1. OBJETIVOS

Interpretar y analizar la importancia de las prdidas internas de los bancos de condensadores y su efecto en la eficiencia energtica global de una determinada instalacin.

Determinar en forma experimental el ngulo y el factor de prdidas de un condensador, para lo cual se emplear una resistencia simuladora de prdidas.

Investigar el factor de prdidas y el ngulo de prdidas en condensadores con dielctricos de diferentes materiales.

2. FUNDAMENTO TEORICO

2.1 GeneralidadesEl condensador es un componente elctrico cuya funcin es la de almacenar carga elctrica y su aplicacin ms importante es la de corregir el factor de potencia.

Condensadores cilndricos construidos con film de propileno metalizado con diferentes metales (Al, Zn) autorregenerable de bajas prdidas y diferentes espesores de film de propileno en funcin de la tensin de utilizacin. Actuando la metalizacin como elemento conductor de la corriente y el propileno como dielctrico.Los elementos capacitivos son introducidos, despus de un meticuloso proceso de fabricacin y control de calidad, en botes de aluminio o material plstico y posteriormente encapsulado con resinas de poliuretano no txica y ecolgica especialmente diseados y fabricados para su utilizacin en diferentes tipos de condensadores y equipos elctricos que requieran ser encapsulados.

Figura 1. Esquema de la construccin de un condensador

2.2 Funcin elctrica del condensador

La funcin del condensador, como hemos dicho anteriormente, es la de almacenar energa elctrica. El condensador est cargado cuando se iguala la tensin Uc entre las placas del condensador y la tensin de alimentacin Uca.El movimiento de electrones entre las placas o armaduras del condensador es la corriente elctrica capacitiva IC que fluye por las lneas y suministra energa elctrica al condensador, provocando la aparicin de un campo elctrico entre las placas del condensador. Si se interrumpe IC la energa queda almacenada en el campo elctrico, esto es, en el condensador.

Figura 2. Flujo de electrones en un condensador.

2.1 CARGA DEL CONDENSADOR

El nmero de electrones que se desplazan durante el proceso es la carga del condensador (Q), cuya unidad es el Coulombio y que dimensionalmente se corresponde a amperios por segundo (As). Representa la cantidad de electricidad que almacena el condensador.

Una vez cargado el condensador, la carga se mantiene incluso cuando se desconecta de la energa elctrica externa, ya que se mantiene la fuerza de atraccin entre las placas debido a la diferencia de polaridad entre ellas.

Por esta razn los condensadores estn dotados entre sus terminales de una resistencia de descarga de seguridad, para evitar la descarga del condensador al ser manipulado por algn operario. Esta resistencia debe cumplir lo establecido por las normas UNEEN-60831-1-2 en su captulo 22 para condensadores trifsicos de potencia y la UNE-EN-61048-49 para los condensadores de alumbrado.

3. La capacidad y el dielctrico

En el condensador la tensin tiene un papel importante en el comportamiento del mismo, de tal forma, que la carga variar en funcin de la tensin. La relacin entre la carga Q y la tensin de alimentacin U es una constante que depende de la estructura del condensador y que se denomina capacidad (C), cuya unidad es el Faraday o faradio (F).

Un condensador posee una capacidad de un Faradio cuando almacena una carga de un Coulombio al aplicar una tensin de un Voltio entre las placas. Manteniendo el principio bsico de dependencia de los condensadores de que a ms superficie de placas, ms capacidad y a ms distancia entre placas (espesor del dielctrico) menos capacidad, se puede definir la intensidad del campo elctrico (E) del condensador como:

3.1 DIELCTRICO Y REGENERACIN

Los condensadores elctricos utilizan en la actualidad como dielctricos film de propileno metalizado con Al o Zn, entre otros, y de diferentes espesores en funcin de la tensin que se vaya a aplicar entre las placas.Segn se ha visto en el principio bsico de dependencia cuanto menos espesor de dielctrico mayor intensidad de campo elctrico, lo que justifica que los tamaos de los condensadores sean cada vez ms pequeos al tener como distancia entre las placas el espesor de micras del film.Ecuacin de diseo de los condensadores

C: es la capacidad del condensador en faradios.S: es la superficie de las placas en m2.d: espesor del dielctrico en metros. : constante dielctrica del dielctrico.

Diferentes Aislantes

Substancia

Aire1

Propileno2.2

Aceite mineral2.3

Poliester3.3

Papel3.5

Aceite para transformadores4.5

Vidrio pyrex4.7

Mica5.4

Porcelana6.5

Silicio12

En funcin de los valores de las constantes de cada dielctrico, existe una diferencia de potencial lmite que cada material puede soportar por unidad de espesor.Si debido a determinadas condiciones de la red elctrica y de temperatura extrema, inadmisibles para el correcto funcionamiento de los condensadores, se supera ese lmite, denominado rigidez dielctrica, se perfora el dielctrico y salta un arco entre las dos placas.La autoregeneracin del film de propileno consiste en que el arco elctrico, en vez de generar un cortocircuito, evapora el metal en la zona que rodea al punto de ruptura, restablecindose as el aislamiento entre las placas en el punto de perforacin.Despus de la autoregeneracin el condensador puede seguir trabajando en condiciones normales con una prdida de capacidad inferior a los 100 pF.

4. Angulo y factor de prdidas de un condensador

El dielctrico de un condensador tcnico no es una aislante ideal, sino solamente un mal conductor. Por tanto, adems de la corriente de desplazamiento, circula una corriente de prdidas a trasvs del dielctrico.

4.1 ANGULO DE PERDIDAS

Tambin conocido como tangente de prdida de un condensador (tg) es el valor que define la calidad y el comportamiento de un condensador elctrico. A continuacin vamos a relacionar y representar las prdidas sufridas por un condensador mediante las prdidas de una resistencia hmicamente pura (R).

Figura 3. Diagrama vectorial del ngulo de prdidas.

Si consideramos un condensador ideal, sin prdidas, el ngulo de desfase entre la corriente IC y la tensin UCA sera 90. Naturalmente esta es una situacin ideal, la realidad es que todos los condensadores sufren prdidas en mayor o menor medida provocadas por el film de propileno, la metalizacin de las placas, las soldaduras, sus conductores, etc. Debido a estas prdidas el ngulo de desfase no es de 90, sino que la corriente Iactiva se adelanta respecto a la tensin UCA formando un nuevo ngulo = 90- , este ngulo se llama ngulo de prdidas y su tangente es la tangente de prdidas del condensador. Ver figura 3.

4.2 FACTOR DE PERDIDAS

Un condensador real no corresponde nunca a una capacidad pura o ideal, que tan slo almacenara energa reactiva sino que, a causa de las prdidas en su dielctrico y en los soportes conductores o aislantes necesarios para su ejecucin mecnica y a su eventual proteccin contra los agentes exteriores, presenta siempre unas prdidas que se traducen en una disipacin de energa activa, entre sus bornes efectivos, por efecto Joule.

Podemos, por tanto, definir, para cada condensador, un factor de prdidas "P", por la relacin:

La energa reactiva almacenada sabemos que es:

3. ELABORACION DEL ENSAYOEn esta seccin daremos cuanta de los materiales, el procedimiento del ensayo y de la obtencin de los datos.3.1 MATERIALES A UTILIZAR

1 Autotransformador variable (0-230) V, 6 A. (Figura 4.a.) 3 Ampermetros de pinza AS, AR, AC. 1 Banco de Condensadores. (Figura 4.b.) Resistencia variable R1 = (0 690), 0.6 A. (Figura 4.c.) Resistencia R2 = Resistencia fija 60 + 1 resistencia variable (0 380) (Figura 4.c.) 1 Multmetro y Cables de conexin.

Figura 4.a. Figura 4.b. Figura 4.c.

3.2 CIRCUITO A UTILIZARPara el ensayo se utilizaran 2 circuitos, en el primero el condensador y la resistencia estarn en serie, mientras que en el segundo, estos estarn en paralelo. Primer circuito, Condensador y Resistencia en serie

Figura 5.a. Resistencia y Condensador en serie

Segundo circuito, condensador y Resistencia en paralelo

Figura 5.b. Resistencia y Condensador en paralelo

Figura 5.c circuito implementado en el laboratorio

3.3 PROCEDIMIENTO 1. Armar el circuito de la figura 5.a, del condensador y resistencia en serie. Encontrar el mximo valor de R1 e implementar el circuito con un adecuado condensador. Regular la salida del autotransformador desde cero hasta 220 V, tomando juego de datos de valores de VS, AS, VR1 y VC.NTensin (Vs)Corriente (A)Tensin en Resistencia (VR1)Tensin en el condensador (VC)

1219.80.41188.1113.8

2208.40.38178.1108.4

3199.80.36170.2104.8

4188.30.33160.598.9

51790.31152.494.2

6169.10.30144.288.7

71600.27136.383.8

81500.26128.378.7

91400.2512073.5

10129.60.23110.767.6

11120.10.20102.562.9

12110.50.1894.357.7

Tabla 1. Toma de datos del primer ensayo.

2. Continuando con el mismo circuito de la figura 5.a, mantenemos la tensin VS constante de 220 V. Mientas variamos la resistencia R1 desde el valor mximo al valor mnimo y tomar juego de datos de valores de VS, AS, VR1 y VC. Datos en la tabla 2.NTensin (VS)Corriente (A)Resistencia()Tensin en Resistencia (VR1)Tensin en el condensador (VC)

1219.80.2186421065.2

2219.80.26664203.682.4

3219.80.36462.6190.1109.4

4219.80.39430.3187.5114.4

5219.80.57231.1145.5163.6

6219.80.66153.2108.9190.5

7219.80.71113.184.7203.1

Tabla 2. Toma de datos del segundo ensayo

3. Armar el circuito de la figura 5.b, del condensador y resistencia en paralelo. Encontrar el mximo valor de R2 e implementar el circuito con un adecuado condensador. Regular la salida del autotransformador variando la tensin desde cero hasta 220 V, tomando juegos de datos de valores de VS, AS, AR2 y AC. Datos en la tabla 3NTensin (VS)Corriente en la fuente(AS)Corriente en el condensador (AC)Corriente en la Resistencia(AR2)

1220.00.910.770.335

2210.10.8570.730.319

3199.80.8160.690.302

4190.00.7900.660.284

5180.20.7470.630.270

6170.00.6860.580.260

7160.00.6470.550.246

8150.00.6150.510.23

9140.20.5700.480.22

10130.00.5200.450.19

11120.10.4800.410.18

12110.00.4200.390.16

Tabla 3. Toma de datos del tercer ensayo

CALCULOSPara el primer circuito donde el condensador y la resistencia estn en serie (figura 5.a) usaremos el diagrama fasorial de las tensiones de la fuente, condensador y resistencia

Figura 6.a Diagrama fasorial de tensiones del circuito 1

Donde el ngulo representa el desfase de la corriente con la tensin de la fuente y el ngulo delta representa el ngulo de prdidas del condensador, este ngulo segn la teora debe ser positivo. Como tenemos los datos de las tres tensiones y por geometra se demuestra que el ngulo que se opone al fasor de la tensin de la fuente est relacionado con el ngulo delta. Entonces por teorema de cosenos se tiene que.

Mientas que el factor de perdidas, como ya se haba visto

Para el segundo circuito donde el condensador y la resistencia estn en paralelo (figura 5.b) usaremos el diagrama fasorial de las corrientes de la fuente, condensador y resistencia.

Figura 6.b Diagrama fasorial de corrientes del circuito 2De igual manera vemos que se puede aplicar teorema de cosenos a este diagrama fasorial.

De esta manera podemos calcular todos los parmetros pedidos.

RESULTADOS

Primer circuito, Condensador y Resistencia en serie

En la tabla 4 se muestra los resultados del ngulo y factor de prdidas de un condensador y tambin de la resistencia de aislamiento del condensador.N(Vs)Corriente (A)VR1 (V)VC (V)Tan (W/KVar)Resistencia aislamiento (K)(grados)

1219.80.41188.1113.81.1283723234.3720.064650944

2208.40.38178.1108.41.1341018233.1880.064979217

3199.80.36170.2104.81.2609284209.7330.072245836

4188.30.33160.598.91.5220041173.7570.087204344

51790.31152.494.20.9318683283.7940.053392107

6169.10.30144.288.71.3693727193.1240.078459228

71600.27136.383.81.3955611189.5000.079959711

81500.26128.378.71.6887341156.6020.096757245

91400.2512073.51.8178669145.4770.104155985

10129.60.23110.767.61.3355084198.0210.076518951

11120.10.20102.562.91.4337445184.4530.082147453

12110.50.1894.357.70.9722286272.0130.055704575

Tabla 4. Resultados del ngulo y factor de prdidas del condensador y tambin la resistencia de aislamiento.

Ahora manteniendo el voltaje de la fuente constante, vamos a cambiar la resistencia en serie al condensador.

NTensin (VS)Resistencia()VR1(V)VC(V)Tan (W/KVar)Resistencia aislamiento (K)(grados)

1219.886421065.20.586191451.10.0335862

2219.8664203.682.42.065972128.00.1183713

3219.8462.6190.1109.44.944778534.80.2833126

4219.8430.3187.5114.41.595106365.80.0913928

5219.8231.1145.5163.67.915580334.10.4535199

6219.8153.2108.9190.53.918479674.90.2245111

7219.8113.184.7203.10.788022335.60.0451503

Tabla 5. Resultados del ngulo y factor de prdidas del condensador y tambin la resistencia de aislamiento manteniendo la fuente constante y variando la resistencia en serie.

Segundo circuito, condensador y Resistencia en paralelo

NTensin (VS)(AS)(AC)(AR2)Tan (W/Var)Resistencia aislamiento (K)(grados)

1220.00.910.770.3350.2454441.0813.79034

2210.10.8570.730.3190.2193501.2112.37193

3199.80.8160.690.3020.2433741.0913.67839

4190.00.7900.660.2840.3003738.8016.71887

5180.20.7470.630.2700.2684679.8515.02768

6170.00.6860.580.2600.2263971.1712.75655

7160.00.6470.550.2460.2099211.2611.85545

8150.00.6150.510.230.2894379.1416.14245

9140.20.5700.480.220.2236691.1812.60782

10130.00.5200.450.190.1892661.4010.71739

11120.10.4800.410.180.2068631.2811.68755

12110.00.4200.390.160.1978401.3411.19092

Tabla 6. Resultados del ngulo y factor de prdidas del condensador y tambin la resistencia de aislamiento, cuando el capacitor y la resistencia en paralelo.

GRAFICAS

Primer circuito, Condensador y Resistencia en serieCuando la fuente de alimentacin es constante

Grafica 1. Factor de prdida en funcin de la tensin de alimentacin

Grafica 2. Angulo de perdidas () en funcin de la corrienteCuando la fuente de alimentacin es constante y variamos la resistencia en serie

Grafica 3. Factor de prdidas en funcin de la resistencia en serie al condensador

Grafica 4. Angulo de prdidas en funcin de la resistencia en serie al condensadorSegundo circuito, condensador y Resistencia en paralelo

Grafica 5. Factor de prdidas en funcin a la tensin de alimentacin cuando el condensador y la resistencia estn en paralelo

Grafica 6. Angulo de prdidas en funcin a la corriente que pasa a travs del condensador.CUESTIONARIO

1. Cul es la finalidad de R1 y R2 en la determinacin del ngulo de prdidas y el factor de prdidas del condensador utilizado?

Como podemos ver de los diagramas fasoriales los valores de la tensin VR y corriente IR son variables cuando cambiamos el valor de las resistencias mencionadas, lo que produce nuevos diagramas, esto es, el ngulo de prdidas del condensador cambia debido a que la corriente que pasa por el condensador cambia, es por ello que las resistencias son importantes, es decir ayuda a calcular o determinar el ngulo y factor de perdidas, pero tambin, si cambiamos la tensin de trabajo que proviene, digamos en este caso, de la fuente, estas prdidas cambian y podemos ver esa variacin en las grficas.

MEDIDAS ELECTRICAS

Determinacin del ngulo y factorde prdidas de un condensadorPgina 21

Figura 7.a Diagrama fasorial de tensiones para la resistencia R1 Figura 7.b Diagrama fasorial de corrientes para la resistencia R2

2. Cul es la importancia del ngulo de prdidas y el factor de prdidas del condensador?

El factor de prdidas o ms conocido por los fabricantes como factor de disipacin; es, de entre otras, una caracterstica ms de los condensadores que representa las perdidas en el material dielctrico y en ello radica su importancia, ese material dielctrico viene representado algunas veces en las hoja de datos de los condensadores junto con las corrientes de fuga particularmente para condensadores electrolticos y la resistencia de aislamiento, pero estn incluidas ah porqu a diferentes condiciones pueden cambiar, es decir si cambiamos la frecuencia y tambin al cambio natural de la temperatura.

3. Investigar el factor de prdidas y el ngulo de prdidas en condensadores normalizados.En esta seccin mostraremos las curvas de la resistencia de aislamiento, el factor de prdidas y el tiempo de vida til de diferentes condensadores, las imgenes pertenecen al libro de Donald Fink.

Figura 8.a. Resistencia de aislamiento en funcin de la temperatura para distintos dielctricos. Figura 8.b. factor de disipacin en funcin de la temperatura para distintos dielctricos

Figura 8.c Caractersticas de funcionamiento (vida) para un condensador de Tntalo sintetizado con electrolito lquido

OBSERBACIONES

Para encontrar las prdidas se tuvo que variar un poco los datos, ya que en algunas ocasiones esta era negativa, aunque la variacin fue en algunos casos de 0.2V y 0.03A como mximo.

De las grficas del 1 al 6 se observa, que no existe un patrn de cambio entre los parmetros, parece como si fuesen ondas, cabe resaltar que el factor perdidas en caso del primer circuito, resistencia y condensador en serie, estn en las unidades de (W/KVar) mientras que para el segundo circuito, resistencia y condensador en paralelo las unidades estn en (W/Var).

De las parejas de graficas correlativas que pertenecen a un mismo circuito (1-2, 3-4 y 5-6), se observa que estas tienen cierta similitud. Y entre ellas tambin.

Debido a que el circuito se utiliz constantemente, es decir solo se cambiaba la tensin de fuente de alimentacin a travs del autotransformador, esta representa como el cambio de temperatura.

CONCLUSIONES

Se comprob que el condensador usado en la prctica no solo posee capacidad, sino ciertos valores de resistencia, que son representados en forma paralela debido a la disipacin de calor en el dielctrico, y pues, como existen diferentes materiales o diseo, los parmetros de esa resistencia son diferentes.

Esa resistencia hace que exista una desfase de un poco menos de 90 grados entre la corriente y voltaje de un condensador, el ngulo de diferencia con un ideal (delta) es el ngulo de prdidas relacionado directamente con la corriente de fuga y la tangente es el factor de prdidas y esta ltima depende del material dielctrico, la temperatura y la frecuencia.

Se concluye despus de analizar los grficos, que para determinar estas caractersticas, es necesaria una buena precisin, es decir cuando se ensay con el circuito en serie las prdidas son muy bajas en concordancia con algunos de los valores de fabricantes, pero cuando se ensay en paralelo las perdidas aumentaron demasiado y el condensador sera intil comercialmente.

Aunque se estuvo cambiando la tensin de alimentacin, la variacin de temperatura no fue grande, como para incluir en una hoja de datos, entonces podramos decir que el factor de prdidas de un condensador oscila entre ciertos valores, entre un mnimo y un mximo, ya que como se ve en las grficas estn suben y bajan.

RECOMENDACIONES

Para este ensayo se requiere de bastante precisin ya que en los clculos se encontraron algunos factores de perdida negativas, por lo que se cambi el valor de las tensiones 0.1V. Por ello usar ampermetros y voltmetros calibrados y de buena precisin para evitar error en clculos. Tambin Usar cables de conexin en buen estado para evitar otras corrientes de fuga.

Utilizar un vatmetro conectado solo al condensador para tener otra perspectiva del factor de disipacin, ya que de este modo sera necesario solo medir la potencia reactiva del circuito utilizado.

BIBLIOGRAFIA

FUNDAMENTOS DE ELECTROTECNIA. Muller Schurz, Wolfgang. Editorial Dossat, 1975 MANUAL PRACTICO DE ELECTRICIDAD PARA INGENIEROS. Donald G. Fink. Editorail Reverte Tomo I GUIA DE LABORATORIO DE MEDIDAS ELECTRICAS. Ing. Guadalupe Goas.