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ESCUELA ACADEMICA

PROFESIONAL DE INGENIERIA

EN ENERGIA

CURSO: LABORATORIO DE MAQUINAS

ELECTRICAS PROFESOR: ING.

JULIO ESCATE RAVELLO

L ABO R A T O R IO N ° 08

NOTA:

TITULO: MAQUINA DE

CONMUTADOR GRUPO:

A

ALUMNOS:- DIAZ ALVAREZ MARY CARMEN- GARAYAR BONILLA HECTOR- GUERRERO ARRELUCEA SHEYLA

FECHA DE REALIZACIÓN DEL LABORATORIO:

16 de Junio del 2015FECHA DE PRESENTACIÓN DE INFORME:

23 de Junio del 2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA


ESCUELA ACADEMICA DE

pág. LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS-

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA

EN ENERGIA INFORME DE LABORATORIO DE MAQUINAS

ELECTRICAS

“ MA Q UI N A D E C ON M UT A DO R ”

I. OBJETIVOS

Este curso versará alrededor del tema "Máquinas

de campo giratorio" tanto en la teoría como en la

práctica.El tema central lo constituirán exámenes

experimentales de diferentes máquinas de campo

giratorio con distintos tipos de rotores, con lo cual se

comprenderá el funcionamiento, el comportamiento y

el modo de acción de las más comunes máquinas

eléctricas.

Inducción electromagnética

Motor, generador

Campo magnético estático y rotatorio

Componentes y estructura de las máquinas de corriente trifásica

Circuito en estrella, circuito en delta

Mediciones de corriente y tensión entre conductores y entre fases

Mediciones de corriente y tensión del rotor

Datos nominales, placa de características, cos phi,




Número de pares de polos, par de giro, velocidad de giro, deslizamiento

Inversión del sentido de giro

Transformador giratorio

Máquina asíncrona

Rotor de imán permanente

Máquina sincrónica

Rotor de jaula de ardilla

Motor condensador, circuito Steinmetz

-




Potencia

Localización de fallos

II. MARCO TEORICO

Máquina de corriente trifásica SO4204-7T

Datos técnicos:

Estator bipolarResistencia del

devanado(200C)

20 Ohm

Tensión nominaldelta/estrella

3 x 8 V / 14V

Frecuencia nominal 50 HzCorriente nominaldelta/estrella

3 x 0,73 A / 0,42A

cos phi 0,8Dimensiones: 160 x 100

mm (h x b) Condensadores 100 µF

Sensor de temperatura KTY84-

150 (hoja de

d a t os)

Descripción del funcionamiento

Máx. velocidad de giro(transitoria)

3000 (4500) min




La tarjeta de experimentación contiene una máquina de corriente trifásica, de funcionamiento pleno, para conectar a la fuente de alimentación trifásica del sistema UniTr@in-I. Por razones didácticas, la máquina presenta una estructura abierta y se la ha dotado de tres rotores intercambiables.

La tarjeta contiene los siguientes componentes y ofrece las siguientes posibilidades:

Estator, bipolar, con 3 devanados cuyos terminales se conducen a clavijeros de 2mm, para un libre cableado en delta o estrella




Rotor con imán permanente, para experimentos sobre campo magnético estático, o para montaje de una máquina sincrónica con rotor de imán permanente

Rotor con devanado monofásico, para experimentos sobre el tema "transformador trifásico", para medición de tensión en circuito abierto y corriente de cortocircuito en el rotor

Rotor en cortocircuito, para montaje de una máquina asíncrona con rotor de jaula de ardilla

Sensor de temperatura KTY84-150 y fuente de corriente constante de 2mA Condensador para el montaje de un motor con condensador (circuito

Steinmetz) para operación en la red monofásica

La tarjeta contiene cuatro fallos activables.

La tarjeta contiene un conector X25 para ampliaciones opcionales, como sensor incremental o sensor de posición del rotor.

Introducción a las máquinas de corriente trifásica

Los motores y generadores de corriente trifásica existen desde hace más de 100 años. Los motores se alimentan

con tensión trifásica, mientras que los generadores rotatorios de corriente trifásica generan dicha corriente. A

partir de ello y desde hace mucho tiempo se haacuñado el concepto "corriente trifásica".

Se dispone de máquinas trifásicas en diferentes diseños y en una extensa gama de potencias.

Las máquinas asíncronas pequeñas, de menos de 1 kW, se utilizan en gran número en el ámbito doméstico y en la pequeña industria, mientras que




las grandes máquinas asíncronas, de hasta aprox. 30 MW, se usan en las instalaciones industriales y las sincrónicas incluso en las centrales eléctricas, en las áreas de corriente continua y alterna, alcanzando valores de potencia de GW.

Las máquinas de corriente trifásica se dividen en máquinas sincrónicas y máquinas asíncronas lo cual depende de si el rotor gira sincrónicamente con el campo de giro o más




lentamente que éste, es decir, de manera asíncrona.

En especial el rotor de jaula de ardilla de corriente trifásica, comparado con las máquinas de corriente continua, es esencialmente más sencillo y robusto y, por tanto, su producción es menos costosa y, prácticamente, no requiere mantenimiento.

Sin embargo, los motores trifásicos poseen una velocidad de giro y características de par fijas. Por ello, y durante mucho tiempo, no se los empleó en las distintas tareas en las que se precisa de una velocidad de giro variable.

Las máquinas de corriente trifásica son convertidores electromagnéticos de energía. Transforman la energía eléctrica en mecánica (motor) y viceversa (generador). Estos procesos físicos se basan en el principio de la inducción electromagnética.

Diagrama de circuito equivalente de la máquina de corriente trifásica

Hoy en día, las máquinas eléctricas se utilizan habitualmente en redes de frecuencia variable con convertidores de frecuencia. Al igual que los modernos accionamientos con convertidores de frecuencia, de uso actual generalizado, también la fuente de alimentación Uni Tr@ in - I genera, para los experimentos, una red trifásica con amplitud y frecuencia variables. Para comprender el comportamiento de la máquina es necesario introducir un diagrama de circuito equivalente.

Las máquinas trifásicas se

componen de varias bobinas de estator y de rotor acopladas

entre sí. Una máquina con rotor




en cortocircuito, de tres

bobinas de estator y de rotor, puede representarse de

manera simplificada por medio de la

imagen aquí expuesta.

Si reducimos la observación a sólo uno de los tres pares de devanados del conjunto, la representación se simplifica considerablemente. Dado que se trata de




un sistema simétrico, todas las consideraciones que se realicen son también válidas para los otros dos pares de bobinas.

Par de bobinas acopladas de un arrollamiento

Primer diagrama del circuito monofásico equivalente

Debido a la presencia del alambre de cobre, junto a la inductancia L, los devanados también poseen una resistencia óhmica R parasitaria. La corriente que fluye por el devanado está determinada por su componente resistiva y también por su componente inductiva. Como los devanados se conectan a un sistema de corriente alterna, las inductancias presentan un resistencia de corriente alterna (reactancia), la cual se mide en ohmios. Ésta se calcula a partir de:

XL= 2*p*f*L

Los devanados influyen entre sí de manera recíproca con una inducción magnética B. El devanado del estator genera una corriente en el del rotor y viceversa. Por tanto, el primer diagrama monofásico del circuito equivalente se puede convertir en uno mejorado. En éste diagrama, una corriente Ih fluye a través de la reactancia principal, la cual es responsable de la magnetización del estator y del rotor.




En esta representación, se toma en cuenta la carga mecánica del rotor por medio de la resistencia de carga de la derecha y se utiliza el deslizamiento s para representar la magnitud de la carga.




Observaciones:

Marcha al vacío: Durante el régimen de marcha al vacío ( s -> 0), la expresión (1-s) / s tiende a infinito y no fluye ninguna corriente I2. La corriente total I1 consumida por la máquina es idéntica a la corriente de magnetización Ih.

Carga mecánica: Bajo carga mecánica, la velocidad de giro de la máquina

asíncrona desciende y, correspondientemente, el deslizamiento es mayor. Se genera una corriente I2 dependiente de la carga mecánica. La corriente I1 consumida por la máquina se divide en una corriente de magnetización Ih y una corriente activa I2, dependiente de la carga.

Reposo para una máquina en estado estacionario (S -> 1), el resultado de

la expresión (1-s)/s es igual a cero. Con ello, el valor de la resistencia de la derecha es 0. La corriente I1consumida por la máquina se divide en una corriente activa I2, dependiente de la carga, la cual ahora se determina por medio de R2, y en una corriente de magnetización Ih.

Inductancias de dispersión

Las dos reactancias X1s y X2s representan las inductancias de dispersión con sus respectivos flujos. Estos elementos no se toman en cuenta durante la mayoría de las consideraciones. No obstante, la resistencia R1 se manifiesta de manera notable como pertubación y no puede despreciarse.

Generador de corriente trifásica

Para su mejor comprensión, en la siguiente imagen se representa un generador simplificado. El rotor lo conforma un imán permanente.El estator posee, básicamente, tres devanados. Los inicios de las fases están formados por los terminales de conductores externos. Los terminales de las fases están conectados entre sí formando el punto medio.




Si se acciona el rotor y éste gira a una velocidad constante, induce tensiones en los devanados cuya forma es sinusoidal. Éstas alcanzan su máximo valor

positivo cuando el polo magnético norte del imán en rotación pasa por el centro de la zapata polar y, correspondientemente, su máximo valor negativo

cuando la posición anteriormente mencionada es adoptada por el polo magnético sur.

Dado que las tres zapatas polares poseen un desfase de 120, también las tensiones inducidas estarán desfasadas en el tiempo. En las tensiones se origina, por tanto, un desfase de 120.

Inducción electromagnética

Los procesos que ocurren en las máquinas eléctricas se basan en el principio físico fundamental de la indución electromagnética.

P r i n cipio de l ge ne ra do r

Se induce un tensión en un conductor que se mueve en sentido transversal a través de un campo magnético.

La tensión inducida genera una corriente en el conductor, en el caso de que éste sea parte de un circuito cerrado.

Sobre el conductor enmovimiento actúa una fuerza en sentidvertical al campo magnético y al conductor.




Pr i n cipio de l m o t o r

Si una corriente fluye a través de un conductor, se genera un campo magnético

Se producen fuerzas de atracción y de repulsión

Sobre el conductor por el quefluye la corriente, dentro de un campo magnético externo, actúa una fuerza F en sentido verticala éste

El conductor se mueve a través del campo magnético




Componentes de las máquinas eléctricas

Las máquinas trifásicas se componen básicamente de un elemento estático y de uno rotatorio. Éstos se denominan:

Estator Rotor

El rotor se monta sobre un eje y se posibilita su rotación gracias a un rodamiento de bolas.

Estator

En el estator se genera un campo magnético rotatorio, el cual se conduce, en gran parte, hacia un núcleo de hierro. Para ello se necesitan varios devanados por los que circule corriente y un paquete de chapas de estator.

El estator de nuestro motor experimental contiene 24 zapatas polares y ranuras formadas por un conjunto de chapas perforadas y soldadas en un sólo paquete.

En las ranuras se aloja el arrollamiento de los alambres de cobre. En el caso de los alambres de cobre, se trata de los tres devanados necesarios para la conexión a un sistema de corriente trifásica. Los devanados se diferencian por el




color verde y rojo y el tercero por una laca clara. El inicio y el final del devanado, respectivamente, desembocan en clavijeros de 2mm.




Si se observa el devanado marcado de verde, se reconoce que, por un lado, se desplaza hacia abajo a través de 4 ranuras, y que vuelve a emerger exactamente hacia el lado opuesto.

Si se observa el paquete de chapas del estator desde arriba, se aprecia el inicio del montaje de los tres devanados. Éstos se alojan, desplazados entre sí, en las ranuras de las láminas necesitando, cada uno de ellos, 4 ranuras hacia un lado y4 hacia el otro.

Se reconoce fácilmente que se trata de bobinas que tienen, cada una, un origen y un final de arrollamiento. Para la formación del campo magnético, cobran significado los devanados que, en la imagen, se han marcado con un punto (inicio) o con una cruz (final) en las ranuras de las chapas. Generalmente, no se trazan las líneas arqueadas aquí representadas, pues resulta suficiente indicar el inicio y el final del alambre con el signo respectivo.

Para que el "espacio interno" del rotor permanezca libre, los devanados marcados se arquean hacia afuera hasta que se posicionen por encima o por debajo del paquete de chapas. El "abultamiento" originado por el gran número de alambres individuales se denomina conexiones frontales.

En la imagen fotográfica superior, la conexión frontal de nuestro motor experimental se reconoce en los tres gruesos haces de alambre de cobre atados entre sí.

Los devanados y las láminas están montados en la carcasa del estator, la cual, frecuentemente, está dotada exteriormente de anillos de enfriamiento, con el objeto de conseguir una mejor disipación del calor.

Adicionalmente, el estator tiene, en el centro, un rodamiento de bolas, sobre el que gira el rotor. En el caso de las máquinas industriales, los rotores poseen rodamientos en ambos extremos.




Rotor

El rotor se monta sobre el eje del motor, el cual transmite el par de giro a la máquina de trabajo. Lor rotores poseen las más disímiles formas de diseño, las cuales determinan el tipo y las características de servicio de la máquina de corriente trifásica:

con y sin devanados con y sin anillos colectores rotor de jaula de ardilla




de imán permanente

Los tres rotores presentes en el motor experimental son los siguientes:

Rotor de imán permanente

Rotor de jaula de ardilla

Rotor de bobina

Campos magnéticos estáticos

Cuando la corriente fluye por un devanado, el flujo genera un campo magnético con una orientación definida. Se tienen entonces los polos magnéticos norte y sur.

Dado que los tres devanados están posicionados con desplazamientos de 120 grados entre sí, al aplicarse corriente se genera en cada uno de ellos un campo magnético de diferente orientación. Esto se reconoce en la imagen por medio de las líneas de campo cuya dirección varía en cada caso.

Si se utiliza un imán permanente como rotor, se originan fuerzas de atracción y de repulsión, puesto que, en el circuito magnético, los polos de igual signo se repelen, mientras que los de diferente signo se atraen.

En función de la posición del rotor de imán permanente, estas fuerzas generan en dicho rotor un par de giro.

¿Cómo se origina un campo magnético rotatorio?

Los primeros experimentos mostraron que, al aplicar tensión continua a los devanados de la máquina, se genera




un campo magnético, el cual puede generar un par de giro por medio de las fuerzas de atracción y repulsión. En el experimento 2, al variar las conexiones, se pudo incluso generar un movimiento giratorio.




Esto acontece, sencillamente, si se conecta un sistema de corriente trifásica a los devanados del estator.

Para que el rotor de una máquina de corriente trifásica pueda girar, se debe generar al interior del estator un campo magnético rotatorio. En las siguientes páginas se aclarará cómo se consigue ésto.

Número de pares de polos

El número de pares de polos representa una información importante en una máquina de corriente trifásica, que

influye de manera decisiva en la velocidad de giro de cada máquina trifásica. Si cada uno de los devanados del estator se ha posicionado mecánicamente con un desplazamiento de 120 grados,

respectivamente (como en los ejemplos anteriores), entonces la máquina posee un par de polos para cada fase.

El campo de rotación gira con la frecuencia de la red de corriente trifásica, esto es, en la red fija, por lo general,

con 50 Hz. La velocidad de giro de este campo, en revoluciones por minuto es, por lo tanto, 50 Hz x

60s = 3000 min-1

En la imagen adyacente ocurre algo distinto. Aquí, cada uno de los devanados se ha posicionado mecánicamente con un desplazamiento de 60 grados, respectivamente. Debido a ello, la máquina posee, para cada fase, 2 pares de polos, es decir, 4 polos. Como resultado, el campo magnético sólo completa una revolución después de dos rotaciones de la red de alimentación. El campo magnético gira con la mitad de la frecuencia.

Por tanto, junto a la frecuencia de la red de alimentación, el número de pares polares es la segunda magnitud determinante de la frecuencia de rotación del campo




magnético. Con chapas de estator adecuadas, se pueden también implementar otros números de pares polares.

Para redes de 50 Hz es válido lo siguiente:

Par de polos (p)

1 2 3 4 6

Número de polos

2 4 6 8 12

no (1/min) 3000 1500 1000 750 500



En general es válido lo (f x 60) / p f = frecuencia

dela red de

alimentaciónp = de pares de


no =

no = velocidad de giro sincrónica en 1/min

Transformador giratorio

El campo magnético, en el interior del estator, se puede mostrar claramente, con el "rotor monofásico", por medio del acoplamiento entre el devanado del estator y el del rotor. Con ello se demuestra que tal configuración presenta, en principio, el comportamiento de un transformador:

Si se aplica una tensión alterna al devanado del estator, en éste se genera un campo magnético alterno con una posición fija. En el devanado del rotor se induce ahora una tensión, cuya amplitud depende de la relación entre el número de espiras y el ángulo de rotación b entre el campo magnético y el rotor.

U2/n2 = U1/n1

cos b

Con un ángulo de rotación de 0°, se alcanza la máxima tensión de salida. Con un ángulo de torsión de 90°, la tensión de salida tiende a cero, mientras que, con una nueva rotación, la tensión vuelve a aumentar, pero con una amplitud cuya fase se ha invertido.

Si los tres devanados del estator se conectan a un sistema de tensión trifásica, el campo rotatorio, en el interior del estator, genera igualmente una tensión de inducción en el



En general es válido lo


devanado del rotor. La amplitud de la tensión del rotor no depende del ángulo de rotación sino, casi exclusivamente, de la relación del número de espiras. Una revolución del rotor provoca ahora un desplazamiento de fase de la tensión del rotor.

Si se cortocircuita el devanado del rotor, debido a la corriente resultante, se genera un campo magnético, el cual, finalmente, provoca un par de giro gracias al cual el rotor entra en movimiento. El transformador giratorio es el caso



especial de un máquina asíncrona en estado de reposo, o,


una máquina asíncrona de corriente trifásica, en estado de reposo, se comporta como un transformador.

Inversión del sentido de giro

El sentido de giro del campo magnético rotatorio de una máquina de corriente trifásica se puede determinar o variar fácilmente permutando dos de sus fases.

Esto se puede realizar manualmente, al conectar la máquina trifásica a la red de alimentación fija intercambiando dos de los cables, o de manera automática por medio de relés.

Si se conecta la máquina trifásica a una fuente de alimentación variable, como es el caso de los convertidores de frecuencia o el sistema UniTr@in-I, la "inversión" se puede realizar electrónicamente.

Par de giro y potencia

Las corrientes generan fuerzas F en las barras conductoras del rotor en cortocircuito. Las fuerzas individuales se adicionan y generan un par de giro a través del brazo de palanca. No obstante, este par de giro no es igual para cada velocidad de giro. La relación entre la velocidad de giro y el par de giro se puede describir claramente por medio de una curva característica.




Las máquinas asíncronas presentan una forma muy particular de par de giro.

En la gráfica adjunta se muestra una curva característica de carga, típica de una máquina asíncrona. Los puntos característicos son:

1. Par de arranque2. Par mínimo3. Par de

inversión o par máximo

El segmento de la curva que se encuentra por encima del par de inversión tiene un significado especial, se trata aquí de velocidades de giro en las que se alcanza el par de inversión y la velocidad de giro sincrónica. Una máquina en régimen de marcha al vacío casi alcanza la velocidad de giro sincrónica sobre el eje de la velocidad. Bajo carga, el par de giro aumenta y la velocidad decrece. La máquina se detiene si se alcanza o sobrepasa el par de inversión.

La relación entre par de giro y

potencia es: M = (P *60) / (n * 2

* p) = 9,55 * P / n

n en min-1




Máquinas asíncronas

Los rotores de las máquinas asíncronas pueden presentar un diseño como rotor de anillos colectores o rotor en cortocircuito: ambos se basan en el mismo principio de funcionamiento, por lo tanto, esta descripción se limita al rotor en cortocircuito, llamado también de jaula de ardilla. Estos rotores constan de un número de conductores (barras del rotor) cortocircuitados en sus extremos mediante un anillo conductor.




En las barras del rotor, la corriente positiva se ha marcado con rojo, la negativa con azul, mientras que el color gris indica la ausencia de corriente. El campo magnético rota con velocidad constante. El rotor no gira sincrónicamente con respecto a la velocidad de rotación del campo magnético, sino que lo hace más lentamente. Sólo gracias al movimiento relativo de los conductores, a través del campo magnético rotatorio, se inducen tensiones en las barras, que generan una corriente a través de las conexiones en cortocircuito. Los conductores, por los que fluye corriente, generan fuerzas magnéticas que se suman entre sí.

Punto de operación y característica de control de una máquina asíncrona

Las máquinas asíncronas y su circuito magnético están diseñadas para una magnetización constante. Esto significa que el flujo magnético, en el interior del estator, debe ser igual para todas las frecuencias. Por tanto, en el caso de las redes de alimentación de frecuencia variable, se deben respetar ciertas condiciones.

Si a través de un sistema de corriente trifásica se aplica una tensión constante al devanado del estator, y si la frecuencia




varía, las corrientes del mismo también varían debido a la acción de las inductancias. Si la frecuencia desciende, aumenta la corriente del estator y con ello el flujo magnético.

Para que este flujo se mantenga constante, frente a una frecuencia variable, la tensión debe variar a tiempo. Una herramienta útil para mantener constante la




corriente del estator la constituye el "control de la característica" por medio de la característica U vs. f.

A partir de un punto inicial se aumenta la tensión, de manera proporcional a la frecuencia, hasta alcanzar un valor límite. En este caso, este valor límite está dado por la máxima tensión que puede suministrar el generador de corriente trifásica UniTrain-I. En el siguiente experimento, la frecuencia con la que se llega a este valor límite se denominaráfrecuencia límite.

La tensión inicial es el punto de partida de la recta descendente de la característica ubicado al lado izquierdo. Esta tensión inicial compensa exactamente la caída de tensión que se produce ante corriente nominal en la resistencia del devanado.

Dado que la magnetización es proporcional a la corriente de magnetización y, por tanto, prácticamente proporcional a la corriente de marcha en vacío, aquélla debe permanecer aproximadamente constante para todas las frecuencias. Por tanto, para comprobar el buen ajuste de la característica, se puede usar la medición de la corriente de marcha al vacío.

Conexión de la máquina en circuito estrella o delta




En el caso de las máquinas de corriente trifásica, generalmente, el origen y el extremo final de los devanados del estator se conducen hacia el exterior. El usuario / técnico electricista deberá realizar el correcto cableado de la instalación.

En principio, existe la posibilidad de conectar los devanados del estator en circuito delta o en estrella. Para ello es necesario observar que, en los devanados,




se presentan diferentes tensiones. Antes de la conexión de una máquina eléctrica, un vistazo sobre la placa de características de la máquina debe brindar información acerca del correcto cableado.

¿Por qué la tensiones en el circuito en estrella son diferentes a las del delta?

Circuito en Las tensiones entre dos

fases no corresponden a la tensión de una fase:UL = 1,73 UStr

Las corrientes de líneacorresponden a las corrientes de fase:IL = IStr

Nota:

En el circuito en estrella, en los devanados,

las tensiones son menores y las corrientes En el caso de los equipos consumidores de corriente trifásica, de acuerdo con las normas, los orígenes de fase se designan con U1, V1, W1 y los terminales con U2, V2, W2. Debido a ello, en la práctica, en un circuito en estrella se presentan conexiones paralelas.

Los terminales de los devanados se conectan a un

Circuito en delta:




Las tensiones entre dos fases se encuentran directamente en las fases:UL = UStr

Las corrientes de línea se dividen,

respectivamente, entre las fases: IL = 1,73 IStr




En el circuito en delta, en los devanados, las

tensiones son mayores y las corrientes

menores.En la práctica, en un circuito en delta, se presentan conexiones paralelas.

Los terminales de fase de un devanado se conectan con el origen del próximo. No existe un punto medio y no se puede conectar un conductor neutro.

Motor con condensador

En muchos casos, debido a la sencilla y poco costosa conexión a la red de alimentación, se prefiere que las máquinas pequeñas tengan un diseño de máquina monofásica. Dado que las máquinas asíncronas, robustas y de precios módicos, necesitan un campo giratorio, éste debe generarse primeramente a partir de la red de alimentación monofásica. Un método sencillo para generar el campo giratorio aprovecha el desfase que se produce utilizando un condensador.

Junto a la corriente principal, se produce una corriente con desface en los llamados devanados auxiliares. Los dos campos magnéticos, proporcionales a las corrientes, se superponen formando un campo magnético rotatorio.




Pero también las máquinas de corriente trifásica normales, con tres devanados, pueden operarse con la alimentación de la red monofásica por medio de un condensador, de manera que su comportamiento corresponda al de un motor normal de corriente trifásica. El circuito más conocido que se emplea con este fin es el circuito Steinmetz.




Localización de fallos en máquinas de corriente trifásica, introducción

Un servicio con perturbaciones, o libre de ellas, se puede reconocer, o bien diferenciar, a partir de fenómenos concomitantes de distinta naturaleza. La disminución de la velocidad de giro, un funcionamiento inestable o incluso la parada de la máquina, son señales claras de perturbaciones.

En muchos casos, para las máquinas en régimen de marcha en vacío, no se puede percibir el fallo en lo absoluto. Únicamente bajo carga, o al aumentar la potencia, el fallo se torna reconocible. Lo mismo se aplica a los cortocircuitos en el devanado que sólo provocan problemas con conexión en delta o en estrella y que, de otra manera, pueden llegar a pasar desapercibidos. Un diagnóstico exacto de las perturbaciones del motor sólo se puede realizar bajo diferentes estados de carga, con diferentes conexiones o mediante pruebas adicionales de aislamiento.

¡Para la realización de los siguientes experimentos, es necesario poseer los conocimientos previos explicados en introducciones y experimentos anteriores!

Nota:Si tiene dificultades para ubicar los fallos, lleve a cabo diferentes mediciones con el circuito libre de ellos, para lo cual, manteniendo el montaje

experimental sin modificaciones, debe abandonar la página en donde se




analiza el fallo correspondiente, con lo cual éste se desactiva. Observedetenidamente el comportamiento del circuito libre de fallos y retorne luego a la página en donde el fallo está presente.

Monte un arreglo experimental y vaya luego a las "páginas de fallos".




III. EQUIPOS PARA LA PRUEBA:

1 computadora

Maquina conmutadora




Estator

Rotor tipo imán

IV. PROCEDIMIENTO:

Experimento 1: líneas de campo, fuerzas, generación del par de giro

Objetivo: En este experimento, al utilizar un imán

permanente montado sobre el rodamiento de bolas, se

demuestra la presencia de campos magnéticos al interior

del estator.




Inserte la tarjeta en el experimentador. Conecte el devanado U a la tensión fija de

5V. Monte el rotor de imán permanente en el estator. Para

ello solamente se necesita insertar el eje del rotor en el

rodamiento de bolas.

Trate ahora de girar el rotor 360 grados, una vez y de

manera uniforme. Describa a partir de las preguntas

concretas que a continuación se formulan lo que observa en

el rotor.

¿Percibe fuerzas de repulsión o de atracción?

Si, por motivo de la polaridad por el rotor de imán

¿Cuántos valores mínimos y máximos se observan en el par de giro?

2 como mínimos y 4 como máximo

Experimento 2: Rotación del rotor por "conexión"

En este experimento se aplican tensiones continuas a los

devanados del estator. Para ello se conecta una fuente de

tensión, a través de 3 relés, con los devanados del estator.




Monte el rotor de imán permanente en el estator.

Conecte la salida de masa de la fuente de tensión de 15V

con cada uno de los clavijeros ubicados a la derecha de los

relés 1, 2 y 3.

Conecte el polo positivo de la fuente de tensión de 15V

con cada uno de los clavijeros ubicados a la izquierda de

los relés 1, 2 y 3.

Conecte:

U1 con la toma central

del relé 3, V1 con la

toma central del relé 2 y

W1 con la toma central

del relé 1.

Conecte la máquina en estrella, con los tres conectores puente.

Experimento: Rotación de un imán permanente generada

por un sistema de corriente trifásica

En el siguiente experimento se demostrará que un

imán permanente gira sincrónicamente con un campo

magnético rotatorio.




Monte el siguiente arreglo experimental

Abra el instrumento virtual Alimentación corriente

trifásica en

el menú

Instrumentos \ Alimentación.

Ajústelo de la siguiente manera:

U = 6 V; f = 50 Hz; y oprima el botón POWER

Describa sus observaciones:

Mediciones en el generador trifásico

En este sencillo experimento, la máquina trabaja como

generador. El rotor de imán permanente gira, accionado

manualmente, e induce una tensión en el devanado del

estator, la cual se puede determinar por medio del

osciloscopio.




Equipe el estator con el rotor de imán permanente.

Observe que el tornillo moleteado se encuentre inserto en

el rotor, esto facilita el accionamiento manual.

El estator se cablea en estrella, pero no se conecta a la

red de alimentación. En lugar de ello, se mide con el

osciloscopio UniTr@in-I la tensión generada.

Por lo general, se obtiene un buen resultado con los

siguientes ajustes de osciloscopio:

Canal A: 2V/DIV

Canal B: 2V/DIV

Base de tiempo: 5ms/DIV

Experimento: Característica de control de una máquina asíncrona

En este experimento el motor operará con "control de característica", y se




ajustará de manera óptima la característica U vs. f.




Abra los instrumentos virtuales

Voltímetro A y amperímetro B en el

menú Instrumentos / Instrumento de

medición. Introduzca el valor del shunt

y ajuste el rango de medición correcto.

Abra el instrumento virtual

Control de motor en el menú

Instrumentos. Conectado en

estrella, la tensión nominal y la

frecuencia nominal del motor de

jaula de ardilla tienen un valor de

14V y 50 Hz.

Abra la ventana de la

característica con el botón U/f y

ajuste la frecuencia de corte de

la misma en 14V / 50Hz,

llevándola a la posición deseada

con la tecla oprimida tras

un click con el ratón.

Ajuste también la tensión inicial de la característica en 0 V

para la primera serie de mediciones.

El tiempo de rampa no ejerce aquí ninguna influencia y

debe mantenerse en 1 s. Pulse ahora el botón POWER.




Experimento: Inversión del sentido de giro

En este experimento se invertirá el sentido de giro del

motor permutando dos de sus fases. Para ello,

contrariamente a los experimentos anteriores, la máquina

no se conectará con conectores puente, sino que se

usará un cable para los devanados V y W, el cual se

intercambiará durante la ejecución del experimento.






Instrumentos.


característica con el botón U/f

y ajuste el punto de quiebre

de la misma a 14V / 50Hz.

Ajuste también la tensión

inicial de la característica a

6V.

Pulse el botón POWER.

¿Gira la máquina en sentido horario o antihorario?




Experimento: Transformador rotatorio con alimentación monofásica

En este experimento se determinará la relación entre

espiras y se comprobará cómo la tensión secundaria

depende de la posición del rotor.

Monte el siguiente arreglo experimental

Abra el instrumento virtual Alimentación de corriente trifásica en el menú

Instrumentos \

Alimentación. Ajústelo de la siguiente manera:

U = 10 V; f = 50 Hz; y pulse el botón POWER

Abra el instrumento virtual Osciloscopio en el menú

Instrumentos \ Instrumento de medición.



Ajuste los parámetros del


según su propio criterio.

Experimento: Cortocircuito en el rotor monofásico

Este experimento sirve de preparación para el tema: motor de anillos colectores.




Monte el experimento de acuerdo con la imagen. Al inicio,

no conecte el puente amarillo de cortocircuito al rotor.

Abra el generador de corriente trifásica en el menú

Instrumentos/Alimentación, y ajústelo a 5V / 50Hz.

¿Qué es lo que ocurre?

Cortocircuite el rotor con un puente corto. Describa sus

observaciones y trate de explicar lo que ocurre.

Operación en conexión delta

El experimento demuestra que la potencia de un motor

con rotor en cortocircuito o de una máquina sincrónica

conectada en delta, durante su operación con una fuente

variable de alimentación trifásica, se puede aumentar

considerablemente sin que se sobrepasen ni los datos

nominales ni los valores límite. Para ello se deben ajustar

los parámetros correctos.

Conecte la máquina en estrella:




En el menú Instrumentos, abra el Control de motor:

La tensión y la frecuencia nominales de

la máquina de rotor de jaula de ardilla

conectada en estrella tienen un valor de

14V y 50 Hz.

Abra la ventana de la característica con

el botón U/f y ajuste el punto de quiebre

de la misma a 14V / 50Hz, llevándolo a la

posición deseada con la tecla oprimida tras

un click con el ratón.

Ajuste también la tensión inicial de la característica, para la

primera serie de mediciones, a 0 V.

Pulse ahora el botón POWER. Antes de cada medición,

ajuste la frecuencia con las teclas grandes de “subir" o

"bajar". El tiempo de rampa no ejerce aquí ninguna

influencia y debe mantenerse en 10 s.

Conecte ahora la máquina en delta:

pág. AS-



Varíe en el control de motor la frecuencia de quiebre a

14V con 87 Hz. La tensión inicial será de 5,8V.

Experimento: Conexión del motor de corriente trifásica en circuito Steinmetz

El motor asíncrono de corriente trifásica, con rotor en

cortocircuito conectado en delta, se pone en marcha con la

red de corriente alterna monofásica, empleando un

condensador.

Monte el arreglo experimental. Durante el montaje, tenga

en cuenta que únicamente una fase de la máquina se

conecta al generador de corriente trifásica.



Instrumentos.

pág. AS-




característica con el botón

U/f y ajuste el punto de

quiebre de la misma en 14V /

50Hz, llevándolo a la

posición deseada con la




tecla oprimida tras un click con el ratón.

Ajuste la tensión inicial de la característica a 10 V.

Pulse ahora el botón POWER. El tiempo de rampa no

ejerce aquí ninguna influencia y debe mantenerse en 1 s.

Ajuste ahora la frecuencia a 50 Hz y describa lo que ocurre:


Osciloscopio en el menú

Instrumentos.

Canal A con 5V/DIV

a UU Canal B con

5V/DIV a UV, y a

continuación a UW

TIME/DIV con 5ms/DIV

Trigger A

Mediciones en el estator




Por medio de las siguientes mediciones se mostrará el

comportamiento de un devanado de estator bajo diferentes

frecuencias, y se determinarán los componentes del

diagrama de circuito equivalente.

Monte el siguiente experimento:




El devanado del estator U se conecta de manera monofásica a los terminales V1 y

COM del generador de corriente trifásica.

Con el voltímetro A se mide la tensión UU

en el devanado.

corriente IU del devanado.

En el menú Instrumentos / Alimentación, abra la

Alimentación de DC, y ajuste la amplitud (en el voltímetro

A) a 6V. Mida la corriente IU y copie el resultado en la casilla

correspondiente:




272 mA

Cuál es el valor de la resistencia del devanado R = U / I:




22 Ω

En el menú Instrumentos/Alimentación, abra la

alimentación de corriente trifásica, y ajuste la amplitud

(en el voltímetro A) en 6V. Ajuste la frecuencia f de acuerdo

con los valores de la tabla, y mida, para cada ajuste, la

corriente iU. Copie los resultados en la tabla:

A partir de los valores medidos, calcule la impedancia y

anote igualmente estos valores en la tabla.

Calcule la inductancia a partir de los valores medidos:

por tanto:

Inductancia: 25

mH




Mediciones en el motor de corriente trifásica en circuito delta y estrella

En el siguiente experimento, por medio de mediciones de

tensión y de corriente, se analizará la diferencia entre el

circuito en delta y en estrella.

Como se muestra en la imagen, el estator se conecta en

estrella. En la fase U se encuentra una resistencia de

medición para la corriente (shunt).

Abra el instrumento virtual Voltímetro A en el

menú Instrumentos \ Instrumento de medición.

Las corrientes y tensiones alternas se miden

como valor eficaz (RMS). La mayor precisión de

medida se consigue en los rangos de medición

pequeños, en donde no aparece ninguna




sobreexcitación. Ajuste los parámetros del

instrumento de medición según su propio criterio.

Abra el instrumento virtual Amperímetro en el

menú Instrumentos \ Instrumento de medición.



Anote el valor de la shunt en la casilla prevista para


parámetros del instrumento de medición según su propio criterio.

Mida la tensión de fases UU a través de U1-U2 y la corriente de fase IU.

Abra la alimentación de corriente trifásica y, empleando el

display de frecuencia y del voltímetro, ajuste los siguientes

valores:

f= 50 Hz, UU = 10V

Anote los valores medidos:

Tensión de fase UU =

7.8 V Corriente de fase IU.=

0.25 A

Calcule la potencia eléctrica aparente consumida:

PY = 3 * UU * IU =

5.85 VA



Anote el valor de la shunt en la casilla prevista para




Inserte los dos y la derivación shunt como se

7


imagen, de manera que el estator esté cableado en delta y repita las mediciones:

Tensión de fases UU =

V Corriente de fases IU.=

0.30 A

Calcule la potencia eléctrica aparente consumida por el circuito en delta:

P = 3 * UU * IU =

6.3 VA

Explique por qué varían las tensiones, corrientes y

potencias en el estator, aunque los ajustes del generador

no se hayan modificado:

Puesta en marcha de máquinas sincrónicas

El experimento muestra los problemas al arrancar una

m

áquina

s

incróni

ca y

d

escrib

e

m

edidas

para

s

olucio

na



Inserte los dos y la derivación shunt como se


rlos.



Abra el instrumento virtual de corriente trifásica en


Instrumentos /

Alimentación. Ajuste los parámetros 7 V / 1 Hz y pulse el

botón Power.

¿Qué ocurre? Trate de dar una

explicación. Gira más rápido

Desconecte el generador de corriente trifásica. Ajuste los parámetros 14 V / 50

Hz y pulse el botón Power para volver a encender la máquina.

¿Qué ocurre? Trate de dar una

explicación. No gira por motivo a tiene

mucha frecuencia Mediciones de

temperatura con diferentes corrientes

El experimento muestra la influencia de las corrientes del estator sobre la

temperatura del devanado.



Abra el instrumento virtual de corriente trifásica en


Experimento: Medición de temperatura




Conecte en estrella el rotor en cortocircuito, de acuerdo con la imagen.

Abra en el menú Instrumentos/Instrumentos de

medición el medidor de temperatura del motor. Anote la

temperatura del motor en frío.

(El motor puede encontrarse ya caliente por haber

sido empleado en experimentos precedentes. En tal caso,

anote por tanto esta temperatura.)

Tfrío =

35 °C

Abra en el menú Instrumentos/Alimentación el instrumento

virtual Alimentación de corriente trifásica. Realice un ajuste

de 14V y 10 Hz y encienda el motor. Observe la

temperatura durante dos o tres minutos y describa lo que

ocurre.

Reduzca ahora la tensión a 4V. ¿Qué ocurre con la

velocidad de giro y con la temperatura después de 2 a 3

minutos de espera?

Se vuelve más lento la velocidad.

¿Por qué es importante conocer la temperatura del motor?

Para poder sabes si se calienta el motor para poder identificar algún problema.

V. CONCLUCIONES:




Comprendimos el funcionamiento, el

comportamiento y el modo de acción de las más

comunes máquinas a corriente trifásica.

Se demuestro la presencia de campos

magnéticos al interior del estator.

Observamos la influencia de las corrientes del

estator sobre la temperatura del devanado.




Observamos el comportamiento de un devanado

de estator bajo diferentes frecuencias, y se

determinó los componentes del diagrama de

circuito equivalente.

Por medio de mediciones de tensión y de

corriente, se analizó la diferencia entre el circuito

en delta y en estrella.

VI. RECOMENDACIONES:

Tener cuidado al instalar el estator, el rotor.

Leer la teoría antes de empezar con la práctica.

Seguir las indicaciones del manual.

Usar bien el estroboscopio para tener una mejor

precisión en la medida de la velocidad de giro.

VII. BIBLIOGRAFIA:

SOFTWARE L @ Bsoft

(580620271) informe-8-de-me3

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