1. Proposito: Estudiar en máquinas de corriente contínua.

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Laboratorio de Electrotecnia
Práctica Nº 2
Generador de continua
1._Proposito:
Estudiar en máquinas de corriente contínua.
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1.1.-
Campo existente en el entrehierro.
1.2.-
Determinación de las características eléctricas.
1.3.-
Ensayo del generador cuyas características se determinaron en 1.2.
2._Campos en el entrehierro.
Interesa conocer el campo existente en el entrehierro de una máquina de corriente
contínua para poder identificar y graficar los flujos magnéticos que condicionan su
funcionamiento. Como deseamos establecer los valores del campo existentes en el entrehierro
supondremos en nuestros gráficos que hemos dado una vuelta completa dibujando, en la
longitud equivalente la circunferencia del entrehierro como ordenadas, los valores que
encontramos como abcisas.
Por lo reducido del espesor entre las partes fijas (campo inductor y bobinado de
compensación) con la giratoria (rotor) no es práctico introducir un instrumento que mida la
intensidad del campo.
Recurrimos a una determinación indirecta y perfectamente válida que nos permita a
través de una magnitud eléctrica conocer el campo que la origina.
Si sobre la parte giratoria -rotor- colocamos una bobina que tenga el mismo pase polar
que la máquina, aunque aislada y formando un circuito eléctrico independiente, y por medio de
anillos rozantes transmitimos a bornes fijos exteriores la tensión en ella generada tendremos
posibilidad de estudiar las variaciones que en esta "bobina exploradora" se produzcan y su
relación con los campos que nos interesan. Cuando el rotor gira y recorre una vuelta completa la
bobina exploradora, fija sobre él, dará también una revolución y al atravesar los diferentes
campos, con velocidad de giro constante, aparecerá en las n espiras que la forman una
diferencia de potencial .
Si arrastando el giro de la máquina con un motor independiente a una velocidad fija
e = - n
d
dt
igual a la de diseño de la máquina de contínua ( o próximo a ella) tendremos que el intervalo de
tiempo para que la bobina barra la circunferencia del entrehierro será constante. La diferencia de
potencial será sólo proporcional a la variación del campo que la bobina exploradora encuentra
en su recorrido.Si mediante el uso de un osciloscopio, ajustando convenientemente el barrido,
observamos la tensión existente en bornes de la bobina exploradora podremos ver la forma de
onda que responde a los campos encontrados en revoluciones completas.
2.1_ Campos a estudiar.
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En el funcionamiento de una máquina de corriente contínua tenemos la interacción del
campo principal, de la reacción del inducido y de campos correctivos adicionales que se
superponen haciendo complicada la interpretación directa y simultánea de tal suma.
Siguiendo un criterio lógico de investigación procederemos a elaborar un circuito de
conexión de la máquina a investigar que nos permita estudiar por separado cada uno de ellos y
realizar posteriormente la adición de sus efectos para el funcionamiento normal.
El circuito elaborado al efecto es el siguiente:
M1,M2 : anillos de la bobina de prueba
y los bornes de conexión correspondientes en el
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GENERADOR WESTINGHOUSE SK 225
nº E 10735461 125 V. 8A. 1750 RPM
Conexiones
Cerrado para
operación Shunt
M1
F1
S1
A1
L
Bobina exploradora
M1 M2
Campo shunt
F1 F2
Conexión inducido
A1 A2
Campo serie
S1 S2
L
A2
F2
S2
A1
M2
Según veremos seguidamente en el se resuelven con ingenio -con movimiento de
interruptores- la realización de cada etapa en forma sucesiva.
2.2_Campo principal.
Con una fuente de alimentación de 110 V contínua podemos cerrando la llave L 1 en
posición 2 alimentar el campo principal de la máquina regulando su intensidad, variando la
corriente de excitación, que leemos en el amperímetro A0, actuando sobre el reóstato R0.
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Con el motor de arrastre en funcionamiento tendremos en la pantalla del osciloscopio la
forma del campo principal, por la tensión inducida en la bobina exploradora, cada vez que esta
corta el flujo magnético frente a los polos principales. Estos al estar ubicados en un plano
horizontal que contiene el eje de la máquina producen un flujo que atraviesa el entrehierro, el
rotor y retorna por la carcasa cilíndrica exterior que ofrece un circuito de baja reluctancia.
Una variación de la intesidad de la corriente de excitación nos da un cambio en la altura
de la onda que observamos en el osciloscopio. Observar que desde el momento que se cierra el
interruptor de la excitación aparece un retraso en la formación del campo normal, debido a la
self inducción que tiene el circuito, bobinado de muchas espiras conteniendo hierro en su
interior.
2.3_Campo producido por la corrientes en el inducido.
Nos interesa estudiar ahora en forma separada el campo que aparece en la máquina por
la circulación de corrientes normales por bobinados del rotor.
Deberemos para ello hacer girar la máquina a velocidad normal y alimentar con un
circuito que permita hacer circular por los bobinados del rotor la corriente nominal de diseño.
Un cambio de llave, en el circuito ya indicado, nos da la conexión buscada. Pasando la
llave L 1 a posición 1 podremos alimentar con la fuente de 110 V. a los bornes 2 de la llave L 2
que conectaremos en esa posición.
Para limitar la corriente que circulará por los bobinados de la máquina -de resistencias
del oden de un omhio- pondremos en serie con el inducido el banco de resistencias R1 cuya
regulación nos permite obtener la circulación de IN por el circuito (8 A).
Como no nos interesa por el momento la acción del bobinado auxiliar de
compensación, mantendremos la llave L 3 cerrada, cortocircuitando este bobinado para que no
actúe.
La corriente suministrada al rotor a través de las escobillas pasa al bobinado que en ese
momento tenga sus delgas en contacto con los carbones, bobinando al que designaremos B 1.
Un cierto instante posterior por el giro que anima al rotor la bobina B 1 es suplantada por la
siguiente B 2 que ahora se encuentra geométricamente en el mismo sitio en que antes estuvo B 1
y que se conecta con los carbones como sucedió antes con B 1.
Resultó así que aunque el rotor se encuentra girando la bobina que es recorrida por la
corriente que circula entre las escobillas está fija en el espacio. El campo producido por las
corrientes en su circulación en el rotor resulta equivalente al de un solenoide con -por ejemplocorrientes que en la derecha van hacia atras y a la izquierda salen hacia adelante. Resulta un
campo magnético de eje vertical a 90 grados del campo principal que en su recorrido atraviesa
el entrehierro superior, recorre la carcasa y vuelve al punto inferior, volviendo al rotor
atravesando nuevamente el entrehierro abajo.
La bobina exploradora que recorre el entrehierro deberá reflejar en la forma de onda
todos los campos que encuentra en su giro completo de esta imantación del eje vertical.
Debemos ahora examinar el circuito magnético -su permeabilidad- en el recorrido del
campo generado por la reacción de inducido.
2.3.1 La carcasa de la máquina de espesor uniforme ofrece reluctancia también uniforme al
campo que la recorra. La distancia entre el rotor y la carcasa en que se ubican las piezas polares,
no es de reluctancia uniforme y en ella podemos distinguir:
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En el eje horizontal - tenemos ubicados los bobinados y núcleos del campo principal con
entrehierro reducido y reluctancia baja.
En el eje vertical - En la parte superior tenemos el núcleo de hierro en que se asienta la
bobina del polo auxiliar de compensación y a los lados espacio de aire en su separación de los
polos principales. En la parte inferior no existe masa de hierro y tendremos un entrehierro con
reluctancia alta.
La forma de la onda que se observa en el osciloscopio es consecuencia del eje del campo
de reacción del inducido y de la distribución de las masas de hierro en la vuelta completa que
realiza la bobina exploradora.
Cuando la bobina atraviesa el eje vertical superior corta el eje del campo producido por
el rotor y como el circuito magnético en ese punto por la presencia del polo de compensación es
de valor alto tenemos un máximo.
Al continuar su recorrido encuentra el espacio interpolos sin hierro -reluctancia altahasta alcanzar el arranque del polo principal de la máquina. Continuando su recorrido atraviesa
todo el polo principal saliendo de un campo -que pudo ser un Norte- para encontrar luego de
atravesarlo un polo opuesto -por ejemplo Sur.
Se produce así un pasaje desde un extremo del solenoide, supuesto Norte en reluctancia
baja y campo magnético intenso, a una zona interpolos de campo màs reducido -por entrehierro
grande-, y luego frente a los campos principales a una zona de entrehierro reducido de
permeabilidad alta pero que en su pasaje cambia a valor nulo y posteriormente toma signo
contrario para en la zona inferior a otro valor de campo alto pero de orientación Sur. Aunque no
tengamos en la vertical inferior núcleo de hierro de polo de compensación igualmente tenemos
pese a la reluctancia de un entrehierro grande un campo magnético importante pues estamos en
el extremo Sur del campo del solenoide equivalente a los bobinados del rotor.
La continuación del recorrido de la bobina exploradora hasta terminar la vuelta completa
nos da una condición simétrica respecto a la ya enunciada, desde un valor máximo negativo a un
pasaje por cero y a un máximo positivo como al arranque.
2.4_Campo auxiliar de compensación
Si repetimos la experiencia pero abriendo la llave L3 notaremos que el pico que se
producía en la posición superior -entre polos principales- desaparece pues la circulación de
corriente que ahora hemos permitido al abrir L3 crea un campo auxiliar que se opone y busca
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compensar la reacción de inducido producido por las corrientes en el rotor, ya que para ese fin
es instalado.
2.5 _Resultado de la superposición de campos.
Si modificamos la posición de las llaves L1 en 2 y L2 en 1 tendremos excitación en los
campos de la máquina y su rotor generará una diferencia de potencial y estará alimentando a la
resistencia R1 como carga. Procederemos a ajustar excitación y carga para obtener los valores
nominales.
2.5.1 Si mantenemos la llave L3 cerrada no circulará corriente por el bobinado auxiliar de
compensación y en el osciloscopio tendremos la suma de las gráficas obtenidas en 2.2 y 2.3.
Se podrá observar un descenso en el campo a la entrada de los polos principales -por la
oposiciòn del campo reacción del inducido al sustraerse del principal- y deberíamos encontrar
un incremento a la salida del polo principal, lo que no acontece por la saturación que se da en el
hierro, produciendo en total una disminución del campo total de excitación.
2.5.2 Si procedemos a abrir el interruptor L3 se producirá por la circulación de la corriente
que genera la máquina por oposición del campo producido por este bobinado auxiliar sobre la
reacción del inducido, que mejora el campo principal aunque no lo restablezca totalmente.
3.0_Datos a relevar.
Copiar los oscilogramas que se han encontrado en las experiencias como elementos de
estudio para interpretar los campos en el entrehierro de máquinas de corriente contínua.
4.0_Determinación de las características eléctricas de un generador.
Dispondremos para ello de otra máquina de corriente contínua excitación shunt o
derivación arrastrada por un motor también de corriente contínua cuya velocidad podemos
controlar a voluntad.
La primer característica que deseamos obtener es la de:
4.1_Ensayo en vacío
Nos proponemos relevar los valores de la tensión generada V para valores crecientes
primero y decrecientes después en función de la corriente de excitación. Montaremos para ello
el circuito.
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Con la llave L1 abierta tendremos al generador sin carga de modo que excitándolo con
una fuente independiente regularemos la corriente de excitación por medio de los dos reóstatos
de 169 W conectados en potenciómetro que nos permiten obtener i entre o e iN.
4.2._Estabilización del ciclo de imantación.
Antes de iniciar nuestra experiencia procederemos previo a la toma de lecturas a realizar
un ciclo completo de excitación de la máquina desde el remanente que le haya quedado desde
cualquier funcionamiento anterior hasta una excitación que nos de tensión generada igual a VN
bajando luego la excitación a cero con lo que habremos logrado dejar en la máquina una
imantación residual repetible.
4.3._Curvas características en vacío.
La experiencia se realiza a velocidad constante igual a la nominal del generador (ver
placa de características) regulando para ello la velocidad del motor de arrastre actuando sobre el
reóstato de campo del motor.
Se procede luego a incrementar la corriente de excitación i en etapas graduales hasta
obtener una tensión generada 1,1 UN anotándose en cada punto V e i, haciéndose luego un
proceso similar descendente hasta i = 0. Los datos obtenidos en la experiencia se anotaran según
se indica en cuadro adjunto.
En ambos procesos ascendente (y descendente) deberá manejarse con cuidado el
reóstato correspondiente de manera que la variación se haga siempre creciente (decreciente) -sin
retroceso en el movimiento en caso de excederse de un valor prefijado- para evitar mezclar los
recorridos del ciclo de histéresis pasando de uno a otro.
Se notará que los valores de tensión V en la etapa creciente son ligeramente menores
para igual valor de io que en el ciclo descendente consecuencia de la diferente magnetización
remanente que queda en el hierro.
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4.4_Características externas
independiente.
del
generador
con
excitación
Sin modificar el circuito de 4.1 procederemos a cerrar el interruptor L 1 con lo que
queda conectada la carga, pero debemos realizar este ensayo manteniendo:
1. Velocidad nominal constante.
2. Excitación constante, usualmente al valor que nos asegura tener en vacío V = VN,
corriente que no se modificará en todo el ensayo.
Al ir cargando el generador, la velocidad del motor de arrastre disminuye por lo que se
deberá actuar sobre el reóstato de campo del motor para mantenerlo al valor nominal cada vez
que se tomen lecturas.
Los datos relevados se anotarán en tablas que se adjunta, graficándose luego las
tensiones obtenidas en función de la intensidad absorbida por la carga.
4.5_Ensayo en carga autoexcitado.
Se modifica el conexionado del generador para alimentar el campo del generador con la
propia tensión generada por la máquina según este esquema:
Se realizará el ensayo en carga de manera similar al hecho en 4.4 a velocidad constante y
con excitación fija desde el comienzo por ejemplo que nos de V = VN en vacío. Los datos
relevados se anotarán en tabla que se adjunta representándose luego en gráfica las tensiones
registradas en función de la intensidad generada.
4.6_Medida de la resistencia de bobinados
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Se procederá luego a medir por método voltamperimétrico la resistencia de los
bobinados del campo y del rotor, prefiriéndose intensidades para la medida que se aproximen a
las intensidades nominales (tener presente que el circuito contiene elementos metálicos coeficiente temperatura positivo- conbinado con carbones -que tienen coeficiente negativo).
Para la medida de los bobinados inductores podrá utilizarse un circuito como el usado para la
excitación, pero dada la baja resistencia de los bobinados rotáricos deberá usarse para estos una
tensión de alimentación más baja (bornes de batería 32 V).
5.0_Resultados a presentar
Se dibujará la curva de vacío de la máquina E en función de i curvas ascendente y
descendente.
Los datos obtenidos en ensayo 4.4 se graficarán como V en función de I y se trazarán las
curvas V = RI caída por resistencia de bobinados y la E(I) reacción de inducido calculable por
diferencia.
Se verificará un punto de los obtenidos en 4.5 con los datos graficados según ensayo 4.4.
5.1_Informe
1_ Dibujos de observaciones en el osciloscopio con breve reseña explicando lo dibujado.
2_Curvas de vacío (ascendente y descendente)de la maquina.
3_ Curva que se obtiene a partir de los datos relevados en 4.4 (V en función de I).
4_ A partir de datos obtenidos en 4.4 trazar : _curva  V = RI (caída por resistencia de
bobinado)
_cvurva de reacción de inducido (calculable por
diferencia)
5_Verificación de un punto de los relevados en 4.5 con los datos graficados según ensayo 4.4
Observación general: las gráficas deberán realizarse con ayuda de algún software, o en papel
milimetrado.