Medidas industriales de potencia 2 revis 06.05 (16p)

TEMA XII
Medidas industriales de potencias
II Vatímetros y varímetros
Vatímetros
Para la medición rápida y cómoda de la potencia de una corriente eléctrica, se emplean los
vatímetros que indican directamente:
-
en corriente continua, la potencia P = U I
en corriente alterna, la potencia activa P = U I cos 
aunque, en la práctica se emplean más frecuentemente para mediciones en corriente alterna y
raramente para mediciones en corriente continua: por ejemplo, cuando la tensión de la red está
sometida a fuertes y continuas fluctuaciones.
Para la medición de la potencia en corriente alterna trifásica, se colocan en una misma caja
dos o tres aparatos de medida; en estos casos, los órganos móviles del sistema de medida van
acoplados mecánicamente, de forma que los pares motores individuales se suman, y en la escala
del aparato se indica la potencia total.
Aunque pueden utilizarse varios sistemas de medida para medición directa de la potencia, en
la práctica, solamente se emplean los siguientes:
1. Vatímetro electrodinámico (sin núcleo de hierro).
2. Vatímetro ferrodinámico.
3. Vatímetro de inducción.
Fig. 1. - Constitución de un vatímetro electrodinámico.
Fig. 2. - Conexionado de las bobinas de un vatímetro electrodinámico.
Ampliación del alcance de medida
En un vatímetro electrodinámico existen dos circuitos, el amperimétrico (bobina fija) y el
voltimétrico (bobina móvil) y su campo de medida depende:
a) de la sección y número de espiras del circuito amperimétrico
b) de la resistencia óhmica del circuito voltimétrico
Por consiguiente, se puede ampliar el alcance de medida de un vatímetro electrodinámico,
actuando sobre cada uno de los factores expresados anteriormente o sobre ambos factores
simultáneamente.
1. 1. Ampliación del campo de medida, actuando sobre el circuito amperimétrico. Se consigue,
dividiendo la bobina amperimétrica en varios grupos, que pueden conectarse en serie o
en paralelo.
2. Ampliación del campo de medida, actuando sobre el circuito voltimétrico
PROTECCIÓN CONTRA LOS CAMPOS MAGNÉTICOS EXTERIORES
Los campos magnéticos de las dos bobinas de los vatímetros electrodinámicos, son muy
débiles y como su trayectoria se cierra exclusivamente en el aire, están expuestos a las
influencias de los campos magnéticos exteriores que en muchos casos, producen errores de
medición bastante considerables. Para aprovechar la gran exactitud propia de estos aparatos, es
necesario eliminar la influencia de estos campos magnéticos extraños. A continuación, se
exponen dos procedimientos utilizados para resolver este problema.
1.
Vatímetros blindados. - En estos aparatos, todo el mecanismo de medida, libre de hierro,
se encierra en una pantalla protectora de hierro, constituida por dos cajas, situadas una
dentro de otra; la exterior ha de tener alto límite de saturación y la interior ha de poseer
elevada permeabilidad inicial.
2.
Vatímetros astáticos. - Dos sistemas de medida electrodinámicos se conectan de tal forma
que las corrientes que circulan por las dos bobinas voltimétricas y por las dos bobinas
amperimétricas, tengan sentidos opuestos.
La constitución de un vatímetro ferrodinámico es semejante a la de un vatímetro
electrodinámico, excepto que las bobinas están arrolladas en un circuito ferromagnético.
La elección del material ferromagnético que constituye el circuito magnético de estos
aparatos de medida requiere un cuidado especial pues los errores de medida proceden, muy
especialmente del material empleado. Estos errores son los siguientes:
a)
c)
d)
e)
fenómenos de remanencia
fenómenos de histéresis,
corrientes parásitas o de Foucault
fenómenos de curvatura
Fig. 20. - Diagrama vectorial de corrientes en las bobinas amperimétricas de un vatímetro
ferrodinámico.
Otro de los errores producido por el circuito magnético es el llamado de curvatura, que se
debe a que la característica de magnetización del hierro y demás materiales ferromagnéticos no
es recta, es decir, que la inducción en el entrehierro no es exactamente proporcional a la
intensidad de corriente en las bobinas. Este error de curvatura puede reducirse haciendo que la
reluctancia en el hierro (o en el material ferromagnético) sea muy pequeña respecto a la
reluctancia en el entrehierro. En los aparatos utilizados normalmente, la primera es aproximadamente de 1 a 2 % de la reluctancia del entrehierro.
Vatímetro de inducción
La estructura interior de uno de estos vatímetros está representada en la figura 23. El ángulo
de desviación de la escala de uno de estos aparatos es
 = k f I1 I2 sen 
es decir, que la desviación del índice es proporcional a la frecuencia y al producto de las
intensidades de corriente de las dos bobinas y al desfase entre ambas corrientes. Cuando el
aparato está dispuesto como vatímetro (figura 24), la corriente h en el circuito voltimétrico es
proporcional a la tensión U; o sea que la ecuación anterior toma la siguiente forma
 = k' f I U sen
Fig. 23. - Constitución de un vatímetro de inducción
Fig. 24. - Sistema de medida de inducción, dispuesto para medir potencias reactivas.
siendo, en este caso, cp el desfase entre la intensidad de corriente 1 y la tensión U.
Es decir que, sin otra modificación, con un vatímetro de inducción se puede medir la potencia
reactiva.
Pr = I U sen 
para una determinada frecuencia f.
Para que un aparato de este tipo pueda medir la potencia activa
P = I U cos 
es necesario convertirlo en un aparato de cosenos o en un aparato con conexión a 90°, mediante
un conexionado especial. En primer lugar, las conexiones de la figura 24 anterior, deben
modificarse tal como se expresa en la figura 25.
Fig. 25. - Sistema de medida de inducción, con conexión a 90°, para medir potencias activas.
Fig. 26. - Circuito equivalente del vatímetro de inducción de la figura anterior.
Entre la corriente voltimétrica Iv y la tensión Uv hay una diferencia de fase
Fig. 27. - Diagrama vectorial del circuito representado en la figura anterior.

 < 90°
Varímetros
Los varímetros son aparatos de medida que indican directamente la potencia reactiva de una
corriente alterna, es decir, el valor
Pr = U I sen  VAr
El sistema de medida de un varímetro ha de estar dispuesto de forma que el ángulo de
desviación  sea proporcional a la tensión, a la intensidad de corriente y al seno del ángulo  de
desfase entre ambas magnitudes; es decir, se ha de conseguir que
 = k U I sen 
o, expresado de otra forma
= k U I cos (90° - )
Por consiguiente, un vatímetro electrodinámico o ferrodinámico, que mide la potencia activa,
puede convertirse en un varímetro, cuando se da a la corriente y, con ella, al campo de la
bobina voltimétrica, un desfase de 90° respecto a la tensión. Si el desfase exterior entre
corriente y tensión vale , el ángulo de fase entre los campos de las bobinas es
 = 90° + 
y, por lo tanto, el ángulo de desviación  de la aguja indicadora vale
 = k U I cos  = k U I cos (90° + ) = k U I sen 
Para conseguir este desfase de 90° entre la corriente y la tensión en la bobina voltimétrica, se
recurre a una conexión a 90°, es decir, se convierte el aparato de medida en un aparato de senos,
para lo cual, se utilizan diversos sistemas, inductivos o capacitivos.
La conexión a 90° inductiva más utilizada, es la conexión de Hummel, representada
esquemáticamente en la figura 28.
Fig. 28. - Conexión 90° inductiva (conexión de Hummel) para convertir un vatímetro electrodinámico en varímetro (medidor de potencia reactiva).
Fig. 30. - Conexión a 90° capacitiva, para convertir un vatímetro electrodinámico en varímetro
(medidor de potencia reactiva).
Preguntas del Tema
1.- ¿Cuales sistemas de medida se utilizan para medición directa de la potencia?
2.- ¿En un vatímetro electrodinámico de que depende su campo de medida?
3.- En un vatímetro electrodinámico existen dos circuitos, el amperimétrico (bobina fija) y el
voltimétrico (bobina móvil) ¿de que depende su campo de medida?
4.- ¿Como puede convertirse en un varímetro, un vatímetro electrodinámico o ferrodinámico,
que mide la potencia activa?
5.- ¿Qué es el error de curvatura?