Máquinas de Corriente Continua: Trabajo Semanal

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL
CALLAO
FACULTAD DE INGENIERIA
ELECTRICA Y ELECTRONICA
ESCUELA PROFESIONAL DE
INGENIERIA ELECTRICA
MÁQUINAS
ELÉCTRICAS ROTATIVAS
TRABAJO SEMANAL Nº7: MAQUINAS DE
CORRIENTE CONTINUA
INTEGRANTES:
• ALANIA HUARI OSCAR PIER
1913120194
• QUISPE MARTEL DELPIERO DARIO
1913110062
GRUPO HORARIO: 90 G
PROFESOR: ING. LLACZA ROBLES HUGO FLORENCIO
SEMESTRE ACADEMICO: 2022-A
2022
INDICE
INTRODUCCION ....................................................................................... 3
1. OBJETIVOS ........................................................................................... 4
2. MARCO TEORICO................................................................................ 5
3. MATERIALES Y EQUIPOS ............................................................... 10
4. PROCEDIMIENTO .............................................................................. 13
5. RESULTADOS..................................................................................... 16
6. CUESTIONARIO ................................................................................. 17
7. CONCLUSIONES ................................................................................ 20
8. BIBLIOGRAFIA .................................................................................. 20
INTRODUCCION
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía
eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En
la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no
producen movimiento rotatorio, sino que, con algunas modificaciones,
ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores
lineales.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la
industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en
una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de
procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran
medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser
controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor
medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se
siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de
precisión (máquinas, micro motores, etc.
El presente informe experimental denominado “Ensayo de Máquinas de
Corriente Continua” del presente curso de Máquinas eléctricas rotativas
,consiste en el análisis, observación y utilización de las máquinas de
corriente continua en donde se tendrá en cuenta la definición de los
conceptos e implicancias en el funcionamiento de estas máquinas,
procediendo de 2 maneras diferentes, una hacerlo funcionar al motor sin
carga pudiendo calcular la velocidad en vacío y la segunda forma acoplando
a un generador haciéndolo funcionar como carga, pudiendo así calcular las
curvas de saturación y magnetización de las máquinas de corriente continua.
Teniendo como objetivo determinar las curvas de saturación y
magnetización de las máquinas de C.C. en donde también nos adaptamos al
manejo y aprovisionamiento de buenos instrumentos, equipos, etc.
1. OBJETIVOS
•
Comprender la conceptualización, características y tipos de máquinas de corriente
continua.
•
Describir las diferencias que existen entre un generador shunt autoexcitado y de
excitación independiente.
•
Identificar los parámetros de la placa de características de generador síncrono
seleccionado, ello si contempla dichos parámetros, específicamente las
características nominales de corriente y tensión; además de la resistencia del
campo inductor y la armadura, el cual deben ser valores correctos a nivel del
generador para una óptima experiencia.
•
Comprender la importancia de una máquina de corriente continua a nivel
industrial y aplicativo en electrodomésticos.
•
Seleccionar los materiales adecuados para el desarrollo de la experiencia, teniendo
en cuenta, las implicancias de la presente experiencia.
•
Desarrollar el conexionado esquemático de las pruebas en vacío y con carga en el
generador, que nos permita obtener corriente y tensión.
•
Explicar el modelamiento de conexión que se detalla en los esquemas utilizando
los instrumentos de medición y de carga en el sistema de ensayos.
•
Obtener la corriente y tensión en la prueba en vacío y con carga del generador.
•
Determinar las curvas de saturación y magnetización de las máquinas de corriente
continua.
2. MARCO TEORICO
La primera máquina eléctrica que se empleó en aplicaciones de potencia fue la
máquina de corriente continua (DC) en la segunda mitad del Siglo XIX. La razón
de ello fue que, en un principio, no se pensó que la corriente alterna tuviera las
ventajas que hoy se le conocen, especialmente en la transmisión de energía
eléctrica a grandes distancias. De hecho, los primeros sistemas de potencia fueron
sistemas de DC.
La máquina DC fue ideada por Zénobe Théophile Gramme alrededor de 1860 y
empleaba un enrollado de rotor especial (anillo de Gramme) para lograr la
conmutación o rectificación del voltaje alterno generado. Posteriormente, el físico
W. Siemens y otros, contribuyeron al desarrollo de estas máquinas realizando
mejoras en su construcción, hasta llegar a la máquina de DC que se conoce hoy.
Pese a las mejoras que han sido desarrolladas en su diseño, la máquina de corriente
continua es constructivamente más compleja que las máquinas de corriente
alternan, el empleo de escobillas, colector, etc., la hace comparativamente menos
robusta, requiere mayor mantenimiento y tiene un mayor volumen y peso por kW
de potencia.
No obstante, lo anterior, la máquina DC tiene múltiples aplicaciones,
especialmente como motor, debido principalmente a que tiene:
•
Amplio rango de velocidades, ajustables de modo continuo y controlable
con alta precisión.
•
Característica de torque-velocidad variable.
•
Rápida aceleración, desaceleración y cambio de sentido de giro, y
posibilidad de frenado regenerativo.
Aplicaciones de las máquinas de corriente continua
•
Trenes de laminación reversibles: Los motores deben soportar una alta
carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acopla en grupos de
dos o tres.
•
Trenes Konti: Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores.
En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez
mayor.
•
Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en
derivación.
•
Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a
velocidad constante y, por lo tanto, se equipan con motores DC, existen
accionamientos que exigen par constante en un amplio margen de
velocidades.
•
Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras,
elevadores, ferrocarriles.
Máquinas de corriente continua
Esta máquina está constituida por dos núcleos de fierro, uno fijo (carcasa) y
otro que gira (inducido o armadura). En ambos núcleos van ubicadas bobinas
de diferentes configuraciones que crean campos electromagnéticos que
interactúan, de modo que se pueda obtener o una tensión o bien un torque en
el eje, según cómo trabaja la máquina (motor o generador).
La máquina CC está compuesto por:
•
Carcasa
•
Piezas polares
•
Núcleo del inducido
El circuito eléctrico del estator o circuito eléctrico fijo de excitación, está
compuesto por el enrollado de campo (principal) y, los devanados de los
interpolos y los devanados de compensación. El circuito eléctrico rotatorio
está constituido por el devanado del inducido o armadura y el conmutador o
colector. El conmutador es un rectificador mecánico, cuyo fin es rectificar la
onda de tensión generada, transformándola en una de c.c.
En el caso de operar como generador, y cuando trabaja como motor convierte
la corriente continua que se aplica por medio de las escobillas, en una corriente
alterna para generar un campo magnético en la armadura. Las escobillas de
carbón fijas que hacen contacto con la superficie del conmutador, presionadas
por un resorte, conecta al devanado con los terminales externos de la
armadura. La necesidad de conmutación es la razón por la cual los devanados
de armadura de las máquinas de c.c. se colocan sobre el rotor. El efecto de la
corriente continua en el devanado de campo de una máquina de c.c. es crear
una distribución de flujo magnético estacionario con respecto al estator.
Motores de corriente continua
•
MOTOR SHUNT: En el motor con excitación Shunt, la bobina de
excitación se conecta en paralelo con el inducido, y el devanado de los
polos de conmutación se conecta en serie con el inducido. La velocidad se
mantiene prácticamente constante para cualquier carga. El devanado
compensación se coloca en las ranuras de polos principales, este devanado
de compensación esta conecta en serie con el devanado de conmutación e
inducido. Para regular la potencia de un motor shunt se conecta un reóstato
o resistencia variable o en serie con el devanado de conmutación y el
devanado inducido, de esta forma se puede controlar la corriente que
circula en el devanado de excitación.
•
MOTOR SERIE: En este tipo de motores las bobinas inductoras y las
inducidas están conectadas en serie. La conexión forma un circuito en serie
en el que la intensidad absorbida por el motor al conectarlo a la red
(también llamada corriente de carga) es la misma, tanto para la bobina
conductora (del estator) como para la bobina inducida (del rotor).
•
MOTOR DE EXCITACIÓN COMPUESTA: En este caso, se puede
decir que el motor es una combinación del motor serie y el motor shunt,
puesto que una de las bobinas inductoras está en serie con el inducido,
mientras que la otra está en paralelo con él. Una parte de la intensidad de
corriente absorbida circula por las bobinas inducidas (Ii) y, por ende, por
una de las inductoras; mientras que el resto de la corriente (excitación)
recorre la otra bobina inductora. Se caracteriza por tener un elevado par de
arranque, pero no corre el peligro de ser inestable cuando trabaja en vacío,
como ocurre con el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar un número
de revoluciones muy alto.
•
MOTOR DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE: La alimentación de
estator y el rotor se da a través de dos fuentes independientes. El campo
de estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de
fuerza es constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se
deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la
caída de tensión en el rotor.
3. MATERIALES Y EQUIPOS
6.1
Multitester
Un multitester digital (DMM) es una herramienta de prueba usada para medir
dos o más valores eléctricos, principalmente tensión (voltios), corriente
(amperios) y resistencia (ohmios). e rotor bloqueado, con carga y de
resistencias
Fig. 1:Multitester
Nota 1:Instrumento digital, que nos permitirá realizar los ensayos en vacío, de rotor bloqueado y con carga,
el cual medirá la tensión en fase, además de realizar la medida de resistencia en aislamiento. Fuente:
Elaboración Propia.
6.2
Amperímetro Analógico DC
Los amperímetros analógicos presentan el resultado de la medición con ayuda
de una aguja que se posiciona en el punto correspondiente entre el mínimo y
el máximo disponibles en el panel de indicación.
Fig. 2:Amperímetro DC Yokogawa
Nota 2: Instrumento digital, que nos permitirá realizar los ensayos en vacío y con carga en el Generador.
Fuente: Elaboración Propia.
6.3
Variador de Resistencia
Instrumentos de panel, que permite variar la resistencia a valores
mayores al campo inductor y la armadura o rotor, de esta forma realizar
la prueba con carga y vacío en el generador, permite variar la
resistencia de manera que aumente la tensión en el equipo.
Fig. 3:Variador de Carga resistiva.
6.4
Sistema de prueba de máquina servomotor
Instrumento de medición que permite obtener la velocidad síncrona y
el torque del generador a través de la conexión con el servomotor,
elevar su velocidad síncrona, aumentando la tensión correspondiente.
Fig. 4:Sistema de Prueba de maquina servomotor.
6.5
Lámparas
Focos de 12 W, el cual será utilizado como carga en la prueba con
carga, las cuales otorgaran un aumento de corriente en el sistema.
Fig. 5:Lamparas Halógenas
4. PROCEDIMIENTO
El procedimiento de la presente experiencia, se centra en el desarrollo de análisis
y observación, mediante la elaboración esquemática de la prueba en vacío y con
carga del generador síncrono continuo seleccionado, las cuales se ejecutaron en el
laboratorio de Maquinas Eléctricas Rotativas; se dieron a conocer pasos de cómo
realizar la experiencia ,tomando en cuenta la medición de la resistencia del campo
inductor y la armadura ,con ello se podrá desarrollar adecuadamente la experiencia
y en base a conexiones correctas ,permitirá desarrollar una experiencia optima ;los
pasos a realizar en la experiencia, son detallados en el siguiente apartado.
•
Seleccionar una máquina de corriente continua del laboratorio de
Maquinas Eléctricas Rotativas, con el cual, se desarrollará los ensayos y
nos permitirá trabajar en la experiencia respecto al esquema de bobinados.
•
Se selecciono un generador síncrono y un servomotor, el cual permite
energizar al circuito en su totalidad.
•
Detallar en un cuaderno de apuntes la placa de característica del generador
síncrono continuo seleccionado, teniendo en cuenta que para su selección
implica su capacidad de corriente y tensión en el instante de hacer las
pruebas en vacío y con carga, además de su funcionalidad y adaptabilidad
en el proceso de prueba , se obtendrá valores de corriente y tensión que
nos permitirá construir la curva de magnetización en cada prueba, además
de las pautas que se realizará en el desarrollo experimental.
•
Solicitar los materiales indicados en el apartado 3 y con ello ordenar la
mesa de trabajo para desarrollar la experiencia.
•
Conectar el generador en conjunto con el servomotor ,con ello además su
instrumento de lectura de velocidad síncrona y torque.
•
Realizar las medidas de resistencia en el campo inducido y la armadura del
generador, los cuales arrojaron resultados de 41 ohmios y 537 ohmios, los
cuales son factibles, en términos de prueba, ya que permite variar la
resistencia hasta 1000 ohmios y así poder elevar la tensión.
•
Desarrollar la prueba en vacío mediante la esquematización, que se
encuentra representado en la ilustración 1, teniendo la conexión de los
instrumentos, en este caso, del multitester, amperímetro dc y el variador
de la resistencia, en el cual se obtendrá valores de tensión y corriente.
•
Agregar carga al sistema de conexión, en este caso 3 lámparas, las cuales
están conectadas en paralelo para aumentar la corriente en la prueba con
carga, que es la finalidad del ensayo.
•
Desarrollar la prueba con carga mediante la esquematización, que se
encuentra representado en la ilustración 2, teniendo la conexión de los
instrumentos, en este caso, del multitester, amperímetro dc y el variador
de la resistencia, en el cual se obtendrá valores de tensión y corriente.
•
Conectar la máquina, instrumentos, equipos como se indica en los
esquemas.
Ilustración 2:Esquema del Ensayo en vacío del Generador.
Nota 4: Conexión del generador con el variador resistivo, amperímetro y un multitester,
el cual se encuentra trabajando sin carga. Fuente: Elaboración Propia.
Ilustración 1:Esquema del Ensayo con carga del Generador.
Nota 3: Conexión del generador con el variador resistivo, amperímetro y un multitester,
el cual se encuentra trabajando con carga, las cuales están representadas por 3 lámparas.
Fuente: Elaboración Propia.
Fig. 7:Conexión experimental de la prueba en vacío del Generador.
Nota 5: Describe el modo de conexión en el ensayo sin carga que deberá tener el generador síncrono,
servomotor, multitester y amperímetro DC, variador resistivo y el sistema de prueba del servomotor, de
manera que se obtenga lecturas de corriente y tensión en el equipo. Fuente: Elaboración Propia.
Fig. 6:Conexión experimental de la prueba con carga del Generador.
Nota 6: Describe el modo de conexión en el ensayo con carga, al conectar las 3 lámparas al sistema, que
deberá tener el generador síncrono, servomotor, multitester y amperímetro DC, variador resistivo y el
sistema de prueba del servomotor, de manera que se obtenga lecturas de corriente y tensión en el equipo.
Fuente: Elaboración Propia.
Tabla 1:Placa de Característica del Motor Generador Corriente
Continua
MOTOR GENERADOR CORRIENTE CONTINUA 1.0 KW-220V
Motor Generado Sincrono
VDE 0530
IP:20
I:0.2 A
Irr:0.24 A
𝑼: 𝟐𝟐𝟎 𝑽
Urr:220 V
2100 1/min
1 KW
60 Hz
Lucas Nuelle -Germany 50140 Kerpen Siemens
5. RESULTADOS
•
Los resultados proyectados en la experiencia se relacionan a la
observación y análisis en las pruebas de resistencia en el campo
inductor y de la armadura ,para comprobar con cuanto se aplicara a
nivel general en la variación de la resistencia y evitar dañar el equipo
en su totalidad ,es así, que, en los siguientes apartados, se detallan los
resultados en base a parámetros de corriente y tensión , en la tabla Nº2
se adjunta el valor de la tensión de remanencia que es lo adecuado para
proceder a realizar el ensayo en vacío ,además se detalla el valor de las
resistencias, en la tabla Nº3 y Nº4 ,se describe los resultados de tensión
y corriente ,proyectado en la prueba en vacío y la prueba con carga con
ello se especifica lo que se obtuvo en la experiencia.
Tabla 2:Valores antes de los ensayos en el Generador.
Tensión de
Resistencia del
Resistencia de la
Remanencia
Inductor
Armadura
2.934 V
41 ohmios
537 ohmios
Tabla 3:Valores del Ensayo en Vacío en el Generador.
E0 (V)
238.4
220.7
211.2
182.1
123.7
94.8
74.4
I(A)
0.38
0.32
0.3
0.24
0.15
0.11
0.09
Tabla 4:Valores del Ensayo con carga en el Generador.
E0 (V)
220
210
185
135.5
74.4
I(A)
0
0.28
0.53
0.82
1.16
6. CUESTIONARIO
Graficar las curvas de vacío para los casos (motor Generador)
•
La prueba en vacío, detalla que a medida que aumentamos el valor de
la resistencia, la tensión generada se incrementara y los valores de la
corriente, van a disminuir notoriamente, como se observa en la grafica
Nº1.
Gráfico 1:Ensayo en Vacío, relación de E0 vs I.
Ensayo en Vacio en el Generador
Tension Generada
250
200
150
100
50
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Corriente de campo
•
La prueba con carga, es desarrollada a partir de conectar 3 lámparas en
paralelo al circuito, detalla que a medida que se disminuye el valor de
la tensión generada, se incrementara el valor de la corriente, como se
observa en la gráfica Nº2.
Gráfico 2: Ensayo con carga, relación de E0 vs I
Ensayo con carga en el Generador
250
200
Tension generada
6.1
150
100
50
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Corriente del campo
1
1.2
1.4
6.2
Qué es el magnetismo remanente, y cuál es su valor en la máquina en
general.
El magnetismo remanente es el nivel de inducción magnética aún existente
en una sustancia ferromagnética después de someterla a la acción de un
campo magnético. Es el responsable de los fenómenos de histéresis
magnética.
6.3
Porque no coinciden los valores crecientes y decrecientes de los
generadores.
Bueno, este problema de porque los valores crecientes y decrecientes en
los generadores no coinciden, se debe principalmente a las pérdidas por
histéresis que sufren.
6.4
Determinar la velocidad de funcionamiento de las máquinas de c.c.
Para determinar la velocidad de un motor C.C se puede determinar a través de la
siguiente expresión:
𝐸𝑔 = 𝐺𝑓 𝐼𝑓 𝑊𝑚
Siendo:
6.5
●
𝐸𝑔 : 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑘𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑚𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝐼𝑓
●
𝐺𝑓 : 𝐼𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 (ℎ𝑦)
●
𝐼𝑓 : 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 (𝐴)
●
𝑊𝑚 : 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 (𝑟𝑎𝑑/𝑠)
Qué acciones debe tomar para cambiar la polaridad de la tensión
inducida.
Invertir la polaridad de la tensión aplicada en sus bornes (con lo cual varía
el sentido de la corriente que circula por su bobinado), y hacer así que el
par de fuerzas que originan el giro del motor sea de sentido contrario. Otro
método de invertir el sentido de giro, es el de invertir la polaridad del
campo magnético producido por las bobinas excitadoras, esto sólo puede
hacerse en máquinas que las tengan accesibles desde el exterior.
6.6
Implicancias en el funcionamiento de los motores.
Se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán
permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los
polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje.
Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente
entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro
de la carcasa o cuerpo del motor. Cuando la corriente eléctrica circula por
la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se
genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los
polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se
produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca
que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo
sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario,
de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la
batería.
6.7
El valor resistivo de los campos shunt, serie, interpolo, armadura no
son iguales aun siendo de la misma potencia.
Los valores resistivos de estos son diferentes, pese a que tienen una misma
potencia, debido a que las ecuaciones de fuerza electromotriz inducida y
también la disposición de los circuitos inductor e inducido son totalmente
diferentes a causa del esquema de cada circuito.
6.8
Cuáles son las fallas más comunes que se presentan en las máquinas
de corriente continua.
De las fallas más comunes que presentan las máquinas de corriente
continua son:
•
Aislamiento defectuoso: En una máquina eléctrica, el aislamiento
defectuoso puede producir múltiples averías. En el caso del bobinado
de campo o de excitación, las averías más frecuentes son las producidas
por el deterioro del aislamiento que cubre la bobina de campo, y el
deterioro del aislamiento del propio hilo esmaltado.
•
Escobillas gastadas: reposición. Ajuste de la porta escobilla. Como
sabernos, las escobillas son elementos de carbón especial que conectan
eléctricamente el inducido con el circuito exterior. Los soportes o porta
escobillas llevan un muelle que aprieta la escobilla sobre el colector.
7. CONCLUSIONES
•
En la práctica que se realizó la prueba en vacío, permite identificar, que, al variar
el valor de resistencia, que, en el instante de arranque, en el torque máximo,
permite que sobrepase la tensión nominal del generador, y con ello variar la
tensión y se verifico que la corriente disminuye.
•
En cuanto a la prueba con carga, resulto la conexión en paralelo de lámparas, la
cual implico conectar 1 lampara y luego 2 lámparas, se obtuvo los valores de
corriente y de tensión, siendo este último un valor que, al disminuir, por ende, la
corriente aumentara.
•
Se logro obtener las curvas de saturación y magnetización del generador, para la
prueba con carga y la prueba en vacío.
•
La gran aplicación que tienen es producir el movimiento de un motor, desde el
movimiento de turbinas, diferentes máquinas industriales, cargadores de baterías
hasta el dotar de luz a una bicicleta.
8. BIBLIOGRAFIA
•
CHAPMAN. 2005. Máquinas eléctricas. Madrid: McGraw-Hill Interamericana.
•
CORTES CHERTA. 1994. Curso moderno de máquinas eléctricas rotativas. 5
tomos. Barcelona: Editores Técnicos Asociados.
•
FITZGERALD, KINGSLEY Y UMANS. 2004. Máquinas eléctricas. Madrid:
McGraw-Hill Interamericana.
•
FAURE BENITO. 2000. Máquinas y accionamientos eléctricos. Madrid:
Colegio oficial de ingenieros navales y oceánicos.
•
KOSTENKO y PIOTROVSKI. 1979. Máquinas eléctricas. Moscú: Editorial
Mir.
•
LANGSDORF. 1968. Teoría de las máquinas de corriente alterna. Madrid.
Editorial Castillo D.L