Laboratorio 3 armonicos

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Laboratorio: Instalaciones y máquinas Eléctricas 

INSTALACIONES Y MÁQUINAS ELÉCTRICAS Laboratorio 3

MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE  ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES”   “

2015  – I 25

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MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES ” 

 “

OBJETIVOS: 1. Detectar armónicos con instrumentos de verdadero valor eficaz (TRUE RMS). 2. Medir los niveles de armónicos en un circuito con carga no lineal, utilizando un analizador de redes. 3. Utilizar las series de Fourier en el análisis de los sistemas eléctricos, determinando la distorsión total armónica (THD). 4. Proponer soluciones a la presencia de armónicos en un circuito.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA:  Valor eficaz (RMS): Se llama valor eficaz de una corriente alterna, al valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia. El valor eficaz (RMS) también se define como la relación entre el área que forma un semi-ciclo de onda con el eje horizontal y su semi-periodo. Para una señal senoidal, el valor eficaz de la tensión y de la corriente son: Uef 

Up

Ief 



2

Ip 

2

donde Up e Ip son la tensión y la corriente pico.  “Esto significa que un resistor conectado a una fuente de señal alterna de 100 V producirá el mismo calor que si se colocara en una fuente de 70,7 V de señal continua”.

Forma de Onda

Valor Eficaz

U +A 

T

2T

Urms

t

 A  

2

-A  U +A 

T

2T

Urms

t



 A 

-A  U +A 

T

2T

Urms

t

 A  

3

-A 

Tabla 1. Valores eficaces más utilizados 26

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 Verdadero valor eficaz (TRUE RMS): Cuando un técnico se enfrenta a la reparación de una avería, la primera reacción suele ser comprobar la tensión y corriente de alimentación. Lo más probable es que la mayoría de multímetros no indiquen problema alguno. Pero, ¿puede confiar en las medidas de su multímetro? Cada vez se utilizan más computadoras, variadores de velocidad y en general otros tipos de equipamiento que consumen corriente en forma de impulsos cortos (cargas no lineales), en lugar de hacerlo a un nivel constante. Este tipo de equipo, que se caracteriza por llevar electrónica en sus etapas de entrada, hace que las lecturas de la mayoría de multímetros (de respuesta promedio) sean inexactas. Las cargas lineales, que constan de resistores, bobinas y condensadores, consumen siempre una corriente de forma sinusoidal, de manera que no suponen ningún problema. Pero la medida de formas de onda distorsionadas provocadas por equipamiento como el mencionado más arriba es un caso diferente. Las medidas sobre este tipo de forma de onda distorsionada con un multímetro de respuesta promedio, proporciona lecturas que pueden llegar a un error de hasta el 50%. La gran mayoría de instrumentos de medida son de "respuesta promedio" al medir el valor promedio de la señal rectificada y la multiplican por un factor constante para proporcionar un valor 'de verdadero valor eficaz calculado'. Esto sólo es cierto para ondas sinusoidales, pero no para formas de onda distorsionadas. Los multímetros de verdadero valor eficaz proporcionan lecturas correctas para cualquier forma de onda dentro de las especificaciones del instrumento. Por tanto, siempre que se trate de cargas no lineales utilice un multímetro de verdadero valor eficaz. En el siguiente cuadro se muestran tres señales de corriente, con diferente grado de distorsión y sus verdaderos valores eficaces: Señal 1

Señal 2

I (A)

Señal 3

I (A)

+ 40

I (A)

+ 40

+ 40

t(s) - 40

t(s) - 40

t(s) - 40

Señal 1

Señal 2

Señal 3

 Verdadero valor eficaz (A)

22,0

21,3

16,8

 Valor medio (A)

22,0

19,5

12,4

Factor de Forma (F.f. = Irms /Imed)

1,11

1,21

1,50

Factor de cresta (F.c. = Imax /Irms)

1,41

1,46

1,86

0

9

26

Error (%)

Tabla 2. Señales con diferentes grados de distorsión y sus verdaderos valores eficaces.

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En redes trifásicas, los armónicos que hallamos con más frecuencia y por tanto, los más problemáticos, son los armónicos de rango impar. Por encima del rango 50, las intensidades armónicas son reducidas y su medida no es significativa. Una precisión de medida aceptable se obtiene al considerar los armónicos hasta el rango 30. Los distribuidores de energía miden, generalmente, los armónicos de rango 3, 5, 7, 11 y 13. La compensación de los armónicos hasta el rango 13 es imperativa y una buena compensación tendrá en cuenta los armónicos hasta el rango 25. Cada aparato que causa armónicos tiene sus propias corrientes armónicas con amplitudes y desfases diferentes, valores muy importantes en el análisis de la distorsión armónica. La distorsión armónica individual se define como el nivel de distorsión, en porcentaje, de orden h, con respecto a la fundamental. Uh(%)

Uh 100 U1

Ih(%)

Ih 100 I1

El espectro en frecuencia es un método gráfico muy práctico que permite la representación de los armónicos que componen una señal periódica.

Figura 1. Espectro en frecuencia.

El espectro es un histograma que indica la amplitud de cada armónico en función de su rango. Este tipo de representación también se denomina análisis espectral. El espectro en frecuencia indica cuáles armónicos están presentes y su importancia relativa.

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La tasa de distorsión armónica (THD): Es un valor que refleja el nivel de distorsión en las ondas de tensión y corriente. La tasa de distorsión armónica es frecuentemente utilizada para definir la importancia del contenido armónico de una señal alternativa:

 V  2   THD    2  x100%    2  V    

i

i

N 

Donde:  

 Vi = es el valor eficaz (rms) de la tensión armónica “i”.  VN = es la tensión nominal del punto de medición.

La THDu proporciona información sobre fenómenos observados en una instalación: 





Un valor THDu inferior a 5% se considera normal. No existe riesgo de mal funcionamiento en los equipos. Un valor THDu comprendido entre 5% y 8% indica distorsión armónica significativa. Se pueden dar funcionamientos anómalos en los equipos. Un valor THDu superior a 8% revela una distorsión armónica importante. Los funcionamientos anómalos en los equipos son probables. Un análisis profundo y un sistema de atenuación se hacen necesarios.

Para identificar la carga que causa la distorsión, la THD de corriente se debe medir a la entrada y en cada una de las salidas de los diferentes circuitos. La THDi proporciona información sobre fenómenos observados en una instalación: 





Un valor THDi inferior al 10% se considera normal. Prácticamente no existe riesgo de funcionamiento anómalo en los equipos. Un valor THDi comprendido entre 10% y 50% revela una distorsión armónica significativa. Existe el riesgo que aumente la temperatura, los cables y las fuentes necesitan sobredimensionarse. Un valor THDi superior al 50% revela una distorsión armónica importante. El funcionamiento anómalo de los equipos es probable. Un análisis profundo y un sistema de atenuación son necesarios. Para complementar el aprendizaje de este tema se sugiere que lea: Texto del curso. Unidad III.

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SEGURIDAD:

EN ESTE LABORATORIO SE TRABAJA CON TENSIONES PELIGROSAS. NO ENERGICE SIN AUTORIZACION DEL PROFESOR.

LAS LÁMPARAS UTILIZADAS EN ESTAS EXPERINCIAS ESTARÁN CALIENTES AÚN DESPUÉS DE APAGAR LOS CIRCUITOS.

EQUIPOS Y MATERIALES: Cantidad 01 02 02 01 02 01 02

Descripción

Marca

Fuente de tensión AC variable Multímetro digital Multímetro digital TRUE RMS  Analizador de redes portátil Lámpara incandescente Diodo Lámpara ahorradora Conductores de conexión

Figura 2. Analizador de redes. 30

Modelo

Observación Que no mida trms

100 W c/u

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PROCEDIMIENTO:  A. DETECCIÓN DE ARMÓNICOS 1.  Arme el circuito mostrado en la figura, utilizando los voltímetros y amperímetros con las escalas apropiadas ¡NO ENERGICE EL CIRCUITO!  A1

UF

 V1

 A2

 V2 Lámparas incandescentes 220 V  – 100 W

0 - 120 V

Figura 3. Mediciones de una carga lineal.

Donde:  V1 = Voltímetro digital (sólo mide valores eficaces).  V2 = Voltímetro digital de verdadero valor eficaz (TRUE RMS).  A1 = Amperímetro digital (sólo mide valores eficaces).  A2 = Amperímetro digital de verdadero valor eficaz (TRUE RMS).

LLAME AL PROFESOR PARA QUE REVISE SU CIRCUITO.

2.

Encienda la fuente de tensión alterna y regúlela a los valores indicados en la primera columna de la tabla 1 (utilizando al voltímetro V 1); para cada valor de tensión, anote las lecturas de los instrumentos en los casilleros correspondientes.

UF (V)

V 1 (V)

V 2 (V)

I1 (mA)

180 200 220 Tabla 1. Valores eficaces y verdaderos valores eficaces de una carga lineal.

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I2 (mA)

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3.

4.

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Reduzca la tensión a cero volts y apague la fuente de tensión.  Arme el circuito mostrado en la figura, utilizando los voltímetros y amperímetros con las escalas apropiadas ¡NO ENERGICE EL CIRCUITO!  A1

UF

 V1

 A2

 V2 Lámparas ahorradoras 220 V  – 23 W

0 - 120 V

Figura 4. Mediciones de una carga no lineal.

Donde:  V1 = Voltímetro digital (sólo mide valores eficaces).  V2 = Voltímetro digital de verdadero valor eficaz (TRUE RMS).  A1 = Amperímetro digital (sólo mide valores eficaces).  A2 = Amperímetro digital de verdadero valor eficaz (TRUE RMS).

LLAME AL PROFESOR PARA QUE REVISE SU CIRCUITO.

5.

Encienda la fuente de tensión alterna y regúlela a los valores indicados en la primera columna de la tabla 2 (utilizando al voltímetro V 1); para cada valor de tensión, anote las lecturas de los instrumentos en los casilleros correspondientes.

UF (V)

V 1 (V)

V 2 (V)

I1 (mA)

I2 (mA)

180 200 220 Tabla 2. Valores eficaces y verdaderos valores eficaces de una carga no lineal. 6.

Reduzca la tensión a cero volts y apague la fuente de tensión.

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B. MEDICIÓN DE LOS NIVELES DE ARMÓNICOS 1.  Arme el circuito mostrado en la figura, utilizando un voltímetro (que no sea de verdadero valor eficaz) y el analizador de redes. ¡NO ENERGICE EL CIRCUITO!

 V1

UF

Lámparas ahorradoras

0 - 220 V

Figura 5. Mediciones de una carga lineal.

Donde:  V1 = Voltímetro digital (sólo mide valores eficaces).

LLAME AL PROFESOR PARA QUE REVISE SU CIRCUITO.

2.

Encienda la fuente de tensión alterna y regúlela a 220 V, anote los valores solicitados en la tabla 3, que los obtiene del analizador de redes.

UF (V)

U1

U3

U5

U7

U11

U13

I1

I3

I5

I7

I11 I13 THDU THDI

220 Tabla 3. Valores eficaces y verdaderos valores eficaces de una carga lineal. 3.

Reduzca la tensión a cero volts y apague la fuente de tensión.

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 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS: 1.- De los valores medidos en la tabla 1, ¿existen diferencias? Explique por qué. ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 2.- Calcule el THDu y THDi de la tabla 3 y justifique si representa algún problema para la instalación eléctrica. ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 3.- De los valores medidos en la tabla 2, ¿existen diferencias? Explique por qué. ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ...............................................................................................................................

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4.- Proponga soluciones al problema de los armónicos en un sistema eléctrico. ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 5.- De la experiencia con el analizador de redes ¿Cuál o cuáles fueron los armónicos más significativos? A partir de cuál orden los armónicos dejan de tener significancia. ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 6.- Con los datos de la tabla 3, calcule el THDu y THDi con los armónicos de orden 1, 3…, 13 y compárelo con los del instrumento. ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ...............................................................................................................................

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CONCLUSIONES:  Anote una conclusión por cada una de las experiencias realizadas. A.

Detección de armónicos:

............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... B.

Medición de los niveles de armónicos :

............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ...............................................................................................................................

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TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN

Rúbrica Resultado:

C. Conducen pruebas, analizan e interpretan los resultados, para evaluar y mejorrar las diferentes etapas de los procesos productivos.

Criterio de desempeño :

c.1. Realiza pruebas en equipos y sistemas de diversa tecnología utilizando procedimientos, normas y estándares.

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Curso:

Ciclo:

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Actividad: Nombre y apellido del alumno:

Sección:

Observaciones

Periodo:

IV

Semana:

Docente:

Fecha:

Documento de Evaluación Hoja de Trabajo

X

Archivo informático

Informe Técnico

X

Planos eléctricos /Mecánicos

Otros:

Caso

CRITERIOS DE EVALUACIÓN Excelente

Bueno

Requiere Mejora

No aceptable

Explica y analiza la calidad de energía en sis temas eléctricos indus triales.

4

3

2

0

Detecta armónicos en s istemas eléctricos media nte la comparacion de instrumentos RMS y TRUE RMS.

4

3

2

0

Evalua los niveles de armónicos en un circuito eléctrico con carga lineal y no lineal, utilizando un analizador de redes.

4

3

2

0

Formula soluciones ante la presencia de armónicos en sistemas eléctricos industriales.

4

3

2

0

a. Capacidades tecnológicas

Puntaje parcial

Puntaje Logrado

Puntaje alcanzado 1

b.-Procedimie nto y actitudes Trabaja en equipo y seguridad, empleando técnicas y herramientas adecuadas para el desarrollo del laboratorio.

Excelente

Bueno

Requiere Mejora

No aceptable

4

3

2

0

Puntaje Logrado

Puntaje alcanzado 2 PUNTAJE TOTAL 1 + 2 Comentarios al o los alumnos: (De llenado obligatorio) Puntaje

Descripción

Excelente

4

Completo entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo todos los requerimientos.

Bueno

3

Entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo la mayoría de requerimientos.

Requiere Mejora

2

Bajo entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo pocos de los requerimientos.

No aceptable

0

No demuestra entendimiento del problema o de la actividad.

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 ANOTACIONES …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………

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