Automóvil, Electrical Engineer, Ingeniería Eléctrica

Las partes claves de un Vehículo Eléctrico

Las partes claves de un Vehículo Eléctrico (VE) se pueden observar en la siguiente Figura:

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Las partes claves de un Vehículo Eléctrico (VE) se resumen con definiciones simples a continuación:

Puerto de carga o entrada del vehículo (Charging port or vehicle inlet): es un conector presente en el vehículo eléctrico para permitir que se conecte a una fuente de electricidad externa para cargar.

Convertidor electrónico de potencia (Power electronic converter): un convertidor electrónico de potencia está hecho de dispositivos semiconductores de acción rápida de alta potencia, que actúan como interruptores de alta velocidad. Diferentes estados de conmutación alteran el voltaje y la corriente de entrada mediante el uso de elementos capacitivos e inductivos. El resultado es un voltaje y corriente de salida, que está en un nivel diferente al de la entrada.

Cargador a bordo (On-board charger): es un convertidor electrónico de alimentación de CA a CC (a menudo denominado rectificador) que toma la electricidad de CA entrante suministrada a través del puerto de carga y la convierte en energía de CC para cargar la batería de tracción. Mediante el sistema de gestión de la batería, regula las características de la batería, como el voltaje, la corriente, la temperatura y el estado de carga.

Paquete de baterías de tracción (Traction battery pack): es una batería de alto voltaje que se utiliza para almacenar energía en el automóvil eléctrico y proporcionar energía para su uso por el motor de tracción eléctrica.

Convertidor de energía de la batería (Battery power converter): es un convertidor electrónico de energía de CC a CC que convierte el voltaje de la batería de tracción en el voltaje más alto del bus de CC utilizado para el intercambio de energía con el motor de tracción.

Accionamiento del motor (Motor drive): es un convertidor de CC a CA (a menudo denominado inversor o variador de frecuencia) o, a veces, un convertidor electrónico de potencia de CC a CC, que se utiliza para convertir la alimentación del bus de CC de alto voltaje a CA (o a veces DC) potencia para el funcionamiento del motor. El convertidor es bidireccional para funcionar tanto en modo de conducción como en modo de frenado regenerativo.

Motor / generador eléctrico de tracción (Traction electric motor/generator): es el principal dispositivo de propulsión en un automóvil eléctrico que convierte la energía eléctrica de la batería de tracción en energía mecánica para hacer girar las ruedas. También genera electricidad al extraer energía de las ruedas giratorias durante el frenado y al transferir esa energía de regreso al paquete de baterías de tracción.

Transmisión (Transmission): para un automóvil eléctrico, generalmente se usa una transmisión de engranaje único con diferencial para transferir la potencia mecánica del motor de tracción para conducir las ruedas.

Controlador electrónico de potencia (Power electronics controller): esta unidad controla el flujo de energía eléctrica en los diferentes convertidores electrónicos de potencia en el automóvil eléctrico.

Batería – auxiliar (Auxiliary Battery): en un vehículo de accionamiento eléctrico, la batería auxiliar proporciona electricidad para arrancar el automóvil antes de que se active la batería de tracción y también se utiliza para alimentar los accesorios del vehículo.

Vistas desde arriba:

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SIGUIENTE: Parámetros de un vehículo eléctrico

Fuente:

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Parámetros de un Vehículo Eléctrico

Los Parámetros de mayor importancia en un Vehículo Eléctrico (VE) son: capacidad, estado de carga, rango, consumo de energía, potencia, par o torque.

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Ahora que conocemos Las partes claves de un vehículo eléctrico y cómo funciona, es hora de conocer algunos parámetros importantes para comprender los autos eléctricos. Estos son la capacidad de la batería, el estado de carga, el rango, el consumo de energía por kilómetro, MPGe y la potencia del motor. Ahora definamos estos términos:

Capacidad nominal de la batería (en Wh o kWh – Nominal battery capacity, Enom): es la energía eléctrica total que se puede almacenar en la batería. Alternativamente, es la cantidad máxima de energía eléctrica que se puede extraer de un estado de batería completamente cargada al estado vacío.

En términos generales, las baterías VE tienen una capacidad de batería entre 5 kWh y 100 kWh, dependiendo del tipo de VE. Cuanto mayor sea la capacidad de la batería, más energía puede almacenar y más tiempo lleva cargarla por completo. La capacidad de la batería a menudo se denomina contenido de energía o capacidad de energía de la batería.

Estado de cargaState of charge, SOC  – BSOC, en%): el estado de carga de la batería (SoC) se define como la relación entre la cantidad de energía almacenada actualmente en la batería (Ebatt) y la capacidad total de la batería (Enom): BSOC = (Ebatt / Enom)x100.

Alcance (Rmáx, en km – Range): es la distancia máxima que puede conducir un automóvil eléctrico cuando la batería está llena. Por lo general, un automóvil eléctrico se prueba usando un ciclo de conducción estandarizado para estimar el alcance. Por ejemplo, en el Nuevo ciclo de conducción europeo (NEDC), el procedimiento de prueba de vehículos ligeros armonizados en todo el mundo (WLTP) o procedimiento de prueba federal de la EPA. El rango puede expresarse en millas, kilómetros u otras unidades según la región.

Alcance disponible (R, en km – Available Range ): es la distancia máxima que puede conducir un automóvil eléctrico según el estado actual de carga de la batería.

Consumo de energía por kilómetro (D, en kWh / km – Energy consumption per kilometer): cuando se prueba un automóvil eléctrico con un ciclo de conducción estandarizado, la eficiencia VE es la energía consumida de las baterías por unidad de distancia. En algunos casos, también se considera la energía extraída de la red para cargar la batería. Se puede expresar en kilovatios-hora por kilómetro (o) kilovatios-hora por milla.

MPGe o millas por galón equivalente (miles per gallon equivalent): MPGe es la distancia en millas recorridas por unidad de energía eléctrica consumida por el vehículo. Las clasificaciones se basan en la fórmula de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), en la cual 33.7 kilovatios-hora (121 megajulios) de electricidad equivalen a un galón de gasolina.

Potencia del motor (Pm, en W – Motor power): es la potencia entregada por el motor a las ruedas para propulsión. La potencia del motor es positiva o negativa en función de si el automóvil está conduciendo o está frenando por regeneración. La potencia del motor se puede expresar como un producto del par motor, Tm y la velocidad de rotación del motor, wm y las unidades normalmente utilizadas son vatios (W), kilovatios (kW) o caballos de fuerza (hp). La velocidad de rotación normalmente se expresa en radianes por segundo (rad / s) o rotaciones por minuto (rpm). El par se expresa normalmente en newton-metro (Nm). Es decir: Pm = Tm * wm, dónde Pm es la potencia del motor (W), Tm es el par motor (Nm), y wm es la velocidad de rotación (rad / s)

Idealmente, un automóvil eléctrico debe tener un alto rango, bajo consumo de energía por kilómetro y un alto MPGe. La siguiente fórmula se puede utilizar para conectar los parámetros anteriores.

R = Ebatt / D = (BSOC / 100) * Enom / D

dónde R es rango disponible de EV (km), Ebatt es la capacidad actual de la batería (kWh), D es el consumo de energía por kilómetro (kWh / km), BSOC es el estado de carga de la batería, SOC.

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Análisis de circuitos eléctricos, Ingeniería Eléctrica

Teorema de Thevenin con fuentes dependientes – Ejemplos

Cuando una o varias fuentes dependientes están presentes en el circuito, calcular la resistencia de Thevenin requiere de los siguientes pasos:

  1. Colocar las fuentes independientes en cero (las fuentes de voltaje se transforman en un cortocircuito, mientras que las fuentes de corriente se transforman en un circuito abierto)
  2. Aplicar una fuente auxiliar de tensión Vo entre los terminales AB y se calcula la corriente Io que circula por la fuente auxiliar.

De esta manera, se cumple que:

null

Alternativamente, se puede colocar en cambio una fuente auxiliar de corriente . Amas alternativas se ilustran a continuación:

null

Ejemplos:

1)     Calcular el equivalente de Thevenin del circuito de la Figura 1:

null
Figura 1. 

Para calcular la resistencia de Thevenin ponemos a cero la fuente independiente y colocamos una fuente auxiliar de tensión entre los puntos a y b:

null

Resolvemos por análisis de nodos:

null

null

En función de los voltajes de nodo Vx y Vo:

null

De las ecuaciones (1) y (2) obtenemos el siguiente resultado:

null

Necesitamos una relación en función de Vx,Vo e io, pero del circuito sabemos que:

null

De las ecuaciones (3) y (4) obtenemos que:

null

Por tanto:

null

Para obtener la tensión de Thevenin Vth, conectamos la fuente independiente y consideramos un circuito abierto entre a y b, y resolvemos por análisis de nodos:

null

null

En función de los voltajes de nodo Vx y Vo:

null

De las ecuaciones (1) y (2) obtenemos el siguiente resultado:

null

Con el valor de Vx, podemos obtener Vab mediante la siguiente relación:

null

Por tanto:

null

De esta forma, el circuito de Thevenin equivalente es el siguiente:

null

2) Determinar Vo en el circuito de la Figura 2 aplicando el teorema de Thevenin:

null
Figura 2.

Cálculo de la resistencia de Thevenin Rth. Para realizar este cálculo, apagamos las fuentes independientes. Debido a la existencia de una fuente dependiente, nos vemos en la necesidad de utilizar una fuente de voltaje auxiliar Vo entre los puntos a y b. De esta manera obtenemos el siguiente circuito:

null

Dónde:

null

Podemos ordenar mejor la red para aplicar el método de mallas:

null

null

Sustituyendo valores:

null

Simplificando:

null

Despejamos i1 de (5):

null

Sustituimos este resultado en (6):

null

De donde:

null

Podemos suponer que:

null

Procedemos ahora a calcular la tensión de Thevenin Vth. Para ello, encendemos las fuentes independientes y suponemos un circuito abierto entre los puntos a y b:

null

Por la configuración del sistema, seleccionamos el método de mallas para calcular Vth:

null

null

Sustituyendo valores:

null

Utilizando (3) y (4) expresamos Vab en función de i1:

null

Utilizando (1) y (2) podemos calcular el valor de i1:

null

Por tanto:

null

Podemos suponer que:

null

Podemos ahora calcular el valor de la salida Vo mediante el circuito equivalente de Thevenin y un divisor de voltaje:

null

null

SIGUIENTE:

Fuente:

  1. Introduccion-al-analisis-de-circuitos-robert-l-boylestad,
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg,
  3. Fundamentos_de_circuitos_electricos_5ta
  4. Fundamentos_de_Señales_y_Sistemas_usando la Web y Matlab

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Análisis de circuitos eléctricos, Ingeniería Eléctrica

Comparación entre Thevenin – Norton – Superposición – Análisis de circuitos eléctricos

El teorema de Thevenin establece que un circuito lineal de dos terminales puede sustituirse por un circuito equivalente formado por una fuente de tensión VTH en serie con una resistencia RTH.

El teorema de Norton establece que un circuito lineal de dos terminales puede sustituirse por un circuito equivalente formado por una fuente de corriente IN en paralelo con una resistencia RN.

Es decir, los teoremas de Thevenin y Norton proporcionan una técnica para sustituir la parte fija por un circuito equivalente sencillo.

La aplicación del principio de superposición en el análisis de un circuito eléctricos comprende los siguientes pasos:

  1. Apagar todas las fuentes independientes excepto una. Calcular la salida (tensión o corriente) debido a la única fuente activa.
  2. Repetir el paso anterior para cada una de las fuentes independientes presentes en el circuito.
  3. La contribución total viene dada por la suma algebraica de las contribuciones de cada una de ,las fuentes independientes.
Ejemplo

Calcular Vo en el circuito de la Figura 1, aplicando teoremas de superposición, Thevenin y Norton.

null
Figura 1.

Superposición

Aplicando superposición sabemos que:

null

Donde Vo1 es la salida forzada o resultante de la influencia de la fuente de tensión V1 con la fuente de corriente apagada. Así mismo, Vo2 es la salida forzada o resultante de la influencia de la fuente de corriente I1 con la fuente de tensión apagada.

  1. Apagamos la fuente de corriente. Obtenemos el circuito siguiente:

nullEn el circuito de la Figura anterior podemos aplicar análisis de mallas o podemos transformar la fuente hasta obtener una sola malla y aplicar divisor de voltaje. En esta oportunidad, seleccionamos el análisis por mallas.

null

Aplicando KVL y la ley de Ohm, obtenemos:

null

Sustituyendo valores en las ecuaciones (1) y (2):

null

Simplificando:

null

Aplicando álgebra lineal:

null

Por tanto:

null

2. Apagamos la fuente de tensión. Obtenemos el circuito siguiente:

null

Antes de analizar, podemos reducir el circuito resultante obteniendo la resistencia equivalente entre R1 y R2:

null

Adicional a esto podemos transformar la fuente de corriente en paralelo con R4, en una fuente de tensión con valor I1R4 en serie con R4. De esta manera obtenemos el siguiente circuito:

null

Aplicando un divisor de voltaje obtenemos que:

null

Sustituyendo valores:

null

Por tanto, sumando las aportaciones individuales de cada fuente, obtenemos que Vo es:

null

Thevenin

El primer paso para hallar el circuito equivalente de Thevenin es hallar la Resistencia RTH o resistencia de Thevenin que observa la carga R3:

null

null

El siguiente paso es hallar el voltaje de Thevenin que observa la carga R3:

null

Por lo tanto:

null

Ahora sustituimos el circuito original por el circuito de Thevenin equivalente en serie con la carga:

null

null

Por tanto:

null

Norton

El primer paso para hallar el circuito equivalente de Norton es hallar la Resistencia RN o resistencia de Norton que observa la carga R3. Sin embargo:

null

El siguiente paso es hallar la corriente de Norton IN que observa la carga R3:

null

Para simplificar a dos mallas, transformamos la fuente de corriente I1 en paralelo con R4, en una fuente en serie con R4. De esa manera obtenemos el siguiente circuito, donde aplicamos el método de análisis por mallas para obtener el valor de IN:

null

null

Sustituyendo valores en (1) y (2):

null

Simplificando:

null

Aplicamos álgebra lineal:

null

Por tanto:

null

Ahora sustituimos el circuito original por el circuito de Norton equivalente en paralelo con la carga:

null

null

Aplicamos la fórmula de divisor de corriente:

null

SIGUIENTE:

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Análisis de circuitos eléctricos, Ingeniería Eléctrica

Teorema de Norton – Análisis de circuitos eléctricos

El teorema de Norton establece que un circuito lineal de dos terminales puede sustituirse por un circuito equivalente formado por una fuente de corriente IN en paralelo con una resistencia RN.

Es decir, el teorema de Norton proporciona una técnica para sustituir la parte fija por un circuito equivalente sencillo.

Ejemplos

Calcular Vo en el circuito de la Figura 1, aplicando teoremas de Superposición, Thevenin y Norton.

null
Figura 1.

null

null

El primer paso para hallar el circuito equivalente de Norton es hallar la Resistencia RN o resistencia de Norton que observa la carga R3. Sin embargo:

null

El siguiente paso es hallar la corriente de Norton IN que observa la carga R3:

null

Para simplificar a dos mallas, transformamos la fuente de corriente I1 en paralelo con R4, en una fuente en serie con R4. De esa manera obtenemos el siguiente circuito, donde aplicamos el método de análisis por mallas para obtener el valor de IN:

null

null

Sustituyendo valores en (1) y (2):

null

Simplificando:

null

Aplicamos álgebra lineal:

null

Por tanto:

null

Ahora sustituimos el circuito original por el circuito de Norton equivalente en paralelo con la carga:

null

null

Aplicamos la fórmula de divisor de corriente:

null

SIGUIENTE:

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Teorema de Thevenin – Análisis de circuitos eléctricos

El teorema de Thevenin establece que un circuito lineal de dos terminales puede sustituirse por un circuito equivalente formado por una fuente de tensión VTH en serie con una resistencia RTH.

Es decir, el teorema de Thevenin proporciona una técnica para sustituir la parte fija por un circuito equivalente sencillo.

Ejemplos

Calcular Vo en el circuito de la Figura 1, aplicando teoremas de Superposición, Thevenin y Norton.

null
Figura 1.

El primer paso para hallar el circuito equivalente de Thevenin es hallar la Resistencia RTH o resistencia de Thevenin que observa la carga R3:

null

null

El siguiente paso es hallar el voltaje de Thevenin que observa la carga R3:

null

Por lo tanto:

null

Ahora sustituimos el circuito original por el circuito de Thevenin equivalente en serie con la carga:

null

null

Por tanto:

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Principio de superposición – Análisis de circuitos eléctricos

La aplicación del principio de superposición en el análisis de un circuito eléctricos comprende los siguientes pasos:

  1. Apagar todas las fuentes independientes excepto una. Calcular la salida (tensión o corriente) debido a la única fuente activa.
  2. Repetir el paso anterior para cada una de las fuentes independientes presentes en el circuito.
  3. La contribución total viene dada por la suma algebraica de las contribuciones de cada una de ,las fuentes independientes.
Ejemplo

Calcular Vo en el circuito de la Figura 1, aplicando teoremas de superposición, Thevenin y Norton.

null
Figura 1.

Superposición

Aplicando superposición sabemos que:

null

Donde Vo1 es la salida forzada o resultante de la influencia de la fuente de tensión V1 con la fuente de corriente apagada. Así mismo, Vo2 es la salida forzada o resultante de la influencia de la fuente de corriente I1 con la fuente de tensión apagada.

  1. Apagamos la fuente de corriente. Obtenemos el circuito siguiente:

nullEn el circuito de la Figura anterior podemos aplicar análisis de mallas o podemos transformar la fuente hasta obtener una sola malla y aplicar divisor de voltaje. En esta oportunidad, seleccionamos el análisis por mallas.

null

Aplicando KVL y la ley de Ohm, obtenemos:

null

Sustituyendo valores en las ecuaciones (1) y (2):

null

Simplificando:

null

Aplicando álgebra lineal:

null

Por tanto:

null

2. Apagamos la fuente de tensión. Obtenemos el circuito siguiente:

null

Antes de analizar, podemos reducir el circuito resultante obteniendo la resistencia equivalente entre R1 y R2:

null

Adicional a esto podemos transformar la fuente de corriente en paralelo con R4, en una fuente de tensión con valor I1R4 en serie con R4. De esta manera obtenemos el siguiente circuito:

null

Aplicando un divisor de voltaje obtenemos que:

null

Sustituyendo valores:

null

Por tanto, sumando las aportaciones individuales de cada fuente, obtenemos que Vo es:

null

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Método de mallas Vs nodos – Análisis de circuitos eléctricos

Dado un circuito eléctrico, ¿qué método es más conveniente utilizar?¿Mallas o Nodos? La respuesta depende especialmente de dos factores:

  1. Naturaleza del circuito
  2. La información, o salida, requerida.

La clave es elegir el método que lleve a un número menor de ecuaciones:

  • Menos nudos que mallas  →→  Análisis de Nodos
  • Menos mallas que nodos→→  Análisis de Mallas
  • Si se requieren tensiones de nodo, es ventajoso aplicar análisis de nodos
  • Si se requieren corrientes de malla, es ventajoso aplicar análisis de mallas

El siguiente ejemplo ilustra la situación.

Ejemplos

En el circuito de la Figura 1, calcular la corriente que circula por todas las ramas, aplicando el método de análisis por mallas y análisis por nodos.

null

Análisis por mallas

null

Malla 1: No hace falta aplicar KVL en la malla 1:

null

Malla 2: No hace falta aplicar KVL en la malla 2:

null

Malla 3, Malla 4:

null

Utilizando (2) y (4) podemos saber el valor de i4:

null

Con el valor de i4 podemos hallar ix de (5):

null

Por tanto:

null

Con el valor de i1, utilizando (3) podemos saber el valor de i3:

null

Análisis por Nodos

Enumeramos todos los nodos y colocamos la referencia en el Nodo cero:null

Nodos 1, 2, 4:

null

Nodo 3: No hace falta aplicar KCL al nodo 3:

null

Ley de Ohm en (1):

null

Ley de Ohm en (2):

null

Ley de Ohm en (3):

null

Con el valor de V4, utilizando (5) podemos saber el valor de V2:

null

Con el valor de V4, utilizando (4) podemos saber el valor de V1:

null

Valor de las corrientes:

null

En el ejercicio anterior podemos notar que, por el número de pasos y ecuaciones generadas, el método de mallas es preferible al de nodos.

En construcción…

SIGUIENTE:

Fuente:

  1. Introduccion-al-analisis-de-circuitos-robert-l-boylestad,
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg,
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Análisis de circuitos eléctricos, Ingeniería Eléctrica

Método de mallas – análisis de circuitos

El método de mallas para resolver un circuito eléctrico genera un sistema de ecuaciones simultáneas que se obtienen aplicando las leyes de Kirchhoff y las relaciones i-v (corriente-voltaje) de los elementos del circuito.

Ejemplos

Calcular las tensiones en cada elemento de la siguiente figura:

null

null

Sustituyendo valores:

null

Aplicando matrices:

null

Las tensiones en cada elemento son las siguientes:

null

Fuente:

  1. Introduccion-al-analisis-de-circuitos-robert-l-boylestad,
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg,
  3. Fundamentos_de_circuitos_electricos_5ta
  4. Fundamentos_de_Señales_y_Sistemas_usando la Web y Matlab
  5. Redes eléctricas -Metodos de analisis
  6. Redes eléctricas – Teoremas The y Nort
  7. Redes eléctricas – régimen estacionario
  8. Redes eléctricas – conceptos básicos
  9. Redes E – Problemas – The y Nort
  10. Redes E – Problemas – Régimen estac
  11. Redes E – Problemas – Mallas y Nodos

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Análisis de circuitos eléctricos, Ingeniería Eléctrica, Sin categoría

El Potenciómetro (Wattímetro) – Medir la potencia

El Potenciómetro (Wattímetro o Vatímetro) es el instrumento para medir la potencia promedio consumida por una carga eléctrica.

Introducción

La potencia promedio, en watts, es el promedio de la potencia instantánea a lo largo de un período. La potencia instantánea (en watts) es la potencia en cualquier instante.

La potencia instantánea absorbida por un elemento es el producto de la tensión instantánea v(t) en las terminales del elemento y la corriente instantánea i(t) que atraviesa el elemento:

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La potencia promedio está dada por:

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Supongamos que tenemos las siguientes dos expresiones para voltaje y corriente relativos al circuito o elemento donde se mide la potencia:

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Podemos demostrar que la potencia promedio señalada por la ecuación (2) se puede simplificar a:

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Si el circuito es puramente resistivo, siendo R la carga resistiva equivalente, podemos demostrar que la potencia promedio es:

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Si el circuito es puramente reactivo, podemos demostrar que la potencia promedio es:

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Lo que indica que un circuito puramente reactivo no absorbe potencia en promedio. Por eso, una carga resistiva (R) absorbe potencia todo el tiempo, mientras que una carga reactiva (L o C) absorbe una potencia promedio nula.

 Medición de potencia

El Wattímetro es el instrumento para medir la potencia promedio. En la Figura 1 aparece un potenciómetro típico:

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Figura 1. Configuración interna de un potenciómetro.

El potenciómetro de la Figura 1 consta de dos bobinas: la bobina de tensión v  y la bobina de corriente i.

La bobina de corriente con muy baja impedancia se conecta en serie con la carga y responde a la corriente i de la carga. La bobina de tensión con una impedancia muy alta se conecta en paralelo con la carga y responde a la tensión v de la carga. La bobina de corriente actúa como cortocircuito, mientras que la bobina de tensión actúa como circuito abierto. De esta manera, la presencia del potenciómetro no perturba el circuito ni tiene efectos en la medición de la potencia.

Cuando las dos bobinas se energizan, la inercia mecánica del sistema móvil produce un ángulo de desviación proporcional al valor promedio del producto v(t) i(t). El vatímetro mide la potencia promedio dada por:

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En la Figura 2 aparece la manera apropiada de conectar el watímetro a la carga ZL:

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Figura 2. Conexión de un potenciómetro para medir la potencia consumida por la carga ZL

Ejemplo:

Hallar la lectura del Vatímetro en la red de la Figura 3:

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Figura 3

En construcción…

Fuente:

  1. Introduccion-al-analisis-de-circuitos-robert-l-boylestad,
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg,
  3. Fundamentos_de_circuitos_electricos_5ta
  4. Fundamentos_de_Señales_y_Sistemas_usando la Web y Matlab
  5. Getty Images

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