LABORATORIO DE ELECTRICIDAD

En este primero laboratorio introductorio de electricidad se presentará en el informe solo se desarrollará un cuestionario entregado en la fecha de realización del laboratorio.

1. En este primer laboratorio de electricidad los alumnos dispondrán de todos los instrumentos para luego: anotar los datos básicos de los instrumentos como son marca, modelo y tipo; elaborar una lista que contenga los rangos, precisión y funciones de cada instrumento; y anotar e interpretar la simbología de los instrumentos de medición eléctrica.

A. Instrumentos de medición analógica:a) Amperímetro analógico:

Marca : GANZ Modelo: 96 LA

Símbolos :

Indica que el instrumento cuenta con mecanismo de medida electromagnética o de hierro móvil.

1.5 Indica el error relativo porcentual de ±1.5% en la medida de la intensidad de corriente.

Indica que el instrumento debe ser usado en posición vertical.

Indica la tensión de prueba de aislamiento es de 2kV Indica que trabaja con corriente alterna

b) Vatímetro analógico:

Marca: GANZ Modelo: HW a – b

Símbolos

0.5 Indica el error relativo porcentual de ±0.5% en la potencia medida.

Indica que trabaja con corriente continua y alterna.

Funciona con mecanismo de medida electrodinámica sin hierro.

Indica que el instrumento debe ser usado en posición horizontal.

Indica que la tensión de prueba de aislamiento es de 2Kv

B. Instrumentos de medición digital a) Multímetro digital

Marca : FLUKE Modelo: SERIE 10

Símbolos

Especificaciones (obtenidas del manual)

Función Rango Resolución Precisión (50 a 400 Hz)

V-

4000 mV *4.000 V40.00 V400.0 V600 V

1 mV0.001 V0.01 V0.1 V1 V

+/- (2.9 % + 3)+/- (2.9 % + 3)+/- (2.9 % + 3)+/- (2.9 % + 3)+/- (2.9 % + 3)

V 4000 mV *4.000 V40.00 V400.0 V600 V

1 mV0.001 V0.01 V0.1 V1 V

+/- (1.5 % + 2)+/- (1.5 % + 2)+/- (1.5 % + 1)+/- (1.5 % + 1)+/- (1.5 % + 1)

Ω 400.04.000 k40.00 k400.0 k4.000 M40.00 M

0.10.001 k0.01 k0.1 k0.001 M0.01 M

+/- (1.5 % + 2)+/- (1.5 % + 1)+/- (1.5 % + 1)+/- (1.5 % + 1)+/- (1.5 % + 1)+/- (1.9 % + 3)

2.000 V 0.001 V +/- (1.5 % + 2) **

2. Conteste las siguientes preguntas:

a) Describa los términos con respecto al valor de una magnitud leída en un instrumento de medición analógico lo que significa: error absoluto y error relativo.

Error absoluto: es la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero de la magnitud.Error relativo: es el cociente entre el valor absoluto y el valor máximo de la escala del instrumento de medida

b) Cuando se va a medir una tensión o corriente desconocida. ¿Qué rango o escala debe seleccionarse primero en los instrumentos de medida analógica y/o digital?

Cuando se va a medir una tensión o corriente desconocida, se debe seleccionar un instrumento con un amplio rango de medida puesto que de lo contrario el instrumento puede sobrepasar el límite del instrumento y por consiguiente dañar el mismo. Si una vez tomada la medida, esta es muy pequeña en relación al rango del instrumento , se opta por otro instrumento que obtenga una medida más precisa, habiendo ya verificado que no se dañará.

c) ¿Los instrumentos de medidas eléctricas se clasifican según?

Funcionamiento:Analógicos: son aquellos que presentan la medida mediante una lámina o una aguja móvil, la cual se desplaza en una escala graduada.Digitales: son aquellos que presentan la medida mediante un registro numérico en la pantalla.

Exactitud: Exactitud Alta Exactitud Baja

Aplicación: Instrumentos de medida de laboratorio: Son de alta exactitud y se usan para

calibraciones y contrastes de instrumentos de medida, verificación de funcionamiento de equipos e instalaciones.

Instrumentos de medida de tipo industrial u operacional: Son de exactitud baja. y se usan para mediciones de equipos e instalaciones en estado de servicio, principalmente en condiciones normales de operación.

d) Los términos que definen la exactitud en un instrumento de medición digital son los siguientes :

La resolución: indica los dígitos que se pueden visualizar en la pantalla. puede ser un número mixto o entero. A mayor dígito, mayor será la exactitud.

Errores constantes: son todos aquellos que permanecen constantes a través del rango del instrumento. Se expresan así:

o Porcentaje del rango de escala = xx% rango

o Número conteos del dígito menos significativo = xx conteos del dígito

menos significativo Errores proporcionales: son aquellos que son proporcionales a la magnitud de la

indicación digital. Se expresan de la siguiente forma:o Porcentaje de lectura = xx% lectura

e) Investigue y describa los siguientes conceptos:

Medición analógica: las señales, que se presentan en forma de ondas variantes en el tiempo, son procesadas y pueden adquirir cualquier valor a lo largo de un intervalo continuo de tiempo.

Medición Digital: se representa en forma discontinua valores discretos de la magnitud de la medida, las cuales deben ser cuantificadas primero , es decir , dividir en pequeños intervalos y asignarles una señal de medida discreta. esta exactitud depende de la calidad de la cubanización, mientras mas fina sea, mayor exactitud se tendrá.

Tipos de error: Errores humanos: mala lectura de instrumentos, mal cálculo, ajuste incorrecto del instrumento, etc.Errores del sistema: Error del instrumental: errores de calibración, instrumentos defectuosos, etc.Error del ambiente: cambios de temperatura, humedad, campos eléctricos o magnéticos, etc.Errores aleatorios: eventos desconocidos que causan pequeñas variaciones en las mediciones.

Clases de precisión: se simboliza por un número, el cual indica el erro porcentual que comete el instrumento. Esta precisión se caracteriza por el error reducido, que es el cociente, expresado en porcentaje, entre el error absoluto del instrumento y el valor máximo que puede medirse con el aparato.

f) ¿Por qué los vatímetros y voltímetros están diseñados para dar lecturas de los valores eficaces?

El valor RMS de dispositivos de corriente alterna es el valor que produce la misma disipación de calor en su equivalente de voltaje de corriente directa. Este valor es necesario en los dispositivos de medición para poder tener unos valores de tensión y corriente que no fluctúen al igual que la corriente alterna.

g) ¿Qué es un vatímetro?

Instrumento electrodinámico utilizado para medir la potencia eléctrica consumida en un circuito, es decir mide el producto de dos señales, la intensidad de corriente y el voltaje. Este instrumento cuenta con una bobina fija “circuito amperométrico” dispuesta de forma que toda la corriente fluya a través de ella y una bobina móvil “circuito voltimétrico”, que se conecta en serie con una resistencia y solo deja que una parte del voltaje de la fuente pase. La bobina fija se conecta en serie con la carga y la bobina móvil se conecta en paralelo.

h) Muestre las conexiones para cargas trifásicas, monofásicas.

o Carga monofásica (imagen A)

o Carga Trifásica (imagen B)

o Carga Bifásica (imagen C)

i) En la siguiente figura se presenta una conexión incorrecta del vatímetro:

3. Explique en relación a lo siguiente:

a) Sobre los tipos de carga y placa de características de las cargas que existen en el laboratorio

En el laboratorio existen 3 tipos de cargas: Carga inductiva (L), Carga Resistiva (R) y Carga capacitiva (C). A continuación se muestran los datos de placa para cada carga:

Carga Inductiva Placa 3k VAr 50Hz

3 x 220V 1,2- 7,9 A

3 x 380 V 0,7 – 4,5 A

220 V 2,1 – 13,6 A

Carga Resistiva Placa 4,5/2kW

3 x 220/95V 0.19 – 11.8A

3 x 380/165V 0.11 – 6.8 A

220/95V 0.32 – 20.4A

Carga Capacitiva Placa 3,2kVAr 50Hz

3 x 220V 1,2 – 8,4 A

3 x 380V 0,7 – 4,5 A

220V 2,1 – 14,5 A

b) Los transformadores: los que hay en el laboratorio son trifásicos y monofásicos:

Trifásicos: Se emplean por lo general a nivel industrial y con altas tensiones teniendo un mayor precio en el mercado. No se usa conjuntamente con un rectificador debido a que para altas tensiones se dificulta transformar la tensión alterna en continua.

Monofásicos: Se emplean por lo general a un nivel doméstico, de baja tensión. Aumentan o disminuyen la tensión mediante un sistema de bobinas y se usa conjuntamente con un rectificador que transforma la tensión alterna en continua.

A su vez los monofásicos se clasifican en:

De aislamiento: Los transformadores de aislamiento se emplean para obtener una menor variación de la tensión, protegiendo a los dispositivos de fluctuaciones altas que podrían dañarlos.

De medidas: Los transformadores de medidas reducen la tensión para emplearla en instrumentos de medición obteniendo una mayor precisión.

c) Las fuentes de alimentación: son dispositivos que transforman la tensión alterna de la red industrial en tensiones continuas para poder alimentar diferentes tipos de cargas. Se clasifican en:

Fuentes de alimentación lineales: De diseño sencillo el cual va incrementando su complejidad conforme incrementa la corriente. La regulación de tensión posee una escasa eficiencia.

Fuentes de alimentación conmutadas: Posee una potencia similar a la anterior, una mayor eficiencia pero de menor tamaño, por lo cual posee mayor riesgo de presentar averías.

4. Investigue y realice una descripción detallada, con respecto a los métodos de medición, sobre lo siguiente:

a. Elección del instrumento de medida (tome en cuenta la precisión)

Antes de elegir un determinado instrumento para una medición tenemos que saber: que es lo que se va a medir, que magnitud aproximada tiene y la naturaleza de esta; con que precisión y/o exactitud se desea obtener la estimación, si el instrumento de medición me dará unos valores confiables o con todos las cifras significativas requeridas, observar si el error de la medición esta dentro de lo permisible o pedido; con que rapidez de desea obtener este valor y cual es el grado de dificultad para realizarla, si implica algún riesgo para el operario o si se requiere alguna protección adicional en el equipo a usar. Vale mencionar que usualmente en la industria se usan equipos de medición analógicos (considerados en su mayoría de exactitud baja), mientras que en laboratorios o manufactura especializada se utilizan equipos analógicos. Estos últimos son cada vez de precisión más alta. Una vez elegido el equipo leer detenidamente en el manual y/o ficha técnica si este cumple con todos los requerimientos o caso contrario si la medición se realizara dentro de las recomendaciones del fabricante.

b. Mencione los procedimientos a seguir para realizar una medición con exactitud, utilizando voltímetro, amperímetro y vatímetro.

Si por medio del voltímetro necesitamos saber cual es el valor del voltaje en una resistencia, tenemos que saber que la conexión se hará en paralelo y si se trabajará en corriente continua o corriente alterna. Si se trabajara en la primera tenemos que tener cuidado en conectar los bornes en la polaridad adecuada, verificando siempre que la lectura siempre sea positiva. Además tenemos que tener en cuenta que la resistencia del voltímetro sea diez veces mayor que la resistencia a medir para que de esta forma el error no sea muy grande. Es siempre importante mencionar, que antes de usar este instrumento se deben conocer las instrucciones de uso propias del fabricante y verificar que se cumplan, teniendo en cuenta los datos de placa y recomendaciones del fabricante.

Para el caso del amperímetro, si necesitamos saber cual es la intensidad de corriente que circula a través de una carga que circula por un circuito eléctrico tenemos que tener siempre presente que este equipo se conecta en serie, además de trabajarse en corriente continua tener cuidado con la polaridad de los bornes, verificando que la lectura sea positiva siempre. Además la resistencia interna del amperímetro tiene que ser diez veces menor a la resistencia del circuito en el que se va a trabajar. Por último al igual que en el caso anterior se deben conocer las instrucciones de uso propias del fabricante, tomar en cuenta los datos de placa y recomendaciones del fabricante.

Por último para el vatímetro si se desea determinar la potencia eléctrica de la carga en un circuito tenemos que tener en cuenta que el circuito amperométrico del vatímetro se conecta en serie (cual fuera un amperímetro) y que el circuito voltimetrito del vatímetro se conecta en paralelo (como en el caso del voltímetro). Además la norma DIN nos dice que se tiene que conectar el circuito voltimétrico antes que el amperométrico. Al igual que en

los instrumentos anteriores se deben conocer las instrucciones de uso propias del equipo especificadas por el fabricante, tomar en cuenta los datos de placa y recomendaciones también del fabricante.

c. Principio de funcionamiento del voltímetro, amperímetro de bobina móvil y hierro móvil.

El principio de funcionamiento de un voltímetro o un amperímetro es básicamente una aplicación de un principio del electromagnetismo que nos dice que toda corriente eléctrica que circula a través de un hilo conductor genera un campo magnético alrededor del hilo, el cual en magnitud es proporcional a la intensidad de corriente eléctrica.

En el voltímetro se tiene que en el hay una resistencia muy grande, para así obtener la diferencia de potencial entre dos puntos sin un error muy grande. Las bobinas son de muchísimos hilos conductores y muy delgados para que así con una corriente muy pequeña tengamos el desplazamiento de la aguja que determinara la magnitud deseada.

Para el caso del amperímetro de bobina móvil, este cuenta con un imán fijo y con una bobina móvil que gira cuando la corriente circula por el mismo, cuanto mayor sea la corriente mayor será el ángulo que este gire, así mismo a este está unida una aguja que se traslada por una escala determinando así la magnitud de la corriente. Los amperímetros de bobina móvil solo se usan para corriente continua.

En el amperímetro de hierro móvil consisten en una bobina fija con una lámina curvada de hierro dulce, además de otra lámina de hierro dulce soldada a la aguja del instrumento. Al circular la corriente ambas láminas se inducen magnéticamente repeliéndose formando

un ángulo, con una fuerza y desplazamientos proporcionales a la intensidad de corriente. Este giro es el que traslada la lámina móvil soldada a la aguja sobre la escala. Estos amperímetros nos sirven tanto como para corriente continua como para corriente alterna.

5. Procedimiento durante la práctica:

Inicialmente se nos dio una introducción acerca de las normas de seguridad y el procedimiento de trabajo en el laboratorio. También se nos mostró los diferentes instrumentos de medición (analógicos y digitales), su correcta manipulación y lectura, el cálculo del error y la resolución, así como la simbología correspondiente.

Posteriormente ya al interior de cada grupo, se pasó a una mesa de trabajo donde se midió, empleando un multímetro, la tensión de la fuente de corriente continua (tensión variable) obteniendo un valor de V=82,1V. Se diseñó el circuito empleando la fuente y una resistencia, en la cual se mediría la corriente colocando un amperímetro en serie y un voltímetro en paralelo. Se calculó el valor teórico de la corriente con el valor medido anteriormente de tensión al vacío de la fuente y el valor de placa de la resistencia [V=R*I], obteniendo una corriente teórica de I=3.9.

Se armó el circuito diseñado anteriormente y se obtuvo con el amperímetro una corriente real de I=3.2 y con el multímetro una tensión de V=74.2V, pasando a calcular el valor de la resistencia R=23.2Ω.

Se armó nuevamente el circuito, empleando esta vez un tablero de instrucción y colocando los cables del vatímetro para medir la corriente y la tensión. Previamente se calculó el valor teórico de la potencia eléctrica [P=V*I] obteniendo como resultado P=237.4W. El valor experimental obtenido por el vatímetro fue P=240W.

Finalmente tomamos nota de la placa de características de las cargas existentes del laboratorio: inductiva, capacitiva y resistiva.

*Bibliografía:. Guía de laboratorio de electricidad 2013-1 elaborado por los distintos profesores del curso de la PUCP.. Física universitaria, Undécima edición, 2004.Sears, Zemansky, Young y Freedman.