Guia de Lab Maquinas Electricas

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Electricidad y Electrónica de Potencia

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA DE POTENCIA

GUÍA DE LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS (ML – 202) Elaborado por:

Ing. Edgard Guadalupe Goñas 1



INDICE Pagina 3

L1:

El Reactor con Núcleo de Hierro

L2:

El Transformador Monofásico.

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L3:

Motor Asíncrono Trifásico Rotor Jaula de Ardilla.

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L4:

Motor de Corriente Continua.

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Anexo Ensayos Normalizados en Máquinas Eléctricas

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 1. OBJETIVOS: Obtener la curva de magnetización del material ferromagnético de un reactor. Observar en el osciloscopio el lazo de histéresis dinámico y la onda de la corriente de excitación. Realizar la separación de pérdidas del núcleo.

2. EQUIPO A UTILIZAR: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1

Interruptor termo magnético bipolar 2x20A, 10 kA. Autotransformador variable con capacidad de 6 A. Transformador monofásico 220/127 V, 1 kVA. Resistencia de 60 KΩ. Reóstato de 4.5 Ω. Condensador de 20 uF Amperímetro de 4 A. Voltímetro de 600 V. Vatímetro de 1,200 W Osciloscopio. Sondas pasivas. Multímetro.

3. PROCEDIMIENTO: El transformador será utilizado como reactor; por lo que solo se utilizara el devanado de 127 V. 3.1 OBTENCION DE LA CARACTERISTICA: B-H Realizar el circuito siguiente:

A

W V

220 V 60 HZ

Reactor

Fig. 1.1

   

Regular la tensión de salida del autotransformador al valor cero. Comprobar la corrección de las conexiones. Cerrar el interruptor que energiza al circuito. Regulando la tensión de alimentación, comprobar el adecuado funcionamiento de todos los instrumentos, verificando que el rango de trabajo de cada uno de ellos sea el conveniente.

4


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202  



Elevar la tensión de la fuente, hasta un 30% sobre la tensión nominal del devanado del reactor. Reducir la tensión de salida del autotransformador a cero. Nuevamente, elevar progresivamente la tensión de salida del autotransformador, registrando los valores de tensión y corriente. Hacer mediciones hasta un 130% de la tensión nominal. Tomar los datos de placa y de diseño del reactor que crea conveniente.

3.2 OBSERVACION DEL LAZO DE HISTERESIS Y DE LA FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE DE EXCITACIÓN DEL REACTOR 3.2.1 LAZO DE HISTERESIS: Realizar el circuito siguiente: Osciloscopio Amplificacion Horizontal

Amplificacion Vertical

A

W

20 uF

0 - 4.5 ohm

V

220 V 60 HZ

60 k

Fig. 1.2

Reactor

Una sonda tomará la tensión en condensador de 20µF; y la otra sonda tomara la tensión en la resistencia de 4.5 Ohm. Las dos sondas deben conectarse de manera que los conductores de tierra de las dos sondas formen un nodo común, esto es, conectar los conductores de tierra al nodo que une la resistencia de 4.5 Ohm con el condensador de 20 µF. Variar la tensión de salida del autotransformador al 22, 55, 110 y 143% de la tensión nominal del reactor, y observar en el osciloscopio la variación que se produce en la forma del lazo de histéresis. Hacer un bosquejo aproximado del lazo de histéresis para cada caso.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 3.2.2 CORRIENTE DEL REACTOR: En el circuito del esquema anterior, retirar la sonda que está conectada al condensador. Repetir los procesos anteriores, observando y registrando en cada caso la forma de onda de la tensión que se produce en la resistencia. 3.3 SEPARACION DE PÉRDIDAS Realizar el circuito mostrado en la figura 1.3, utilizando como fuente de alimentación un generador sincrónico de tensión y frecuencia fácilmente controlables.

A VyF

F

W

V

Variables

Fig. 1.3

Reactor

Suministrar la tensión y tomar las lecturas indicadas por los instrumentos para cuatro situaciones regulando la tensión y la frecuencia de alimentación de tal manera que para las condiciones 1, 2, 3 y 4 se verifique:

p1  kh f1 1  ke f12 12 p1  k h f 2  2  ke f 22  22 p1  k h f 3  3  k e f 32  32

Las cuales, al resolverse como ecuaciones simultáneas, proporcionan los siguientes resultados (donde a = f2/f1)

log [



 22 ( P2  a 2 P3 ) ] ( P2  a 2 P3 ) 12  a ( a  1) P1  22    log  2   1  6


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 kh 

P2  a 2 P3 f 2 (1  a )  2

ke 

P2  a P3 a f 22  22 a  1

4. CUESTIONARIO 4.1 La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas 4.2 Trazar las características B vs H y µ vs H; y asimismo graficar W vs V, explicar sus tendencias y el significado que tiene cada una de ellas. 4.3 Graficar la perdidas especificas en el fierro en (W /kg) a 60Hz, como una función de la inducción máxima expresada en Tesla. Explicar la tendencia. 4.4 ¿Qué es el circuito equivalente de una maquina eléctrica? 4.5 Elaborar el circuito equivalente del reactor para su tensión nominal. 4.6 Explicar el principio de funcionamiento del circuito para la observación del lazo de histéresis. 4.7 ¿Qué función desempeña el condensador de 20 µF y la resistencia de 60kΩ? 4.8 Graficar con la frecuencia como abscisa los puntos P/f en donde P es la perdida total en vacío, a partir de este gráfico determinar las perdidas totales por corrientes parasitas y por histéresis en el hierro del núcleo para a tensión nominal y 60Hz. 4.9 Observaciones. 4.10 Recomendaciones. 4.11 Conclusiones.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 EL TRANSFORMADOR REAL

CIRCUITO EQUIVALENTE

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 1. OBJETIVO Determinación de los parámetros del circuito equivalente de un transformador monofásico a frecuencia y tensión nominales. Determinación de las características de regulación. 2. EQUIPOS A UTILIZAR 1 Transformador monofásico de 1kVA, 220/110V 1 Auto transformador variable de 1.3 kVA, 220V, 0-10 A 1 Voltímetro A.C. 1 Multímetro 1 Vatímetro monofásico. 1 Ohmímetro. 1 Frecuencímetro. 2 Amperímetros A.C. 0-10A. 1 Termómetro 0 – 100ºC o instrumento equivalente 1 Resistencia Variable 0-10A, 220V 3. PROCEDIMIENTO 3.1 OBTENCION DE RESISTENCIAS EN D.C. Medir las resistencias de cada enrollamiento y anotar la temperatura ambiente. Corregir los valores a la temperatura normalizada de referencia (75ºC). 3.2 ENSAYO EN VACIO Utilizar el circuito de la figura 2.1

A 220V 60Hz

F

W V

V

110/220V FIGURA 2.1

Ajustando el auto transformador, variar la tensión hasta que el voltímetro indique el valor nominal (110) voltios. Mediante el mismo proceso, reducir la tensión desde 120% de la tensión nominal hasta cero voltios y registrar las lecturas de corriente, tensión y potencia.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 3.3 ENSAYO EN CORTOCIRCUITO: Utilizar el esquema circuital de la figura 2.2

A 220 V 60 HZ

F

W

V

A

220/110

Fig. 2.2

A partir de cero voltios aumentar gradualmente la tensión hasta lograr la corriente nominal en el lado de 220 V. Registrar las lecturas de tensión, corrientes y las pérdidas en carga dada por el vatímetro. Cambiar la corriente primaria en etapas desde 120% hasta 10% de la corriente nominal y registrar las lecturas de los instrumentos. 3.4 ENSAYO CON CARGA: 3.4.1. Con el circuito anterior desenergizado, conectar a la salida la resistencia de carga. Excitar el transformador a tensión y frecuencias nominales. 3.4.2. Ajustar el valor de la resistencia de carga para obtener magnitudes de 25, 50, 75 y 100% de la intensidad nominal secundaria, registrando la intensidad nominal secundaria y las lecturas de los demás instrumentos. 3.4.3. Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores anotados en las diferentes condiciones de cargas fijadas anteriormente. 4. CUESTIONARIO:

4.1 La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas. 4.2 Del ensayo de vacío trazar las curvas de factor de potencia Cos θ o (%), potencia consumida Po (W) y corriente en vacío Io (A) como funciones de la tensión de alimentación, asimismo graficar la curva relación de transformación. 4.3 Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia consumida Pcc (W), la tensión de impedancia Vcc (V) y el factor de potencia de cortocircuito Cos θcc (%) como funciones de la corriente de cortocircuito Icc (A). 4.4 Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente exacto del transformador para condiciones nominales. 4.5 Con el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del transformador, es decir, Va vs Ia. 10


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 4.6 Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva Va vs Ia, y compararlo con el gráfico encontrado en 4.5 Explicar las diferencias. 4.7 Para las diversas cargas determinar la caída de tensión interna μ en % según la expresión: V  V2  (%)  O 2 x100 VO 2 4.8

Calcular la regulación de tensión para carga nominal con Cos φ = 0.8 capacitivo. Asimismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones:

 4.9

V AN I AN Cos V2 N I 2 N Cos  PO  PL (75º C )

Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT(W) con las pérdidas de carga PL (75ºC) dada por la expresión: 2

PL ( 75º C )  I 1N R1 

( 235  75) (235  t ) 2  ( PCC (t )  I 1N R1 ) (235  t ) (235  75)

Dónde: I1N: Corriente nominal en el primario Rt: resistencia equivalente en el arrollamiento primario a tºC = R1t +a2 R2t 4.10 4.11 4.12

Observaciones. Recomendaciones. Conclusiones.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 I.- INTRODUCCION Las máquinas asíncronas se utilizan en aplicaciones de hasta el rango de los MW, su construcción sencilla con rotor tipo jaula de ardilla las convierte en motores de uso mas frecuente. Estos motores asíncronos trifásicos industriales pueden ser:  Motores trifásicos con rotor jaula de ardilla(una jaula, doble jaula, jaula tratada y ranura profunda).  Motores trifásicos con polos conmutables con bobinado Dahlander.  Motores trifásicos con polos conmutables con dos bobinado separados.

II.- OBJETIVOS DEL LABORATORIO Los objetivos del presente laboratorio son:        

Hacer conocer la constitución electromecánica de los motores asíncronos. Familiarizarse con la simbología y conexionado de las máquinas eléctricas de nuestro laboratorio en los ensayos según las normas IEC y NEMA. Conexión y puesta en servicio del motor. Inversión del sentido de giro (utilizando un conmutador manual) A partir de los ensayos realizados obtener el circuito monofásico equivalente. Registro de los valores característicos y curvas características (FP, EF, Torque ) de funcionamiento específicas de las máquinas asíncronas. Evaluación de las mediciones realizadas y registradas. Presentación del protocolo de pruebas según normas establecidas.

III.- PRECAUCIONES Dado las circunstancias del laboratorio y teniendo en cuenta que los equipos son muy valiosos es que debemos tener muy en cuenta lo siguiente: 1. El alumno verificará el dimensionamiento de la instrumentación a utilizarse, así mismo constatará que sus esquemas estén bien planteados. 2. Para evitar el deterioro y/o avería de los instrumentos y equipos, el alumno no debe accionarlos por ningún motivo, sin la aprobación del profesor. 3. Para evitar el deterioro de los amperímetros, en el momento del arranque se debe poner el amperímetro de línea en corto circuito (utilizando un puente) y siempre el arranque debe hacerse en estrellatriángulo a plena tensión.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 4. Luego de unos 5 segundos hacer el cambio a triángulo y seguidamente retirar el puente del amperímetro. Si es posible hacer el arranque a tensión reducida estando el motor en la posición triángulo. 5. La escala de todos los instrumentos debe ser la máxima. 6. Al operar el freno, comenzar con una carga mínima y aumentarlo en forma gradual hasta llegar al máximo permisible.

IV.- EQUIPOS Y MAQUINAS ELECTRICAS A UTILIZAR

BANCO ACTIVO DE PRUEBAS

MOTOR AISNCRONO TRIFASICO

N° de pedido SO3636 – 6U Tensión Nominal 230 Voltios Corriente Nominal 3 Amperios. Corriente Arranque 9 Amperios Torque Máximo 10 N – m Potencia Aparente 800 VA Régimen de servicio S1 RPM max. 4000 Grado de protección IP20 AMPLIFICADOR INTERGRADO Tensión de pico 600 Voltios Tensión RMS 400 Voltios Corriente pico 10 Amperios Corriente RMS 7 Amperios

N° Tensión 400 / 690 Voltios Corriente 1.73 / 0.81 Amp. Conexión D/Y Frecuencia 60 Hz. Potencia 0.37 KW Régimen de servicio S1 RPM 2800 Grado de protección IP54 IKL B Norma VDE 0530 Termostato 120° C Factor de potencia 0.84 MOTOR TIPO JAULA DE ARDILLA

ITE M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DESCRIPCION GENERAL DE LAS MAQUINAS Y EQUIPOS Manguito de acoplamiento Cubierta de acoplamiento Interruptor de 04 polos Conmutador D – Y Fuente de corriente alterna regulable ADECUADA Multímetro analógico/digital, FP, KW, KVARS. Multímetro digital FLUKE Unidad condensadora Conectores de seguridad Juego de cables de 4 mm²

CANT. 01 01 01 01 01 02 01 01 04 25

V.- ENSAYOS NORMALIZADOS 1.- CONEXIÓN DEL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO – JAULA DE ARDILLA NORMALIZADO (IEC 34 - 8). 2.-

MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR 14


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 3.-

N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1)

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR ASINCRONO Este es el modelo monofásico práctico que presenta en un motor asíncrono trifásico conformado por las impedancias siguientes: Estatórica, retórica, núcleo y carga.

4.-

PRUEBA EN VACIO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.6)

El montaje del motor se realiza conforme a la siguiente figura. Con el motor trifásico en vacío la tensión de alimentación se regula hasta que el voltímetro indique la tensión nominal del motor ha ser probado (ver placa). Los instrumentos de medida que se utilicen durante la práctica, ya están incluidos dentro del pupitre de prácticas.

Las condiciones son las siguientes: 17


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202  La velocidad debe ser constante.  El eje del motor debe estar completamente libre.  La frecuencia debe ser la nominal del motor. Con la finalidad de verificar las curvas de vacío sobreponerlos con las B vs H. Bmax = ( VLL x 10-8 ) / 4.44 x f x A x N H = ( N x 3 If ) / Lm

(Gauss)

(Amper-Vuelta/metro)

Dónde: Lm N A L C f VLL

= = = = = = =

Longitud media al paquete magnético en m. Número de vueltas del bobinado estatórico por fase. Area transversal del paquete magnético estatórico = L x C Longitud del paquete magnético en m. Altura de la corona en m. Frecuencia del sistema Hz. Tensión de línea en Voltios.

ZO =

VO / IO

RO =

PO / IO2 = R1 + RM

XO = { ZO2 - RO2 }1/2 = X1 + XM 5.- PRUEBA DE ROTOR BLOQUEADO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.8 )

Las condiciones son las siguientes:  La corriente de línea debe ser la nominal del motor.  El eje del motor debe estar trabado.  La frecuencia debe ser la nominal del motor. 18


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 Para el ensayo de rotor bloqueado se utilizará exactamente el mismo esquema de conexiones que para el caso del ensayo de vacío. La única diferencia estribará en que en este caso se alimentará el motor con una tensión mucho más reducida que la nominal. A partir de 0 voltios se irá aumentando la tensión hasta que el motor alcance la corriente nominal, todo ello manteniendo el rotor bloqueado. SE DEBERÁ PONER ESPECIAL ATENCIÓN EN NO SUPERAR LA CORRIENTE NOMINAL DEL MOTOR PARA EVITAR QUE LOS DEVANADOS SUFRAN DAÑOS. Como resultado del ensayo se registrarán la tensión, la corriente y la potencia en este ensayo. ZCC = VCC / ICC RCC = PCC / ICC2 = R1 + R2' XCC = { ZCC2 - RCC2 }1/2 = X1 + X2' Reactancias estatóricas y retóricas - IEEE 112 1978 ITEM 4.8 Tipo de motor

Clase NEMA A

Clase NEMA B

Clase NEMA C

Clase NEMA D

Rotor Bobinado

X1

0.5 Xcc

0.4 Xcc

0.3 Xcc

0.5 Xcc

0.5 Xcc

X2 '

0.5 Xcc

0.6 Xcc

0.7 Xcc

0.5 Xcc

0.5 Xcc

6.-

PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2 )

Para la prueba con carga se tendrá que conectar el freno LN. Seguir las indicaciones del profesor. En forma muy atenta y delicada manipular el regulador de velocidad del freno dinámico hasta que la corriente circulante consumida por el motor es la corriente nominal. Después del registro de las cargas aplicadas en el motor tomar el registro de la velocidad y torque. Aplicando la siguiente expresión se logrará calcular la potencia útil. P útil = T (N-m) x RPM (pi/30) EF = P útil / P ingreso PRUEBA CON CARGA ( PRUEBA AL FRENO ) FRENO RPM N - m

MOTOR TIPO JAULA DE ARDILLA VRS IR PTOTAL Q TOTAL VOLT AMP VATIOS VATIOS

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S V-A

EFICIEN %

VELOC RPM

F.P COSø


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 7.- ENSAYO DE TEMPERATURA ( IEEE 112 /1978 ITEM 5.3 MET. 3 ) Consiste el registrar la temperatura y el tiempo y tener la curva Temp. Vs Tiempo. El tiempo mínimo es 04 horas cuando la temperatura comienza a disminuir en 02 grados centígrados durante las dos horas siguientes. 8.-

COMPENSACION REACTIVA IEC 831 ITEM 1 – 2 Y VDE 560 ITEM 4.

9.-

APLICACIONES INDUSTRIALES Su construcción robusta e IPW adecuado hace que estos motores sean utilizados en ambientes agresivos tales como: las embarcaciones navieras, la industria textil, industrias químicas, etc. Teniendo en cuenta la categorización, será muy importante y necesario hacer una buena selección del motor para lo cual el torque de la carga es la información base. Las cargas mas importantes son nominados a continuación : - Compresores de aire. - Electroventiladores centrífugos y axiales pequeños, medianos y grandes. - Máquinas que requieren de un arranque moderado. - Procesos que utilicen velocidad constante. - Electrobombas centrifugas. - Fajas transportadoras. - Cargas que cuenten con un torque bajo, medio y elevado.

10.-

CUESTIONARIO

1. Enumere y defina las características nominales de las máquinas rotativas de inducción jaula de ardilla. Presente las características de placa del motor utilizados en su experiencia. 2. Cómo se invierte el sentido de giro de éste motor asíncrono y cuantas posibili-dades tengo de hacerlo. Haga las conexiones que Ud. ha realizado. 3. Realice todos los cálculos necesarios que le conduzca a construir el diagrama equivalente monofásico valorado, referido al estator con sus valores registrados y calculados en los ensayos de vuestros laboratorios. 4. Grafique las curvas de vacío y corto circuito realizadas en el laboratorio. 5. Grafique la PNUCLEO vs I1,T, EF y FP vs velocidad. 6. Determinar las pérdidas rotacionales en los motores probados. 7. Graficar las curvas Elabore un formato del protocolo de pruebas que Ud. realizaría en las máquinas eléctricas tipo jaula de ardilla industrailes. 20


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 8. Conclusiones y recomendaciones (muy importante).

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BIBLIOGRAFIA

1. Veinott Cyril Theory and Desinn of small induction motors.Mac Graw-Hill. Bok Company INC 1959 2. George J.Thaler - Milton L. Wilcox. Máquinas eléctricas - Estado dinámico y permanente. John Wiley & Sons Inc. 1966. 3. A.E.Fitzgerald - Charles Kingsley. Teoría y análisis de las máquinas eléctricas.Mac Graw-Hill .Bok Company Inc 1992. 4. Che Mun Ong Dinamic Simulation Machinary Prentice Hall Inc 1998. 5. George Patrick Shult Transformer and motors - A Division of Prentice Hall Computer 11711 North - College,Carmel,Indiana USA. 1995 6. Irving. L. Kosow. Máquinas eléctricas y transfor-madores Prentice Hall Inc 1991. 7. Donald V. Richardson. Arthur J. Caisse. Rotating Electric Machinery and Transformer Technology. Prentice Halll Inc 1998. 8. Normas internacionales IEC 34 – 2, NEMA MG1 – 1993 Part.1 Pag 12, IEEE – 112 ( test standart ).Volumen 1,2,3 y 4.

VI.PROTOCOLO ASINCRONOS

DE

PRUEBAS

PARA

MOTORES

TABLA N° 1.- RESISTENCIA DE AISLAMIENTO DEVANADO

ESTATOR

TERMINALES U1 - MASA V1 - MASA W1 - MASA

Raisl. ( M )

OBSERVACIONES

TABLA N° 2.- RESISTENCIA OHMICA POR FASE DEVANADO

TERMINALES

Rfase (  ) *

Voltios

Amper.

Rfase (  ) **

Tamb. ( C° )

U1 - U2 V1 - V2 W1 - W2 * Utilizando un puente Wheatstone. * Utilizando una batería, voltímetro y amperímetro. ESTATOR

TABLA N° 3.- PRUEBA DE VACIO V FASE ( VOLTIOS )

I FASE ( AMPERIOS )

P ( VATIOS )

TORQUE N-m

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Q (VARs)

VELOCID. RPM

COS 



TABLA N° 4.- PRUEBA DE CORTO CIRCUITO ( ROTOR BLOQUEADO ) V FASE ( VOLTIOS ) RS

RT

ST

I FASE ( AMPERIOS ) R

S

T

P

Q

S

VATIOS

VARS

VOLT-AMP.

COS 

TABLA N° 5.- PRUEBA CON CARGA ( PRUEBA AL FRENO ) VRS VOL.

VST VOLT.

VRT VOLT.

IR AMP.

PINGR. VATIOS

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PUTIL VATIOS

TORQUE N-m

VELOC RPM

EF (%)

COS 



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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 I.- INTRODUCCION Los motores de corriente continua, MCC, son muy importantes debido a que pueden proporcionarnos un alto torque y pueden trabajar a velocidad variable. En su aplicación industrial a sido irremplazable en algunos modelos y modernizados en otros dado la particularidad de sus características de funcionamiento. Los MCC mas importantes son los siguientes:  Autoexcitados (tipo shunt, serie y excitación compuesta).  Excitación independiente.

II.- OBJETIVOS DEL LABORATORIO Los objetivos del presente trabajo son:         

Hacer conocer la constitución electromecánica de los MCC. Familiarizarse con la simbología y conexionado de los MCC de nuestro laborato-rio en los ensayos según las normas IEC y NEMA. Conexión y puesta en servicio del MCC. Inversión de giro. Determinar sus pérdidas, eficiencia en función de la corriente de campo. A partir de los ensayos realizados obtener el modelo de la máquina. Registro de los valores característicos y curvas características de funcionamien to específicas de los MCC. Evaluación de las mediciones realizadas y registradas. Presentación del protocolo de pruebas según normas IEC, NEMA y IEEE.

III.- PRECAUCIONES Dado las circunstancias del laboratorio y teniendo en cuenta que los equipos son muy valiosos es que debemos tener muy en cuenta lo siguiente: 7. El alumno verificará el dimensionamiento de la instrumentación a utilizarse, así mismo constatará que sus esquemas estén bien planteados. 8. Para evitar el deterioro y/o avería de los instrumentos y equipos, el alumno no debe accionarlos por ningún motivo, sin la aprobación previa del profesor. 9. La escala de todos los instrumentos debe ser la máxima. 10. Al operar las cargas, comenzar con una carga mínima y aumentarlo en forma gradual hasta llegar al máximo permisible.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 IV.- EQUIPOS Y MAQUINAS ELECTRICAS A UTILIZAR

BANCO ACTIVO DE PRUEBAS

GENERADOR CORRIENTE CONTINUA

N° de pedido SO3636 – 6U Tensión Nominal 230 Voltios Corriente Nominal 3 Amperios. Corriente Arranque 9 Amperios Torque Máximo 10 N – m Potencia Aparente 800 VA Régimen de servicio S1 RPM max. 4000 Grado de protección IP20 AMPLIFICADOR INTERGRADO Tensión de pico 600 Voltios Tensión RMS 400 Voltios Corriente pico 10 Amperios Corriente RMS 7 Amperios

N° Tensión armadura Corriente armadura Conexión Conexión Conexión Tensión Corriente de campo Régimen de servicio RPM Grado de protección Norma Termostato GCC/MCC LUCAS NULLE

ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

200 26 984 220 Voltios 1 Amperio Independiente Shunt. Compuesta 220 Voltios 100 mA. S1 2000 IP54 VDE 0530 120° C

DESCRIPCION GENERAL DE LAS MAQUINAS Y EQUIPOS Manguito de acoplamiento Cubierta de acoplamiento Carga universal para máquinas de 300 vatios Arrancador para máquina de corriente continua de 300 vatios Regulador de campo para máquina de corriente continua Fuente de alimentación de corriente continua Multímetro digital FLUKE Conectores de seguridad Juego de cables de 4 mm² Multímetro analógico/digital – medidor de potencias y F.P.

El presente laboratorio debe facilitar los conocimientos orientados a la práctica de los motores de corriente continua. El contenido se centra en el análisis experimental de las máquinas auto excitadas y con excitación independiente. Al concluir el presente laboratorio Ud habrá aprendido el modo de funcionamiento, operación y respuesta de las características de operación en estado permanente y transitorio. Así mismo se demostrará las prácticas del control de tensión, inversión de giro y curvas características de los MCC.

V.- ENSAYOS NORMALIZADOS (IEC 34 - 2) 1.- CONEXIÓN DEL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA

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CANT. 01 01 01 01 01 01 01 04 25 02


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 SENTIDO DE ROTACION En los arrollamientos de excitación la corriente fluye del número característico 1 hacia el 2. En el esquema F1 esta conectado al ( + ) y F2 esta conectado al ( - ). El sentido de rotación es directa ( horaria ) donde siempre A1 será positivo ( + ).

A1

F1

F2

+

+

-

A2

-

If

Ia Wm

M _ OPERACION COMO MOTOR IEC La corriente del circuito de armadura fluye de A1 ( + ) hacia A2 ( - ).

DESCRIPCION DEL CIRCUITO

BORNES

ARROLLAMIENTO DE ARMADURA

A1 ( + ) A2 ( - ) B1 ( + ) B2 ( - ) D1 ( + ) D2 ( - ) E1 ( + ) E2 ( - ) F1 ( + ) F2 ( - )

ARROLLAMIENTO DE CONMUTACION ARROLLAMIENTO DE COMPENSACION ARROLLAMIENTO EXCITACION DERIVACION ARROLLAMIENTO EXCITACION INDEPENCIENTE

INICIO FIN INICIO FIN INICIO FIN INICIO FIN INICIO FIN

INVERSION DE LA ROTACION 1.- Para lograr la inversión el sentido de rotacion se deberá invertir F1 y F2 ó A1 y A2 nunca los dos a la vez. 2.- Tener mucho cuidado cuando se realiza el cambio de polaridad en la armadura, pues si utilizamos el bobinado de conmutación revisar que tenga la polaridad correcta.

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Motor DC excitación shunt independiente

Motor DC excitación

Motor DC excitación serie compuesta 2.Esta   

Motor DC excitación

MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) medición se realiza aplicando los siguientes métodos: Voltio – amperimétrico en CC y CA. Ohmímetro de precisión. Puente de medición para resistencias pequeñas. 28


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 2.1.GCC

Medición de la Rf y Lf del circuito de campo. Ver

2.2.- Medición de la RD y LD del circuito de compensación. Ver GCC 2.3.GCC

Medición de la Ra y La del circuito de armadura. Ver

3.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) e (IEEE – 43 / 1991) 4.-

MEDIDA DE INDUCTANCIA ROTACIONAL( Gaf)

Unicamente para controlar las pérdidas rotacionales.

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PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2 ) Para la prueba con carga se tendrá que conectar el freno dinámico LN como FRENO y seleccionado en control de TORQUE. Seguir las indicaciones del profesor. P útil = T (N-m) x RPM (pi/30) EF = P útil / P ingreso

6.- ENSAYO DE TEMPERATURA ( IEEE 112 /1978 ITEM 5.3 MET. 3 ) Consiste el registrar la temperatura y el tiempo y tener la curva Temp. Vs Tiempo. El tiempo mínimo es 04 horas cuando la temperatura comienza a disminuir en 02 grados centígrados durante las dos horas siguientes. 7.- CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Motor con excitación shunt.- Se conecta el circuito del inductor en paralelo con el circuito del inducido (comparten la misma fuente externa). Ambos circuitos están calculados para trabajar con una fuente común.

IL = Ia + If V = Ea + ( Ra . Ia ) Ea = Gaf . If . Wm ,

Te = Gaf . If . Ia ,

V = Vf = ( Radj + Rf ) . If 30

V = Ea + V


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 Fneta = Fcampo - Farmadura Esta máquina ha recibido este nombre debido a que su devanado inductor está conectado en derivación a su inducido. Dicho devanado está conformado de muchas espiras y de un conductor delgado debidamente aislado. Motor con excitación independiente.- Con la finalidad de obtener una intensidad de campo magnético constante e independiente a los cambios bruscos que se presentan en la carga y para mejorar el par y mantener la velocidad mucho mas estable que los tipos anteriores, alimentaremos al circuito de campo por medio de una fuente DC externa e independiente (evitando que las variaciones existentes en el circuito de armadura interfieran en el circuito de campo). El circucito de la armadura tendrá su propia fuente de modo que las variaciones existentes ( debido a la carga ), no afecten al circuito inductor. Por tanto las corrientes Ia e If son independientes. A continuación podemos detallar las siguientes ecuaciones: V = Ea + Ra . Ia Ea = Gaf . If .Wm , Te = Gaf . If . Ia , V = Ea + V Fneta Vf

=

= Fcampo - Farmadura ( Radj + Rf ) . If

El circuito de campo tiene las mismas características de construcción que el GCC tipo shunt y difiere en la utilización de una fuente completamente independiente. 31


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 Motor con excitación compuesta.- El funcionamiento más estable de los motores hacen que la máquina sea de muy buena calidad. Para lograrlo los fabricantes de máquinas de CC han combinado las características de un motor serie y shunt. Se crean entonces las máquinas compuestas que reúnen mejores características que las máquinas estudiadas anteriormente. Fneta = Fcampo + Fcompen. - Farmadura Fneta = Nf . If + Nd . Id - Na . Ia Según la ubicación de la conexión del circuito inductor, esta máquina puede denominarse de: Paso corto y largo. 8.-

APLICACIONES INDUSTRIALES

9.-

Actualmente se construyen motores de corriente continua para atender cargas especiales que tienen torque elevado tales como: Molinos. Centrífugas. Llenadotas de bebidas. Chancadoras Cargas que necesiten un torque muy elevado. CUESTIONARIO 1.Enumere y defina las características de funcionamiento nominales del MCC Tome los datos de placa del motor primo y del MC.C. utilizados en sus ensayos. 2.- De los ensayos de vacio graficar tomar datos de las pérdidas rotacionales. Haga una demostración teórica de sus resultados. 3.- Del ensayo con carga graficar las siguientes curvas. V vs Ia, Pot vs Wm., EF vs Wm, EF vs Pot. , Pot. vs Ia, Ra Ia² vs Ia 4.- Que sucede en el MCC cuando se invierte la polaridad de la fuente de: solo el campo con armadura constante y solo armadura manteniendo fijo el campo. Demuestre analíticamente los cambios encontrados. 5.- Como verificaría si el sistema de escobillas está calibrado correctamente haqa un 32


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 esquema. En caso de no estar bien calibrado, este efecto, como afectaría en el trabajo normal del MCC? Explique detalladamente su respuesta. 6.- Recomendaciones y conclusiones.

33


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 VI .-

REALIZACION DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO PROTOCOLO

DE PRUEBAS PARA MCC

TABLA N° 1.- MEDIDA DEL AISLAMIENTO DEL CIRCUITO DE : CIRCUITO MEDIDO

RESISTENCIA ( M)

TERMINALES CAMPO COMPENSACIÓN ARMADURA

E1 - E2 D1 - D2 A1 - A2

Especificar marca Tipo, clase, etc.

TABLA N° 2.- MEDIDA DE LA RESISTENCIA OHMICA CIRCUITO MEDIDO

TERMINAL

INTRUMENTOS

RESIST.* OHMIOS

Tamb : ..........° C

TENSION DC VOLTIOS

CORRIENTE AMPERIOS

RESISTENCIA OHMIOS **

CAMPO E1 - E2 COMPENSACION D1 - D2 ARMADURA A1 - A2 * Utilizando puente Weasthone. ** Utilizando método amperímetro – voltímetro.

TABLA N° 3 .- PRUEBA DE VACIO V ( bornes ) VOLTIOS

If AMPERIOS

Vf VOLTIOS

VELOCID. RPM

OBSERVACIONES

TABLA N° 4 .- PRUEBA CON CARGA N°

V VOLT.

Ia AMP.

Vf VOLT.

If AMP.

1 2 3 4 5 6

VELOC. RPM

Psalida VATIOS

EF %

OBSERV. Mantener Ia = Cte

34



ANEXO ENSAYOS NORMALIZADOS EN MAQUINAS ELECTRICAS

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 1.- CONEXIÓN DEL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO – JAULA DE ARDILLA NORMALIZADO (IEC 34 - 8) Para este ensayo el motor trifásico debe ser conectado a una red de 400 voltios, 60 Hz, conectado en triangulo. Tal como la que acompañamos a continuación.

Más detalles ver: Diagrama de circuito conectar y arrancar y esquema de montaje conectar y arrancar.

36


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 SENTIDO DE ROTACION En los arrollamientos de excitación la corriente fluye del número característico 1 hacia el 2. En el esquema F1 esta conectado al ( + ) y F2 esta conectado al ( - ). El sentido de rotación es directa ( horaria ) donde siempre A1 será positivo ( + ).

A1

F1

F2

+

+

-

A2

-

If

Ia Wm

M _ 2.Esta   

MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) medición se realiza aplicando el método los siguientes métodos: Voltio – amperimétrico. Ohmímetro de precisión. Puente de medición para resistencias pequeñas.

Corrección por temperatura R1 dc = Vdc / Idc

Ohmios/fase

R1 = R1 dc { 1 +  ( Ttrabajo - Tambiente ) }

Ohmios/fase

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 Corrección por efecto SKIN. Pero los motores trifásicos trabajan en corriente alterna para el cual está diseñada, por esta razón es que resulta imprescindible hacer la corrección por efecto SKIN. R1 ac ( Ttrabajp ) =

K* R1

Ohmios / fase

Donde : K

= Constante del efecto skin.

R1 dc = Resistencia a temperatura ambiente ( Ttrabajo ). R1 = Resistencia a temperatura de trabajo ( Tambiente ). R1 ac = Resistencia estatórica en C.A.  = Coeficiente de temperatura y depende del material tala como:  (cobre) = 0.00393 °C-1  (aluminio) = 0.035 °C-1

La corrección por efecto SKIN es muy notoria en máquinas de mediano y gran porte, es decir, máquinas de inducción mayores de 50 KW.

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MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1)

Constituye una medición precisa de la resistencia del aislamiento a masa de los bobinados. La prueba consiste en aplicar una tensión de CC (IEEE – 43 / 1991), y medir la corriente de perdida luego de 60 segundos. La resistencia de aislamiento se calcula según la ley de OHM: IR = Tensión aplicada / corriente de fuga medida TENSIONES DC PARA PRUEBA DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO IEEE - 43 NIVEL

TENSION DEL ARROLLAMIENTO < 1000 VAC 1000 - 2500 VAC 2501 - 5000 VAC 5001 - 12000 VAC > 12000 VAC

1 2 3 4 5

TENSION DE PRUEBA 500 VDC 500 - 1000 VDC 1000 - 2500 VDC 2500 - 5000 VDC 5000 - 10000 VDC

3.1.- INDICE DE POLARIZACION (IP) IEEE - 43 Mide cuantitativamente la capacidad de polarización del aislamiento a masa. La prueba de IP se realiza comúnmente a la misma tensión que la prueba de MEGOHM y tarda 10 minutos en completarse. El Valor de IP se calcula como: IP = IR(10min) / IR(1min). En general los aislantes en buenas condiciones mostrarán un índice de polarización alto, mientras que los aislantes dañados no lo harán. IEEE - 43 recomienda valores mínimos para las distintas clases térmicas de aislamiento de motores: CLASE TERMICA NEMA CLASE A NEMA CLASE B

IP 1.5 2.0

CLASE TERMICA NEMA CLASE F NEMA CLASE H

IP 2.0 2.0

3.2.- INDICE DE ABSORCION (IA) IEEE - 43 Es una variante del índice de polarización. En algunos materiales como la mica, la corriente que absorben los materiales toma 10 minutos o mas para caer a cero. Pero en sistemas 39


LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 de aislamiento modernos la corriente de absorción puede caer a cero en 2 o 3 minutos. El Índice de absorción se calcula como: IA = IR(60seg) / IR(30seg) NIVELES DE INDICES DE ABSORCION Y POLARIZACION IEEE NIVEL D C B A

3.3.-

INDICE DE ABSORCION 0 - 1.0 1.0 - 1.3 1.3 - 1.6 1.6 - SUPERIOR

INDICE DE POLARIZACION 0 - 1 1 - 2 2 - 4 4 - SUPERIOR

ESTADO DE LA RESIST. AISLAMIENTO PELIGROSO DEFICIENTE BUENO EXCELENTE

TENSION APLICADA (IEEE 112 / 1978 ITEM 6.2)

Demuestra que en el sistema de aislamiento a masa puede existir un voltaje aplicado alto sin exhibir una corriente de perdida extraordinariamente alta. TENSIONES DE PRUEBA DE HIPOT RECOMENDADOS IEEE - 95, IEEE - 43, IEC 34.1 Y NEMA MG-1. TIPOS TENSION PRUEBA DE LOS EQUIPOS VAC – PRUEBA

DESCRIPCION GENERAL

VDC – PRUEBA INICIAL

Máxima tensión continua de prueba para la primera prueba (instalación de la máquina) Máxima tensión continua de prueba para las verificaciones periódicas de la máquina

V DC – PRUEBA PERIODICA

Valor aproximado de tensión alterna de prueba empleada por el fabricante

VALORES DE LA TENSION APLICADA 2 x VAC MOMINAL(MAQUINA) + 1.000 VOLT. 1,28 x VAC – PRUEBA VOLT. 0,96 x VAC – PRUEBA VOLT.

Expresiones para determinar la tensión de prueba del test de comprobación en máquinas rotativas

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ML – 202 3.4.- TENSION DE IMPULSO - IEC 34 -15 /1995 e IEEE - 522 / 1992 Proporciona información acerca del Aislamiento entre espiras, y la capacidad del aislamiento a masa para soportar transitorios de frente de onda abrupto (como los que aparecen en servicio). Las razones para realizar la prueba de impulso es que diariamente, los motores están sometidos a transitorios de alta tensión y/o energía. Estos impulsos pueden dañar el aislamiento del motor y, en un tiempo, pueden provocar una falla en el mismo. 4.-

PRUEBA EN VACIO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.6)

El montaje del motor se realiza conforme a la siguiente figura. Con el motor trifásico en vacío la tensión de alimentación se regula hasta que el voltímetro indique la tensión nominal del motor ha ser probado (ver placa). Los instrumentos de medida que se utilicen durante la práctica, ya están incluidos dentro del pupitre de prácticas. Las condiciones son las siguientes:  La velocidad debe ser constante.  El eje del motor debe estar completamente libre.  La frecuencia debe ser la nominal del motor. Con la finalidad de verificar las curvas de vacío sobreponerlos con las B vs H. Bmax = ( VLL x 10-8 ) / 4.44 x f x A x N H = ( N x 3 If ) / Lm

(Gauss)

(Amper-Vuelta/metro)

Donde: Lm N A L C f VLL

= = = = = = =

Longitud media al paquete magnético en m. Número de vueltas del bobinado estatórico por fase. Area transversal del paquete magnético estatórico = L x C Longitud del paquete magnético en m. Altura de la corona en m. Frecuencia del sistema Hz. Tensión de línea en Voltios.

5.- PRUEBA DE ROTOR BLOQUEADO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.8 ) Las condiciones son las siguientes:  La corriente de línea debe ser la nominal del motor.  El eje del motor debe estar trabado.  La frecuencia debe ser la nominal del motor.

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PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2 ) Para la prueba con carga se tendrá que conectar el freno LN. Seguir las indicaciones del profesor. En forma muy atenta y delicada manipular el regulador de velocidad del freno dinámico hasta que la corriente circulante consumida por el motor es la corriente nominal. Después del registro de las cargas aplicadas en el motor tomar el registro de la velocidad y torque. Aplicando la siguiente expresión se logrará calcular la potencia util. P útil = T (N-m) x RPM (pi/30) EF = P útil / P ingreso

7.- ENSAYO DE TEMPERATURA ( IEEE 112 /1978 ITEM 5.3 MET. 3 ) Consiste el registrar la temperatura y el tiempo y tener la curva Temp. Vs Tiempo. El tiempo mínimo es 04 horas cuando la temperatura comienza a disminuir en 02 grados centígrados durante las dos horas siguientes. 8.-

COMPENSACION REACTIVA IEC 831 ITEM 1 – 2 Y VDE 560 ITEM 4. Todos los circuitos industriales son resistivos inductivos en consecuencia la compensación reactiva es muy necesaria para ahorrar dinero en el pago de los kVAR-H consumidos y para dar cumplimiento de las NTCSE de nuestro país. Los tipos de compensación reactiva son los siguientes:      

Compensación individual. Compensación en grupo. Compensación automática centralizada. Compensación dinámica (tiempo real). Filtro activo de armónicas. Control de tensión

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Guia de Lab Maquinas Electricas

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