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• Diego Vinueza

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA LABORATORIO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS

Informe No: 11 TEMA: GENERADOR DC CON MOTOR DE INDUCCION SLIP RING.

Jonathan Corella NRC: 2640 Fecha de entrega: 2015-02-13 TEMA: INDUCCION SLIP RING.

GENERADOR DC CON MOTOR DE

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA OBJETIVOS:

   

Analizar la gráfica con los datos obtenidos durante la práctica. Identificar los elementos de un generador DC y las principales características de funcionamiento. Medir las características del voltaje ascendente y descendente en un circuito abierto del generador DC en la configuración en excitación independiente. Comprobar el comportamiento de un generador DC, el cual esta alimentado por un motor Slip Ring y calcular eficiencias, deslizamientos y regulación.

EQUIPO: 1) Realizar las conexiones según el circuito de la Ilustración 1.

Ilustración 1.-Circuito de la práctica

2) 3) 4) 5)

Energizar el circuito de excitación del motor de inducción. Colocar el conmutador OYD en la posición Y. Arrancamos sin carga, con velocidad angular W1 constante de 1800 rpm. Incrementar V1 a partir de 10 V hasta 110V con pasos de 10 V.

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA 6) Tomar datos de la corriente IF. (Ver Tabla 1) 7) Fijar en 110 V. 8) Cerrar S1. 9) Aumentar Ic desde 0,5 A hasta 4 A en pasos de 0,5. 10) Tomar datos del torque T, el voltaje Ea, la potencia P y la velocidad angular W1. (Ver Tabla 2) 11) Con el conmutador cambiar de Y a 0, se apaga el sistema.

MARCO TEORICO:

Generador eléctrico Es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.)

Principio de funcionamiento El generador de cd basa su funcionamiento en el principio de inducción electromagnética de Faraday, la cual establece que si hacemos girar una espira en un campo magnético se produce una f.e.m. inducida en sus conductores. Conforme gira la espira, se produce una FEM en las terminales de la misma, esta tensión aparece entre las escobillas y por consecuencia se transmite a la carga Laboratorio de Máquinas EléctricasPágina 3

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La diferencia de potencial obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter senoidal, durante la primera mitad del ciclo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo. Para rectificar la corriente alterna inducida en el devanado del rotor, se remplazan los anillos rozantes por un conmutador, de esta forma el voltaje inducido en las escobillas pulsa pero no cambia de polaridad. Debido a la polaridad constante en las escobillas, esta máquina de cd recibe el nombre de generador de cd o dínamo.

Construcción del generador de DC. La máquina de corriente directa puede funcionar como generador y/o como motor, por lo tanto su construcción es la misma independientemente de su funcionamiento y solo la forma de excitación determina si trabaja como motor o generador. Las partes principales de una máquina de cd son: o o o o o o o o o

Tapas frontal y superior. Carcasa. Devanado de Armadura o inducido. Rodamientos. Eje o flecha. Devanado de campo o inductor. Conmutador Escobillas. Portaescobillas.

En la figura se indican algunas de estas partes principales.

Devanado de campo El devanado de campo también denominado Inductor o estator, es el responsable de producir el campo magnético Laboratorio de Máquinas EléctricasPágina 4

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA principal en la máquina. Está conformado básicamente por un electroimán montado en piezas polares para formar el estator electromagnético (En motores pequeños el campo puede ser formado por imanes permanentes).

Los devanados de campo y las piezas polares son colocados en la carcasa.

Armadura La armadura es la parte rotatoria de un generador de cd, de ahí que también muchas veces se le llame rotor o inducido. Va montada en un eje y gira entre los polos de los devanados de campo. Esta construida sobre el eje o flecha, núcleo, devanado y conmutador. Los devanados de armadura usualmente son montados de tal forma que se colocan en las ranuras del núcleo. Escobillas Las escobillas son las que se encargan de trasmitir el voltaje generado a las cargas. Están colocadas en los lados del conmutador. Están hechas de carbono y grafito. Están sujetas a la estructura del estator de forma tal que mediante muelles o resortes se asegura que las escobillas mantengan un contacto firme con las delgas del colector. Conmutador El conmutador junto con las escobillas son los responsables de hacer llegar la tensión generada a las cargas. Está constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, conocidas como delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El conmutador tiene tantas delgas como bobinas posee la armadura de la máquina.

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA Configuraciones del Generador DC Dinamo independiente: Necesita de fuentes externas para la excitación.

Ilustración 2.-Excitación separada o independiente



Dinamo autoexcitado: Es la que no necesita de una fuente externa para producir la FEM.

Ilustración 3: Configuración de autoexcitación1

Entre ella tenemos:    



Dinamo serie: Se le llama así porque el bobinado inductor está conectado en serie con el bobinado inducido y con los receptores no genera sin carga. Dinamo paralelo: Se le llama así porque el bobinado inductor se encuentra paralelo con el bobinado inducido. Bobinado de muchas espiras y alambre delgado, contrario al dínamo serie. Dinamo compuesto: Está formado por dos bobinados, uno en paralelo y otro en serie con el mismo: Aditivo: Es cuando se suman el flujo del bobinado paralelo con el flujo del serie ya que están bobinados en el mismo sentido. En vacío la dinamo compuesta funciona como un paralelo porque sin carga el bobinado serie se encuentra fuera de servicio y no lo recorre ninguna intensidad. Sustractivo: La diferencia de la dinamo compuesta es que sus flujos se restan ya que sus bobinados están en sentido contrario. 2

1 http://generadoreselectricos.info/informacion-basica/ Laboratorio de Máquinas EléctricasPágina 6

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA Motor Slip Ring El motor Slip Ring, es un motor de inducción dónde el rotor comprende un juego de rodillos que se terminan en sliprings que pueden conectarse las impedancias externas. El estator es igual que se usa con un motor de jaula de ardilla normal.

Ilustración 4.-Motor Ring del rotor, los speed/current y Cambiando la impedancia conectada al Slip circuito curvas del speed/torque pueden ser alteradas.

El motor Slip Ring se usa para empezar una carga de inercia alta o una carga que requieren una torsión de arranque muy alta por el rango de velocidad lleno principalmente. Un uso secundario del motor Slip Ring, es proporcionar un medio de mando de velocidad. El motor Slip Ring tiene dos partes distintamente separadas, el estator y el rotor. El circuito del estator se tasa como con un motor de jaula de ardilla normal y el rotor se está en el voltaje del marco y corriente del cortocircuito. El voltaje del marco es el voltaje del circuito abierto cuando el rotor no está girando y da una medida de la proporción de los giros entre el rotor y el estator. La corriente del corto circuito es la corriente que fluye cuando el motor está operando a toda velocidad con los anillos del Slip (el rotor) puso en cortocircuito y se aplica la carga llena al árbol de motor. El motor de anillos rozantes se alimenta con tres fases, el rotor siempre debe estar conectado a una carga o debe estar en corto, de otro modo no funcionara debido a que no existe ninguna corriente en el rotor. Se pueden realizar las siguientes conexiones: DELTA: Las Tres bobinas del estator se conecta en triangulo y se conectan las tres fases del alimentación a los puntos de unión de las bobinas. Los tres terminales del rotor van conectado a un reóstato o en corto.

2 http://flsfke.blogspot.com/2012/11/generadores-dc.html Laboratorio de Máquinas EléctricasPágina 7

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA ARRANQUE DE LA MÁQUINA DE ANILLOS ROZANTES Dentro de los motores que tienen anillos rozantes, se encuentra el motor trifásico con rotor bobinado, el cual, en su funcionamiento es similar a un motor trifásico de inducción con rotor en corto circuito, con la diferencia de que, como su nombre lo indica el rotor esta bobinado y este puede ser bifásico o trifásico. Este motor está conformado por: 1. El bobinado del estator 2. El bobinado del rotor: con una conexión en estrella interna y sus tres terminales al exterior por medio de tres anillos colectores que realizan el contacto por medio de escobillas. 3. Anillos colectores

Ilustración 5.-Motor Slip Ring

TABULACIÓN DE RESULTADOS: Tabla 1.-Datos del Generador DC sin carga.

Ea(V) I2(A) 0 0 12 0,05 20 0,1 30 0,19 40 0,25 50 0,3 60 0,35 70 0,43 80 0,5 90 0,6 100 0,77 110 1,1

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA Tabla 2.-Datos del generador DC con carga.

V1(V) 95,1 95 90 85 8 76

I1(A) 1,95 1,95 2 2,05 2,1 2,11

P1(W)

I3(A)

510 540 585 630 690 705

1,8 2 2,5 3 3,5 4

ω(rp τ(Nm m) ) 1550 1550 2,35 1500 2,6 1450 2,8 1440 3,2 1400 3,4

CUESTIONARIO:

1. Grafi car Ea vs I de carga, V1 vs I3, W vs I3 y Torque vs I3.

Ea vs I carga(I2)

Ea vs I carga(I2)

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W vs I3

Torque vs I3

2. Calcular el deslizamiento, la efi ciencia y la regulación de voltaje con los datos obtenidos. Eficiencia=η=

P out ∗10 0 P¿

Tabla 3.- Calculo de la eficiencia.

Pin(W ω(rad/s) τ(Nm Pout(W n(%) ) ) ) 510 162,316 2 324,632 63,7% 540 162,316 2,35 381,442 70,6% 6 585 157,08 2,6 408,408 69,8% 630 151,844 2,8 425,163 67,5% 2 690 150,796 3,2 482,549 69,9% 8 76 705 146,608 3,4 498,467 70,7% 2

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA S=

n 1−n 2 n1

Tabla 4.- Factor de deslizamiento

ω sin ω con S carga(r carga(r pm) pm) 1800 1550 0,1388 89 1800 1550 0,1388 89 1800 1500 0,1666 67 1800 1450 0,1944 44 1800 1440 0,2 1800 1400 0,2222 22

RV =

Ea−V 1 V1 Tabla 5.-Regulación de voltaje

Ea(V) V1(V) RV % 110 95,1 15,7% 110 95 15,8% 110 90 22,2% 110 85 29,4% 110 81 35,8% 110 76 44,7%

3. Realizar el análisis de las gráfi cas anteriores. 



Nuestro primer grafico ilustra la relación entre la tensión generada vs la corriente del inductor. Como se observa claramente tenemos una relación lineal creciente, directamente proporcional, a mayor corriente que se induce mayor voltaje, lo cual es lógico y previsto. Nuestro segundo gráfico, tensión vs corriente en la carga nos demuestra que a mayor corriente exigida en la carga, menor será nuestra tensión. Lógicamente a mayor carga la corriente será mínima y la tensión se mantiene. Reduciendo la carga aumentamos la corriente y nuestra tensión empieza a caer.

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Análogamente, en nuestra grafica velocidad vs corriente de carga, sucede lo mismo. Al aumentar nuestra corriente de carga, disminuyendo nuestra resistencia, la velocidad empezó a disminuir. Tanto la tensión como la velocidad varían en función de la corriente, en una relación inversa. Finalmente, en la gráfica torque vs corriente de carga observamos que el torque es proporcional a la corriente de carga, a mayor corriente mayor torque.

4. Calcular la potencia a plena carga explique su valor bajo Pout =T∗W

Tabla 6.-Calculo de la potencia a plena carga

ω(rad/s)

τ(Nm Pout(W ) ) 162,316 2 324,632 162,316 2,35 381,442 6 157,08 2,6 408,408 151,844 2,8 425,163 2 150,796 3,2 482,549 8 76 146,608 3,4 498,467 2

La potencia a plena carga es baja ya que el motor que está generando el torque solo puede proporcionar 1 Hp por ende la potencia no puede sobre pasar los 746 W. A medida que la corriente aumenta, el torque aumenta, pero la velocidad disminuye por ende el valor bajo de la potencia, y no debemos olvidar los distintos tipos de pérdidas ya sea mecánicas o eléctricas, pérdidas del rotor, las pérdidas por las corrientes de magnetización, etc.

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ING. MECATRONICA CONCLUSIONES:     

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El generador DC es una máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Cuando aumenta la corriente inducida aumentara nuestra tensión generada. A mayor corriente en la carga disminuye nuestra tensión y nuestra velocidad. A medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando el número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal. Obtuvimos tres relaciones de funcionamiento características del generador DC. Cuando aumenta la corriente inducida aumentara nuestra tensión generada. Por otra parte, a mayor corriente en la carga disminuye nuestra tensión y nuestra velocidad. El generador DC Shunt es una máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. El devanado del rotor se autoexcita con el voltaje alimentado previamente. El rendimiento aumenta a medida que crece nuestra corriente de carga. Cuando esta sea máxima la transferencia será muy cercana a los valores idóneos de funcionamiento. A medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando el número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal. Obtuvimos tres relaciones de funcionamiento características del generador DC. Cuando aumenta la corriente inducida aumentara nuestra tensión generada. Por otra parte, a mayor corriente en la carga disminuye nuestra tensión y nuestra velocidad.

BIBLIOGRAFIA:

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Teoría y análisis de las maquinas eléctricas A.E FitzGerald Maquinas eléctricas y transformadores Irving L. Kosow, PH.D Maquinas eléctricas Estifan Chapman Maquinas eléctricas M.P Kostenko, LM Riotrouski

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