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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA COORDINACIÓN GENERAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II NOMBRE DEL ALUMNO: ______________________________________________________ MATRÍCULA: ______________________ BRIGADA: ___________________ INSTRUCTOR: _______________________________________________________________ PERIODO: _______________________________ LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II ÍNDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... I PRÁCTICA #1. MANEJO DEL EQUIPO ........................................................................................................ 1 PRÁCTICA #2: CONTROL MAGNETICO DE MOTORES A TENSION COMPLETA ..................................... 5 PRÁCTICA #3. ANÁLISIS DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS, CONEXIÓN EN SERIE ALIMENTADOS CON CORRIENTE ALTERNA ..................................................................................................................... 10 PRÁCTCA #4. CONEXIÓN EN PARALELO ALIMENTADOS CON CORRIENTE ALTERNA ...................... 20 PRÁCTICA #5: ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS SERIE, PARALELO Y MIXTOS RLC ............... 27 PRÁCTICA #6: ANÁLISIS DE CIRCUITOS MEDIANTE TRANSFORMACIÓN Y ............................... 30 PRÁCTICA #7: FRECUENCIA DE RESONANCIA Y RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN CIRCUITO RLC SERIE. ................................................................................................................................................ 32 PRACTICA #8. MEDICIÓN DE POTENCIA MONOFÁSICA ........................................................................ 36 PRACTICA #9. CORRECCIÓN DE FACTOR DE POTENCIA EN CIRCUITOS MONOFÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA .............................................................................................................................. 38 PRACTICA #10. CIRCUITOS TRIFÁSICOS BALANCEADOS .................................................................... 40 PRACTICA #11. CIRCUITOS TRIFÁSICOS DESBALANCEADOS ............................................................. 43 LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II I INTRODUCCIÓN Este libro de Circuitos Eléctricos II ha sido diseñado como libro de prácticas para las carreras Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero Electrónica y Automatización. Contiene 11 prácticas a realizar, como lo son manejo del equipo, análisis de circuitos de diferentes conexiones eléctricas como serie, paralelo, mixto, delta-estrella y viceversa, frecuencia de resonancia, medición de la potencia monofásica, corrección del factor de potencia, así como circuitos trifásicos balanceados y no balanceados. Todas las prácticas están diseñadas con la finalidad de que el alumno compruebe de forma práctica los conocimientos teóricos adquiridos en la unidad de aprendizaje y le sean de ayuda en aprendizajes previos de la misma. Academia de Circuitos Eléctricos FIME, UANL LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II II Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Coordinación General de Ingeniería Eléctrica Departamento de Circuitos Eléctricos Elaborado por: Dra. Erika Fernández Hernández M.C. Ana Orozco Ramírez M.A. Claudia Elizabeth Alonso Rodríguez Diseño: Karen Elizabeth Alemán Reyna Anacecilia Lozano Moreno LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 1 PRÁCTICA #1. MANEJO DEL EQUIPO OBJETIVO: En esta práctica el alumno recibirá información acerca del equipo a utilizar, así como de sus principales funciones. El equipo que se utilizará para el desarrollo de las prácticas durante el curso es: Suministro de alimentación CA. Su finalidad es proporcionar al circuito un voltaje de alimentación en CA, por lo que, para tener 127Volts , se alimentará al tablero una línea y neutro 1 2( ,L N L N y 3L N ) y para 220Volts 1 2 2 3 1( , 3, )L L L L L L . En caso de sistemas trifásicos se utilizan las 3 líneas 1 2( ,L L y 3)L y en algunos casos también el neutro. Medidores Multímetros Equipo para pruebas Tablero de nodos Puentes y resistencias Cables de conexión Motores eléctricos o inductores Capacitores o condensadores LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 2 REGLAS DE SEGURIDAD Las consecuencias del paso de la corriente por el cuerpo humano pueden ocasionar desde lesiones físicas secundarias (golpes, caídas, etc.), hasta la muerte. Una persona se electrocuta cuando la corriente eléctrica circula por su cuerpo, es decir, cuando la persona forma parte del circuito eléctrico, pudiendo al menos, distinguir dos puntos de contacto: uno de entrada y otro de salida de la corriente. Los efectos que producen las corrientes eléctricas en el organismo se pueden prevenir en lo general mediante la siguiente tabla. 1. ANTES de comenzar a trabajar con cualquier equipo, averigüe en qué condiciones está el equipo y si existe algún peligro. 2. NUNCA confíe en dispositivos de seguridad tales como fusibles, relevadores y sistemas de cierre, como base de su protección. Puede ser que no estén funcionando o que no logren protegerlo cuando más lo necesita. 3. NUNCA quite la punta de tierra de un enchufe de entrada de tres cables. Esto elimina la característica de conexión a tierra del equipo convirtiéndolo en un verdadero peligro. 4. ORDENE LA MESA DE TRABAJO. Trabajar entre un enredo de cables de conexión y con un montón de componentes y herramientas solo propicia el descuido, con lo que aumenta las posibilidades de un corto circuito, choques y accidentes. Acostúmbrese a trabajar en forma sistemática y organizada. 5. NO TRABAJE SOBRE PISOS MOJADOS. Esto hace que se reduzca sustancialmente su resistencia, al haber mejor contacto a tierra, trabaje sobre tapetes ahulados o pisos aislados. 6. NO TRABAJE SOLO. Siempre conviene que haya otra persona para cortar la corriente, aplicar respiración artificial y llamar a un médico. 7. TRABAJE SIEMPRE PROTEGIDO. Cualquier corriente que pase entre las manos atraviesa el corazón y puede ser letal. 8. JAMÁS HABLE CON ALGUIEN MIENTRAS TRABAJA. No permita que le distraigan y no converse con nadie, sobre todo si trabajan con equipos peligrosos. No sea la causa de un accidente. 9. MUEVASE SIEMPRE CON LENTITUD cuando trabaje cerca de circuitos eléctricos. Los movimientos rápidos y violentos son la causa de muchos choques, accidentes y corto circuitos. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 3 REGLAS DE SEGURIDAD PARA QUEMADURAS Las resistencias se calientan mucho, sobre todo las que llevan corrientes elevadas. Tenga cuidado con las resistencias; pueden quemarle la piel de los dedos. No las toque hasta que se enfríen. Tenga cuidado con todos los capacitores que aún puedan tener alguna carga. La descarga eléctrica no solo puede producirle un choque peligroso o fatal, sino también, quemaduras. Si se excede el voltaje nominal de un capacitor electrolítico, éste puede calentarse de un modo excesivo e incluso explotar. REPORTE: 1. ¿Cuál es el símbolo utilizado para medir en el multímetro la señal de corriente alterna (voltaje y corriente)? 2. ¿Cuál es la unidad de medición de voltaje del multímetro? ______________________________________________________________________________ 3. ¿Cuál es la unidad de medición de corriente del multímetro? ______________________________________________________________________________ 4. Mencione dos reglas de seguridad a usar en el laboratorio 1) ________________________________________________________________________ 2) ________________________________________________________________________ 5. Anote losdatos de placa de un motor (inductor) y defina cada uno de ellos. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 4 6. ¿Qué es un capacitor y cuáles son los valores de los capacitores que hay en el laboratorio de CEII? ______________________________________________________________________________ 7. ¿Qué es un inductor y cuáles son sus fórmulas de voltaje y corriente? ______________________________________________________________________________ LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 5 PRÁCTICA #2: CONTROL MAGNETICO DE MOTORES A TENSION COMPLETA OBJETIVO: El objetivo de esta práctica es que el alumno pueda identificar, diagramar y conectar sin error un control magnético a tensión completa, mediante el razonamiento lógico de los circuitos que lo componen. Usos: La utilidad que nos presentan estos dispositivos eléctricos es: la protección de las personas u operadores de la máquina eléctrica (motor), y la protección en sí de la propia máquina para su buen funcionamiento. Lo anterior aunado a la fácil manipulación del motor. Principio de funcionamiento: Para razonar el circuito de un control magnético a tensión complete, solo es necesario conocer la forma en que acciona un interruptor y conocer también que al aplicarle una diferencia de potencia a una bobina con núcleo de hierro se puede formar un electroimán, pues solo de estos dispositivos eléctricos se puede hacer uso para formar un control. Simbología utilizable: Símbolo Nombre Símbolo Nombre Elemento térmico Contacto de retención Contacto normalmente abierto Botón normalmente abierto Contacto normalmente cerrado Botón normalmente cerrado Micro switch (normalmente abierto, la diferencia de este contacto con el mencionado arriba determina el tamaño, o sea es más pequeño) Estación de botones Micro switch (normalmente cerrado, ídem caso anterior) LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 6 Es conocida una gran variedad de formas de control de máquinas eléctricas de tal suerte que solo mencionaremos algunas de ellas: 1) Control Manual 2) Control por Pedal 3) Control Eléctrico (Magnético) 4) Control Eléctrico 5) Control Hidráulico 6) Control Neumático, Etc. Todos los sistemas de control anteriormente citados tienen como auxiliares básicos a los interruptores, por lo tanto se hace necesario estudiar a estos antes de entrar de lleno a los controles. INTERRUPTORES Definición: Un interruptor es un dispositivo que se utiliza para unir o separar uno o más conductores dentro de un circuito eléctrico. Simbología simple de Interruptores: Interruptor de un polo y un tiro o apagador unipolar sencillo Interruptor de un polo dos tiros o interruptor escalera o de tres vías Interruptor de un polo tres tiros Interruptor de un polo cuatro tiros Interruptor de dos polos un tiro Interruptor de dos polos dos tiros LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 7 Interruptor de tres polos un tiro Interruptor de tres polos dos tiros En la Figura 1 se tiene una aplicación de uno de los diferentes tipos de interruptores mencionados anteriormente: Interruptor de 3 polos, 2 tiros Figura 1. Cambio de rotación de un motor trifásico LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 8 CONEXIÓN DEL CONTROL MAGNÉTICO A TENSIÓN COMPLETA. Es necesario que al conectar un control se razone el circuito y no tratar de memorizar las conexiones de alguna marca en particular, por lo tanto para su estudio dividiremos el control en tres etapas: a) Circuito de Trabajo b) Circuito de Control c) Circuito de Protecciones a) Circuito de Trabajo (Ejemplo con motor trifásico) Al cerrar los contactos se alimenta el motor y este trabaja. b) Circuito de control: Cuando se opima el botón " "A se alimenta a una bobina con núcleo de hierro la cual atrae los contactos " "T y " . ."C R (Contacto de Retención) cerrándolos. El contacto " . ."C R cuando está cerrando sirve para mantener a la bobina energizada mientras el botón de arranque " "A está abierto. El botón de paro " "P sirve para abrir el circuito de la bobina, la cual soltará a los contactos " "T y " . ."C R quedando nuevamente abiertos. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 9 c) Circuito de Protecciones (En combinación con el de control y de trabajo) El circuito de protecciones está compuesto por los Elementos Térmicos (resistencias), los cuales están calibrados para permitir únicamente el paso de la corriente nominal, por lo tanto al ocurrir una sobrecorriente en el circuito habrá en exceso de calor en él. Debido a esto, los Microswitchs " "OL (Contactos normalmente cerrados) se abren térmicamente y al estar conectados en serie con el circuito de la bobina, ésta se desenergizará e interrumpirá la alimentación de los 3 circuitos mencionados con anterioridad. Los Elementos Térmicos y "𝑂𝐿" son parte integral y por los tanto deberán estar uno junto al otro como se muestra en el diagrama esquemático. El circuito que se acaba de mencionar se utiliza para proteger a la máquina. MATERIAL NECESARIO PARA EFECTUAR LA PRÁCTICA: Tablero de Control 4 puntas largas y 7 puntas cortas Motor Trifásico REPORTE: En una hoja tamaño carta elaborar el diagrama de control magnético a tensión completa de un motor trifásico, el cual servirá como guía para la conexión en el tablero. NOTA: Para que haya un mejor aprovechamiento, el circuito deberá ser armado por 2 personas cuando mucho en cada tablero, haciendo esto todos los componentes de la brigada. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 10 PRÁCTICA #3. ANÁLISIS DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS, CONEXIÓN EN SERIE ALIMENTADOS CON CORRIENTE ALTERNA OBJETIVO: Determinar la respuesta que tienen los circuitos resistivos, inductivos y capacitivos cuando se le aplica un voltaje de corriente alterna. CIRCUITO RESISTIVO 1. Armar un circuito serie con dos elementos pasivos resistivos de diferentes valores o iguales, suministrarle un voltaje alterno de 127 ó 220 ,60Volts Hz . Determinar la respuesta que tiene el circuito. Medir 1 2 __________ __________ __________ __________ T T R R I V V V 2. Comprobar la Ley de Voltajes de Kirchhoff : 1 2T R RV V V Si se aplica la ley de Kirchhoff de voltajes, y si la suma aritmética de 𝑉𝑅1 y 𝑉𝑅2 , es igual al voltaje aplicado 𝑉𝑇, entonces se dice que el circuito tiene una corriente que se encuentra en fase con el voltaje, por lo tanto el circuito efectivamente es resistivo 0 T TV I . Representación en el dominio del tiempo Representación matemática sen sen T m T m V V t I I t LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 11 Representación en el dominio de la frecuencia 0 2 0 2 m T m T V V I I CIRCUITO RESISTIVO- INDUCTIVO 3. Armar un circuito serie con un elemento resistivo y un elemento inductivo, suministrarle un voltaje alterno de 127 ó 220 volts, 60 Hz. Determinar el comportamiento que tiene el circuito. Medir __________ __________ __________ __________ T T R L I V V V 4. Comprobar la Ley de Voltajes de Kirchhoff: T R LV V V Si se aplica la ley de Kirchhoff de voltajes, y si la suma aritmética de RV y LV es mayor que el voltaje aplicado TV , entonces se dice que el circuito tiene una corriente que se encuentra atrasada alvoltaje. I T V T LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 12 Representación en el dominio del tiempo Representación matemática sen sen( ) T m T m V V t I I t Representación en el dominio de la frecuencia Representación matemática 0 2 2 m T m T V V I I Nota: Lectura del multímetro 2 m ef V V 2 m ef I I Para determinar el ángulo , se utiliza la ecuación de los voltajes T R LV V V LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 13 Aplicando la ley de cosenos 2 2 2 2 cos(180 )T R L R L LV V V V V Como: (180 ) ( )L LCos Cos 2 2 2 2 cos( )T R L R L LV V V V V 2 2 2 1cos 2 T R L L R L V V V V V Por ley de senos sen(180 ) sen( ) T L L T V V 1 sen(180 ) sen L L T T V V Nota: L T T R LV V V T R LI I I , por ser conexión serie. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 14 CIRCUITO RESISTIVO- CAPACITIVO 5. Armar un circuito serie con un elemento resistivo y un elemento capacitivo, suministrarle un voltaje alterno de127 ó 220 volts, 60 Hz. Determinar la respuesta que tiene el circuito. Medir __________ __________ __________ __________ T T R C I V V V 6. Comprobar la Ley de Voltajes de Kirchhoff: T R CV V V Si se aplica la ley de Voltaje de Kirchhoff, y si la suma aritmética de VR y VC, es mayor que el voltaje aplicado VT. Entonces se dice que el circuito tiene una corriente que se encuentra adelante del voltaje. Representación del voltaje total y la corriente total: Dominio del tiempo Matemática sen sen T m T m V V t I I t LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 15 Dominio de la frecuencia Matemática 0 2 0 2 m T m T V V I I Para determinar el ángulo utilizamos la ecuación de voltajes: T R CV V V Ley de cosenos 2 2 2 2 cos( )T R C R C CV V V V V 2 2 2 1cos 2 T R C C R C V V V V V Por ley de senos sen(180 ) sen( ) T C C V V 1 sen(180 ) sen C T T V V 2 2 2 2 cos(180 )T R C R C CV V V V V LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 16 Nota 1: C T T R CV V V T R CI I I , por ser conexión serie. Nota 2: Los ángulos de desfasamiento, entre el voltaje y la corriente, son muy utilizados para el cálculo de las potencias que existen en circuitos de corriente alterna. 7. Determinación de las impedancias V Z I Resistencia 0 0 R R R V Z R j I Inductor L L L L L L V Z R jX I Capacitor C C C C C C V Z R jX I Donde: LR Resistencia interna del inductor cos L L L V I LX Reactancia del inductor senL L L V I L Inductancia (Henrios) LX CR Resistencia interna del capacitor cosC C C V I CX Reactancia del capacitor senL L L V I LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 17 C Capacitancia (Faradios) 1 CX Impedancia equivalente T T T V Z R jX I Donde: Resistivo 1 2 0T R RZ Z Z R j Resistivo inductivo T R L LZ Z Z R jX Resistivo capacitivo T R C CZ Z Z R jX 8. Determinación de potencia instantánea y su valor promedio cos cos cos cos cos 2 sin sin 2 2 2 2 T T T m m m m m m m m T P V I V t I t V I V I V I P t t Circuito inductivo Circuito capacitivo El valor de la potencia promedio 0 1 T TW P dt T , LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 18 Cuando 2t 2cos cos 2 m m T T R T V I W V I I R LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 19 Nota: Valor promedio de la potencia instantánea. Circuito Resistivo 2 1 2T R R T TP P P I R Circuito resistivo- Inductivo 2 T R L T TP P P I R Circuito resistivo- Capacitivo 2 T R C T TP P P I R REPORTE: 1. Efectuar todos los cálculos de acuerdo con las ecuaciones y valores tomados de la práctica. 2. Comprobar que los cálculos realizados satisfagan el tipo de conexión y elemento. Anotar sus observaciones. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 20 PRÁCTCA #4. CONEXIÓN EN PARALELO ALIMENTADOS CON CORRIENTE ALTERNA OBJETIVO: Determinar la respuesta que tienen los circuitos resistivos, inductivos y capacitivos en paralelo, cuando se le aplica un voltaje alterno. CIRCUITO RESISTIVO 1. Armar un circuito paralelo con dos elementos pasivos resistivos y suministrarle un voltaje alterno de 127 Ó 220 ,60Volts Hz . Determinar qué respuesta tiene el circuito. 1 2T R RV V V Medir 1 2 __________ __________ __________ __________ T T R R I V I I 2. Comprobar la Ley de Kirchhoff: 1 2T R RI I I Si se aplica la ley de Kirchhoff de corriente, y si la suma aritmética de 1RI e 2RI es igual a TI , entonces la corriente y el voltaje del suministro se encuentran en fase. 0 T TV I ° Representación en el dominio del tiempo Representación matemática cos cos T m T m V V t I I t LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 21 CIRCUITO RESISTIVO-INDUCTIVO 3. Armar un circuito paralelo con un elemento resistivo y un inductivo, suministrarle un voltaje alterno de 127 ó 220 volts, 60 Hz. Determinar qué respuesta tiene el circuito. ( )T R LV V V 4. Comprobar la Ley de Kirchhoff: T R LI I I Ley de Kirchhoff de corrientes, y si la suma aritmética de RI e LI es mayor que TI . Entonces el circuito tiene una corriente que se encuentra atrasada al voltaje. Dominio de la frecuencia Representación matemática 0 2 0 2 m T m T V V I V Medir __________ __________ __________ __________ T T R L I V I I I T V T LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 22 Representación en el dominio del tiempo Matemático cos cos( ) T m T m V V t I I t Dominio de la frecuencia Matemático 0 2 2 m T m T V V I I Para determinar el ángulo 𝜃 utilizamos la ecuación de corrientes: T R LI I I LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 23 Aplicación de ley de cosenos y ley de senos 2 2 2 cos(180 )T R L R L LI I I I I 2 2 2 1cos 2 T R L L R L I I I I I sen(180 ) sen( ) T L L T I I 1 sen(180 ) sen L L T T I I CIRCUITO RESISTIVO-CAPACITIVO 5. Armar un circuito paralelo con un elemento resistivo y un elemento capacitivo, suministrarle un voltaje alterno de 127 Ó 220 ,60Volts Hz . Determinar qué respuesta tiene el circuito. ( T R LV V V ) Medir __________ __________ __________ __________ T T R C I V I I 6. Comprobar la Ley de Kirchhoff: T R CI I I Si se aplica la ley de Kirchhoff de corriente, y si la suma aritmética de RI y CI es mayor que TI , entonces el circuito tiene una corriente que encuentra adelante del voltaje. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 24 Representación en el dominio del tiempo Matemática cos cos T m T m V V t I I t Dominio de la frecuencia Matemática 0 2 0 2 m T m T V V I I Para determinar el ángulo 𝜃, utilizamos la ecuación de corrientes: T R CI I I Aplicación de la ley de cosenos y ley de senos 2 2 2 2 cos(180 )T R C R C CI I I I I 2 2 2 1cos 2 T R C L R C I I I I I sen(180 ) sen( ) T C C T I I 1 sen(180 ) sen C C T T I I LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 25 7. Determinación de las impedancias V Z I Resistencias 0 0( )RR R V Z R j I Resistencia - Inductancia ( )LL L L L L V Z R jX I Resistencia - Capacitor ( )CC C C C C V Z R jX I Circuito equivalente ( )TT T T V Z R jX I Circuito Resistivo 1 2 1 1 1T R R Z Z Z Circuito Inductivo 1 1 1T R L Z Z Z Circuito Capacitivo 1 1 1T R C Z Z Z LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 26 REPORTE: 1. Efectuar todos los cálculos de acuerdo con las ecuaciones y valores tomados de la práctica. 2. Comprobar que los cálculos realizados satisfagan el tipo de conexión y elemento. Anotar sus observaciones. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 27 PRÁCTICA #5: ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS SERIE, PARALELO Y MIXTOS RLC OBJETIVO: Determinar la respuesta que tienen los circuitos serie, paralelo y mixtos RLC, cuando se le aplica un voltaje alterno. CIRCUITO SERIE RLC 1. Armar un circuito serie que contenga un elemento resistivo, un inductivo y un capacitivo, suministrarle un voltaje alterno de 127 Ó 220 ,60Volts Hz . Determinar el comportamiento que tiene el circuito. Medir __________ __________ __________ __________ __________ __________ T T X R L C I V V V V V 2. Por Ley de Kirchhoff: T X CV V V Como sabemos que el circuito tiene elementos RLC, la corriente puede estar en fase con el voltaje TV o puede adelantarse o atrasarse, entonces el ángulo de desfasamiento puede tener el valor de 90 Representación de voltajes y corrientes T R L CI I I I 0 0 90 90 90 R L C LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 28 CIRCUITO PARALELO RLC 3. Armar un circuito paralelo que contenga un elemento resistivo, un inductivo y un capacitivo, suministrar un voltaje alterno de 127 Ó 220 ,60Volts Hz . Determinar el comportamiento que tiene el circuito. 4. Comprobar la Ley de Kirchhoff: ( )T X C R L CI I I I I I Como sabemos que el circuito tiene elementos RLC, la corriente TI puede estar en fase, adelante o atraso del voltaje TV , entonces el ángulo de desfasamiento puede tener un valor de 0 90 Representación de corrientes y voltajes ( )T R C LV V V V Medir __________ __________ __________ __________ __________ __________ T T X R L C I V I I I I 0 0 90 90 90 R L C LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 29 CIRCUITO MIXTO RLC 5. Armar un circuito que tenga un elemento inductivo en paralelo con un elemento inductivo en paralelo con un elemento capacitivo y que su equivalente esté conectado en serie con un elemento resistivo. Suministrar un voltaje alterno de 127 o 220 ,60Volts Hz Determinar qué respuesta tiene el circuito mixto. Medir __________ __________ __________ __________ __________ __________ T L X R L C V V I I I I 6. Comprobar la ley de Kirchhoff de corrientes y voltajes: ( )T R L CV V V V ( )T R L C T R L R C R X I I I I I I I I I I I Como sabemos que el circuito tiene elementos RLC, la corriente que entrega la fuente TI puede estar en fase, adelanto o atraso del voltaje. Representación de voltajes y corrientes T L CI I I T R LV V V LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 30 PRÁCTICA #6: ANÁLISIS DE CIRCUITOS MEDIANTE TRANSFORMACIÓN Y OBJETIVO: Determinar la respuesta que tienen los circuitos conectados en ó Y , independientemente del tipo de alimentación de CA. CIRCUITO CON SUMINISTRO DE DOS FUENTES CONEXIÓN 1. Conectar una resistencia, una inductancia y un capacitor formando una conexión delta como se muestra en la figura. Suministrarle voltajes alternos utilizando tres conductores ( 1 2,L L y N). Determinar la respuesta que tiene el circuito. Medir __________ __________ __________ __________ __________ A B R L C V V V V V __________ __________ __________ __________ __________ __________ A B N R L C I I I I I I Nota: AB AN BNV V V Compruebe la Ley de Kirchhoff A R C B L C N A B R L C R L A B AB I I I I I I I I I I I V V V V V V Como el circuito tiene una alimentación con tres conductores entonces NO tiene una TZ , como los circuitos analizados anteriormente. El circuito tiene un equivalente de tres impedancias formando una conexión en estrella. Aplicando las leyes de Kirchhoff utilizamos las ecuaciones y determinamos los desfasamientos de voltajes y corrientes ( , , )R L C Nota: Medir factor de potencia para calcular ángulos de desfasamiento. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 31 CIRCUITO CON SUMINISTRO DE DOS FUENTES CONEXIÓN Y Conectar una resistencia, una inductancia y un capacitor formando una conexión delta como se muestra en la figura. Suministrarle voltajes alternos utilizando tres conductores 1 2( ,L L y N ). Determinar la respuesta que tiene el circuito. REPORTE: 1. Determinar el valor de impedancias de cada rama. 2. Determinar el ángulo de cada rama. 3. Determinar el ángulo de la corriente y el voltaje. 4. Realizar la transformación Y del primer circuito y calcular el valor de las corrientes con los valores de impedancia obtenidos de la transformación. 5. Realizar la transformación Y del segundo circuito y calcular el valor de las corrientes con los valores de impedancia obtenidos de la transformación. 6. Realizar el diagrama de corrientes de ambos circuitos. Medir 1 2 3 __________ __________ __________ __________ __________ AN BN Z Z Z V V V V V 1 2 3 __________ __________ __________ __________ Z Z Z N I I I I LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 32 PRÁCTICA #7: FRECUENCIA DE RESONANCIA Y RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN CIRCUITO RLC SERIE. OBJETIVO: Determinar mediante simulaciones la frecuencia de resonancia de un circuito LC serie. DETERMINACIÓN DE LA FRECUENCIA DE RESONANCIA DE UN CIRCUITO RLC SERIE 1. Calcule las frecuencias de resonancia para las combinaciones LC serie 10 0.01mH F ; 10 0.0033mH F y 10 0.001mH F . Anote sus respuestas en la Tabla I. 2. Con el generador de funciones y el osciloscopio apagado arme el circuito de la Figura 1. 3. Encienda el generador de funciones y fije la frecuencia en15kHz . Encienda el osciloscopio y calíbrelo para mediciones de voltaje. Ajústelo para ver la onda senoidal de salida del generador. Aumente la salida del generador hasta que el osciloscopio indique un voltaje de 5 PPV . Mantenga este voltaje en todo el experimento. 4. Observe el voltaje pico a pico en la resistencia, RV , conforme la frecuencia varía por encima y por debajo de 15kHz . Observe la frecuencia en la que RV es máximo en la frecuencia de resonancia, Rf . También observe en el osciloscopio qué desfasamiento en resonancia es de 0 . Anote el valor de Rf en la Tabla I, renglón de 0.01 F . Apague el generador de funciones. 5. Sustituya el capacitor de 0.01 F por el de0.0033 F . Encienda el generador de funciones. Compruebe que el voltaje de salida del generador sea de 5 PPV , ajústelo si es necesario. 6. Fije la frecuencia del generador en 27kHz . Observe el voltaje en la resistencia RV conforme la frecuencia varía por encima y por debajo de 27kHz . En el punto en que RV es máximo, lafrecuencia es Rf .Escriba este valor en la Tabla I, renglón de 0.0033 F . Apague el generador de funciones. 7. Reemplace el capacitor de 0.0033 F por el de 0.01 F . Encienda el generador de funciones. Verifique el voltaje de salida del generador y, si es necesario, ajústelo para mantener 5 ppV . 8. Ajuste la frecuencia del generador en 50kHz . Observe el voltaje en la resistencia, RV , conforme la frecuencia varía por encima y por debajo de 50kHz . En la frecuencia de resonancia, Rf , el voltaje en la resistencia será máximo. Anote el valor de Rf en el renglón de 0.01 F en la Tabla I. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 33 Figura 1. Trazado de la curva de respuesta en frecuencia 1. Con el circuito de la Figura 1 y el capacitor de 0.001 F en el circuito, revise el osciloscopio para verificar que el voltaje de salida aún es de 5 PPV . También compruebe el valor de Rf para el circuito de 10mH y 0.001 F (debe ser el mismo que se obtuvo en el paso 8). 2. Examine la tabla II. En esta parte deberá hacer una serie de mediciones a frecuencias por encima y por debajo de la frecuencia de resonancia. Para cada frecuencia medirá y registrará el voltaje en la resistencia de1k . Dado que Rf puede no ser un número redondo, quizá no pueda ajustar las frecuencias exactas en el generador. En consecuencia, elija valores de frecuencia lo más cercanos posibles a los valores de los incrementos. Al concluir las mediciones apague el osciloscopio y el generador de funciones. Tabla I. Frecuencia de resonancia de un circuito RLC serie. Inductor L mH Capacitor C F Frecuencia de resonancia ,Rf Hz Calculada Medida 10 0.01 10 0.0033 10 0.001 LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 34 Tabla II. Respuesta en frecuencia de un circuito RLC serie. Incremento Frecuencia ,f Hz Voltaje en la resistencia ,R ppV V 21 R f kHz 18 R f kHz 15 R f kHz 12Rf kHz 9Rf kHz 6Rf kHz 3Rf kHz Rf 3Rf kHz 6Rf kHz 9Rf kHz 12Rf kHz 15Rf kHz 18Rf kHz 21Rf kHz LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 35 REPORTE: 1. Explique qué es la frecuencia de resonancia de un circuito RLC serie. 2. Con base en sus datos de la Tabla II, ¿por qué el voltaje de salida en la resistencia no es igual a V (5 PPV ). cuando la frecuencia de entrada es la de resonancia? 3. ¿Cuál fue la impedancia de su circuito RLC en serie en resonancia? Explique. 4. A partir de los datos de la Tabla I compare el valor calculado de la frecuencia de resonancia con el valor medido. Explique cualquier resultado no esperado. 5. Explique el efecto de los cambios de la capacitancia en la frecuencia de resonancia en un circuito RLC serie cuando la resistencia y la inductancia son constantes. Consulte los datos de la Tabla I. 6. En una hoja tamaño carta de papel milimétrico trace una gráfica de frecuencia contra la corriente por la resistencia a partir de los datos de la Tabla II. El eje horizontal (x) representa la frecuencia y el vertical (y), la corriente por la resistencia. Trace una línea discontinua vertical en la frecuencia de resonancia desde el eje de frecuencia hasta la curva de respuesta en frecuencia. Ponga nombres a los ejes e identifique la línea de la frecuencia con Rf . 7. ¿Por qué es importante observar en forma constante el voltaje de salida del generador de funciones durante las mediciones de la respuesta en frecuencia? LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 36 PRACTICA #8. MEDICIÓN DE POTENCIA MONOFÁSICA OBJETIVO: Conocer el uso del wattmetro para determinar la potencia real de un elemento resistivo, inductivo y capacitivo. Así como los conceptos de potencia real P , potencia reactiva Q , potencia aparente S y factor de potencia .f p . Un instrumento utilizado para medir la potencia promedio es el Wattmetro. Este instrumento contiene una bobina de corriente de baja impedancia (la cual idealmente tiene una impedancia cero) que se conecta en serie con la carga, y Volmetro de alta impedancia (el cual idealmente tiene una impedancia infinita) que se conecta a través de la carga. Si el voltaje y la corriente son periódicos, y el wattmetro se conecta como se muestra en la Figura 1, leerá: 0 1 ( ) ( ) T P v t i t dt T donde ( )v t e ( )i t están definidos en la Figura 1. Advierta que ( )i t es registrada como entrada en la terminal ( ) de la bobina de corriente y ( )v t es registrada como positiva con respecto a las terminales de la bobina de voltaje. Las conexiones producirán una lectura de la potencia entregada a la carga. Como las bobinas están completamente aisladas entre ellas, se pueden conectar en cualquier lugar del circuito y la lectura puede tener o no significado. PROCEDIMIENTO: 1. En el tablero arme el circuito mostrado en la Figura 1, figura 2 variando la carga Z ; registrar las mediciones. Figura 1. Medir 1 1FZ Z 1 1MZ Z 1 1CZ Z 1 2 F M Z Z Z Z 1 2 F C Z Z Z Z V I P LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 37 REPORTE: 1. ¿Qué es un wattmetro? 2. ¿Qué es la potencia? 3. Calcule la potencia aparente S y potencia reactiva Q y factor de potencia para cada caso. 4. Dibuje el triángulo de potencia de cada caso. Figura 2. Medir 1 1 2 2 F F Z Z Z Z 1 1 2 2 C C Z Z Z Z 1 2 F M Z Z Z Z 1 2 F C Z Z Z Z V I P LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 38 PRACTICA #9. CORRECCIÓN DE FACTOR DE POTENCIA EN CIRCUITOS MONOFÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA OBJETIVO: Corregir el factor de potencia de una carga inductiva mediante el uso de cargas capacitivas y observar que los efectos que tienen sobre la potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente ( ,P Q y ).S PROCEDIMIENTO: 1. Arme el circuito de las Figura 1. Alimente el motor eléctrico monofásico con un voltaje de 127 / 220 volts y conecte el wattmetro como se muestra. Figura 1 Medir: __________ __________ __________ . . ________ V I P f p 2. Al circuito de la Figura 1, agregue un capacitor en paralelo al motor, registre sus mediciones. Figura 2 Medir: __________ __________ __________ . . ________ V I P f p 3. Repetir el procedimiento hasta lograr llevar el . .f p lo más cercano a 1. Medir: __________ __________ __________ . . ________ V I P f p LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 39 REPORTE: 1. ¿Para qué sirve corregir el factor de potencia? 2. Realizar las operaciones para determinar las potencias Q y S . 3. ¿Qué pasa con la corriente cuando se conecta un capacitor para corregir el factor de potencia? 4. ¿Por qué se conserva el valor de la potencia real o activa al agregar los capacitores en paralelo al circuito? 5. ¿El corregir el factor de potencia nos puede llevar a un ahorro de energía? 6. Calcule el valor del capacitor para tener un . .f p de 0.98( ). 7. Dibuje el triángulo de potencias para cada caso analizado en la práctica. LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 40 PRACTICA #10. CIRCUITOS TRIFÁSICOS BALANCEADOS OBJETIVO: Efectuar mediciones en cargas conectadas en Y o , hacer las mediciones y analizar los circuitos. PROCEDIMIENTO: 1. Armar el circuito en Y , utilizando tres impedancias idénticas 1 2 3( )Z Z Z , utilizando primero cargas resistivas, cargas inductivas y cargas capacitivas, suministrarle el voltaje mostrado. 2. Medir los voltajes y corrientes para cada carga y anotar los valores en la tabla. 3. Colocar los wattmetros como se muestra en la figura y registrar los valores medidos en la tabla. Trifásicos Y Medir Carga Resistiva Carga inductiva Cargacapacitiva ABV ABV ABV BCV BCV BCV CAV CAV CAV AI AI AI BI BI BI CI CI CI AP AP AP AQ AQ AQ AS AS AS BP BP BP BQ BQ BQ BS BS BS TP TP TP LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 41 Trifásicos Medir Carga Resistiva Carga inductiva Carga capacitiva ABV ABV ABV BCV BCV BCV CAV CAV CAV AI AI AI BI BI BI CI CI CI ABI ABI ABI BCI BCI BCI CAI CAI CAI AP AP AP AQ AQ AQ AS AS AS BP BP BP BQ BQ BQ BS BS BS TP TP TP LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 42 Cálculo de la potencia total medida por el método de los dos wattmetros. cos cos AC a BC bT A B AC a V I BC b V I P P P V I V I REPORTE: 1. Dibuje el diagrama vectorial de los voltajes y corrientes para la carga conectada en Y . 2. Dibuje el diagrama vectorial de los voltajes y corrientes para la carga conectada en . 3. Calcule la potencia activa y reactiva en cada rama para la carga conectada en Y . 4. Calcule la potencia activa y reactiva en cada rama para la carga conectada en . 5. Calcule el factor de potencia por el método de los wattmetros para cada carga conectada en Y . 6. Calcule el factor de potencia por el método de los wattmetros para cada carga conectada en . 7. Dibuje el triángulo de potencia para cada carga conectada en Y . 8. Dibuje el triángulo de potencia para cada carga conectada en . 9. Calcule el valor de impedancia para cada carga conectada en Y . 10. Calcule el valor de impedancia para cada carga conectada en . LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 43 PRACTICA #11. CIRCUITOS TRIFÁSICOS DESBALANCEADOS OBJETIVO: Efectuar mediciones en cargas conectadas en Y o , hacer las mediciones y analizar los circuitos. PROCEDIMIENTO: 1. Armar el circuito en Y , utilizando tres impedancias diferentes 1 2 3Z Z Z , suministrarle el voltaje mostrado. 2. Medir los voltajes y corrientes para cada carga y anotar los valores en la tabla. 3. Colocar los wattmetros como se muestra en la figura y registrar los valores medidos en la tabla. Trifásicos Y Medir Carga Resistiva Carga inductiva Carga capacitiva ABV ABV ABV BCV BCV BCV CAV CAV CAV AI AI AI BI BI BI CI CI CI AP AP AP AQ AQ AQ AS AS AS BP BP BP BQ BQ BQ BS BS BS TP TP TP 𝐼𝑁 = LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 44 Trifásicos Medir Carga Resistiva Carga inductiva Carga capacitiva ABV ABV ABV BCV BCV BCV CAV CAV CAV AI AI AI BI BI BI CI CI CI ABI ABI ABI BCI BCI BCI CAI CAI CAI AP AP AP AQ AQ AQ AS AS AS BP BP BP BQ BQ BQ BS BS BS TP TP TP LABORATORIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS II 45 Cálculo de la potencia total medida por el método de los dos wattmetros. cos cos AC a BC bT A B AC a V I BC b V I P P P V I V I REPORTE: 1. Dibuje el diagrama vectorial de los voltajes y corrientes para la carga conectada en Y . 2. Dibuje el diagrama vectorial de los voltajes y corrientes para la carga conectada en . 3. Calcule la potencia activa y reactiva en cada rama para la carga conectada en Y . 4. Calcule la potencia activa y reactiva en cada rama para la carga conectada en . 5. Calcule el factor de potencia por el método de los wattmetros para cada carga conectada en Y . 6. Calcule el factor de potencia por el método de los wattmetros para cada carga conectada en . 7. Dibuje el triángulo de potencia para cada carga conectada en Y . 8. Dibuje el triángulo de potencia para cada carga conectada en . 9. Calcule el valor de impedancia para cada carga conectada en Y . 10. Calcule el valor de impedancia para cada carga conectada en .
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