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Laboratorio Nº 3: Formación de Campos Magnéticos en Máquinas Rotativas

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú

I. OBJETIVOS El presente laboratorio tiene como finalidad los siguientes puntos: - Analizar las características de un campo magnético formado en el entrehierro de una máquina rotativa cuando sus devanados son excitados con corriente continua o con tensiones alternas trifásicas.

De las especificaciones técnicas de la Maquina Student: P: Número de polos=2 Z: Número de conductores en serie del rotor: 18x9 R: Radio del Rotor= 12.446cm L: Longitud axial del Rotor Se trabajó con una velocidad de 3600RPM Remplazando los datos del laboratorio:

II. EQUIPOS A UTILIZAR - 01 Máquina Eléctrica Student. - 01 Autotransformador trifásico (o grupo convertidor). - 01 Fluke para la observación de forma de onda. - 01 amperímetro de pinza DC. - 01 amperímetro de pinza AC. - 02 multímetros. - 03 reóstatos de (0 - 200, 0 - 500, 0 - 550)Ω.

III. CUESTIONARIO 4.2. A partir de las mediciones efectuadas en el apartado 3.1.1.4. Deducir la magnitud máxima de la inducción magnética en el entrehierro (tomando como base cada valor de tensión inducida). Hacer lo mismo a partir de la distribución de fuerza magneto motriz y compararlas. A partir de las tensiones inducidas:

V(RMS) 104.7V 218.5V 331.9V 356V 371V 383V

Bmax del entrehierro (T) 0.00974 0.02033 0.03088 0.03312 0.03451 0.03563

A partir de la Fuerza magneto motriz:

Reemplazando:

E=K*Φw

Donde

Remplazando

De las especificaciones técnicas P: Número de polos=2 N: Número de conductores en serie del estator: 5x60 lg: Longitud del Entrehierro: 1mm

Reemplazando las mediciones realizadas durante el desarrollo del laboratorio I estator rms (A)

Bmax entrehierro (T)

0.5

0.538

1

1.075

2

2.15

2.5

2.69

3

3.22

3.5

3.76

De esta manera se deduce que la magnitud de inducción máxima también corresponde a la máxima intensidad de corriente continua en el estator. Aunque la última relación contiene al término no lineal ‘μ’, el producto con ‘I’ es siempre creciente, por lo que no alterará la respectiva correspondencia de valores máximos de ‘B’ e ‘I’. 4.3. Para un valor de corriente de excitación, calcular la energía magnética almacenada en el entrehierro a partir de los datos tomados en (3.1.1.4) y a partir de la expresión para . Comparar los valores encontrados para las magnitudes de las inductancias magnetizantes (Lm). Considerar para los cálculos solo los armónicos fundamentales de la distribución de flujo.

Se sabe que las corrientes trifásicas están desfasadas: 𝑖𝑎 = 𝐼𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡), 𝑖𝑏 = 𝐼𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡 − 120°), 𝑖𝑐 = 𝐼𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡 − 120°) Sus fuerzas electromotrices con respecto a un punto de orientación ‘θ’ serán: 𝐹𝑎 = 𝐹𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡) cos(𝜃), 𝐹𝑏 = 𝐹𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡 − 120°) cos(𝜃 − 120°), 𝐹𝑐 = 𝐹𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡 + 120°) cos(𝜃 + 120°) 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 =

Entonces, tomando θ = 0 y cte. para facilitar los cálculos: 𝜑= = cos(𝑤𝑡) 𝑒 = −𝑁 𝑑𝜑 𝑑𝑡 =

𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡)

Caso 3.2.3: Excitación con tensión alterna en un devanado trifásico estacionario. Se sabe: 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 =

𝐹𝑐𝑜𝑠(𝑤1 𝑡 − 𝜃)

𝜃 = 𝑤2 .𝑡 Donde:

𝑤1: 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑟𝑖𝑓á𝑠𝑖𝑐𝑎 𝑤2: 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 Se sabe: 𝜑 = Φ cos((𝑤1 − 𝑤2 )𝑡) 𝑒 = −𝑁

Sabemos que:

𝐹𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡 − 𝜃)

= (𝑤1 − 𝑤2 )NΦ𝑠𝑒𝑛((𝑤1 − 𝑤2 )𝑡)

Entonces, si w1 = w2, no sólo se obtiene frecuencia igual a cero, sino que la f.e.m. inducida también será cero.

Entonces

Reemplazamos el valor de Lm en el de energía y tenemos: W1=11.1096 BmaxI Por otro lado tenemos: W2=½BHVol el volumen es igual a: Vol=5.314x10-5m3 Finalmente tenemos: W2=2.6574x10-5BH 4.4 Determinar analíticamente la formación de la onda de f.m.m. giratoria en el entrehierro, para los casos de 3.2.1, 3.2.2 y 3.2.3 Caso 3.2.1: Excitación con tensión continúa en un devanado retórico en movimiento. 𝜑= cos(wt) Sabemos que el flujo es: 𝜑 = 𝐵𝐴 = 𝐾.𝜇 cos(𝑤𝑡) 𝑒 = −𝑁 = 𝑁(𝐾𝜇 )(𝑤)𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡) 𝑒 = −𝑁

= 𝐾′

𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡)

Caso 3.2.2: Excitación con tensión alterna en un devanado trifásico estacionario.

3.4.1. Respecto al apartado 3.2.3.2 ¿se alteraron los valores registrados al cambiar la secuencia de fases de la alimentación? Explique Al realizar las 3 pruebas, se obtuvieron una serie de conclusiones, en la primera en la primera prueba se realizó bajo una velocidad de 0 RPM y obtuvimos valores de frecuencia y tensión. En la dos siguientes pruebas fueron con velocidades de 1800 RPM una en el mismo sentido y otra en sentido contrario, de la cuales se observó que en el primer caso las tensiones y frecuencias se suman, mientras que en la otra experiencia se restan. 4.5. ¿De qué depende la velocidad del campo giratorio producido al excitar un devanado polifásico? La velocidad de campo giratorio tiene una relación rígida con la frecuencia y con su número de polos: S = 120 f: Frecuencia (Hz) p: Número de polos

4.6. Si el arrollamiento polifásico no es balanceado. ¿Se produce un campo giratorio? Explique. Sí se produciría un campo giratorio, si bien lo que busca el arrollamiento polifásico balanceado es obtener una distribución espacial del campo magnético de tipo sinusoidal, el campo magnético que el arrollamiento polifásico no balanceado va a ser de tipo giratorio. Sin embargo este tipo de arrollamiento no es recomendable puesto que puede dar origen a ciertos fallos. 4.7. Si el arrollamiento fuese monofásico ¿Qué fenómeno ocurre? Los motores monofásicos asíncronos o también llamados motores monofásicos de inducción son las máquinas de impulsión eléctrica más utilizadas por su sencillez, seguridad y costo. La denominación “motor pequeño” se aplica a motores de potencia inferior a un caballo de fuerza, es decir, menor a un HP. También llamado motor de potencia fraccional y casi la totalidad de los motores monofásicos son de potencia fraccional. Aun cuando, se fabrican en potencias enteras normalizadas: 1.5, 2.5, 5, 7.5 y 10 HP tanto para tensiones de 115, 230 e incluso 440 volt para las potencias de 7.5 y 10 HP El motor monofásico de inducción es inferior al motor de inducción trifásico. Tiene un factor de potencia más bajo y menor rendimiento. Estos motores también presentan una gran desventaja, puesto que hay una sola fase en el bobinado del estator, el campo magnético de este motor no gira , en cambio, pulsa, al principio con gran intensidad que va disminuyendo luego, pero permaneciendo en la misma dirección. Como no hay campo magnético giratorio en el estator, un motor de inducción no tiene momento de arranque. Si el rotor está detenido, se obtendrá un campo magnético pulsante. Si el rotor se encuentra en movimiento, el campo magnético será visto por el estator como un campo magnético giratorio. 4.8. Explicar a que se deben las deformaciones vistas en la onda sobre el fluke Las pequeñas deformaciones en las ondas generadas en general se deben a la no linealidad de las cargas, a las soldaduras eléctricas y a arcos eléctricos por conexiones o contactos eléctricos defectuosos. 4.9. Dar 3 o más conclusiones acerca de la experiencia  Se comprobó experimentalmente el uso de las resistencias tanto de armadura como de campo para poder controlar la velocidad del motor haciendo que este se estabilice en un valor necesitado para la experiencia, cabe resaltar que el valor fue calculado mediante un voltímetro y no con el uso del tacómetro.  El uso de los instrumentos analógicos fue de importancia debido a su fácil manejo para

calcular los datos requeridos, como la corriente necesaria. Con lo cual se concluye que es de gran necesidad en la industria actualmente a pesar de contar con instrumentos digitales; estos también son de bajo costo.  Haciendo el cableado correspondiente se logró comprobar experimentalmente lo hecho en clases de Maquinas Eléctricas la generación de los campos magnéticos giratorio, estático y pulsante. IV. OBSERVACIONES  Al momento de utilizar el reóstato y para una determinada posición comenzó a salir chispas debido a la disipación de energía, también las cerdas del reóstato están malgastadas lo cual dificultaba al realizar las mediciones al momento de variarlas.  Si bien la medición de la velocidad se pudo realizar usando el tacómetro, se optó por usar un multímetro y en base a la medida obtenida, obtener la velocidad de giro ya que es proporcional con el voltaje.  Al momento de realizar las mediciones con las corrientes correspondientes, se necesitaba mover la resistencia variable, sin embargo, esta se encontraba defectuosa con lo cual se saltó de un valor a otro y no conseguimos seguir con la escala de 0.5 A por medición.