P4 Circuitos

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Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Ingeniería
Laboratorio de Circuitos Eléctricos
Grupo: 1 - Semestre: 2023-1
Práctica #4:
Factor de potencia
Brigada: 1
Fecha de entrega: 05/12/2022
Profesor:
Ayala Hernández Mauricio Ing.
Alumnos:
Hernández Lara Jesús Eduardo
Rodríguez López Rogelio
Téllez González Jorge Luis
1. Objetivos
· Determinar el voltaje de fase, la corriente de fase, potencia de fase, potencia reactiva, potencia compleja y factor de potencia de sistemas monofásicos y trifásicos mediante los instrumentos de laboratorio proporcionados.
2. Desarrollo
Las actividades de esta práctica están conformadas principalmente por una serie de mediciones en 3 tipos de sistemas tangibles dentro del laboratorio de circuitos eléctricos:
· Un arreglo de focos.
· Un motor.
· Un banco de capacitores.
	Para realizar estas mediciones se utilizará un analizador monofásico/trifásico DM-III Multitest junto con sus respectivas pinzas y medidores de corriente. 
Figura 1. Analizador DM-III.
Al realizar estas mediciones se busca principalmente caracterizar estos sistemas de acuerdo a su naturaleza: resistiva, inductiva o capacitiva. Por medio de esta clasificación, se obtendrán las distintas componentes de la potencia en cada sistema y se obtendrá el respectivo factor de potencia, el cual permite identificar la eficiencia del circuito en un ambiente real.
2.1 Experimento I Sistema monofásico (resistivo)
El primer sistema a analizar se conforma por una única fase en un arreglo de focos como se observa en el siguiente diagrama:
Figura 1. Arreglo monofásico de una serie de focos. 
El objetivo de este experimento es que, al conectar los focos y medir una única fase, se multiplique tres veces el valor obtenido para obtener la potencia total estimada para este sistema en una configuración trifásica. Realizando el armado del circuito con las instrucciones proporcionadas se obtiene el siguiente arreglo:
Figura 2. Arreglo del sistema monofásico.
En donde se solicita calcular las potencias involucradas:
Obteniendo las potencias:
Donde Q=0 debido a que no se interactúa con ningún elemento capacitivo ni inductivo, por lo tanto:
El factor de potencia es el siguiente:
fp=1
Podemos concluir que este circuito no tiene algún desfase, es decir, el circuito es un circuito “ideal” ya que tiene un factor de potencia igual a 1.
2.2 Experimento II Sistema trifásico neutro (resistivo)
Figura 3. Circuito que representa un sistema trifásico neutro.
En este circuito, la diferencia con el que se muestra en la figura 2, es que este circuito tendrá el neutro de la fuente conectado al circuito, en el cual, observaremos que no será la misma potencia que encontramos en el experimento anterior.
En este caso, el arreglo encontrado es el siguiente:
Figura 4. Arreglo del circuito de la figura 3.
En este caso, los valores obtenidos fueron los siguientes:
La potencia obtenida fue la siguiente:
En donde, nuevamente, la potencia Q=0, ya que no hay influencia de ningún elemento inductivo ni capacitivo.
El valor de S es el siguiente:
Y el factor de potencia:
fp=1
Nuevamente, tenemos un circuito puramente resistivo, donde el ángulo de desfasamiento es 0.
La potencia trifásica se calcula de la siguiente manera:
Sustituyendo:
Esta es la potencia que generan los focos (resistores) que se utilizaron en la práctica.
2.3 Experimento III Sistema trifásico estrella (resistivo)
Figura 5. Circuito trifásico en estrella.
Este circuito llegan las 3 fases en estrella a los focos que se ocuparon en el laboratorio y lo que se busca es diferenciar el circuito anterior, en donde cambia tanto las corrientes como los voltajes e incluso la potencia.
El arreglo de la figura es el siguiente:
Figura 6. Arreglo del circuito.
En este arreglo, la diferencia con el experimento anterior, es que las fases no se conectan al neutro y que los focos se conectan en estrella, en donde la corriente de las fases son idénticas entre sí.
Los valores obtenidos fueron los siguientes:
La potencia obtenida en este arreglo fue el siguiente:
Al igual que en los experimentos anteriores, la potencia Q=0, dado que no se encuentra ningún elemento capacitivo ni inductivo, por lo que la corriente no entra en atraso o en adelanto y S es el mismo valor de la potencia de fase.
El factor de potencia obtenido en este experimento fue:
fp=1
La potencia trifásica se calcula de la siguiente manera:
Sustituyendo:
Esta es la potencia que generan los focos (resistores) que se utilizaron en la práctica.
Podemos observar que la potencia en el circuito en estrella aumenta en relación con el circuito simplemente en serie.
2.4 Experimento IV Sistema trifásico delta (resistivo)
Figura 7. Diagrama del circuito.
En este circuito, lo que queremos observar nuevamente es la potencia generada por los focos en una conexión en delta, si aumenta o disminuye. En delta, como sabemos, la corriente de cada fase varía en veces la corriente de línea:
El arreglo realizado fue el siguiente:
Figura 8. Armado del circuito.
Los valores obtenidos son los siguientes:
En este caso la potencia obtenida fue la siguiente:
Al igual que en los circuitos anteriores, dado que es un circuito resistivo no hay potencia compleja Q.
Para la potencia S tenemos:
El factor de potencia es:
fp=1
La potencia trifásica se calcula de la siguiente manera:
Sustituyendo:
En este caso, podemos notar un aumento significativamente alto de la potencia entregada por los focos.
Realizando una comparación entre la potencia trifásica entre la conexión en estrella y la conexión en delta obtenemos:
Este valor se acerca al valor de , lo que marca la diferencia es la pérdida que se tiene por el calor de los cables que se considera despreciable y el calor que generan los focos, es decir, por eso no se realiza el cálculo correcto, ya que estos al emitir potencia en forma de calor tienen ese desfase en el valor esperado.
2.5 Experimento V Sistema trifásico delta (inductivo)
En este experimento ahora se analizará un sistema trifásico conformado por un motor compuesto internamente de 3 inductores que permiten su giro una vez que ingrese corriente al mismo.
Figura 9. Motor trifásico con el orden de conexión indicado.
En este caso, lo que se realiza es lo visto en los circuitos anteriores, con la diferencia que estos son inductores, por lo que podrá existir un ángulo de desfasamiento entre el voltaje y la corriente.
El arreglo es el siguiente:
Figura 10. Arreglo de los motores en delta.
Los valores obtenidos en este experimento fueron los siguientes:
En este caso, las potencias fueron las siguientes:
El factor de potencia obtenido fue:
fp=0.14
En este caso, el ángulo de desfasamiento se calcula como:
Por lo que, el triángulo de potencias queda de la siguiente manera:
Figura 11. Triángulo de potencias del experimento con inductores.
Este triángulo de potencias está a escala, pero es con fines didácticos ya que los valores son muy alejados de lo que soporta la graficadora.
En este caso, tenemos un desfasamiento con adelanto en casi 82 grados.
	
2.6 Experimento VI Sistema trifásico delta (capacitivo)
El último experimento a realizar consiste en un circuito en configuración delta conformado por un banco de capacitores que se pueden activar o desactivar con un interruptor. Cada sección contiene un arreglo en paralelo de capacitores que permiten modelar un capacitor equivalente por medio de la suma de los valores de cada uno
Figura X. Diagrama de conexiones al banco de capacitores.
Figura X. Acercamiento al banco de capacitores y los valores disponibles en cada arreglo en paralelo.
Para realizar la conexión en delta de los arreglos en paralelo se debe seguir el siguiente esquema de conexión, que considera uniones en cada extremo superior derecho y una unión final en la parte inferior izquierda del primer arreglo y la parte superior derecha del último arreglo:
Figura X. Arreglo en delta del banco de capacitores.
Una vez realizadas las conexiones correspondientes, se procede aconectar las líneas de medición a todas las terminales positivas del banco de capacitores y las líneas de medición de corriente respectivas. El circuito armado resulta de la siguiente forma:
Figura X. Banco de capacitores conectado a las fases correspondientes.
Como se observa, nuestro sistema es de naturaleza puramente capacitiva. Para observar esto a detalle, se realizan las mediciones correspondientes con el analizador:
Con los resultados anteriores, es posible obtener el siguiente triángulo de potencias, considerando que:
	
Debido a que únicamente se tiene una componente capacitiva, el ángulo se ubica en el extremo inferior con un ángulo de 90° desde el punto de inicio marcado por la potencia real:
Figura X. Triángulo de potencias con componente únicamente capacitiva.
3. Conclusiones
Por medio del trabajo desarrollado el equipo pudo desarrollar sus habilidades con la manipulación de equipo de medición en sistemas físicos reales y que podrían encontrarse en aplicaciones reales cómo un motor o un banco de capacitores. Dentro de las actividades propuestas se logró caracterizar cada sistema de acuerdo a su naturaleza y se llegó a una importante conclusión: el factor de potencia delimita la eficiencia de un circuito para operar. El equipo pudo notar que los sistemas de carácter inductivo y capacitivo presentan factores de potencia con valores notablemente bajos que indican un problema de consumo excesivo. 
Este problema resulta especialmente notable en la industria, ya que las empresas que operan sistemas que tienen factores de potencias bajos suelen verse penalizadas por la CFE debido a la poca eficiencia de sus sistemas, los cuales consumen mayor energía de la que podrían consumir para operar. Es por ello que el factor de potencia es importante para detectar problemas en la eficiencia de los sistemas y tomar medidas para solucionarlo; siendo estas medidas englobadas en lo que se conoce como la corrección del factor de potencia. 
Por último, el equipo también pudo observar de forma más tangible las diferencias entre los circuitos resistivos en configuración estrella y delta; viéndose que la configuración en delta resultaba en que los focos se encendían con una intensidad muy superior respecto a la estrella; lo que es una demostración directa de la teoría que indica que los sistemas en delta presentan corrientes de línea iguales a la raíz de tres veces la corriente de fase.