Richiami sulla misurazione di potenza elettrica in un sistema trifase simmetrico e squilibrato e traccia delle operazioni da svolgere in laboratorio Alberto Vallan - 2005 1. Il metodo Barbagelata In un sistema trifase a tre fili simmetrico che alimenta un carico squilibrato le potenze attive e reattive delle singole fasi e quelle totali possono essere ricavate a partire esclusivamente da misure di potenza attiva, ricorrendo al metodo Barbagelata (o delle quattro letture). Questo metodo richiede l’impiego di quattro wattmetri e un voltmetro e permette di ricavare le nove grandezze che identificano univocamente il sistema trifase oggetto della misurazione. La figura 1 mostra un possibile schema di misurazione ove sono stati impiegati due amperometi e un ulteriore voltmetro per controllare che non si sovraccarichino le bobine voltmetriche e amperometriche dei wattmetri. Figura 1: Schema di misurazione della potenza con il metodo Barbagelata. 1.1 La misurazione della potenza attiva La misurazione della potenza attiva totale viene effettuata commutando il deviatore nella posizione A. E' possibile osservare che i due wattmetri sono collegati secondo l'inserzione Aron e misurano le potenze P12 e P32, quindi la potenza attiva totale vale: P = P12 + P32 (1) dove con la notazione Pij si indica la potenza misurata da un wattmetro con la la bobina amperometrica sulla fase i e quella voltmetrica sulle fasi i j. 1 BOZZA ad esclusivo uso del corso di Misure Elettriche 2005/06. Politecnico di Torino Questa relazione vale per sistemi trifase, a tre fili, simmetrici o dissimmetrici, equilibrati o squilibrati. 1.2 La misurazione della potenza reattiva Per misurare la potenza reattiva totale con il metodo Barbagelata sono necessarie 4 misurazioni indipendenti di potenza attiva. Commutando il deviatore sulla posizione B è possibile misurare le due potenze P13 e P31 che insieme a quelle misurate precedentemente costituiscono le 4 potenze richieste. La potenza reattiva totale è data dalla formula Q= P12 − P32 + 2( P31 − P13 ) 3 (2) Questa relazione vale per sistemi trifase, a tre fili, simmetrici, equilibrati o squilibrati. 1.3 La misurazione di altre grandezze di interesse • Con le potenza attiva totale e la potenza reattiva totale è possibile calcolare il fattore di potenza complessivo del sistema usando la relazione: P cos ϕ = (3) 2 P + Q2 • Con le misure delle potenze P12, P32, P13, P31 è possibile ricavare le potenze attive e reattive di fase P10, P20, P30, Q10, Q20, Q30. A tal fine si devono prima calcolare le potenze P23 e P21 usando il secondo teorema delle inserzioni wattmetriche: (4) P23 = P − P13 ; P21 = P − P31 Le potenze attive di fase si ricavano con il terzo teorema sulle inserzioni wattmetriche P10 = P12 + P13 3 ; P20 = P23 + P21 3 ; P30 = P31 + P32 3 (5) Le potenze reattive di fase si ricavano con il corollario del I teorema sulle inserzioni wattmetriche Q10 = P13 − P12 3 ; Q20 = P21 − P23 3 ; Q30 = P32 − P31 3 (6) 2 Correzione degli effetti sistematici I principali effetti sistematici sono dovuti all’autoconsumo di wattmetri e voltmetri e all’errore di fase dei wattmetri. 2 BOZZA ad esclusivo uso del corso di Misure Elettriche 2005/06. Politecnico di Torino 2.1 Autoconsumo Nello schema di figura 1 le bobine voltmetriche dei wattmetri ed i voltmetri sono connessi a valle delle bobine amperometriche dei wattmetri. In questa situazione, trascurando la componente induttiva dell’impedenza della bobina voltmetrica del wattmetro e di quella del voltmetro, quando il doppio deviatore si trova nella posizione A i due wattmetri indicano la somma della potenza del carico e della potenza assorbita dalle bobine voltmetriche. Per il wattmetro collegato tra le fasi 1 e 2 la potenza assorbita dalle voltmetriche vale PSV 12 V122 ≅ RV 12 // RVW 12 (14) dove: - V12 è la tensione concatenata tra le fasi 1 e 2 (ottenuta con un voltmetro); - RV12 è la resistenza del voltmetro; - RVW12 è la resistenza della voltmetrica del wattmetro. La potenza misurata dal wattmetro connesso tra le fasi 1 e 2 è la somma della potenza del carico P'12 e dell'autoconsumo: ’ P12 = P12 + PSV 12 (15) Analoghe relazioni possono essere ottenute quando il wattmetro è connesso su altre fasi. 2.2 Errore di fase Quando si utilizzano wattmetri di tipo elettrodinamico è necessario tener conto di un altro effetto sistematico che può essere individuato ricordando il principio di funzionamento di questi strumenti. Uno strumento elettrodinamico è costituito essenzialmente da una bobina fissa e da una bobina mobile; quando le due bobine sono percorse da correnti sinusoidali, sulla bobina mobile agisce una coppia, il cui valor medio è proporzionale al prodotto tra i valori efficaci delle due correnti e il coseno dell'angolo di sfasamento tra le correnti stesse. Uno strumento di questo tipo fornisce l'indicazione della potenza attiva assorbita da un carico se una delle due bobine, solitamente quella fissa, è attraversata dalla corrente che entra nel carico, mentre l'altra, solitamente quella mobile, è attraversata da una corrente che in modulo é proporzionale alla tensione presente ai capi del carico. Ciò si ottiene semplicemente ponendo un resistore di valore opportuno in serie alla bobina mobile. Tuttavia, poiché‚ la bobina mobile presenta un'induttanza non nulla, la corrente che attraversa questa bobina risulta sfasata rispetto alla tensione applicata ai suoi capi di un certo angolo, che per i wattmetri è solitamente indicato con il simbolo ε. La valutazione dell'effetto di questo fenomeno può essere eseguita osservando che la potenza misurata da un generico wattmetro risulta P = VI cos(ϕ − ε ) = P ’ cos ε + Q ’ sin ε dove: - 3 (16) P è la potenza attiva misurata dal wattmetro; V è il valore efficace della tensione presente sulla bobina voltmetrica; BOZZA ad esclusivo uso del corso di Misure Elettriche 2005/06. Politecnico di Torino - I è il valore efficace della corrente che attraversa la bobina amperometrica; - ε è l’errore d’angolo del wattmetro; - ϕ è lo sfasamento tra tensione e corrente presenti sul carico; - P’ è la potenza assorbita dal carico; - Q’ è la potenza reattiva assorbita dal carico. L’angolo ε (espresso in radianti) ha generalmente valori inferiori ad un centesimo della classe, per cui è lecito approssimare la (16) con P ≅ P ’ + Q’ε (17) L’entità dell'effetto sistematico, dovuto allo sfasamento ε, sulla potenza misurata vale quindi PSW ≅ +Q’ε (18) Nel caso di misurazioni di potenza con il metodo Barbagelata si dovrebbero calcolare tali effetti durante le 4 misurazioni, ma questo richiederebbe la conoscenza delle potenze reattive Q12, Q32, Q13, Q31. Se però i due wattmetri hanno lo stesso errore d’anglo ε è allora possibile calcolare l’effetto sistematico totale PC : PC ≅ +Qε (19) dove Q è la potenza reattiva calcolata con la (12). L’effetto dell’errore d’angolo si ripercuote anche sulla potenza reattiva Q. La correzione da apportare alla potenza Q è calcolabile con le stesse aprrossimazioni del caso precedente e vale QC ≅ − Pε (20) 3 La valutazione dell’incertezza strumentale L'incertezza della misura di potenza attiva è principalmente legata all'incertezza strumentale dei wattmetri, quindi alla loro classe. Se si indicano con V0 e I0 le portate nominali della bobina voltmetrica e di quella amperometrica di un wattmetro caratterizzato da un fattore di potenza cosϕ0 (quindi di portata V0I0 cosϕ0) e da una classe c, l'incertezza relativa di misura può essere espressa come: ε Pc = c V0 I 0 cos ϕ 0 V I cos ϕ 0 =c 0 0 VI cosϕ P (21) Questa incertezza può essere ridotta impiegando un wattmetro a basso fattore di potenza, oppure sovraccaricando (per un breve periodo) le bobine voltmetrica e/o amperometrica del wattmetro entro i limiti indicati dal costruttore. 4 BOZZA ad esclusivo uso del corso di Misure Elettriche 2005/06. Politecnico di Torino 4 Operazioni da svolgere durante l’esercitazione di laboratorio 1. Realizzazione del circuito di misurazione. 2. Stima delle tensione, correnti e potenze che dovranno essere misurate e scelta delle portate dei rispettivi strumenti. 3. Identificazione del senso ciclico. 4. Esecuzione delle letture degli strumenti nelle due possibili posizioni del doppio deviatore P12, P32, P13, P31, V12, V32, V13, V31. Se necessario sovraccaricare i wattmetri controllando che le tensioni e le correnti non superino i limiti consentiti. Attenzione : non toccare i contatti durante la misurazione, in quanto le tensioni presenti nel circuito sono dell’ordine del centinaio di volt. 5. Calcolo degli errori di consumo PSW12, PSW32, PSW13, PSW31 e correzione delle potenze misurate P12’ = P12 − PSW 12 ; P32’ = P32 − PSW 32 ; P13’ = P13 − PSW 13 ; P31’ = P31 − PSW 31 6. Calcolo di P e Q totali e corretti dai consumi strumentali (ricordarsi di eventuali inversioni di polarità) P ’= P12’ + P32’ ; Q’= P12’ − P32’ + 2( P31’ − P13’ ) 3 7. Stima della correzione dovuta all’errore d’angolo ε PC = Q’ε ; QC = − P’ε 8. Calcolo della potenza attiva e reattiva corrette dagli effetti dell’errore d’angolo P ’’= P ’− Pc ; Q’’= Q’−Qc 9. Calcolo del fattore di potenza cosϕ = P’’ P’’2 +Q’’2 10. Valutazione dell'incertezza di misura • Valutare l’incertezza delle misure dirette di potenza • Valutare l’incertezza di P’’ e Q’’ usando le formule di propagazione ricavate per i casi notevoli visti a lezione (NdC: se le correzioni degli effetti sistematici sono piccole allora l’incertezza dovuta alla loro correzione si può trascurare). • Calcolare l’incertezza del fattore di potenza (qui dovete usare la formula con le derivate parziali) • Altre cause in ordine sparso: temperatura, resistenze dei cavi e dei contatti, incertezza intrinseca del misurando, stabilità della tensione di rete, alimentazione non equilibrata, distorsione della tensione di alimentazione…. 5 BOZZA ad esclusivo uso del corso di Misure Elettriche 2005/06. Politecnico di Torino 5 Materiale fornito per svolgere l’esercitazione di laboratorio • • Due wattmetri analogici elettromeccanici di tipo elettrodinamico portate voltmetriche: 125-250-500 V; portate amperometriche: 2,5-5 A (sovraccaricabilità ammessa 50%); cosϕ0=1; classe: 0,2 ε= 0,1; consumo = 33,3 Ω/V; campo di frequenza: (15÷60) Hz. Due voltmetri analogici elettromeccanici di tipo elettromagnetico a ferro mobile: portate: 75-150 V; classe: 0,5; consumo: 5 VA; campo di frequenza: (50÷60) Hz; Due amperometri analogici elettromeccanici di tipo elettromagnetico a ferro mobile: portate: 2,5-5 A; classe: 0,5; consumo: 2 VA; campo di frequenza: (50÷60) Hz; Un doppio deviatore Alimentazione in corrente alternata trifase simmetrica Carico trifase squilibrato costituito da due resistori da 100 Ω, 2,5 A e un condensatore da 20 µF, 450 V Cavetti per collegamenti 6 BOZZA ad esclusivo uso del corso di Misure Elettriche 2005/06. Politecnico di Torino • • • • •