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
