GENERACION Y MEDIDA DE ALTOS VOLTAJES Quinteros Dayan, Tipanguano Erick, Vallejo David Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Nacional Quito, Ecuador
[email protected] [email protected] [email protected]
En las instalaciones del laboratorio principalmente nos familiarizamos con los dispositivos eléctricos que posee y además los instrumentos, tanto digitales como analógicos para poder obtener la medida en magnitud de alto voltaje que deseemos. En tal caso, diseñamos y probamos ciertos circuitos eléctricos que mediante ellos, logramos obtener la medición de altos voltajes a la salida del transformador, obviando a que gracias a la relación de transformación nosotros podemos obtener la medición de bajo voltaje y al multiplicando por este tenemos una idea no tan precisa de la salida de alto a lto voltaje. Los instrumentos usados para la medición de altos voltajes fueron principalmente el voltímetro electroestático con diferentes escalas de medida (0.5-1). Voltímetro digital, las esferas espinterometricas, divisor de tensión resistivo. Ya en la parte final de la práctica diseñamos un circuito rectificador de media onda y apreciamos mediante un osciloscopio la señal obtenida a la salida de estos estos circuitos y así poder determinar el voltaje de rizado y varios parámetros más.
El voltaje alterno de prueba de la CEI (comisión electrotécnica internacional), está especificado en la publicación.60 sec 5.2. 1962. Se refiere a generar una onda senoidal y se establecen límites de tolerancia. El voltaje de prueba es usualmente generado por un transformador de características poco diferentes a los transformadores comunes como son: -
Normalmente son monofásicos.
-
Alta estabilidad de voltaje para evitar que este sea reducido por descargas parciales.
-
De gran resistencia mecánica.
-
Tiene el punto medio del devanado conectado al núcleo de hierro y aislado con lo que se consigue un voltaje simétrico respecto a tierra.
B- Gr afi car (en for ma superpues superpuesta) ta) el voltaj e en función de la distancia entre esferas, de los datos de la t abla 4.1. H aga un comentari o de los r esul tados. tados. Calcule el error relativo tomando como r eferen ef erenci ci a el m é todo to do qu e crea cr ea el má m ás preci pr eciso. so. Graficar el error vs voltaje. Comente estos resultados.
I.
INFORME
A- Segú Según n l a nor ma, establece establ ecerr l as caracterí caract erísticas sti cas de alt alt o voltaj e alterno generado generado para qu e se sea considerado como ALTO VOLTAJE AL TERNO DE PRUEBA. PRUEBA.
Al momento de tener condiciones de presión y temperatura diferentes a las normales se hacen las siguientes correcciones. El voltaje disruptivo de las esferas varía en forma proporcional a la densidad relativa del aire de las las que depende de la presión (P) y la temperatura del aire (T) de la siguiente manera:
P = mm de hg , t= grados centígrados. Densidad relativa del aire en Quito= 0.71533
Comentario: Se puede apreciar en el cálculo del error relativo que Fue calculado es muy pequeño en relación al voltaje que escogimos como referencia que era el del Kilo voltímetro digital. Grafico voltaje vs distancia entre esferas.
Se puede notar que el voltaje de disrupción entre las esferas tiene un comportamiento lineal entre cada descarga la cual corresponde a la constante ya antes definida como densidad relativa del aire. CALCULO DE ERROR RELATIVO
C- Determinar las ecuaciones de la curva tomada como referencia en el punto 5.2 compar e con l os valores medidos, comente. Como la gráfica se puede ver que la c urva es una recta con pendiente m calculamos la ecuación de la recta a partir de los siguientes datos:
(Método más preciso el kilo voltímetro digital) Error= valor real – valor medido/valor real *100 Distancia esferas [cm]
1
2
3
4
V ef kilovolt.[kv]
13.6
27.3
43.4
55.6
13.5
30
45
--
9.89
3.68
(promedio) V ef vol. Electroest. (Promedio) error
0.7
--
.m=55.5-15.46/4-1=13.35 Ecu se define de la siguiente manera: (x-1)*13.35=(y-15.46) Despejando tenemos Y(x)=13.35x+2.11 [Kv] Sea Y(1)=15.46[Kv] Y(2)=28.81[Kv] Y(3)=42.16 [Kv] Y(4)=55.51 [Kv] Comentario: se puede apreciar que la ecuación nos da valores muy exactos a los valores medidos en la práctica lo que se puede concluir que el voltaje de disrupción tiene un comportamiento lineal.
Gráfica del error vs voltaje:
D- En el esquema de la fi gur a se muestr a el mé todo de medida según chubb-for tescue,
en donde C es un a capacit ancia conocida y A un mi li amperímetro de bobina m óvil . Demostrar que el valor máxi mo del voltaje es proporcional a la medida por el amperímetr o .
de prueba como DIRECTO y con un factor de rizado menos al 5%. Además establece que la corriente de la fuente de HV deberá ser suficiente para suplir la corriente de fuga promedia del objeto bajo prueba y del equipo de medida asociado. APLICACIONES
Al estar conectado un miliamperímetro de la siguiente manera el instrumento va a medir el valor de un semiciclo de la corriente circulante dada por la siguiente ecuación:
Por lo que en este método y observando la gráfica podemos apreciar los valores instantáneos de tensión y corriente que circulan por el miliamperímetro.
E- Según la norma, establecer las características de alto vol taj e continu o generado para que sea considerado AL TO VOLTAJE CONTINUO DE PRUEBA. Aplicaciones. Según la CEI (pub.60 sec 4.2) el voltaje continuo de prueba se caracteriza por su polaridad, valor medio aritmético, valor máximo y rizado. Esta entidad internacional exime de especificar con precisión los requerimientos de una fuente de alto voltaje en DC, exceptuando la definición del voltaje
Los altos voltajes continuos se los emplea principalmente en el campo de investigación, requiriendo una buena estabilidad y un mínimo rizado. En la industria la principal aplicación es en la prueba de cables que tienen grandes capacitancias. En transmisión con el crecimiento de las cargas el uso de voltajes continuos está en aumento.
F - Con l os datos obteni dos en 4.2 calcul e el rizado y el factor de rizado para cada caso. Compar e estos resul tados con los obteni dos medi ante análisis y cálculo matemáti co.
El voltaje de rizado (Vr) se define como la diferencia entre Vm y VL y es determinado mediante la siguiente ecuación:
Donde T’ es el tiempo de descarga y RC son los valores conocidos de resistencia de carga y capacitor. DATOS: RM=140 Mohms, CS=6000pf. Vr=(1/2 f rc)* VMax K= 5/504 Factor de rizado r = (Vr(rms) / Vdc )*100
RECTIFICACION POSITIVA Cs=6000pf V Max
V min
V rizado
25 kv
3.92
-3.36
0.03888
35 kv
5.6
-4.88
0.0555
45 kv
7.92
-5.36
0.0788
RECTIFICACION NEGATIVA Cs=6000pf V Max
V min
V rizado
25 kv
2.80
-3.36
0.027777
35 kv
4.32
-6.24
0.042856
45 kv
6
-7.20
0.05952
El capacitor se carga el primer semi-ciclo de voltaje y en el siguiente se lo descarga en serie con el transformador (tensión). El capacitor C1 se carga con la tensión total del transformador y se carga con una tensión de 2U, el proceso se canaliza en dos rectificadores y mediante el capacitor se atenúa la señal de AC hasta obtener una señal DC.
RECTIFICACION POSITIVA Cs=1200pf V Max
V min
V rizado
25 kv
12.2
-10.2
0.0006
35 kv
17.2
-13.8
0.00085
45 kv
24.4
-14.8
0.00121
RECTIFICACION NEGATIVA Cs=1200pf V Max
V min
V rizado
25 kv
10
-12.4
0.00049
35 kv
13.2
-16.8
0.000654
45 kv
15.6
-22.8
0.000773
G- Ex pli car el fu ncionami ento del cir cuito 4.3. tr azar un di agrama común al cur so de los potenci ales en (a) y (b) con r eferenci a al valor de cresta del voltaje del transformador. Suponga que las car acter ísticas de los elementos que componen l a in stalaci ón son i deales (desde t=0 hasta aprox t= 50ms). Compare los valores obtenidos.
Primera etapa de la forma de onda
Voltaje en el punto A
Voltaj e en el punto B
David Vallejo -El fenómeno de la disrupción que se produce entre las esferas espinterométricas depende de varios factores como la temperatura, humedad, presión entre otros factores externos que varían depende del ambiente en el que realizan las mediciones. -El capacitor se carga el primer semi-ciclo de voltaje y en el siguiente se lo descarga en serie con el transformador (tensión). El capacitor C1 se carga con la tensión total del transformador y se carga con una tensión de 2U, el proceso se canaliza en dos rectificadores y mediante el capacitor se atenúa la señal de AC hasta obtener una señal DC. -Algunos instrumentos de medida tienen ciertas escalas que dificultan la medida de altos voltajes, es el caso del voltímetro electrostático, el cual por motivo de su rango de medida nos permitió tomar únicamente tres medidas, además teóricamente se ha definido poco confiable para medir voltajes mucho más elevados.
Dayán Quinteros 1.- Se observó que el método de esferas espinterométricas posee un rango de error menor que los otros métodos de medición de altos voltajes. Sin embargo su limitación radica en que es un método de laboratorio y por tanto su aplicación en la industria es restringida.
Componente de DC del voltaj e de rizado VDC en RL
I I . CONCLUSIONES
Erick Tipanguano -
-
Se concluye que existen varios métodos para medir tanto altos voltajes alternos como continuos y los más usados en las industria son los que se basan en divisores de tensión o mediante el kilo voltímetro electroestático. Concluimos que el uso de altos voltajes continuos se emplean principalmente en investigación donde se requiere una excelente estabilidad y un minino factor de rizado (5%).
2.- Se logró ver la relación directa que existe entre la distancia de separación de las esferas espinterométricas y el voltaje aplicado, dicha relación radica en que mientras más alta se la distancia de separación exista entonces se necesitará aplicar más voltaje para producir el arco eléctrico. 3.- Se observó, a través del osciloscopio, que con rectificación de media onda o rectificación de onda completa para el caso de generación de voltajes continuos, se debe manifestar en la onda un rizado con un factor de rizado menor al 3% para así considerar al voltaje continuo como bueno. 4.- Se vio que la medición a través de la relación de transformación no es muy precisa, pues no se toma en cuenta las pérdidas existentes en los devanados del transformador, alterando así las mediciones.
I I I . RECOMENDACIONES
- Se recomienda armar los circuitos con mucho cuidado, ya que los elementos del mismo son pesados y pueden ser golpeados etc. - Se recomienda que antes de alimentar el sistema con voltaje, verificar que la manivela de tensión de la mesa de control esté en el mínimo nivel posible. - Se recomienda verificar que el voltímetro electrostático esté encerado antes de realizar las mediciones pertinentes, para así obtener resultados con menor margen de error. - Se debe tomar en cuenta que cuando se trabaja en corriente continua, los capacitores pueden guardar mucha energía, a diferencia de cuando se trabaja en corriente alterna, con lo que se deben tomar las precauciones necesarias cuando se entre a la jaula de Faraday, a descargar los elementos.
I V. REFERENCIAS
http://www.forosdeelectronica.com/f27/dudaejercicio-factor-rizo-83435/ Tecnología de alto voltaje Repositorio digital EPN.PDF. http://online.unitconverterpro.com/es/tablas-deconversion/conversor-alpha/pressure.html
