________________________________ ¿Cuándo se conecta y desconecta la carga resistiva. pero agregue tres resistencias de 300 ohms (conectadas en estrella). 3 del suministro de energía. ¿Está usted de acuerdo en que. mida E. 2. está dada en la expresión 𝑉𝐴 = 𝑊 2 + 𝑣𝑎𝑟 2 Calcular la energía aparente VA. 4 Los experimentos siguientes comprenden una fuente trifásica. En este experimento. conectada en estrella. proporcionando un voltaje fijo de aproximadamente 208 volts. 3 del suministro de potencia estén conectadas a las terminales 1. Si la secuencia de fases de la fuente de energía es 1-2-3. 2. I. un watt- varímetro trifásico y una carga trifásica balanceada. 2. en la tabla1. 3) Repita este Experimento 2. la lectura del varímetro debe ser positiva. la capacitancia está proporcionando la mayor parte de la energía reactiva que requiere la inductancia? ____________________________________________________________________________ 7) Sabiendo que la energía aparente. tres amperímetros. 2. conectadas en estrella. 2) Reemplace la carga resistiva por tres inductancias que tengan una reactancia de 300 ohms. es afectada la potencia reactiva? _______________________________________________________________________________ 6) Repita el Experimento 1. en el orden de su secuencia de fases. prácticamente. Anote los resultados en la tabla 1. en paralelo con la carga capacitiva. var y anote los resultados en la tabla 1. UANL . 3 del watt varímetro. el varímetro dará la lectura correcta. 4) Repita el Experimento 3. tres voltímetros. ¿Se afecta el potencial real al conectar y desconectar la carga capacitiva? __________ ¿Se afecta la energía reactiva al conectar y desconectar la carga resistiva? _________________________________________________________________________________________ 5) Repita el Experimento 1. 1) Usando una carga de tres resistencias de 300Ω. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Laboratorio de líneas de transmisión. Anote sus resultados en la tabla 1. usando tres capacitancias que tengan una reactancia de 300 ohms. Anote sus resultados en la tabla 1. La fuente se toma de las terminales 1. W. la secuencia de fases es incorrecta y deben intercambiarse dos de los conductores de la fuente. ¿Por qué se afecta ligeramente la energía real. cuando las terminales 1. conectadas en estrella. 3 del instrumento. Si es negativa. Anote los resultados en la tabla 1. e) una resistencia y una capacitancia. Vea la figura 6. f) un motor monofásico. en los dos circuitos monofásicos que se muestran en la figura 7. (V) (A) Teórico 1 2 3 4 5 6 8) Sabiendo que la energía aparente de un circuito trifásico balanceado está dad en la ecuación 𝑉𝐴 = 𝐸𝐼 3. Laboratorio de líneas de transmisión. calcular esta energía y compárela con el valor encontrado en el Experimento 7 ( última columna de la tabla 1) PREGUNTAS Y PROBLEMAS 1. UANL . b) una inductancia. Muestre la dirección del flujo de la energía real y la reactiva. 2. Se conecta una carga eléctrica Z a las terminales de una fuente de 120 volts CA. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Calcule la energía real y la reactiva que proporciona la fuente monofásica. 5 Tabla 1: EXPERIMENTO E I 𝐸𝐼 3 CARGA W var VA NO. si Z está compuesta de a) una resistencia. c) una capacitancia. d) una resistencia y una inductancia. Usar ecuaciones: Línea kW = kW1 + kW2 Línea kvar = kvar1 + kvar2 LINEA LINEA kW1 Kvar1 kW2 Kvar2 kW kvar +100 +10 +95 +5 +100 +10 +95 -10 +100 -10 +95 -25 +100 +10 -105 +5 6. Una línea trifásica que opera con un voltaje línea a línea F. Calcular la energía real y reactiva absorbida por la línea. 6 3. mientras que un capacitor la suministra. Explicar qué significa afirmar que una inductancia absorbe energía reactiva. ________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________ 5. proporciona energía real y reactiva como se da en la tabla 3-2. Demostrar que la energía total aparente P está dada en la ecuación. conectada en estrella. Una línea de energía trifásica. que tiene una impedancia de 100 ohms por fase. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. UANL . 4. suministra energía a una carga conectada en estrella. Una fuente trifásica que tiene un voltaje línea de 69 kV alimenta una carga resistiva. cuya impedancia es Z ohms por fase. mostrada esquemáticamente en la figura 3-8. Calcule la energía real proporcionada. 𝐸2 𝑃 = 𝑍 Laboratorio de líneas de transmisión.