6.medición de Tensión y Corriente PDF

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

PRACTICA DE LABORATORIO 6 MEDICION DE TENSION Y CORRIENTE

INTRODUCCION

La medición de la tensión y la corriente presentes en un barraje de distribución, o bien el conocimiento de la tensión primaria y secundaria en un transformador son variables que requieren especial atención por parte del estudiante de ingeniería, ya que existe gran variedad de métodos así como niveles de tensión, en donde además de la seguridad por  parte del estudiante es necesario salvaguardar los instrumentos de medición atendiendo correctamente el conexionado y las escalas de medición para evitar averías definitivas en los aparatos de medición. 1. OBJETIVOS

•  Determinar la tensión por medición directa, transformadores de tensión y por

divisores de tensión. •  Determinar la corriente que fluye por un circuito, por medio de mediciones directas,  shunts, y transformadores de corriente.

2. GENERALIDADES

Cuando se va a medir alguno de los parámetros, ya sea, tensión, corriente, potencia, energía, se introduce en el circuito eléctrico un elemento extraño que en cierta medida altera las condiciones de funcionamiento del circuito, esto se puede traducir en errores en las mediciones. Para reducir los errores de medición es necesario que los aparatos de medida tengan características cercanas al ideal. 1

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

2.1 MEDIDA DE LA TENSION Para medir la tensión se presentan métodos directos e indirectos. Los métodos indirectos generalmente se emplean cuando la escala del voltímetro no es la suficiente, por ejemplo, un voltímetro cuya escala es de 0 a 100 voltios y se pretende medir una tensión de 500 voltios, es necesario amplificar la escala cinco veces. 2.1.1  Método directo. En este caso se conecta directamente el voltímetro (en paralelo) al elemento del circuito al cual se le quiere medir la tensión. En cualquier caso de medición es necesario conocer el error que se comete al medir; Cuando se determina una diferencia de  potencial con un voltímetro cuya resistencia (o impedancia) impedan cia) es  RV   por el método directo, es fácil determinar el error cometido una vez se determina el equivalente Thevenin  del circuito. Un circuito cualquiera que contenga fuentes de tensión y resistencias (y o impedancias)  puede sustituirse por un circuito equivalente (equivalente Thevenin) el cual esta conformado por una fuente de tensión en serie con una resistencia. Figura 1. Equivalente Thevenin para la medición de tensión.

Donde  E 0  y  R0  son iguales a la tensión y resistencia equivalentes respectivamente. V  es  es el voltímetro y  RV   la resistencia interna del mismo. Una vez se conecta el voltímetro entre los terminales a y b, la corriente que circula por el circuito, está dada por:

2

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

 I  =

 E 0  R0 + RV 

 

(Ec.1)

La lectura dada por el voltímetro será: V ab′ =  E 0  − IR0 =  IRV   

(Ec.2)

La diferencia de potencial verdadera es igual a: V ab   =  E 0  

(Ec.3)

El error absoluto (sistemático) de la medida es igual a:

ε a

= V ab − E 0 = − IR   = −V ab

El valor − V ab R0  RV  , evidencia que para qué

ε a

 R0  RV 

 

(Ec.4)

→ 0 ,  RV  → ∞   es decir que para qué el

error tienda a ser igual a cero, la resistencia del voltímetro debe tener un valor infinito. En instrumentos reales, la resistencia del voltímetro está generalmente entre 30 Ω V    para instrumentos de hierro móvil y 30 K Ω V  para otros. 2.1.1.1 Tipos de voltímetros. En la tabla 1, se especifican los tipos de voltímetros, al igual que las características de cada uno de ellos. 2.1.2 Métodos indirectos. 2.1.2.1  Produciendo la caída de la tensión restante por medio de una resistencia en serie con el voltímetro. Se utiliza en D.C para cualquier voltaje y en A.C para tensiones hasta

aproximadamente 1000V, cuando se trata de voltímetros de bobina móvil. 3

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

Para calcular la resistencia y la potencia disipada es necesario conocer la resistencia ó impedancia del voltímetro, una vez conocida se puede calcular la resistencia que se debe colocar en serie para medir la tensión ampliando la escala.

Tabla 1. Tipos de voltímetros. Volt Vo ltím ímet etro ros s

Ca Cara ract cter erís ísti tica cas s

Re Resi sist sten enci cia a del del volt voltím ímet etro ro

De bobina móvil

Alta ( 10 a 20 K Ω V  )

De hierro móvil

Baja ( 1000 Ω V  )

Ob Obse serv rvac acio ione nes s

           

Para medir D.C y A.C. Escala móvil Para medir D.C y A.C. sin rectificador. Escala no lineal Para medir D.C y A.C. Escala no lineal

 

Para medir D.C y A.C.

 

Para medir D.C y A.C.

 



Eléctricos



Muy alta (del orden de los megohmios) Con indicador analógico de Muy alta (del orden de los megohmios) Electrónicos  bobina móvil Con indicador digital Muy alta ( 10 M Ω V  ) (pantalla digital) Electrostáticos

 





Ejemplo: Se quiere medir una tensión de 220V con un voltímetro que tiene una escala de 0100V, cuya resistencia interna es  RV  = 1  0 K Ω V . Tenemos:

 RV  = 100  V  × 10000

Ω V 

= 1 M Ω  

La corriente en el voltímetro cuando indica 100 V , es igual a:

 I  =

100V    = 100 µ   A   1 M Ω

La tensión que debe hacer caer la resistencia R, es V  R = 120 V  . El valor de la resistencia es igual a:

4

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

 R =

120V  = 1.2 M Ω   100µ  A

La potencia disipada está dada por:  P  =  I 2 R =  (100 µ  A) 2 (1.2 M Ω) = 12 mW   

Con los dos criterios (resistencia y potencia) se puede escoger la resistencia a incluir, escogiéndose una resistencia de 1,2M a 1/2w. Figura 2. Voltímetro con la escala modificada.

2.1.2.3  Divisores de tensión. En la actualidad no es muy común encontrar este método, sin embargo, puede emplearse para medir altas tensiones (50 KV  y  y más).

En los divisores de tensión resistivos el voltaje a medir se aplica a una serie de n  resistencias iguales y el voltímetro se aplica sobre una de ellas, sí V , es la tensión leída, la tensión total será nV . Como en todas las mediciones es necesario tener en cuenta el error de la medición, incluyendo la resistencia interna del voltímetro. El error es inversamente proporcional a la relación  RV   R .

5

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

Figura 3. Divisor de tensión.

2.1.2.3 Transformador de potencial .

Medir tensiones altas incluye el riesgo de

electrocución, los transformadores de potencial se emplean para medir tensiones desde los 1000V  en  en adelante, en corriente alterna. En los transformadores de tensión, el voltaje en el secundario leído con un voltímetro es función prácticamente lineal del voltaje primario cuando el núcleo no está saturado. Las tensiones secundarias normalmente son 120, 100 y 58 V . Dichas tensiones pueden medirse fácilmente con ayuda de voltímetros portátiles y/ó de tablero. Figura 4. Transformador de tensión.

6

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

Los transformadores de potencial pueden ser trifásicos o monofásicos, los primeros de ellos se construyen con dos ramas magnéticas en el núcleo para conexión en delta abierta y de tres o más ramas para conexión D-Y  con  con bobinados adicionales.

Cuando se requiere medir tensiones muy altas (110  KV   o más), usualmente se conecta  primero a un divisor de tensión capacitivo puesto a tierra y uno de los condensadores se instala el transformador a tensión reducida. Este método se expone en la figura 5. Los transformadores de tensión son construidos con rigurosas exigencias para reducir los errores al mínimo.

Figura 5. Conexión del transformador de potencial para medición de muy altas tensiones.

Los errores más comunes que se presentan en los transformadores de tensión (TP) son: •  Error de transformación: Esté tipo de error está indicado por la clase del aparato de

medición. Los transformadores de tensión se fabrican con clases 0,1-0,2-0,5-1 y 3 para tensiones primarias entre 0,8 y 1,2 del valor nominal. Las primeras tres para mediciones y las dos últimas para protecciones:  E r  % =

V 2 r  − V 1 V 1 7

× 100  

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

•  Error de ángulo: Es la diferencia de la fase entre el fasor de tensión primario y el de

tensión secundaria invertida 180º. los ángulos admisibles son de 5º, 10º, 20º, y 40º para clases entre 0,1 y 3. en sistemas de potencia se usan transformadores de clase 0,5 ya que el error de ángulo introduce perturbaciones en las medidas de potencia, de energía y en la operación de relés de protección.

2.1.2.4  Explosor de esferas o chispómetro. Este sistema se emplea emplea cuando se requiere medir tensiones extraaltas generalmente con fines investigativos. La finalidad del dispositivo es la de producir una descarga disruptiva entre dos electrodos, puntas, esferas,  placas o combinación de ellas. La descarga se produce por ionización del aire tal como ocurre en la atmósfera cuando se producen las descargas eléctricas conocidas como rayos. El voltaje que produce la descarga depende de la distancia entre los electrodos, al igual que de las condiciones de humedad, presión y temperatura del aire. Los valores de las tensiones vienen tabulados junto con las condiciones ambientales. 2.2 MEDIDA DE CORRIENTE Al igual que la medida de tensión, existen métodos de medida directos e indirectos. 2.2.1  Método directo. Se emplea un amperímetro amperímetro conectado en serie con el circuito al cual se le quiere determinar la corriente. El amperímetro puede ser de bobina móvil para corriente directa o de hierro móvil para D.C y para A.C. El error que se comete al introducir el amperímetro se calcula por medio de la ecuación obtenida a partir del circuito Thevenin equivalente del circuito, en cortocircuito. Tal como se observa en la figura 6.

8

 

 

U.P.T.C. Facultad Seccional Duitama Escuela de Ingeniería Electromecánica

Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica) Metrología eléctrica y luminotecnia 54020605-06 

 

Figura 6. Thevenin en cortocircuito.

El valor real de la corriente es igual a:

 I C   =

 E 0  R0

 

(Ec. 5)

El valor medido por el amperímetro es:

 I  A =

 E 0  R0 + Ra

 

(Ec. 6)

El error absoluto es igual a:  

1

 

   (Ec. 7)  E  A =  I  A − I C  = − E 0  ( ) + 1  R  R     0 a

De la ecuación 7, es evidente que para que el error absoluto sea cero, la resistencia del amperímetro debe ser cero, ó que para que el error sea mínimo  Ra