“Medición de Potencia y Energía Eléctrica”

República Bolivariana de VenezuelaUniversidad Fermín Toro

Sede CabudareFacultad de Ingeniería

Santiago Him

Medición de energía eléctrica: es la técnica para determinar el consumo de energía eléctrica en un circuito o servicio eléctrico. La medición de la energía eléctrica es una tarea del proceso de distribución eléctrica y permite calcular el costo de la energía consumida con fines domésticos y comerciales.

La medición eléctrica comercial se lleva a cabo mediante el uso de un medidor de consumo eléctrico o contador eléctrico. Los parámetros que se miden en una instalación generalmente son el consumo en kilovatios-hora o kilowatt-hora, la demanda máxima, la demanda base, la demanda intermedia, la demanda pico, el factor de potencia y en casos especiales la aportación de ruido eléctrico o componentes armónicos a la red de la instalación o servicio medido

Funcionamiento El medidor electromecánico utiliza dos juegos de bobinas que producen campos magnéticos; estos campos actúan sobre un disco conductor magnético en donde se producen corrientes parásitas. La acción de las corrientes parásitas producidas por las bobinas de corriente sobre el campo magnético de las bobinas de voltaje y la acción de las corrientes parásitas producidas por las bobinas de voltaje sobre el campo magnético de las bobinas de corriente dan un resultado vectorial tal, que produce un par de giro sobre el disco. El par de giro es proporcional a la potencia consumida por el circuito. El disco está soportado por campos magnéticos y soportes de rubí para disminuir la fricción, un sistema de engranes transmite el movimiento del disco a las agujas que cuentan el número de vueltas del medidor. A mayor potencia más rápido gira el disco, acumulando más giros conforme pasa el tiempo

Las tensiones máximas que soportan los medidores eléctricos: los medidores electricos aproximadamente 600 Voltios y las corrientes máximas pueden ser de hasta 200 amperios. Cuando las tensiones y las corrientes exceden estos límites se requieren transformadores de medición de tensión y de corriente. Se utilizan factores de conversión para calcular el consumo en dichos casos. También es importante indicar que existe una bobina de sombra que es una chapita la cual esta cortocircuitada. Dicha bobina posee una resistencia despreciable y por ende en esta se generará una corriente muy importante, la cual al estar sometida a un campo generara un par motor que eliminara el coeficiente de rozamiento de los engranajes. El medidor comenzara a funcionar con el 1 % de la carga y entre un factor de potencia 0,5 en adelanto y atraso

Clasificación de los medidores de energía: Los medidores de energía eléctrica, o contadores, utilizados para realizar el control del consumo, pueden clasificarse en tres grupos: 1-Medidores electromecánicos: o medidores de inducción, compuesto por un conversor electromecánico (básicamente un vatímetro con su sistema móvil de giro libre) que actúa sobre un disco, cuya velocidad de giro es proporcional a la potencia demandada, provisto de un dispositivo integrador. 2-Medidores electromecánicos con registrador electrónico: el disco giratorio del medidor de inducción se configura para generar un tren de pulsos (un valor determinado por cada rotación del disco, p.e. 5 pulsos) mediante un captador óptico que sensa marcas grabadas en su cara superior. Estos pulsos son procesados por un sistema digital el cual calcula y registra valores de energía y de demanda. El medidor y el registrador pueden estar alojados en la misma unidad o en módulos separados.

Las partes más destacadas son: 1. Bobina voltimétrica. De hilo fino y de muchas vueltas, conectada en paralelo con

la carga. 2. Bobina amperimétrica. De hilo grueso, conectada en serie con la carga. 3. Estator. Confina y concentra el campo magnético. 4. Rotor. Disco de aluminio. 5. Freno magnético del rotor. 6. Eje con tornillo sinfín. 7. Relojes contadores.

El funcionamiento del contador es el siguiente: Las bobinas de tensión e intensidad generan un flujo magnético debido al paso de la

corriente que alimenta a la carga y ese flujo magnético genera en el disco unas corrientes de Foucault. Estas corrientes generan a su vez un flujo magnético en el disco, que por definición es opuesto a la causa que lo origina, provocando el giro del disco.

Cuando el disco comienza a girar, y para evitar que se envale, se dispone de un freno magnético que estabiliza su velocidad de rotación. Las vueltas que da el disco se transmiten al eje, y éste a su vez las transmite a un sistema de engranejes donde quedan registradas en un sistema contador totalizador.

Así pues, las vueltas que da el disco son proporcionales al campo magnético que en él se induce, que a su vez depende de la intensidad y tensión que consume la carga.

Esquema interno de un vatímetro.Conexionado de los bornes de un contador monofásico

Conexionado de contador monofásico con transformador de intensidad

Contador monofásico para lectura de energía activa en red trifásica equilibrada

El vatímetro

. El vatímetro es un dispositivo de medida de tipo electrodinámico y su constitución y funcionamiento es similar al del amperímetro o voltímetro.Internamente está formado por dos bobinas, una fija y otra móvil. La fija es de hilo grueso y la móvil de hilo fino. La bobina fija es recorrida por la corriente del circuito, por eso la llamamos amperimétrica y la móvil es de hilo fino y mide la tensión, por lo que la llamaremos voltimétrica. Para que esta bobina sea recorrida por una corriente muy pequeña, se puede conectar una resistencia en serie con ella.

Esquema interno de un vatímetro electrodinámico.

Así pues, haciendo que la bobina fija sea atravesada por la corriente del circuito a medir y que la corriente de la bobina móvil sea proporcional a la tensión de dicho circuito, el ángulo de giro de la bobina será proporcional al producto de ambas y por lo tanto a la potencia consumida por el circuito.

Medidores de Energía Digitales y Analógicos

Esquema de conexión de un vatímetro electrodinámico.

Por lo tanto, si conectamos un vatímetro a la carga del circuito anterior el esquema de conexión será como se indica en la imagen.

Conexión de un vatímetro en un circuito de corriente continua.

Potencia en corriente alterna monofásica En el supuesto de que el circuito estuviera formado por elementos resistivos

puros, procederíamos igual que si se tratara de un circuito de corriente continua. Para los casos en que nuestro circuito esté constituido por impedancias Z, no es suficiente con conocer la tensión y la intensidad, pues como bien sabemos a estas alturas del curso existe un desfase entre ambas y la potencia depende de él.

Potencia activa El uso del vatímetro es similar al ya explicado en el apartado de corriente continua, la

única diferencia está en que ahora el circuito es alimentado con corriente alterna. En este caso, la aguja se desviará un ángulo α de forma proporcional al producto V•I y por cosφ, siendo φ el desfase entre V e I

Medición de potencia activa monofásica.

Es interesante destacar el concepto de alcance del vatímetro y que no es más que el producto de la tensión máxima que puede medir por la máxima intensidad que puede recorrer la bobina amperimétrica en el supuesto de que tengamos una carga resistiva (cosφ=1). Así, si el alcance de tensión de nuestro vatímetro es de 400 V y el de intensidad es de 15 A, el alcance del vatímetro será 400•15 = 6000 W.Por lo general los vatímetros tienen varias escalas de tensión o de intensidad y en ese caso habrá que tener en cuenta la constante de escala en función de las divisiones de que consten.

Vatímetro de dos alcances de tensión. Potencia reactiva Hemos visto hasta ahora que en un vatímetro la desviación de la aguja es proporcional al

producto de V•I y por el coseno de su desfase φ. Si queremos medir la potencia reactiva debemos conseguir que la desviación de la aguja α

(alfa), sea proporcional al seno del desfase, o lo que es lo mismo al coseno de 90-φ. Existen varias maneras de conseguir esto, para ello lo que se hace es colocar en paralelo y

serie con la bobina voltimétrica impedancias calibradas. La imagen inferior muestra el esquema interno de un varímetro o también llamado vatímetro inductivo, este es el nombre que recibe el aparato, pues lo que mide es la potencia reactiva, al quedar el circuito voltimétrico desfasado 90º con respecto a la corriente.

Varímetro o vatímetro inductivo.

Potencia aparenteSi lo que queremos es medir la potencia aparente, entonces debemos recurrir a un montaje como el indicado en la figura:

Medición de las tres potencias.El vatímetro W nos dará la potencia activa P, el voltímetro y amperímetro nos darán la potencia aparente S y a partir de estos datos, y de forma indirecta, podremos obtener la potencia reactiva Q tal y como se indica en las expresiones de más abajo.

Potencia en corriente alterna trifásicaCuando un receptor es alimentado por una corriente alterna trifásica, éste absorbe una potencia que es la suma de las potencias de cada una de las fases.

Representación vectorial de un sistema trifásico.

A la hora de proceder, deberemos tener en cuenta si el sistema trifásicose encuentra equilibrado o no; esto es, si las tensiones V, intensidades I y desfases φ son iguales para cada fase, o por el contrario no lo son.Por otro lado, habrá que observar si el sistema trifásico dispone de línea de neutro o no para actuar correctamente.

Potencia en sistemas equilibradosVamos a suponer en primer lugar que nuestro sistema trifásico está equilibrado; siendo así, bastará con disponer de un único vatímetro para obtener la potencia del circuito.• Medición de la potencia activa: si nuestra red dispone de neutro, dispondremos el vatímetro como se indica en la figura:

Sistema trifásico equilibrado con neutro. Una vez tomada la potencia activa P del vatímetro bastará una simple operación para

conocer la potencia del sistema: Si el sistema trifásico no dispone de neutro, en ese caso deberemos configurar un

neutro artificial, para lo cual necesitaremos disponer de dos resistencias cuyo valor resistivo sea igual a la resistencia de la bobina voltimétrica de nuestro vatímetro.

Sistema trifásico equilibrado sin neutro

Conexión de un vatímetro en red trifásica, equilibrada sin neutro.

•Medición de la potencia reactiva: puesto que se trata de sistemas equilibrados podemos obtener la potencia reactiva utilizando un solo vatímetro conectándolo como se indica en la imagen.

Medición de la potencia reactiva en red trifásica, equilibrada.

Para medir la potencia en sistemas desequilibrados es necesario conocer cada una de las intensidades y tensiones y para ello se pueden utilizar tres vatímetros tal y como se muestra en la imagen.En este caso, nuestro sistema trifásico dispone de neutro y la potencia total será:P = P1 + P2 + P3.

Método de los tres vatímetros.

En el supuesto de no contar con neutro se puede formar uno artificial conectando las bobinas voltimétricas de los tres vatímetros, siempre que las resistencias de las tres bobinas sean iguales.

Método de los tres vatímetros sin neutro.En la práctica, cuando el sistema trifásico carece de neutro no se utiliza el método de los tres vatímetros sino que se recurre al método de Aron, que solamente utiliza dos vatímetros. Este sistema es válido tanto para sistemas equilibrados como desequilibrados.Si realizamos la conexión de los vatímetros tal y como se indica en la imagen inferior:

Conexión Aron en sistema desequilibrado.