Sistemas trifásicos – parámetros básicos

Objetivos

• Distinguir con claridad en un sistema trifásico sus parámetros fundamentales: tensiones de línea y de fase, corrientes de línea y de fase, así como las relaciones entre ellas (módulos, fases)

• Construir el diagrama fasorial de un sistema trifásico

• Distinguir con claridad los diferentes modos de acoplamiento tanto de los generadores como de las cargas en un sistema trifásico.

• Distinguir entre un sistema trifásico equilibrado y uno no equilibrado

• Conocer la importancia del hilo neutro en sistemas a 4 hilos

• Realizar medidas de tensiones y corrientes de línea y de fase en sistemas trifásicos.

• Obtener el sentido de rotación de las fases en un sistema trifásico

• Diferenciar entre los tres tipos de potencia que se ponen en juego en un receptor trifásico de corriente alterna

• Conocer y saber aplicar correctamente el método de los dos vatímetros (Conexión Arón) para medir potencia activa en sistemas trifásicos utilizando dos vatímetros monofásicos

• Adquirir destreza en el uso del vatímetro trifásico

• Adquirir destreza en el uso de instrumentos analizadores de red.

• Realizar diferentes medidas de potencia en un sistema trifásico

• Entender la necesidad de realizar la corrección del factor del factor de potencia de cargas trifásicas inductivas y realizar dicha corrección en un ejemplo típico de las mismas: un motor asíncrono trifásico.

• Conectar en la configuración adecuada los condensadores utilizados para realizar la corrección del factor de potencia en sistemas trifásicos

Introducción

En esta parte 2 de la primera práctica se realizará el estudio básico de los parámetros de los sistemas trifásicos. Para ello se va a seguir el siguiente esquema:

1.- Medida de los parámetros de la red: mediante la utilización de un osciloscopio diferencial. Se obtendrán los parámetros de un sistema trifásico de generadores equilibrados conectados en estrella. Se obtendrá además el diagrama fasorial de tensiones y corrientes que se establecen al conectar estos generadores a un sistema de cargas resistivas puras equilibradas conectadas en estrella y en triángulo.

2.- Medida de tensiones y corrientes de línea y de fase de sistemas resistivos puros conectados tanto en triángulo como en estrella a 3H. Medida de potencias puestas en juego.

3.- Medida de tensiones y corrientes de línea y de fase de sistemas resistivos puros conectados tanto en estrella a 4H. Medida de potencias puestas en juego.

4.- Sistemas desequilibrados. Importancia del hilo neutro.

5.- Medida de potencia activa en cargas inductivas: motor asíncrono trifásico. Corrección del factor de potencia. 6.- Determinación de la secuencia de fases en un sistema trifásico.

Precauciones a tener en cuenta

Como anteriormente se ha indicado, las tensiones de línea que se utilizan para alimentar las cargas trifásicas implicadas son, en casi todos los casos de 220V eficaces (310V máximos), como puedes suponer, cualquier error en las conexiones de los montajes, o cualquier descuido puede acarrear graves consecuencias, no sólo para los equipos que se estén utilizando, sino, y lo más importante, para la salud del propio alumno, es por esto que os recomendamos encarecidamente que sigáis "a rajatabla" las siguientes instrucciones:

No realices ninguna manipulación sobre el montaje objeto de estudio con alimentación en la mesa (luz roja de la mesa encendida)

Alimenta todos los montajes a través del variac que se encuentra en el puesto de trabajo. Siempre debes de comenzar a aplicar tensión desde tensión cero en adelante y hasta la tensión de alimentación especificada, de forma gradual, lo cual te permitirá poder detectar problemas, si los hubiera, sin causar daño ni a los equipos ni a ti mismo, ni a los demás alumnos.

Los instrumentos de medida no debes de manipularlos mientras que el montaje esté alimentado, sino que éstos deben de conectarse en los bornes que a tal efecto se han dispuesto.

De esta forma se evita que los cables de conexión queden sueltos sobre la mesa de trabajo, sin control, de forma que no puedan provocar ningún accidente (un cortocircuito entre fases, o una descarga accidental al alumno) o bien que por un descuido al realizar una medida se puedan producir los accidentes antes mencionados.

Para conocer el conexionado de la plataforma auxiliar de bornes, dispones de la documentación necesaria en la figura explicativa que puedes encontrar en el puesto de trabajo.

Ten presente que los limitadores de corriente de las mesas de trabajo son de 20 A, y que están dotadas todas ellas del correspondiente interruptor diferencial (en el cuadro de alimentación)

1. Medida de los parámetros de la red

Para poder realizar esta práctica, y debido a la disponibilidad de un único osciloscopio diferencial, los diferentes grupos de alumnos deberán de ir pasando por el puesto habilitado para tal fin en el laboratorio. En el mencionado puesto se dispone de un conector que contiene:

• Las tres fases del sistema trifásico: tensión de línea 220V. Hilos marrón (2) y negro.

• El hilo neutro: hilo azul claro

• El hilo de tierra: hilo amarillo y verde

1.- Utilizando el osciloscopio diferencial en la posición

DIF (ES MUY IMPORTANTE QUE NO TE EQUIVOQUES EN ESTO, PUESTO QUE DE LO CONTRARIO PROVOCARÁS UN CORTOCIRCUITO ENTRE LAS FASES Y DESTRUIRÁS EL OSCILOSCOPIO), visualizar las siguientes magnitudes en papel milimetrado:

• Tensiones de fase: VA0, VBO , y VC0

• Tensiones de línea: VAB, VBC , y VCA

Has de tener en cuenta que la denominación de cada una de las fases es convencional, por tanto, has de establecer la que tú decidas. Se recomienda que fijes una como origen de referencia, por ejemplo VBC y que a partir de ella obtengas las demás relaciones.

Anota sus valores eficaces en la siguiente tabla:

TENSIONES DE FASE:

TENSIONES DE LÍNEA:

TENSIÓN NEUTRO-TIERRA: 2.- En el supuesto de que se conectasen a este sistema de generadores en estrella a 4 hilos unas cargas resistivas puras de 60W, calcula las corrientes y tensiones, tanto de línea como de fase en el circuito, obteniendo tanto el módulo como la fase de cada una de estas magnitudes. Calcula también la tensión de desequilibrio del neutro en módulo y fase. Supóngase que la impedancia de los hilos de conexión entre los generadores y las cargas es despreciable, así como la impedancia del hilo neutro. Dibuja el diagrama fasorial correspondiente. Tómese como tensión de referencia VBC y sucesión de fases ABC. Para que puedas realizar este ejercicio sin dificultad, debes de estudiar el ejemplo de cálculo que se adjunta con la documentación correspondiente a la teoría de este tema que se te facilita en el puesto de laboratorio.

Recuerda que para calcular la resistencia que presenta una lámpara de incandescencia lo puedes calcular fácilmente utilizando la expresión:

2. Cargas resistivas en triángulo

En esta práctica se trata de que el alumno mida los parámetros (tensiones y corrientes de fase y de línea así como la potencia activa absorbida) de un sistema trifásico a tres hilos en el que las cargas son resistivas puras (3 lámparas de incandescencia de 60W/220V cada una) que están conectadas en configuración triángulo a los generadores.

La alimentación al montaje se realizará a través del variac.

Para poder realizar este montaje, al alumno dispondrá de un tablero en el que se han dispuesto tres lámparas conectadas a una regleta de conexiones. El alumno deberá de realizar las conexiones necesarias para conectarlas en triángulo.

Para evitar en lo posible que los hilos de conexión entre las cargas, el variac y los instrumentos de medida, puedan causar problemas no deseados, se deberá de utilizar la plataforma auxiliar de bornes de que dispone cada puesto de trabajo.

INSTRUMENTOS Y MATERIAL NECESARIOS

1 variac trifásico

1 amperímetro de CA

1 voltímetro de CA

2 vatímetros monofásicos

1 analizador de energía trifásico o bien, un vatímetro trifásico

1 tablero con tres lámparas de incandescencia de 60W/220V cada una

PROCESO 1.- Móntese el circuito de la figura, respetando inicialmente la disposición de los bornes de los vatímetros (puntos de referencia del fabricante). En dicha figura las resistencias RL, representan las lámparas de incandescencia de 60W/220V

Si tu puesto de trabajo dispone de un analizador de energía trifásico, el montaje a realizar será el siguiente:

2.- Para una tensión de línea de 220V, calcula, en módulo y fase, las corrientes por las cargas y por los hilos de transporte, así como la tensión en las cargas y la potencia activa absorbida total. Tómese como tensión de referencia, la tensión VBC y sucesión de fases ABC.

Para que puedas realizar este ejercicio sin dificultad, debes de estudiar el ejemplo de cálculo que se adjunta con la documentación correspondiente a la teoría de este tema que se te facilita en el puesto de laboratorio.

Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

3.- Asegúrate de que el variac se encuentra a tensión cero. Conecta la alimentación de la mesa de trabajo y ve subiéndola gradualmente, actuando sobre el variac hasta obtener una tensión de salida de 220V entre fases.

En el caso del montaje con dos vatímetros monofásicos, si la indicación de uno de los vatímetros fuera negativa, deberás de invertir las conexiones de los bornes de la bobina amperimétrica y se restará esta lectura de la proporcionada por el otro vatímetro.

Debe de recordarse que la potencia resultante, P, es la suma algebraica

P= W1 + W2

Este problema no se da si la medida se realiza con un vatímetro trifásico o con un analizador de energía trifásico.

En estas condiciones rellena la siguiente tabla (recuerda que el sistema es equilibrado):

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

4.- Repite los apartados 2 y 3 para un sistema desequilibrado, cambiando una de las lámparas de 60W/220V por otra de 25W/220V, por ejemplo la lámpara que está conectada entre las fases B y C. Comprueba los desequilibrios existentes en las corrientes de línea y de fase.

Cálculos: Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

Medidas POTENCIA TOTAL:

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

FASE A

FASE B

FASE C

5- Compara los resultados obtenidos en el caso equilibrado y en el desequilibrado.

6.- Realiza los mismos cálculos y las mismas medidas que el apartado 5, desequilibrando el sistema provocando un fallo en una de las tres lámparas de 60W/220V (basta con aflojar una de ellas). Supongamos que sea la lámpara que está conectada entre las fases B y C. Comenta los resultados obtenidos.

Cálculos: Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

Medidas: POTENCIA TOTAL:

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

FASE A

FASE B

FASE C

Comentarios a los resultados obtenidos:

3. Cargas resitivas en estrela a 3 hilos

En esta práctica se trata de que el alumno mida los parámetros (tensiones y corrientes de fase y de línea así como la potencia activa absorbida) de un sistema trifásico a tres hilos en el que las cargas son resistivas puras (3 lámparas de incandescencia de 60W/220V cada una) que están conectadas en estrella a 3H a los generadores.

La alimentación a las cargas se realizará a través del variac.

Para poder realizar este montaje, al alumno dispondrá de un tablero en el que se han dispuesto tres lámparas conectadas a una regleta de conexiones. El alumno deberá de realizar las conexiones necesarias para conectarlas en estrella a 3H.

Para evitar en lo posible que los hilos de conexión entre las cargas, el variac y los instrumentos de medida, puedan causar problemas no deseados, se deberá de utilizar la plataforma auxiliar de bornes de que dispone cada puesto de trabajo.

INSTRUMENTOS Y MATERIAL NECESARIOS

1 variac trifásico

1 amperímetro de CA

1 voltímetro de CA

2 vatímetros monofásicos

1 analizador de energía trifásico o un vatímetro trifásico

1 tablero con tres lámparas de incandescencia de 60W/220V cada una

PROCESO 1.- Móntese el circuito de la figura, respetando inicialmente la disposición de los bornes de los vatímetros (puntos de referencia del fabricante). En dicha figura las resistencias RL, representan las lámparas de incandescencia de 60W/220V

Si tu puesto de trabajo dispone de un analizador de energía trifásico, el montaje a realizar será el siguiente:

2.- Para una tensión de línea de 250V, calcula, en módulo y fase, las corrientes por las cargas y por los hilos de transporte, así como la tensión en las cargas y la potencia activa absorbida total. Calcula la tensión de desequilibrio del neutro VNO .Tómese como tensión de referencia, la tensión VBC y sucesión de fases ABC.

Al igual que en los casos anteriores, para que puedas realizar este ejercicio sin dificultad, debes de estudiar el ejemplo de cálculo que se adjunta con la documentación correspondiente a la teoría de este tema que se te facilita en el puesto de laboratorio.

Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

3.- Asegúrate de que el variac se encuentra a tensión cero. Conecta la alimentación de la mesa de trabajo y ve subiéndola gradualmente, actuando sobre el variac hasta obtener una tensión de salida de 250V entre fases.

En el caso del montaje con dos vatímetros monofásicos, si la indicación de uno de los vatímetros fuera negativa, deberás de invertir las conexiones de los bornes de la bobina amperimétrica y se restará esta lectura de la proporcionada por el otro vatímetro.

Debe de recordarse que la potencia resultante, P, es la suma algebraica

P= W1 + W2

Este problema no se da si la medida se realiza con un vatímetro trifásico o con un analizador de energía trifásico.

En estas condiciones rellena la siguiente tabla (recuerda que el sistema es equilibrado):

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

4.- Repite los apartados 2 y 3 para un sistema desequilibrado, cambiando una de las lámparas de 60W/220V por otra de 25W/220V, por ejemplo la de la fase A. Rellena las siguientes tablas:

Cálculos:

Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

Medidas

POTENCIA TOTAL:

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

FASE A

FASE B

FASE C

VNO (V)= 5- Compara los resultados obtenidos en el caso equilibrado y en el desequilibrado, haciendo especial hincapié en lo referente a los desequilibrios en las tensiones de fase de las cargas y cómo se puede solucionar este problema. (Se recomienda consultar los ejemplos de cálculo que se adjuntan en la documentación que tienes disponible en el puesto del laboratorio).

6.- Realiza los mismos cálculos y las mismas medidas que el apartado 4, desequilibrando el sistema provocando un fallo en una de las tres lámparas de 60W/220V (basta con aflojar una de ellas). Supongamos que sea la de la fase A.

Cálculos:

Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

Medidas: POTENCIA TOTAL:

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

FASE A

FASE B

FASE C

VNO (V)= Comenta los resultados obtenidos haciendo especial hincapié en lo referente a los desequilibrios en las tensiones de fase de las cargas y cómo se puede solucionar este problema. (Se recomienda consultar los ejemplos de cálculo que se adjuntan en la documentación que tienes disponible en el puesto del laboratorio).

4. Cargas trifásicas en estrela a 4 hilos

En esta práctica se trata de que el alumno mida los parámetros (tensiones y corrientes de fase y de línea así como la potencia activa absorbida) de un sistema trifásico a tres hilos en el que las cargas son resistivas puras (3 lámparas de incandescencia de 60W/220V cada una) que están conectadas en estrella a 4H con los generadores.

La alimentación a las cargas se realizará a través del variac.

Para poder realizar este montaje, al alumno dispondrá de un tablero en el que se han dispuesto tres lámparas conectadas a una regleta de conexiones. El alumno deberá de realizar las conexiones necesarias para conectarlas en estrella a 4H.

Para evitar en lo posible que los hilos de conexión entre las cargas, el variac y los instrumentos de medida, puedan causar problemas no deseados, se deberá de utilizar la plataforma auxiliar de bornes de que dispone cada puesto de trabajo.

INSTRUMENTOS Y MATERIAL NECESARIOS 1 variac trifásico 1 amperímetro de CA 1 voltímetro de CA 2 vatímetros monofásicos 1 analizador de red o un vatímetro trifásico 1 tablero con tres lámparas de incandescencia de 60W/220V cada una

PROCESO 1.- Dibújese el circuito correspondiente y móntese posteriormente dicho circuito, respetando inicialmente la disposición de los bornes de los vatímetros (puntos de referencia del fabricante).

2.- Para una tensión de línea de 250V, calcula, en módulo y fase, las corrientes por las cargas y por los hilos de transporte, así como la tensión en las cargas y la potencia activa absorbida total. Calcula además la tensión de desequilibrio del neutro VNO y la corriente que circula por el hilo neutro IN. Tómese como tensión de referencia, la tensión VBC y sucesión de fases ABC.

Al igual que en los casos anteriores, para que puedas realizar este ejercicio sin dificultad, debes de estudiar el ejemplo de cálculo que se adjunta con la documentación correspondiente a la teoría de este tema que se te facilita en el puesto de laboratorio.

Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

3.- Asegúrate de que el variac se encuentra a tensión cero. Conecta la alimentación de la mesa de trabajo y ve subiéndola gradualmente, actuando sobre el variac hasta obtener una tensión de salida de 250V entre fases.

En el caso del montaje con dos vatímetros monofásicos, si la indicación de uno de los vatímetros fuera negativa, deberás de invertir las conexiones de los bornes de la bobina amperimétrica y se restará esta lectura de la proporcionada por el otro vatímetro.

Debe de recordarse que la potencia resultante, P, es la suma algebraica

P= W1 + W2

Este problema no se da si la medida se realiza con un vatímetro trifásico o con un analizador de energía trifásico.

En estas condiciones rellena la siguiente tabla (recuerda que el sistema es equilibrado):

4.- Repite los apartados 2 y 3 para un sistema desequilibrado, cambiando una de las lámparas de 60W/220V por otra de 25W/220V, por ejemplo la de la fase R. Rellena las siguientes tablas:

Cálculos: Antes de continuar con la realización del ejercicio es preciso que le muestres al profesor los resultados obtenidos teóricamente para que éste le de el visto bueno.

Medidas: POTENCIA TOTAL:

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

FASE A

FASE B

FASE C

VNO (V)= 5- Compara los resultados obtenidos en el caso equilibrado y en el desequilibrado, haciendo especial hincapié en lo referente a la importancia del hilo neutro. Compara también estos resultados con el caso de conexión en estrella a 3H. (Se recomienda consultar los ejemplos de cálculo que se adjuntan en la documentación que tienes disponible en el puesto del laboratorio).

6.- Realiza las mismas medidas que el apartado 4, desequilibrando el sistema provocando un fallo en una de las tres lámparas de 60W/220V (basta con aflojar una de ellas). Supongamos que sea la de la fase A. POTENCIA TOTAL:

NOTA: si utilizas el vatímetro trifásico o el analizador de energía trifásico, no dispones de las medidas W1 ni W2, debes de dejarlas en blanco y sólo rellenar la casilla de la potencia total P.

FASE B

FASE C

VNO (V)= Comenta los resultados obtenidos haciendo especial hincapié en lo referente a la importancia del hilo neutro. (Se recomienda consultar los ejemplos de cálculo que se adjuntan en la documentación que tienes disponible en el puesto del laboratorio).

5. Importancia del hilo neutro en sistemas a 4h

Para comprobar la importancia del hilo del hilo (recuerda que absorbe los desequilibrios en las cargas, siempre y cuando la impedancia del mismo sea despreciable), basta con realizar el siguiente experimento: 1.- Conecta, utilizando la plataforma auxiliar de bornes, tres lámparas de 60W/220V en estrella a 4H. (El sistema que resulta es equilibrado puesto que todas las cargas son iguales). Aliméntalo con una tensión de línea de 130V (es importante que no se sobrepase este valor de tensión) 2.- En estas condiciones, mide la corriente de línea y la corriente por el neutro, así como las tensiones en cada una de las cargas. Rellena esta tabla:

FASE A

FASE B

FASE C

HILO NEUTRO