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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería

Maquinas Electricas (ML 202)

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Motor de Corriente Continua

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CONTENIDO

1. Resumen....................................................................................................Pag.3 2. Objetivos....................................................................................................Pag.3 3. Fundamento teorico...................................................................................Pag.4 4. Equipos materiales.....................................................................................Pag.10 5. Procedimiento………..................................................................................Pag.12 6. Calculos y resultados..................................................................................Pag.15 7. Cuestionario................................................................................................Pag.16 8. Conclusiones……………………..................................................................Pag.21 9. Observaciones…………………………………………………………………...Pag.22 10. Recomendaciones………………………………………………………….......Pag.23 11. Bibliografia...................................................................................................Pag.24

1. RESUMEN En el presente laboratorio trataremos con los generadores y motores

los

cuales son dispositivos importantes para la industria, estos funcionan a partir del principio de la inducción electromagnética. Se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina

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generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor.

2. OBJETIVOS Los objetivos del siguiente laboratorio son: 

Hacer conocer la constitución electromecánica de los MCC. 

Familiarizarse con la simbología y conexionado de los MCC de nuestro laboratorio en los ensayos según las normas IEC y NEMA.



Conexión y puesta en servicio del MCC.



Inversión de giro. 

Determinar sus pérdidas, eficiencia en función de la corriente de campo.



A partir de los ensayos realizados obtener el modelo de la máquina. 

Registro de los valores característicos y curvas características de funcionamiento específico de los MCC.



Evaluación de las mediciones realizadas y registradas.



Presentación del protocolo de pruebas según normas IEC, NEMA y IEEE.

3. FUNDAMENTO TEORICO MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA El motor de corriente continua fue uno de los objetivos centrales de investigación de Thomas A. Edison. Pero por sus ventajas competitivas, los motores de AC pronto llegaron a ser los favoritos de la industria. A pesar de la

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predominancia de los motores AC trifásicos, los motores DC tienen ventajas en ciertas aplicaciones industriales y son todavía ampliamente usados. Las ventajas de los motores DC incluyen un excelente control de la velocidad y la capacidad de proporcionar alto par a bajas velocidades. Sin embargo, una mayoría de los motores DC usan escobillas para transferir energía eléctrica al rotor del motor. Los ensamblajes con escobillas no solamente requieren motores más grandes, sino que también se incrementan los requerimientos de mantenimiento. Cuando se desgastan las escobillas, se requiere mantenimiento y se genera polvo de carbón. Las escobillas son también sensibles a la contaminación, especialmente en máquinas que contienen materiales de silicona, y deben ser reemplazados periódicamente. Ya que la energía eléctrica se suministra como corriente alterna, se requiere un equipo adicional que genere energía DC, tal como un equipo motor generador o un sistema rectificador. Si se utilizan baterías, podemos obtener la energía directamente de ellas. Aunque estas aplicaciones son algo especializadas, se están incrementando ya que la industria cada vez es más sensible a los problemas de calidad de la energía y a los altos costes de la interrupción en la producción. Hay cuatro clases principales de motores de corriente continua: devanado serie, devanado Shunt, devanado continuo y de excitación independiente. Los devanado serie, devanado Shunt, y motores de devanado compuesto todos requieren escobillas para suministrar corriente al estator. Las diferencias entre estos motores se basan en cómo el estator y el rotor se conectan. -

Motor serie: En un motor serie, como su nombre indica, el estator y el rotor se conectan en serie y la misma corriente pasa a través de ambos. En esta configuración, el par se incrementa en proporción al cuadrado del incremento de la corriente. Esta relación es verdad hasta que se alcanza la resistencia del motor, una condición conocida como saturación. Más allá de la saturación, cualquier incremento de carga es directamente proporcional al incremento de la corriente.

-

Motor Shunt: En un motor Shunt, los circuitos del rotor y el estator se conectan en paralelo. El par y la velocidad de estos motores son relativamente independientes de la carga. Consecuentemente, ajustando los controles de

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la resistencia del estator y la resistencia del campo magnético, se obtiene un control relativamente exacto de la velocidad del motor. -

Motor compuesto: Un motor compuesto es una combinación de un motor serie y un motor Shunt. Tiene dos ramales de circuitos básicos; una envolvente del circuito alrededor del estator, y el otro es un circuito serie que incluye tanto estator como rotor. Una característica de operación clave de este tipo de motor es que puede manejar un incremento repentino de las cargas sin un gran cambio en la velocidad.

-

Motor de excitación independiente: Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente 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.

Los elementos principales que conforman al motor de corriente continua son Figura 1. Tipos de Motores DC los siguientes: - Carcasa metálica o cuerpo del motor: Aloja en su interior, de forma fija, dos imanes permanentes con forma de semicírculo, con sus correspondientes polos norte y sur. - Rotor o parte giratoria del motor: Se compone de una estructura metálica formada por un conjunto de chapas o láminas de acero al silicio, troqueladas

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con forma circular y montadas en un mismo eje con sus correspondientes bobinas de alambre de cobre, que lo convierten en un electroimán giratorio. Por norma general el rotor de la mayoría de los pequeños motores de C.D. se compone de tres enrollados o bobinas que crean tres polos magnéticos. Los extremos de cada una de esas bobinas se encuentran conectados a diferentes segmentos del colector. - Colector o conmutador: Situado en uno de los extremos del eje del rotor, se compone de un anillo deslizante seccionado en dos o más segmentos. Generalmente el colector de los pequeños motores comunes de CD se divide en tres segmentos. - Escobillas: Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos casos, o compuesto por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas constituyen contactos eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos del colector mientras estos giran. Su misión es suministrar a la bobina o bobinas del rotor a través del colector, la corriente eléctrica directa necesaria para energizar el electroimán. En los pequeños motores las escobillas normalmente se componen de dos piezas o flejes metálicos que se encuentran fijos en la tapa que cierra la carcasa o cuerpo del motor. - Tapa de la carcasa: Es la tapa que se emplea para cerrar uno de los extremos del cuerpo o carcasa del motor. En su cara interna se encuentran situadas las escobillas de forma fija. El motor de esta foto utiliza en función de escobillas dos flejes metálicos.

Figura 2. Elementos que conforman al motor de corriente continua

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APLICACIONES INDUSTRIALES Actualmente se construyen motores de corriente continua para atender cargas especiales que tienen torque elevado tales como: - Molinos. - Centrífugas. - Llenadoras de bebidas. - Chancadoras - Cargas que necesiten un torque muy elevado.

4. EQUIPOS Y MATERIALES Tabla 1. En esta tabla vemos los detalles del banco de pruebas utilizado

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Figura 3. Banco activo de pruebas y motor DC

Tabla 2. En esta tabla vemos los materiales y equipos utilizados.

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS MAQUINAS Y EQUIPOS

IMAGEN

INTERRUPTOR DE 04 POLOS

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TACOMETRO FLUKE

MULTÍMETRO DIGITAL FLUKE

CONECTORES DE SEGURIDAD

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 5.1 CONEXIÓN DEL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA

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5.2 MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR

NORMALIZADO (IEEE

Figura 4. Esquemas de conexión para invertir la polaridad en motores de excitación independiente y Shunt

112/1978)

Esta medición se realiza aplicando los siguientes métodos: -

Voltio – amperimétrico en CC y CA.

-

Ohmímetro de precisión.

-

Puente de medición para resistencias pequeñas.

5.2.1 Medición de la Rf y Lf del circuito de campo.

Figura 5. Circuito para medir Rf y Lf en el inductor

5.2.2 Medición de la RD y LD del circuito de compensación

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Figura 6. Circuito para medir RD y LD

5.2.3 Medición de la Ra y La del circuito de armadura

Figura 7. Circuito para medir Ra y La en el inductor

Corrección por temperatura

Rf DC =

V DC I DC

Rf =R1DC (1+ α (T ° trabajo −T ° ambiente ))

5.3.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978) e (IEEE – 43 / 1991)

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Realizar las medidas tal como se contemplan en las normas de la IEEE, ya descritas en los ensayos del motor tipo jaula de ardilla.

Figura 8. Circuito para medir la resistencia de aislamiento

5.4.- MEDIDA DE INDUCTANCIA ROTACIONAL (Gaf) Se trata de hallar el valor de la inductancia rotacional, Gaf, del generador de corriente continua para lo cual se tendrá que hacer el montaje del esquema que a continuación presento.

Figura 9. Circuito para medir la inductancia rotacional

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6. CUESTIONARIO 6.1

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Figura 10. Placa del motor y del generador utilizados en el laboratorio

Tabla 3. Datos de placa de los equipos utilizados

GENERADOR CORRIENTE CONTINUA Tensión armadura Corriente armadura Conexión Conexión Potencia nominal Tensión Corriente de campo Régimen de servicio RPM Grado de protección Norma Termostato

220 V 1 A Independiente Shunt /Comp. 0.2 KW 220 V 100 mA S1 2000 IP54 VDE 0530 120° C

MOTOR PRIMO Tensión Nominal

230-400 V

Corriente operación

3.1 – 1.8 A

Conexión

Δ/Y

Potencia Nominal

0.55 kW

RPM

1655

Factor de potencia

0.76

Frecuencia

60 Hz

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6.2 Tabla 4. Ensayo de vacío para el motor

6.3 Tabla 5. Ensayo con carga para el motor DC

Figura 12. Grafica V vs Ia

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Pot. vs Ia 60 50 40 30 20 10 0 0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24

0.26

Figura 13. Grafica Pot vs Ia

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Ra*Ia² vs Ia 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24

0.26

Figura 14. Grafica Ra*Ia² vs Ia

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Ef vs Pot 94 92 90 88 86 84 82 80

0

10

20

30

40

50

60

Figura 15. Grafica Ef vs Pot

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Ef vs Wm 94 92 90 88 86 84 82 80 600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

Figura 16. Grafica Ef vs Wm

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Pot vs Wm 60 50 40 30 20 10 0 600

800

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

Figura 17. Grafica Pot vs Wm

6.4 Dado que el generador utilizado en la experiencia es de escobillas de carbón, se tiene que al invertir el sentido del motor primo, se invierte el sentido de la corriente generada y por lo tanto la polaridad del voltaje generado en la carga. Se sabe que la tensión inducida en una espira que gira a una cierta velocidad es: E=B LV sen( α ) Donde el campo inductor magnético del inductor mantiene su signo, ya que es producido por el circuito de excitación independiente.

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Si se invierte el sentido de giro, la velocidad cambia de signo, cambiando la polaridad de la tensión inducida. 6.5 Al circular corriente por el inducido se va a crear un campo que distorsiona el campo creado por los polos inductores de la máquina. Esta distorsión del campo recibe el nombre de “Reacción de inducido”. Un efecto producido por la reacción de inducido es el Desplazamiento del “plano o línea neutra” (Figura 18).

Figura 18. Desplazamiento de la línea neutra

Una forma de verificar si el sistema de escobillas está calibrado es verificar el corrimiento del eje neutro geométrico y la posición no fija de éste, el cual ocasiona problemas en la conmutación de las delgas y bobinas produciendo chisporroteos fuertes entre escobillas y delgas del conmutador, ocasionando el deterioro de los mismos; esto debido a que en una máquina real DC siempre se busca que la conmutación se produzca sin voltaje inducido en las bobinas, para lo cual se fijan las escobillas en el eje neutro geométrico.

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7. CONCLUSIONES -

Para un mayor torque requerido (cuando la carga sea mayor) se tendrá menor velocidad. Asimismo, si se aumenta la velocidad de operación, la potencia de salida disminuirá.

-

Los generadores de CC con escobillas de carbón, el sentido de la corriente inducida se invierte al invertir el sentido de giro de su motor primo.

-

A partir de la gráfica de regulación de velocidad, se concluye que el generador es un generador de excitación independiente con caídas de tensión debido a la reacción del inducido y la resistencia de inducido (las escobillas).

-

La falta de calibración del sistema de escobillas ocasionará vibraciones y chisporroteos en las escobillas, esto se puede evitar implementando polos de conmutación en el estator. Dado su alto costo, su uso se limita a máquinas de alta potencia.

8. RECOMENDACIONES -

Para evitar el deterioro y/o avería de los instrumentos y equipos, el alumno no debe accionarlos por ningún motivo, sin la aprobación previa del profesor o personal técnico a cargo.

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Verificar el dimensionamiento de los equipos a utilizarse, así mismo se

constatará que los esquemas estén bien planteados. -

De preferencia la escala de todos los instrumentos debe ser la máxima para evitar que estos se malogren.

-

Al operar las cargas, comenzar con una carga mínima y aumentarlo en forma gradual hasta llegar al máximo permisible.

10. BIBLIOGRAFIA [1] Fitzgerald, Kinsgkey Jr. & Umans: “Maquinas Eléctricas” [2] Chapman: “Maquinas Eléctricas” [3] Fraile Mora: “Maquinas Eléctricas” [4] Theodore Wildi: “Maquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia”

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