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• David Rodriguez

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EXPERIMENTO DE LABORATORIO No.6 PARAMETROS QUE AFECTA EL FLUJO DE POTENCIA REAL Y REACTIVA. OBJETIVOS

1. Observar el flujo de potencia reactiva cuando los voltajes trasmisor y receptor son deferentes pero están en fase. 2. Observar el flujo de potencia cuando los voltajes trasmisor y receptor son iguales, pero están fuera de fase. 3. Estudiar el flujo de potencia real y reactiva cuando los voltajes trasmisor y receptor son deferentes y esta fuera de fase. ANALISIS Las líneas de transmisión se diseñan y construyen para entregar potencia eléctrica, la potencia fluye del generador (extremo de transmisión) hacia la carga (extremo receptor) pero, en los sistemas complejos interconectados, es posible que se inviertan los extremos trasmisor y receptor. En una línea de este tipo, la potencia puede fluir en cualquier dirección, dependen de las condiciones de la carga del sistema que, por supuesto, varia durante el día. El carácter de la carga también cambia hora a hora, tanto en la carga de KVA como en factor de potencia. ¿Entonces como puede intentarse conocer y aproximar el flujo de potencia eléctrica, bajo tales condiciones variables de carga, complicadas además por la inversión posible de la línea? Se obtendrán respuestas significativas, haciendo variar el voltaje en cada extremo de la línea. En unas líneas de transmisión con una reactancia de X ohms (por fase) tiene los voltajes E1 y E2, en cada extremo. Si se permite que estos voltajes tengan cualquier magnitud o relación de carga que se desee. En otras palabras, haciendo que E1 y E2 posean valores cualesquiera y cualquier Angulo de fase relativo, pueden cubrirse todas las condiciones de carga posibles que ocurran. Con la referencia la caída de voltaje a lo largo de la línea que tiene una reactancia X, puede hallarse la corriente I, por medio de la ecuación: I=

E1 − E2 X

(Una línea de transmisión es tanto resistiva como reactiva, pero se supondré que la resistiva es tan superior a la resistencia que se puede se insignificante).

Si se conoce en valor de E1, E2, y el anglo de la fase entre ellos, resulta sencillo encontrar la corriente I, conociendo la reactancia X de la línea. A partir de este conocimiento, se puede calcular la potencia real y la reactiva, que envía la fuente y recibe la carga. Supóngase, por ejemplo, que las propiedades de una línea de transmisión son las siguientes: Reactancia de la línea por fase

= 100 ohms

Voltaje transmisor

= 20 kV

Voltaje receptor

= 30 kV

El voltaje receptor está atrasado, respecto al voltaje transmisor, 26.5 grados.

Estas condiciones de la línea están representadas esquemáticamente en la figura 6-2. A partir del diagrama de favores, de la figura 6-3, se encuentra la caída de voltaje (E1E2) en la línea tiene un valor de 15 KV la corriente I tiene un valor de 15 KV/100 ohm = a 150 A y está atrasada respecto a (E1-E2) en 90 grados. Por la geometría de la figura, se encuentra que la corriente esta adelantada a E1 en 27 grados.

La potencia real entregada por el extremo transmisor = 100A X 30 kV X cos(+90°) = 0 W La potencia real recibida por el receptor = 100A X 20 kV X cos(+90°) = 0 W

La potencia reactiva entregada por el extremo transmisor = 100A X 30 kV X sen(+90°) = +3000 kvar

La potencia reactiva recibida por el receptor = 100A X 20 kV X sen(+90°) = +2000 kvar

Si se colocaran wattímetros y varímetros en cada extremo, las lecturas serían como lo muestra la figura 7. La potencia reactiva del transmisor fluye hacia el receptor y, durante el tránsito, la línea de transmisión absorbe 100 kvar. Como puede verse, la potencia reactiva fluye del lado de alto voltaje hacia el de bajo voltaje. POTENCIA REAL Solamente puede fluir potencia real en una línea, si los voltajes del trasmisor y receptor están fuera de fase. La dirección del flujo re potencia es del extremo con el voltaje hacia el atrasado. Una vez mas, debe observarse que únicamente se aplica esta regla a las líneas de transmisión que son principalmente reactivas. El desplazamiento de fase entre trasmisor y receptor se compara con una “torsión” eléctrica, semejante a la torsión mecánica que se presenta cuando una flecha de acero larga envía potencia mecánica a una carga. De hecho, entre mayor sea la torsión eléctrica, mayor será el flujo de potencia real. Sin embargo, sin embargo se encuentra que se alcanza un máximo, cuando el ángulo de fase entre los extremos del trasmisor y receptor es de 90 grados. Si el ángulo de fase se incrementa aun más (incrementando la carga), resultara que se envía menos potencia real. Considere una línea de transmisión en la que los voltajes en cada extremo son iguales a 30 KV, y el voltaje en el receptor está atrasado 30 grados respecto al trasmisor. La reactancia de la línea es de 100 ohms y el circuito que se muestra en la figura 8.

Se encuentra que la caída de voltaje en la línea (E1-E2) es de 15.5 KV, de modo que la corriente I = 15 500/100 = 155 A y entra atrasada 90 grados.

Tomando la corriente como fasor de referencia, se encuentra la potencia real y reactiva asociada con el extremo trasmisor y el receptor.

EXTREMO TRASMISOR La potencia reactiva entregada = 155A X 30 kV X cos(+15°) = +4500 W La potencia reactiva entregada = 100A X 30 kV X sen(+15°) = +1200 kvar EXTREMO RECEPTOR La potencia reactiva recibida = 155A X 30 kV X cos(+15°) = +4500 W La potencia reactiva recibida = 100A X 30 kV X sen(+15°) = -1200 kvar

El trasmisor entrega tanto potencia activa como reactiva a la linea, y el receptor absorbe potencia activa de ella. Sin embargo, el receptor entrega potencia reactiva a la línea, de modo que la potencia reactiva total recibida por la línea sea 2400 kvar. En este ejemplo muestra que un desplazamiento de fase entre voltajes del trasmisor el receptor hace que fluya tanto la potencia real como reactiva. Sin embargo, para ángulos menores que 45 grados, la potencia real es considerablemente mayor que la potencia reactiva. EXPERIMENTOS Precaución: ¡en este experimento de laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga conexión alguna con la fuente de potencia encendida! Con el fin de dar cierto realismo a los términos “trasmisor” y “receptor”, en los experimentos que siguen, se usaran dos consolas a cargo de dos grupos de estudiantes. Una línea de transmisión conectara a las dos consolas (estaciones A y B) y se estudiara la potencia activa y reactiva que fluye entre ellas. El experimento se conducirá en tres partes: 1. Voltajes del trasmisor y receptor desiguales pero en fase. 2. Voltajes del trasmisor y receptor iguales, pero fuera de fase. 3. Voltajes del trasmisor y receptor desiguales, y fuera de fase. VOLTAJES DEL TRASMISOR Y DEL RECEPTOR DESIGUALES, PERO EN FASE 1. Conecte una línea de transmisión trifásica entre las terminales 4, 5, 6 (salida variable de CA) de las dos consolas, una de las cuales se designa como estación A y la otra, estación B. conecte los wattimetros y voltímetros en cada extremo, así como un medidor de ángulo de fase.

2. Con el interruptor S de la línea de transmisión abierto, ajuste los voltajes línea a línea E1 = E2= 180 V y observe que el ángulo de fase sea cero entre las terminales 4-5 de la estación A y las terminales 4-5 de la estación B. El ángulo de fase es cero:

( ) sí

( ) no

3. Sin hacer cambio alguno, mida el ángulo de la fase entre terminales 4-5 de la estación A y las terminales 5-4 de la estación B. Ángulo de fase =

( ) de atraso

( ) de adelanto

4. Sin hacer cambio alguno, mida el ángulo de la fase entre terminales 4-5 de la estación A y las terminales 5-6 de la estación B. Ángulo de fase =

( ) de atraso

( ) de adelanto

5. Mida el ángulo de fase entre las terminales 4-5 de la estación A y las terminales 6-4 de la estación B Ángulo de fase =

( ) de atraso

( ) de adelanto

6. Midiendo todos los ángulos de fase entre línea y neutral de la estación A y B, pruebe que el diagrama de favores para ambas estaciones en como se da en la figura 12

7. Cierre el interruptor de la línea de transmisión; E1 = E2 = 180 V y la impudencia de la línea de transmisión 60 ohms, observe las lecturas de los watt-varímetros. No debe haber cambio significativo en las potencias. W1 = ___ W2 =

___

var1 =

___

var2 =

___

8. Eleve el voltaje de la estación A hasta 200V y observe el flujo de potencia ¿Cuáles de las dos estaciones se considera como trasmisor?____ W1 =

___

W2 =

___

var1 =

___

var2 =

___

9. Reduzca el voltaje de la estación A hasta 160 V y observe el flujo de potencia. ¿Cuáles de las dos estaciones se considera como trasmisor?______ W1 = ___ W2 =

___

var1 =

___

var2 =

___

10. Haga variar el voltaje tanto de la estación A como de la estación B y compruebe la veracidad de la afirmación de que la potencia reactiva siempre fluye del voltaje más alto hacia el más bajo.

VOLTAJES DEL TRASMISOR Y DEL RECEPTOR IGUALES, FUERA DE FASE. Se usara un trasformador de desplazamiento de fase (modulo EMS 8349), con el fin de desplazar la fase de la estación A en 15 grados. Se obtiene el desplazamiento de fase (atraso y adelanto), cambiando las conexiones del trasformador trifásico, por medio de un conmutador de derivaciones. En el experimento 11 se explica más detalladamente la manera en que se logra esto; basta saber que cuando se altera la posición del conmutador de derivaciones, el voltaje del secundario. A) Quedara en fase con el primario, b) se atrasara respecto al primario en 15 grados o bien, c) se adelantara respecto al primario en 15 grados 11. Conecte el trasformador del desplazamiento de fase a las terminales de CA fija 1, 2, 3 de la estación A y, con el medidor de ángulo de fase, determine el ángulo de fase del voltaje del secundario, 4, 5, 6 respecto a las terminales de CA fija, 1, 2,3 del suministro de potencia de la estación B. Anote, en la tabla 6.1, las lecturas correspondientes a las tres posiciones del conmutador de derivaciones para el desplazamiento de fase.

Nota: el conmutador de derivaciones del elevador de oposición debe mantenerse en cero y se debe aplicar la secuencia de fases correcta al primario del trasformador.

12. Compruebe que el desplazamiento de fase es el mismo para las tres fases y que todos los voltajes están balanceados. POSICIÓN DEL CONMUTADOR DE DERIVACIÓN

ANGULO E FASE (ATRASO / ADELANTO)

E1 (V)

E2 (V)

13. Conecte una línea de transmisión trifásica, de 120 ohms, entre las terminales del secundario, 4, 5, 6 del trasformador de desplazamiento de fase y las terminales de subministro de potencia de la estación B (ver fig. 14). Después de introducir los wattvarímetros en cada extremo de la línea, cambie la posición del conmutador de derivaciones y anote los resultados en la tabla 6-2.

¿Apoye este experimento la formación de que la potencia real fluye del lado de voltaje adelantado hacia el voltaje atrasado, de una línea de transmisión?____ VOLTAJES DEL TRASMISOR Y DEL RECEPTOR DESIGUALES, Y FUERA DE FASE En los experimentos siguientes se conectaran cargas pasivas (resistencia, inductancia y capacitancia), en el extremo receptor de la línea. El objetivo del experimento es demostrar que se presenta un desplazamiento entre fase el voltaje del trasmisor y del receptor solo cuando está entregando potencia real a la carga. 14. Usando solo una consola, monte el experimento que se muestra en la figura 615, haciendo E1=200V y usando una carga resistiva, conectada en estrella, de trescientos ohms por fase y una línea de transmisión de 60 ohms. Tome las lecturas y anote los resultados en la tabla 6-3.

PREGUNTAS Y PROBLEMAS 1. Una línea de transmisión trifásica tiene una reactancia de 100 ohms y, en algunos momentos se encuentra que los voltajes del trasmisor y del receptor tiene la magnitud y los ángulos de fase que se dan en la tabla.

2. En el problema 1, supóngase que E1 = E2 =100 KV, en todo momento, por que el ángulo de fase entre ellos cambia en pasos de 30 grados, de acuerdo con la tabla 6-5. Calcule el valor de la potencia real en cada caso, así como su dirección de flujo, sabiendo que Er, en cada caso, está atrasado con respecto a E 1.

En cada caso, calcule la potencia real y la reactiva del transmisor y el receptor e indique la dirección del flujo de potencia. Los voltajes dados son línea a línea.