• Author / Uploaded
• carlcox

Citation preview

-

-

-

----------

-

-

--

'EYPE~~~j' {~~r~~~~

.'(O~N.EQU~POEILE(lR~(O WiI i Y De,Vito

Experimen

tos

• con equipo

eléctrico

THEODORE WILDI Pr-ofesor de Ingeniería Eléctrica Universidad I.Aval Quebec, Canadá

MICHAEL J. DE VITO Ingeniería de Proyectos, Buck Engineering Co. Ine. Ear mingdale, Nueva Jersey, U. S. A.

~LlMUSA NORIEGA

EDITORES

MÉXICO • España • Venezuela • Colombia /

'1

Título de la obra en inglés INVESTlGATIONS IN ELECfRlC TECHNOLOGY Lab Volt Educational Systerns Buck Engineering Co. Inc. Fanningdale, N. J .•

POWER

e

Versión en español: HORTENSIA CORONA R. DE CONTÍN Ingeniero de la Universidad de California, Berkeley Revisión: IGNACIO MONTERRUBIO BUSTlLLOS Ingeniero Mecánico Electricista de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México Profesor Titular de Máquinas Eléctricas y Circuitos Eléctricos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México La presentación y disposición en conjunto de EXPERIMENTOS EQUIPO ELÉCTRICO son propiedad del editor. Ninguna parte de esta obra puede ser reproducida o transmitida, mediante ningún sistema o método. electránico o mecánico (INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO, la grabación o cualquier sistema de recuperación y almacenamiento de información), sin consentimiento por escrito del editor.

eo

Derechos reservados:

e

1994, EDITORIAL LIMUSA, S.A. de C.V. GRUPO NORlEGA EDITORES Balderas 95, C.P. 06040, México, D.F. Teléfono 521-21-05 Fax 512-29-03 Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Registro número 121

Primera edición: 1975 Primera reimpresión: 1978 Segunda reimpresión: 1980 Tercera reimpresión: 1982 Cuarta reimpresión: 1984 Quinta reimpresión: 1985 Sexta reimpresión: 1987 Séptima reimpresión: 1989 Octava reimpresión: 1990 Novena reimpresión: 1991 Décima reimpresión: 1992 Decimaprimera reimpresión: Impreso en México (12866) ISBN 968-18-0569-0

1994

INTRODUCCION

La electricidad es la más flexible y versátil de todas las formas de energía existentes. ¿Quién no conoce sus numerosas aplicaciones tanto caseras, como industriales, ya sea para alumbrado, calefacción o propulsión de motores y otros dispositvos electromecánicos? Desde los tiempos de Volta, inventor de la primera pila eléctrica, y Tesla, quien ideó el primer motor de inducción, se han logrado grandes progresos en el aprovechamiento de la electricidad para suplir las energías y fuerza del hombre. Los generadores que convierten la energía mecánica en eléctrica y que se construyen actualmente, pueden producir más de 500,000 kilowatts. En cuanto a la conversión de la energía eléctrica en trabajo mecánico, hay una asombrosa variedad de motores que van desde el diminuto propulsor de una rasuradora eléctrica hasta el de un gigantesco ventilador de 20,000 caballos de potencia que impulsa aire a través de un túnel aerodinámico. Por lo tanto, no es sorprendente que la energía eléctrica y las máquinas eléctricas ocupen un lugar preponderante en todos los niveles de estudio de la tecnología industrial. Este manual está dedicado específícamente al tema de potencia eléctrica y al de los motores y generadores eléctricos.

Su objetivo principal es satisfacer tres necesidades: 1. Presentar los principios generales de la corriente directa y la alterna. 2. Mostrar la forma en que estos principios se aplican en el diseño y funcionamiento de los tipos más comunes de circuitos, máquinas y dispositivos eléctricos. 3. Comprobar estos principios y estudiar el comportamiento de experimentos de laboratorio.

de los motores y los generadores, a base

El método de presentación seguido en los Lab Volt EMS (Sistemas para la Enseñanza de Electromecánica) es único debido a su equipo modular y porque hace énfasis en que cada estudiante participe activamente en la ejecución de los experimentos y demostraciones. Se principia con la ley de Ohm y el tema se desarrolla progresivamente hasta abarcar los principios de los circuitos de c-d y e-a, la corriente monofásica y trifásica, los motores y generadores de c-d y e-a, el control de la velocidad y la regulación del voltaje, los transformadores, las conexiones de estrella y delta, y la intrumentación de potencia. Al final de cada experimento de Laboratorio hay una serie de preguntas y problemas que el estudiante debe resolver por sí solo ya sea en clase o en casa. Por 10 general, los temas se presentan en orden de dificultad creciente y, conforme se pasa de un experimento a otro, los ejercicios requieren conocimientos cada vez más avanzados y especializados. Uno de los mayores méritos de este manual estriba en la importancia dada a la demostración práctica de las teorías analizadas y en que no se requieren matemáticas avanzadas, 10 cual se ha logrado sin sacrificar el rigor técnico. El método seguido es experimental y directo, además tiene gran flexibilidad que permite adaptarlo a los requisitos de casi cualquier curso sobre Tecnología de potencia y sistemas electromecánicos. V

VI

LISTA DEL EQUIPO REQUERIDO MODELO 8110 8131 8150

DESCRIPCION

CANTIDAD

Consola móvil (o) Consola de mesa Gabinete fijo de almacenamiento (para 20 módulos completos) Motor CD/Módulo generador: motor de 120V e-d. l4 hp. 1800 rf miti generador de 120V e-d. 120W, 1800 r/min

8251

Módulo de motor monofásico de fase hendida con arranque por capacitor: l4 hp. 1715 r/min. 120V e-a, 1 Módulo de motor con funcionamiento capacitor: l4 hp. 1715 r/min. 120V e-a, 1

8254

Módulo de motor universal: lA hp. 1800 r/min. 120V, c-c/v , c-d

8255

Módulo de motor de inducción con arranque por repulsión: lA hp. 1580/1650 rf min, 120V c-a, 1

8221

Módulo de motor de inducción de jaula de ardilla: lA hp. 1670 rtmin, 120/208V, 3

8231

Módulo de motor de inducción de rotor devanado: lA hp. 1500 r/min. 120/208V, 3

8241

8821

Módulo de motor/generador sincrónico: motor de l4 hp. 1800 r/min. 120/208V, 3 generador de 120W, 1800 r/min. 120/ 208V,3

8321

Módulo de inductancia: Capacidad de carga 0-252 vat en escalones de 12 vars, tres secciones independic.ües, precisión del 5%, 1/3, 60 Hz

8341

Módulo de transformador: 60VA, 120/208/120V e-a, 1

8431

Módulo de vatímetro: 0-750W, O-lSOV, O-lOA

8441

Módulo de vatímetro trifásico (2) 0-300W, 0-300V, 0-2A

8425

Módulo medidor de CA: O-O.5/2.5/8A Coa,precisión del 2 % (2) 0-O.5/2.5/8/25A e-a, precisión del 2 %

8426

Módulo medidor de CA: O-lOO/250V e-a, precisión del 2 % (3)

8412

Módulo medidor de CO: 0-500mA c-d, 2 '10 de precisián 0-2.5/5A c-d, 2 % de precisión 0-20/200V c-d, 2 % de precisión

8621

Módulo de interruptor de sincronización: interruptor 3con lámparas

8731

Módulo de re6stato de control de velocidad: 3,coniunio de 0-16 ohms, 2A/por fase

9011

Módulo de RCS para el control de la velocidad: entrada -120V e-a, lOA, 1 salida -300W, 0-150V c-d, 0-2A c-d (operación de circuito cerrado o cirCt.!ito abierto)

1

1

1

..---------8920

Módulo del electrodinam6metro: 0-27 lb fuerza-plg

8331

Módulo de capacitancía: Capaci,Jad de carga - O a 252 var en escalones .le 12 vars, tres seccioneq independientes. Precisión del 5 %, 1/3, 60 H%

2

3

1

1

Módulo de la fuente de alimentación: entrada -120/208V, 15A, 3 (4 cables más tierra) -120/208V, 15A, 3 salida 120V, 15A, 1 (fija) 120V c-d, 2A salida -0-120/208V, 5A, 3 (variable) 0-l20V, 5A, 1 0-120V c-d, 8A voltímetro -0-250V e-a V c-d

8911

CANTIDAIl

Módulo de resistencia: Capacidad de carga O a 252W en escalones de 12W, tres secciones independientes, precisión del 5 %, 1/3/c-d

1

por

DESCRIPCION

8311 2

8211

8253

MODELO

---- -- -- -----_ ..--------- ._--- --- -------------- ---"--- --Tacómetro manual: 0-10,000 r/min (tipo de precisión)

8941

Juego de cables de conexión: 28 cables de clavija tipo banana 15 amp, operación continua

8942

Banda

Otros:

ohmímetro

2

1

VII

SIMBOLOS

y ABREVIATURAS

Algunos símbolos y abreviaturas usadas en este manual pueden ser nuevos para el estudiante, aunque por lo general, los Sistemas Educativos Lab-Volt han adoptado los "Símbolos de letras para unidades" sin aparecer en el IEEE Standard Number 260jUSA Standard Number YlO, 19, de fecha del 18 de octubre de 1967. Lab-Volt optó por adoptar tal simbología, después de estudiar minuciosamente las listas de abreviaturas y glosarios publicados por el Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica (IEEE), Y después de comprobar que coincide en casi todos los aspectos con las recomendaciones de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) y con los trabajos actuales de la Comisión Internacional Electrónica (IEC). A continuación se da una lista de los símbolos y las abreviaturas usadas en este manual. Cada símbolo derivado de un nombre propio principia con una letra mayúscula. Las abreviaturas y símbolos no se pluralizan. corrien te alterna

e-a

farad

F

American wire gauge (calibres)

AWG

pie

pie,

ampere

amp, A

frecuencia

f

ampere (instantáneo)

a

mayor que

>

ampere-vuelta

Av

tierra

tierra

potencia aparente

VA

henry

H

hertz

Hz

voltaje aplicado

I

promedio

prom.

caballo de potencia

hp

Unidad térmica británica

BTU

hora

h

capacitancia

C

impedancia

Z

reactancia capacitativa

x,

pulgada

plg "

en el sentido de las manecillas del reloj

esrnr

inductancia

L

coseno

cos

inductancia-capacitancia

LC

coulomb

C

kilohertz

kHz

en el sentido contrario a las manecillas del reloj

esemr

kilohm

fuerza contraelectromotriz

FCEM

kilovar

kvar

corriente

1

kilovolt

kV

ciclos por segundo

Hz

kilovoltarnpere

kVA

decibel

dB

kilowatt

kW

grados Celsius

wilowatt j hora

kWh

grados Fahrenheit

menor que


. Determinación de las características de arranque del motor síncrono trifásico.

EL ALTERNADOR

Cómo se sincroniza un alternador al sistema de servicio eléctrico. Cómo influyen en el proceso de sincrouización una secuencia de fase inadecuada, el control de frecuencia deficiente y malas condiciones de faseo.

DE JAULA DE

La estructura de un motor trifásico de jaula de ardilla. Determinación de sus características de arranque, en vacío y a plena carga. 53

58

DE ROTOR

Observación de las características del motor de inducción de rotar devanado, en condiciones de vacío y de plena carga. Observación del control de velocidad mediante el uso de una resistencia externa variable. 52

TRIFASICO

Determinación de las características de regulación de voltaje del alternador con cargas resistiva, capacitiva e inductiva. Observación del efecto que producen cargas no balanceadas en. el voltaje de salida.

DE ROTOR

Determinación de las características de arranque del motor de inducción con rotar devanado. Estudio de las corrientes del rotar y el estator a diferentes velocidades del motor. 51

57

DE ROTOR

Análisis de la estructura de un motor trifásico de inducción de rotar devanado. Estudio de 19s conceptos de corriente de excitación, velocidad síncrona y deslizamiento en un motor trifásico de inducción. Estudio de los efectos que producen el campo giratorio y la velocidad del rotar en el voltaje inducido en el rotar. 50

EL ALTERNADOR

Cómo obtener la curva de saturación en vacío del alternador. Cómo obtener las características de corto circuito del alternador.

DE TRANSFORMADORES

Conexión de transformadores en delta y estrella. de las relaciones de corriente y voltaje. 49

56

TRIFASlCA

Medición de la potencia en un circuito trifásico utilizando el método de los dos vatímetros. Determinación de la potencia activa y reactiva, y el factor de potencia de un sistema trifásico. I 48

Determinación de la característica a plena carga del rnotor síncrono. Determinación del par de fuerza de salida del motor síncrono.

TRIFASICOS

Determinación de la potencia aparente, real y reactiva de los circuitos trifásicos Cómo calcular el factor de potencia en circuitos trifásicos.

47

PARTE III

TRIFASICOS

Estudio de la relación entre el voltaje y la corriente en los circuitos trifásicos. Cómo hacer conexiones en delta y estrella. Cómo cálcular la potencia en circuitos trifásicos. 46

EL MOTOR SINCRONO,

de velocidad, con ciclo

RCS, PARTE 11

Estudio de un control electrónico cerrado para motor de codo

de velocidad, con ciclo

XIII

.'

"r

"

'~

". '

,.,:- de 120/208 volts.

O 5. a) Ponga el selector del voltímetro en la posición 7-N y conecte la fuente de energía moviendo hacia arriba la palanquita del interruptor, es decir a la posición "on", que significa "conectado".

Terminales 1 Y 2

=

---------------Ve-a

Terminales 2 Y 3

=

----------------V e-a

Terminales 3 Y 1

=

----------------V c-a

Terminales 1 YN

= --------------Ve-a

Terminales 2 Y N

= ----------------V e-a

Terminales 3 y N

= ----------------Ve-a

O e) ¿Cambiará alguno de estos voltajes cuando se hace girar la perilla de control?

O b) Haga girar la perilla de control del autotransformador 34> y observe cómo aumenta el voltaje. Mida . y anote el voltaje máximo y el mínimo de salida en c-d, según lo señale el voltímetro del aparato. V c-d

..

mmlmo

= --------

V c-d

.,

maxlmo

o

-----

O e) Baje el voltaje a cero haciendo girar la perilla de control en sentido contrario al de las manecillas del reloj, hasta el fin.

9. a) Ajuste el selector del voltímetro a la posición S-N. O b) Conecte la fuente de energía. O e) Mida y anote el voltaje. Terminales S y N

O 6. a) Coloque el selector del voltímetro en la posisición 4-N.

= ----------------V cd

o

d) ¿Cambiará este voltaje si se hace girar fa perilla de control? .

O b) Haga girar la perilla de control y vea cómo aumenta el voltaje. Mida y anote los voltajes máximo y mínimo de salida en e-a, según lo indique el voltímetro del aparato. V c-a mmlmo •.

V e-a...... ",aXlmo

-

=

o

O

e) Reduzca nuevamente el voltaje a cero y desconecte la fuente de energía cambiando el interruptor maestro a la posición "inferior".

O 7. ¿Qué otros voltajes se modifican cuando se hace girar la perilla de control? Terminales

y

Terminales

y

Terminales

,

---

= --=---V y

V

c-a

e) Desconecte la fuente de energía.

O lO. Para cada una de las siguientes posiciones del selector del voltímetro.

O a) Conecte la fuente de energía y haga girar la perilla de control hasta el fin siguiendo el movimiento de las manecillas del reloj. O b) Mida y anote el voltaje. O e) Vuelva el voltaje a 'cero y desconecte la fuen- . te de alimentación.

c-a =

V c-a.

Terminales 4 Y 5

=

Terminales 5 Y 6

-----------V

e-a

08.

Para cada una de las siguientes condiciones:

Terminales 6 y 4

= -----------V e-a = ---------------Ve-a

O

Conecte el medidor de 250V e-a entre las especificadas. Conecte la fuente de alimentación. Mida y anote el voltaje. Desconecte la fuente de energía.

Terminales 4 Y N

= ------------V

a) terminales O b) O e) O d)

4-6

Terminales

5 YN

Terminales 6 y N

= -------

c-a

V c-a

= -------------V c-a

Experimento

de laboratorio

NQ 4

EXPERIMENTO LABORATORIO

DE NQ 5

LA LEY DE OHM

5-1

OBJETIVO 1.

Aprender la ley de Ohm y sus diversas formas.

2.

Familiarizarse con los voltímetros y los amperímetros de e-d.

EXPOSICION La resistencia eléctrica es la oposición que existe al flujo de la corriente en un circuito, y depende de muchos factores. El alambre de cobre, aunque se considera un buen conductor de corriente eléctrica, presenta cierta resistencia. Un físico alemán, George Simon Ohm (1787-1854), descubrió que para un conductor metálico dado, de una longitud y corte transversal específicos, la relación entre el voltaje y la corriente era una constante. Esta relación se conoce como resistencia y se expresa en la unidad ohm, denominada así en su honor.

tituía un movimiento de cargas a lo largo de un conductor. El sentido del flujo de la corriente no se pudo determinar y, desgraciadamente, se convino en forma arbitraria que fuera desde un cuerpo de carga 'positiva hacia otro de carga negativa (positivo a negativo), y este acuerdo se estableció tan firmemente, que sigue en vigencia hasta nuestros días. Así pues, la dirección convencional o dirección positiva del flujo de la corriente, es siempre de positivo a negativo. aunque se sabe ahora que la dirección del flujo electrónico, que en realidad constituye una corriente eléctrica, va de negativo a positivo. Los sistemas de energía eléctrica de los que este programa forma parte, utilizan el "flujo convencional de la corriente" para la corriente eléctrica. En este sistema "convencional", la corriente va de la terminal positiva a la negativa. El volt es la unidad de la presión o el potencial eléctrico, y se mide con un voltímetro. Los voltímetros poseen una alta resistencia eléctrica y siempre se conectan en paralelo con un circuito o componente, por ejemplo, una resistencia. Vea la Figura 5-1.

La Ley de Ohm se considera a menudo como el fundamento del análisis de circuitos y se puede expresar mediante la fórmula: R=

-.E 1

....••... +

-

en donde, E

=

R

la diferencia de potencial entre los dos extremos de un elemento de resistencia (que se mide en volts). la corriente eléctrica que pasa por dicho elemento de resistencia (que se mide en amperes).

1

=

VOLT5

5,

(1)

la resistencia del mismo elemento (que se mide en ohms).

-

R,ll

CZJ Q ----.J

-)

EL VOLTIMETRO SE CONECTA EH .pARALELO A LA RESISTEHCIA DE CARGA R1

Figura 5-1

Existen otras dos formas útiles que se pueden derivar de la ecuación (1), y son:

E

l=

E

=

R IR

(2)

(3)

Para producir una corriente, primero debe existir un voltaje en la resistencia. Los primeros experimentadores en este campo, reconocieron el hecho de que una corriente eléctrica cons-

5-2

Cerciórese siempre de que las polaridades Concuerden con las marcadas en las terminales del medidor, a fin de obtener una lectura positiva (escala arriba). Si se invierten las conexiones, la aguja se desviará en la dirección negativa. El ampere es la unidad de la corriente eléctrica y se mide con un amperímetro. Los amperímetros tienen una baja resistencia interna y se conectan en serie con el circuito o el componente, por ejemplo, una resistencia. Vea la Figura 5-2.

Experimento

de laboratorio NQ 5

c::LJ 5,

o 4.

¿Es mucho mayor la resistencia interna del voltímetro que la de los dos medidores de corriente?

AMPERE5

+ ¿Puede explicar por qué?

+

R,

EL AMPERIMETRO SE CONECTA EN SERIE CON LA RESISTENCIA DE CARGA R1 Figura 5-2

o 5.

Las mismas observaciones que se hicieron respecto a la polaridad del voltímetro se aplican al amperímetro. La polaridad se debe mantener para obtener la deflexión adecuada de la aguja. INSTRUMENTOS Y EQUIPO

Módulo de fuente de energía (0-120Ve-d) Módulo de resistencia Módulo de medición de CD (200V, 500mA, 2.5A) Cables de conexión Otros:

EMS 8821 EMS 8311 EMS 8412 EMS 8941 Ohmímetro

Use los Módulos EMS de Resistencia, Medición de CD y Fuente de Energía, para conectar el circuito ilustrado en la Figura 5-3. Tenga sumo cuidado al establecer las polaridades. Cerciórese de que el interruptor de alimentación esté abierto, la lámpara indicadora en-off esté apagada y que a la perilla del control del voltaje variable de salida se le ha dado toda la vuelta en sentido contrario al de las manecillas del reloj. El interruptor del voltímetro de la fuente de energía debe estar en la posición de CD y, además, deberá indicar cero volts. (7 es la terminal positiva y N la negativa para la salida de voltaie en c-d de la fuen-

te de energía.) 0-500mAc·d

+ PROCEDIMIENTOS Advertencia: ¡En este Experimento se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! iDebe desconectar la fuente después de realizar cada medición!

300.1\.

- N~--------------4-------~

o

1. Use el ohmímetro para medir la resistencia entre las terminales del voltímetro de 200V e-d.

o 6.

=

R

o 2.

_ohms Mida la resistencia del amperímetro de 2.SA

e-d.

R

=

o 3.

ohms Mida la resistencia del miliamperímetro

500mA codo R=

Figura 5-3

----

de

Conecte la fuente de energía y haga girar lentamente la perilla de control del voltaje de salida (en el sentido de las manecillas del reloj) hasta que el voltímetro de 0-200V c-d conectado a la carga de 300 ohms indique 20V e-d. El miliamperímetro de 0-500mA c-d indicará la corriente que pasa por el circuito. Anote este valor en el espacio correspondiente de la tabla. Haga lo mismo para los diferentes voltajes que se indican en la Tabla 5-1. Reduzca el voltaje a cero y desconecte el interruptor de la fuente de energía. (No desconecte el circuito.)

ohms

Tabla 5-1 La Ley de Ohm

5-3

300 Con UoI

= UoI A..

~ -e 200 ::::i ~ % UoI

100

o

20

40

60

80

120

100

E EH VOUS Figura 5-4

D 7.

Grafique las corrientes anotadas (a los voltajes indicados) en la Tabla 5-1, sobre la gráfica que aparece en la Figura 5-4. D 8. Trace una curva continua por los puntos marcados. ¿Es directamente proporcional la corriente al voltaje (se duplica, triplica, etc., la corriente cuando el voltaje se duplica, triplica, etc.)?

o

ll. A continuación deberá comprobar que la forma alternativa de la ley de Ohm (I EfR) es válida. Use el mismo circuito de la Figura 5-3. Conecte la fuente de energía y ajústela a 90V c-d, de acuerdo con la lectura que aparezca en el voltímetro conectado a la resistencia de 300 ohms. Mida y anote la corriente que pasa por esta resistencia.

=

=

Imedida

--------------A

c-d

D 9.

Reduzca el voltaje a cero y desconecte el interruptor de la fuente de energía.

Tabla 5-2.

¿Es I

Con los valores de I y E de la tabla que aparece en el Procedimiento 6, calcule las relaciones de EfI correspondientes a cada caso. Anote sus cálculos en la

::.i¡:¡:í::·:¡:~:::¡:!:·¡·¡¡(:::¡~¡¡:':::.: ¡::l:l:¡~g:··.!·!·:¡¡¡::!.!~R·