Electrónica

Pérdidas eléctricas. Condensador. Aislantes. Rigidez dieléctrica aceites

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PRÁCTICA 1 DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS ELECTRICAS

INTRODUCCIÓN:

El factor de pérdidas dieléctricas es el parámetro que mejor define el comportamiento de un aislante en cuanto a sus pérdidas eléctricas y sólo depende del material utilizado como aislante. Este factor puede servir por ejemplo para estudiar el envejecimiento de un aceite aislante en un trasformador de potencia.

En esta práctica determinaremos este factor para el dieléctrico de un condensador.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS:

Cuando un circuito eléctrico, que contiene una resistencia ohmnica, una autoinducción y un condensador, cuando es alimentado por una corriente alterna, entre tensión e intensidad se produce una desfase , de forma que se cumple;

siendo w =

En caso de que sólo exista en dicho circuito un condensador ideal el desfase  será igual a 90o. Pero en realidad en un condensador, debido a sus pérdidas dieléctricas el desfase es algo menor de 90o, como puede verse en la figura.

U

l 

la 

lr

Al ángulo , complementario de , se denomina ángulo de pérdidas dieléctricas.

 = 90o- 

La tangente de este ángulo es la relación entre la potencia activa P (potencia de pérdidas) y la potencia reactiva Pr.

El valor de las pérdidas dieléctricas (que será mayor cuanto mayor sea el ángulo de pérdidas y su tangente) para un condensador de capacidad C será:

y teniendo en cuenta que S/d; se llega a la siguiente ecuación

donde es lo que se denomina factor de pérdidas dieléctricas, depende del material y será un factor fundamental en las pérdidas de dieléctrico.

REALIZACIÓN PRÁCTICA:

Se medirá primero, y se tomará nota de la capacidad del condensador que se utilizará en el montaje.

De dicho condensador se conocen los siguientes datos:

  • Distancia entre placas: d = 2/3.10-5 m

  • Anchura de la placa: 0.038 m = A

  • Longitud de la placa: 38 m = l

  • Frecuencia: 50 Hz = f

  • 250V, 8F, ± 5%

Posteriormente se realizará el montaje de la figura 2 y se rellenara la tabla variando la tensión alterna V y anotando las medidas proporcionadas por el Vatímetro.

W

c.a. C

V

50Hz

8.53F = C V = 220.5

Medidas

V

100

140

180

220

P (W)

0.5

1.5

2.5

5

A partir de estas lecturas habrá que hacer los siguientes cálculos:

1- tang  = donde w = 2f y la tang  será la media de todas la medias.

V

100

140

180

220

P (W)

0.5

1.5

2.5

5

Tang 

0.018658

0.05597

0.0933

0.186

Cálculos:

  • Tang  =

  • Tang  =

  • Tang  =

  • Tang  =

  • Tang  media =

  • 2- Siendo 0 = 8,84.10-12cul2/Nwm2

    S = A. l = 0,038.38=1,444m

    r =

    A partir de este dato y sabiendo que Vmax = V y que Emax = Vmax//d se puede identificar el tipo de material dieléctrico entre las placas el condensador según la tabla de propiedades de los dieléctricos.

    Vmax = 250= 353,5534 V

    Emax=

    3- Con todos estos cálculos se obtiene finalmente el factor de pérdidas dieléctricas.

    Fpd= r.tang  = 4,454903632.0,088482=0,394178783

    El material es: LA MICA r=4,45 y Emax=53,03 KV/mm

    PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS AISLANTES

    Materiales

    Permitividad

    relativa

    Rigidez

    dieléctrica

    (KV/mm)

    Resistividad

    Volumétrica

    Aceites aislantes

    2.2

    30

    Acetato de celulosa (Plástico)

    4.6 a 3.9

    10 a 14

    108

    Amianto (papel)

    4.2

    1.6 x 103

    Bakelita

    4.5 a 7

    17 a 21

    104

    Cartón prespan

    2

    10 a 13

    Caucho puro

    2 a 2.8

    18 a 25

    108

    Caucho vulcanizado

    2.8 a 3.1

    10

    3 x 107

    Celulosa

    3.9 a 7.5

    107

    Cristal

    6.5 a 6.9

    10

    Cuarzo

    3.4 a 4.4

    50

    5 x 1010

    Ebonita

    3 a 2.8

    18

    2 x 1013

    Goma laca

    3.9 a 3.5

    1014

    Gutapercha

    2.7 a 4.9

    10

    2x103 a 3x1041

    Halovax (cloruro de naftaleno)

    3.7 a 5

    105a 106

    Madera seca

    2.4 a 2.1

    50 a 70 x 1014

    Mica

    2.5 a 8

    40 a 60

    5 x 1011

    Micalex

    7.1 a 7

    14

    Nilón

    3.6

    12

    1011

    Parafina

    2.25

    8 a 12

    1014

    Papel

    2 a 2.6

    5 x 102

    Plexiglás

    3.5 a 2.6

    16

    1013

    Polietileno

    2.25

    40

    1013

    Polistireno

    2.2

    1014

    Polivinilo (cloruro de)

    2.95

    31 a 40

    1012

    Porcelana

    4.5 a 6

    30 a 35

    103

    Vidrio ordinario

    3.2

    10

    90 x 104

    PRÁCTICA 2 DETERMINACIÓN DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DE ACEITES

    INTRODUCCIÓN:

    En esta práctica determinaremos la rigidez dieléctrica de aceites (por ejemplo para utilizar en aislamiento de transformadores).

    FUNDAMENTOS TEÓRICOS:

    Un aislante no puede soportar una tensión ilimitada sin llegar a estropearse. Si la tensión aplicada aumenta progresivamente , más tarde o mas temprano, llega a producirse lo que se denomina perforaciones del aislamiento.

    Cuando se produce la perforación, la corriente de conducción que pasa a través del aislamiento aumenta excesivamente de un modo brusco. Esto se explica por la disminución de la resistencia de aislamiento. Al sufrir la perforación se forma un “canal de perforación” muy conductor y, prácticamente, tenemos un cortocircuito entre los electrodos. El valor de la tensión para el cual se produce la perforación se conoce como tensión de ruptura o tensión disruptiva, Urig.

    Se demuestra experimentalmente que la tensión disruptiva de un asilamiento depende de su espesor, es decir, de la distancia entre los electrodos. Cuanto mayor sea el grueso de la capa aislante, mayor será la tensión disruptiva.

    Esta circunstancia aconseja definir para los materiales aislantes un parámetro que determina su capacidad para oponerse a la perforación. Dicho parámetro se denomina rigidez dieléctrica y se designa por Erig definida como:

    donde d = 2.5 mm

    La rigidez dieléctrica se mide en voltios por metro (V/m) pero en la práctica se utilizan múltiplos de esas unidades como Kilovoltios por milímetro (KV/mm).

    REALIZACIÓN PRÁCTICA:

    Se medirán las tensiones de perforación de aceites aislantes utilizando el comprobador de rigidez dieléctrica de aceites aislantes (chispómetro).

    La metodología para la realización de los ensayos se explica a continuación:

  • Conectar el cable de alimentación a la base del panel posterior del equipo y a la toma de corriente. Asegurarse de que la llave de marcha del equipo está en la posición “0” y que está conectada la roma de tierra del equipo a la de la instalación.

  • Abrir la puerta del equipo y extraer del interior de la camareta la célula de ensayo y todo lo que hubiese dentro.

  • Preparación de la célula: Durante los periodos de inactividad se recomienda guardar la célula llena de aceite en un recinto limpio, seco y exento de polvo. Si no se ha utilizado durante cierto tiempo, se procederá a una rigurosa limpieza, se desmontarán los electrodos, se limpiarán y se enjuagará finalmente con un aceite nuevo, seco y limpio. El montaje de los electrodos se hará con el mayor cuidado evitándose todo contacto directo con los dedos. Inmediatamente antes de su uso se limpiará la célula enjuagándola con aceite a ensayar antes de proceder al llenado definitivo, en las condiciones fijadas a continuación.

  • Preparación de la muestra: La operación de preparación de la muestra se efectuará en un lugar seco y exento de polvo. El recipiente que contiene la muestra de aceite a ensayar se agita suavemente y se vuelca varias veces para asegurar el más homogéneo reparto de las impurezas contenidas en el aceite, sin provocar la formación de burbujas de aire. Inmediatamente después se vierte lentamente en la célula de ensayo, evitando la formación de burbujas de aire.

  • Método de ensayo: El método de ensayo consiste en someter el aceite a un campo eléctrico de corriente alterna creciente de forma continua hasta que se produzca la perforación del aceite.

  • 5.1- Colocar la célula de ensayo con la muestra de aceite en el interior de la camareta. Si se desea utilizar el agitador, habrá que introducir el imán teflonado en el interior de la célula, estando este limpio y seco. El imán teflonado se situará automáticamente en su sitio al introducir la célula en la camareta.

    5.2- Cerrar la puerta, ya que si no el circuito de protección impedirá el funcionamiento del equipo. Una vez realizado todos estos pasos el equipo ya estará preparado para una correcta utilización.

    5.3- Girar la llave hasta la posición “I”, el equipo se pondrá en funcionamiento haciendo un test, el cual enciende todos los pilotos indicando que estos están bien.

    5.4- En este momento de se seleccionará:

  • El tipo de rampa que se desea: 5, 3, 2 ó 0.5 KV/s.

  • La función agitación. Consiste en la agitación de la muestra de aceite durante 60 segundos antes de empezar la rampa.

  • La presencia de luz en el interior de la camareta.

  • 5.5- Una vez seleccionados estos parámetros se procederá a pulsar “START” y el equipo empezará el ciclo completo:

  • Si se seleccionó la función de agitación, la muestra de aceite empezará a agitarse durante 60 segundos. Una vez transcurrido dicho periodo, se apagará el piloto de “AGITADOR” y empezará otro periodo de espera de 60 segundos, para que desaparezcan las turbulencias del aceite.

  • Si no se selecciona la función de agitación, desaparecerá el display el símbolo “--,--“ y empezará la rampa de tensión creciente hasta que se produzca la perforación del aceite o bien no produciéndose ésta, el equipo llegue a 40 KV / 60KV acabando así el ciclo y encendiéndose el piloto de “STOP”. Si durante la rampa creciente de tensión se produce la perforación de la muestra de aceite, el display se quedará con la tensión a la cual se ha producido la perforación y el piloto de “ARCO” se iluminará intermitentemente sonando también una alarma sonará, habiendo cortado la alta tensión. El piloto de “ARCO” se mantendrá en este estado hasta que se pulse “STOP”. Una vez pulsado “STOP” la indicación del display se perderá volviendo a aparecer el símbolo “--,--“.

  • 5.6- Este ciclo anteriormente descrito se efectuará seis veces con la misma muestra de aceite. Entre ciclo y ciclo habrá qu esperar la desaparición de burbujas de aire que eventualmente se hayan podido producir, bien esperando 5 minutos, o bien seleccionando la función de agitación.

    5.7- Una vez acabados todos los ciclos se anotarán seis tensiones de perforación, los electrodos utilizados, la frecuencia de la tensión de ensayo, que es de 50 Hz y la temperatura de la muestra, acabando así el ensayo para una muestra.

    Anotados todos estos valores se obtendrá la rigidez dieléctrica del aceite ensayado.

    5.8- Se podrá repetir estos ensayos con varias muestras.

    ACEITE 1

    Urig1

    Urig2

    Urig3

    Urig4

    Urig5

    Urig6

    Urig(KV)

    13.3

    10

    11.5

    16.4

    14.2

    16.1

    d

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    Erig(KV/mm)

    5.32

    4

    4.6

    6.56

    5.68

    6.44

    Erig= Rampa que hemos empleado: 0.5 KV/s

    ACEITE 2

    Urig1

    Urig2

    Urig3

    Urig4

    Urig5

    Urig6

    Urig(KV)

    5.8

    6.3

    5.2

    5.6

    6

    2.7

    d

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    Erig(KV/mm)

    2.32

    2.52

    2.08

    2.24

    2.4

    1.08

    Erig= Rampa que hemos empleado: 0.5 KV/s

    ACEITE 3

    Urig1

    Urig2

    Urig3

    Urig4

    Urig5

    Urig6

    Urig(KV)

    5.4

    8

    8.5

    8.9

    9.3

    6.7

    d

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    2.5

    Erig(KV/mm)

    2.16

    3.2

    3.4

    3.56

    3.72

    2.68

    Erig= Rampa que hemos empleado: 0.5 KV/s

    PRÁCTICA 3 DETERMINACIÓN DE LA INDUCCIÓN REMANENTE Y EL CAMPO COERCITIVO DE UN MATERIAL MAGNÉTICO

    INTRODUCCIÓN:

    Para obtener la inducción remanente y el campo coercitivo, características magnéticas propias de cada material, visualizaremos en el osciloscopio su ciclo de histéresis y a partir de el obtendremos esos valores.

    FUNDAMENTOS TEÓRICOS:

    Entre los materiales magnéticos los ferromagnéticos son de especial importancia. Tienen la propiedad de presentar imanación espontánea por debajo de determinada temperatura. Esta imanación espontánea proviene de una interacción mecanocuántica entre los dipolos magnéticos de los átomos que los forman.

    La inducción magnética B que presenta un material ferromagnético sometido a un campo externo H no depende únicamente del valor de H, si no también de la historia magnética precia del material. Este fenómeno se denomina Histéresis (figura 1).

    B

    Bsat A

    Br

    Hc

    H

    0

    FIGURA 1

    En este ciclo aparecen parámetros propios del material magnético: campo remanente (Br) (H=0) y el campo coercitivo (Hc) (B=0).

    Estos parámetros son los que se pretende determinar en esta práctica.

    REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:

    Para determinar estos parámetros visualizaremos el ciclo de histéresis del material en el osciloscopio, llevando a los canales x e y del mismo dos tensiones, una proporcional a B y otra proporcional a H.

    Para ello se deberá montar el esquema que aparece en la figura 2.

    FIGURA 2

    Con los siguientes componentes:

    R1= 10  1W

    R2= 100  1W

    N1= 900 espiras

    N2= 300 espiras

    C = 1F

    Una vez realizado el montaje regular la intensidad i1 a un valor de 0.05 Amperios (medida en el amperímetro).

    Seguidamente se visualizará en el osciloscopio el ciclo de histéresis del material magnético ensayado, colocando el osciloscopio en modo x-y, obteniendo y anotando para el mismo:

    Vx = Vy = sabiendo que esta a la izquierda de la x

    Vy = Vr = 3

    Posteriormente se calcularán los parámetros buscados mediante las siguientes ecuaciones:

    siendo S y l los siguientes valores:

    S

    l

    Núcleo magnético

    Obteniendo como resultados lo siguiente:

    Br = 1,362.10-4 Teslas

    Hc = 177,6149 A/m

    1división = 1/5.0,5 = 0,1

    Vy = 3.0,1

    Vx = 7.0,1

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