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No. de Práctica

2016 G

Nombre de la Práctica

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Aragón

Ingeniería Industrial

Máquinas Eléctricas

(Prácticas de Laboratorio)

Profesor: _________________________________ Grupo: __________ Alumno: _________________________

M. en C. Rodrigo Ocón Valdez

Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

No. de Práctica

Nombre de la Práctica

CONTENIDO • Práctica 1 …………………………………………………….…………………...…...… 3 Seguridad y Fuente de alimentación.

• Práctica 2 …………………………………………………………………...……...….. 13 El transformador monofásico.

• Práctica 3 ………………………………………………………………………..……… 23 Polaridad del transformador y transformadores trifásicos.

• Práctica 4 …………………………………………………………………………….… 38 Motores monofásicos de inducción. Motor capacitor de arranque.

• Práctica 5 …………………………………………………………………………….… 49 Motores y máquina de CD

• Práctica 6 …………………………………………………………………………….… 67 Máquinas síncronas

• Práctica 7 …………………………………………………………………………….… 81 Motor de inducción Trifásico

• Práctica 8 …………………………………………………………………….………… 93 Arrancadores de motor de inducción

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Nombre de la Práctica

U.N.A.M. F.E.S. Aragón

Ingeniería Industrial

Laboratorio de Máquinas Eléctricas

PRÁCTICA 1 SEGURIDAD Y FUENTE DE ALIMENTACIÓN

1. OBJETIVOS. Al término de la práctica el alumno: a) Conocerá las reglas básicas de seguridad y el equipo de laboratorio, según las recomendaciones del instructor. b) Identificará los interruptores, controles, instrumentos de medición y terminales de salida del panel de la fuente de energía.

2. INTRODUCCIÓN. La seguridad es un factor vital en toda actividad, no es un tema que se deba programar para una sola sesión de una o dos horas y que posteriormente se deje por otro tema; es una responsabilidad diaria de todos.

Choque eléctrico. La corriente eléctrica a su paso por el cuerpo humano produce diversos efectos que pueden provocar lesiones físicas como quemaduras, contracciones musculares, dificultades respiratorias, paros cardiacos, caídas, e incluso la muerte por fibrilación ventricular.

¿Qué es el riesgo de electrocución? El riesgo de electrocución se puede definir como la "posibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano". Así, se pueden considerar los siguientes aspectos: Para que exista la posibilidad de circulación de una corriente por el cuerpo humano es necesario: Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica • • •

Que el cuerpo humano sea conductor. El cuerpo humano, de no estar aislado, es conductor de electricidad debido a los líquidos que contiene (sangre, linfa, etc.) Que el cuerpo humano forme parte del circuito. Que exista entre los puntos de "entrada" y "salida" del cuerpo humano una diferencia de potencial mayor que cero.

Cuando dichas condiciones se cumplan, se podrá afirmar que existe riesgo de electrocución.

Entre los efectos que produce la corriente eléctrica se distinguen: • • • •

•

Asfixia. Si el centro nervioso que regula la respiración se ve afectado por la corriente, puede llegar a producirse un paro respiratorio. Electrización. La persona forma parte del circuito eléctrico y la corriente circula por el cuerpo. Como mínimo se presenta un punto de entrada y otro de salida de la corriente. Electrocución. Fallecimiento debido a la acción de la corriente en el cuerpo humano. Fibrilación ventricular. Movimiento arrítmico del corazón, el cual, deja de enviar sangre a los distintos órganos y aunque esté en movimiento, no sigue su ritmo normal de funcionamiento; lo que en el peor de los casos, puede causar la muerte. Tetanización. Movimiento incontrolado de los músculos debido a la acción de la corriente eléctrica. Dependiendo del recorrido de la corriente perderemos el control de las manos, brazos, músculos pectorales, etc.

Los efectos que produce la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano dependen fundamentalmente de: • • • • • • •

La intensidad de la corriente eléctrica. El tiempo de contacto o de paso de corriente. La tensión o diferencia de potencial. La resistencia o impedancia del cuerpo entre los puntos de contacto. La trayectoria o recorrido de la corriente a través del cuerpo. La frecuencia de la corriente. Las condiciones fisiológicas de la persona.

Efectos fisiológicos producidos por el paso de una intensidad eléctrica de 50/60 Hz. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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Intensidad 0 a 0.5 mA 0.5 a 10 mA 10 a 25 mA 25 a 40 mA 40 a 100 mA 1A 1 a 5A

Efectos fisiológicos que se observan No se observan sensaciones ni efectos. El umbral de percepción se sitúa en 0.5 mA. Calambres y movimientos reflejos musculares. El umbral de “no soltar” se sitúa en 10 mA. Contracciones musculares. Agarrotamiento de brazos y piernas con dificultad de soltar objetos. Aumento de la presión arterial y dificultades respiratorias. Fuerte tetanización. Irregularidades cardiacas. Quemaduras. Asfixia a partir de 4 s. Efectos anteriores con mayor intensidad y gravedad. Fibrilación y arritmias cardiacas. Fibrilación y paro cardiaco. Quemaduras muy graves. Alto riesgo de muerte. Quemaduras muy graves. Paro cardiaco con elevada probabilidad de muerte.

Tabla 1.1 Efectos fisiológicos producidos por el paso de una intensidad eléctrica de 50/60 Hz.

Si R es la resistencia del cuerpo humano, la intensidad que circula para una diferencia de potencial V, viene dada por la ley de Ohm: 𝐼=

𝑉 𝑅

En la tabla 1.1 se pueden observar los efectos fisiológicos producidos sobre una persona adulta, con un peso mínimo de 50 Kg, suponiendo que la corriente circula cuando los dos puntos de contacto corresponden a dos extremidades, para una frecuencia de 50/60 Hz.

Nueve reglas para trabajar con seguridad y evitar los percances eléctricos. 1) Asegúrese de las condiciones del equipo y de los peligros presentes. 2) Nunca se confíe en dispositivos de seguridad tales como fusibles, relevadores y sistemas de trabajo por seguridad propia. Pueden no estar funcionando y no brindar protección cuando más se necesita. 3) Nunca quite la punta de conexión a tierra de un enchufe de tres alambres. Con ello se elimina su característica de estar conectado a tierra y se le convierte en un riesgo potencial de peligro. 4) No trabaje sobre una mesa desordenada. 5) No trabaje sobre pisos mojados. 6) No trabaje solo. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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Nombre de la Práctica 7) Trabaje con una mano detrás de usted o metida en uno de sus bolsillos. Una corriente que pase por las dos manos cruza por el corazón y puede ser más letal que una corriente que vaya de la mano al pie. 8) Nunca distraiga a alguien que esté trabajando y no permita que lo distraigan. 9) Muévase siempre con lentitud cuando esté trabajando cerca de circuitos eléctricos.

3. CUESTIONARIO PREVIO. 1) 2) 3) 4) 5) 6)

¿Qué es seguridad en el trabajo? ¿Qué es higiene en el trabajo? ¿Qué es un accidente de trabajo? Defina lo que es un acto inseguro. De tres ejemplos. Defina lo que es una condición insegura. De tres ejemplos. ¿Qué es una fuente de alimentación?

4. MATERIAL. -

Multímetro. Puntas de prueba. Módulo de fuente de alimentación. (120/208 V, 3ϕ, 0-120 𝑉𝐶𝐷 ) Cables de conexión.

EMS 8821 EMS 8941

5. DESARROLLO. 5.1 EXPERIMENTO 1 – Resistencia eléctrica del cuerpo humano. 1) Con las manos totalmente secas mida la resistencia que hay entre la mano derecha y la izquierda. 2) Ahora realice la medición de una mano a un pie. 3) Humedezca sus dedos y repita las mediciones. 4) Realice nuevamente todas las mediciones con dos compañeros y anote los valores en la tabla 1.2. Resistencia entre las dos manos (secas)

Resistencia entre una mano y un pie (secos) Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

Resistencia entre las dos manos (húmedas)

Resistencia entre una mano y un pie (húmedos)

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Nombre de la Práctica 1 2 3

Tabla 1.2

La resistencia del cuerpo varía según las condiciones de la piel y el área de contacto. Observe cómo cambia la resistencia al oprimir firmemente las puntas de prueba. La resistencia de la piel puede variar entre 250 Ω; cuando está húmeda y el área de contacto es grande, hasta 500 000 Ω; cuando la piel está seca. 5) Considerando la tabla donde se muestran los efectos fisiológicos que produce el paso de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano y las resistencias medidas anteriormente, calcule mediante la Ley de Ohm los voltajes que podrían resultar fatales. 𝑉 = 𝑅𝐼 RESISTENCIA

VOLTAJE

Resistencia entre las dos manos (secas) Resistencia entre una mano y un pie (secos) Resistencia entre las dos manos (húmedas) Resistencia entre una mano y un pie (húmedos) Tabla 1.3

5.2 EXPERIMENTO 2 – Estructura de la fuente de alimentación. 1) Examine la construcción del módulo de fuente de alimentación EMS 8821, sobre el tablero frontal e identifique lo siguiente: a. El interruptor de tres polos del circuito. b. Las tres luces que indican el funcionamiento de cada fase. c. El voltímetro de CA/CD. d. La llave selectora del voltímetro de CA/CD. e. La perilla de control de la salida variable. f. El receptáculo de 120 𝑉𝐶𝐴 fija. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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Nombre de la Práctica g. h. i. j. k.

Las terminales de la salida de 120/208 CA fija (1, 2, 3 y N). Las terminales de la salida de 0-120/208 CA variable (4, 5, 6 y N). Las terminales de la salida de CD fija (8, N). Las terminales de la salida de CD variable (7, N). El botón común de reconexión.

2) Diga cuál es el voltaje y la corriente nominal para cada una de las terminales siguientes: - Terminales 1 y N: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 2 y N: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 3 y N: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 4 y N: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 5 y N: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 6 y N: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 7 y N: ________ 𝑉𝐶𝐷 ________ 𝐼𝐶𝐷 - Terminales 8 y N: ________ 𝑉𝐶𝐷 ________ 𝐼𝐶𝐷 - Terminales 1, 2 y 3: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 4, 5 y 6: ________ 𝑉𝐶𝐴 ________ 𝐼𝐶𝐴 - El receptáculo: ________ V _______ A Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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Nombre de la Práctica 3) Examine la construcción interior del módulo. Identifique lo siguiente: a. El autotransformador. b. Los capacitores filtros. c. Los disyuntores termo-magnéticos. d. Los diodos rectificadores del estado sólido. e. Los disipadores de calor de los diodos. f. El conector de cinco patas con seguro de torsión.

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Nombre de la Práctica

5.3 EXPERIMENTO 3 – Fuente de alimentación. ¡ATENCIÓN! En este experimento se manejan altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente esté energizada y siempre des energice la fuente después de cada medición. 1) Coloque el Módulo de fuente de alimentación EMS 8821en la consola. a. Cerciórese de que el interruptor esté en la posición de apagado (off) y que la perilla de control de salida variable esté totalmente girada en sentido contrario a las manecillas del reloj. b. Haga pasar el cable del alimentador a través del orificio en la parte posterior de la consola, y enchúfelo en el conector de cinco patas con seguro de torsión. c. Conecte el otro extremo del cable alimentador a la fuente de 120/220 V trifásica. 2) Ahora. a. Ponga el selector del voltímetro en la posición 7-N y conecte la fuente de energía poniendo el interruptor en la posición de encendido (on). b. Haga girar la perilla de control del autotransformador y observe cómo aumenta el voltaje. Mida y anote el voltaje máximo y mínimo de salida en CD. 𝑉𝐶𝐷𝑚𝑎𝑥 = ___________𝑉

𝑉𝐶𝐷𝑚í𝑛 = ___________𝑉

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Nombre de la Práctica c. Baje el voltaje a cero haciendo girar la perilla de control en sentido contrario al de las manecillas del reloj. 3) Después. a. Coloque el selector del voltímetro en la posición 4-N. b. Haga girar la perilla de control y vea cómo aumenta el voltaje. Mida y anote los voltajes máximo y mínimo de salida en CA. 𝑉𝐶𝐴𝑚𝑎𝑥 = ___________𝑉 𝑉𝐶𝐴𝑚í𝑛 = ___________𝑉 c. Reduzca nuevamente el voltaje a cero y desconecte la fuente de energía.

4) Para cada una de las siguientes mediciones: a. Conecte el medidor de 250 𝑉𝐶𝐴 entre las terminales especificadas. b. Conecte la fuente de alimentación. c. Mida y anote el voltaje. - Terminales 1 y 2 = ____________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 2 y 3 = ____________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 1 y 3 = ____________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 1 y N = ____________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 2 y N = ____________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 3 y N = ____________ 𝑉𝐶𝐴 d. Desconecte la fuente de alimentación. 5) Seguidamente. a. Ajuste el selector del voltímetro a la posición 8-N. b. Conecte la fuente de energía. c. Mida y anote el voltaje. - Terminales 8 y N = ____________ 𝑉𝐶𝐷 d. Desconecte la fuente de energía.

6. CONCLUSIONES. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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7. BIBLIOGRAFÍA. SEGURIDAD ELÉCTRICA: EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA SOBRE EL CUERPO HUMANO. M. VILLARRUBIA. FACULTAD DE FÍSICA. UNIVERSIDAD DE BARCELONA. EXPERIMENTOS CON EQUIPO ELÉCTRICO. WILD Y DEVITO. LIMUSA. CIRCUITOS ELÉCTRICOS. JOSEPH A. EDMINISTER. Mc GRAW HILL.

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Ingeniería Industrial

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PRÁCTICA 2 EL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

1. OBJETIVOS. Al término de la práctica el alumno: a) Conocerá el principio de funcionamiento del transformador así como los tipos de transformadores que existen y su construcción. b) Identificará el núcleo y devanados de un transformador.

2. INTRODUCCIÓN. De todas las formas de energía conocidas en la actualidad, la que más se emplea en la economía de cualquier nación, es la energía eléctrica. Sus bases fueron cimentadas a mediados del siglo XIX, para ser exactos, en 1831 cuando el científico inglés Michael Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética. A finales del siglo XIX, en 1885 el descubrimiento del Transformador hizo que la transmisión de energía eléctrica alterna fuera una alternativa práctica, dando paso al nacimiento de los sistemas eléctricos de potencia (SEP) como se conocen actualmente. El transformador es una máquina eléctrica que basada en el principio de inducción electromagnética, transfiere potencia eléctrica de un devanado a otro, estando ambos aislados eléctricamente entre sí, pero enlazados por medio del campo magnético. En este proceso se modifican la tensión eléctrica y la corriente, manteniendo prácticamente constantes la frecuencia y la impedancia. Está compuesto por un circuito eléctrico y un circuito magnético. En su forma más simple, el circuito eléctrico está integrado por dos bobinas o devanados, aislados eléctricamente, uno que recibe la energía de la fuente y se denomina PRIMARIO. Y otro que entrega la energía ya Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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Nombre de la Práctica modificada y se denomina SECUNDARIO. El circuito magnético lo forma el NÚCLEO de acero laminado que enlaza ambos devanados. El transformador en su concepción teórica ideal consta de un núcleo y dos devanados que poseen N1 y N2 vueltas respectivamente como se muestra en la figura 1.

U1

N1

N2

U2

Figura 2.1 Concepción teórica ideal del transformador.

Clasificación de los transformadores. Clasificación según su:

1) Operación. Se refiere a la energía que manejan dentro del sistema eléctrico, los cuales son: a. Transformador de distribución. Capacidad desde 3 a 500 KVA. b. Transformador de potencia. Capacidad superior a 500 KVA.

2) Número de fases. Se clasifican en: a. Monofásicos. Son conectados a una línea o fase y a un neutro o tierra. Tiene un solo devanado en AT y uno en BT. b. Trifásicos. Son conectados a 3 líneas o fases y pueden estar o no conectados a un neutro o tierra común. Tienen 3 devanados de AT y 3 en BT. Se simbolizan como 3Ø.

3) Construcción. Esta clasificación también se denomina como TIPOS DE NÚCLEO. De acuerdo a la relación que guardan los devanados respecto al núcleo en la construcción del transformador, se tienen dos tipos. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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Nombre de la Práctica a. Tipo Columnas. Conocido también como tipo "Core". En esta construcción, el núcleo proporciona un sólo circuito magnético formado por un yugo superior y 2 o 3 columnas verticales o piernas para 1 o 3 fases, respectivamente. Los devanados son ensamblados concéntricamente en cada una de las columnas o piernas del núcleo. De esta manera, el circuito eléctrico envuelve al circuito magnético.

Figura 2.2 Transformador tipo columnas.

b. Tipo Acorazado. Conocido también como tipo “Shell”. En esta construcción, los devanados forman 1 o 3 anillos, para 1 o 3 fases, respectivamente y el núcleo se ensambla alrededor de ellos, formando 2 o más circuitos magnéticos que envuelven al circuito eléctrico.

Figura 2.3 Transformador tipo acorazado.

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Nombre de la Práctica 4) Enfriamiento. Dependiendo del medio refrigerante empleado; para su operación, los transformadores utilizan 2 diferentes tipos de enfriamiento: enfriamiento natural y enfriamiento forzado.

a. El enfriamiento natural se aplica cuando el transformador está alimentando cargas que, aun siendo variables, no rebasarán la capacidad nominal del aparato. Por otra parte, b. El enfriamiento forzado permite aumentar la disipación del calor, aumentando a la vez los KVA de salida. Requiere de equipo de control, ya que el arranque y paro de dicho equipo depende de la variación de temperatura del líquido y del devanado, a través de controles que permiten la operación manual o automática.

3. CUESTIONARIO PREVIO. 1) 2) 3) 4) 5) 6)

¿Qué es un transformador? ¿Qué es la relación de transformación? ¿Qué es la eficiencia de un transformador? Dibuje el circuito equivalente del transformador. Explique qué es y para qué sirve la corriente de excitación. Explique cómo se realiza la prueba de corto circuito y qué parámetros se obtienen del circuito equivalente de esta prueba. 7) Explique cómo se realiza la prueba de circuito abierto y qué parámetros se obtienen del circuito equivalente de esta prueba. 8) Describa cómo se clasifican los transformadores. 9) Explique las diferencias entre un transformador tipo columna y uno tipo acorazado.

4. MATERIAL. -

Módulo de transformador. Módulo de fuente de alimentación. (120/208 𝑉𝐶𝐴 ) Módulo de medición de CA. (100/100/250/250 V) Módulo de medición de CA. (0.5/0.5/0.5 A) Cables de conexión. Óhmetro.

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EMS 8341 EMS 8821 EMS 8426 EMS 8425 EMS 8941

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5. DESARROLLO. ¡ATENCIÓN! En esta práctica se manejan altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente este energizada y siempre des energice la fuente después de cada medición. 5.1 EXPERIMENTO 1. 1) Examine la estructura del módulo EMS 8341 de transformador e identifique lo siguiente: a. El núcleo del transformador hecho de capas delgadas (laminaciones) de acero. b. Observe que los devanados del transformador están conectados a las terminales montadas en la bobina del transformador. c. Observe que los devanados van conectados a las terminales de conexión montadas a la cara del módulo. 2) Identifique los tres devanados independientes del transformador marcados en la cara del módulo. a. Anote el voltaje nominal de cada uno de los tres devanados. - Terminales 1 a 2 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 3 a 4 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 5 a 6 = __________ 𝑉𝐶𝐴 b. Escriba el voltaje nominal entre las siguientes terminales de conexión. - Terminales 3 a 7 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 7 a 8 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 8 a 4 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 3 a 8 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 7 a 4 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 5 a 9 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Terminales 9 a 6 = __________ 𝑉𝐶𝐴 c. Indique la corriente nominal de cada una de las siguientes conexiones. - Terminales 1 a 2 = __________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 3 a 4 = __________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 5 a 6 = __________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 3 a 7 = __________ 𝐼𝐶𝐴 - Terminales 8 a 4 = __________ 𝐼𝐶𝐴

3) Utilice la escala más baja del óhmetro, mida y anote la resistencia en CD de cada uno de los devanados. - Terminales 1 a 2 = __________ Ω - Terminales 3 a 4 = __________ Ω - Terminales 3 a 7 = __________ Ω - Terminales 7 a 8 = __________ Ω - Terminales 8 a 4 = __________ Ω - Terminales 5 a 6 = __________ Ω Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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Nombre de la Práctica -

Terminales 5 a 9 = __________ Ω Terminales 9 a 6 = __________ Ω

5.2 EXPERIMENTO 2. 1) Medir los voltajes del secundario sin carga, cuando se aplican 120 𝑉𝐶𝐴 al devanado primario. a. Conecte el siguiente circuito.

2)

b. Conectar la fuente de alimentación y ajuste a 120 𝑉𝐶𝐴 , según lo indique el voltímetro conectado a las terminales 4 y N. c. Mida y anote el voltaje de salida 𝐸2 . d. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación. e. Repita los pasos b, c y d midiendo el voltaje de salida para los siguientes devanados. - Devanado 1 a 2 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Devanado 3 a 4 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Devanado 5 a 6 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Devanado 3 a 7 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Devanado 7 a 8 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Devanado 8 a 4 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Devanado 5 a 9 = __________ 𝑉𝐶𝐴 - Devanado 9 a 6 = __________ 𝑉𝐶𝐴

¿Concuerdan los voltajes medidos con los voltajes nominales? ¿Por qué? ________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3) ¿Puede medir el valor de la corriente de excitación? ¿Por qué? ________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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5.3 EXPERIMENTO 3. 1) Conecte el siguiente circuito. Observe que el medidor de corriente I2 pone en corto circuito al devanado 5 y 6.

2) Conecte la fuente de alimentación y aumente gradualmente el voltaje hasta que la corriente de corto circuito I2 sea 0.4 𝐴𝐶𝐴 . 3) Mida y anote I1 , I2 y E1 . I1 = __________ 𝐴𝐶𝐴 E1 = __________ 𝑉𝐶𝐴 I2 = __________ 𝐴𝐶𝐴

4) Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación. 5) Calcule la relación de corriente I1 0000000000 = I2 0000000000

6) ¿Es igual la relación de corrientes a la relación de vueltas? Explique por qué. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

5.4 EXPERIMENTO 4. A continuación determinará el efecto de saturación del núcleo en la corriente de excitación de un transformador.

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Nombre de la Práctica 1) Conecte el siguiente circuito. Observe que las terminales 4 y 5 de la fuente de alimentación se van a utilizar ahora. Estas terminales proporcionan un voltaje variable de 0 a 208 𝑉𝐶𝐴 .

2) Conecte la fuente de alimentación y ajústela a 25 𝑉𝐶𝐴 . Tomando esta lectura en el voltímetro conectado a las terminales 4 y 5 de la fuente de alimentación. 3) Mida y anote la corriente de excitación I1 y el voltaje de salida E2 para cada voltaje de entrada que se indica en la tabla 2.1. 𝐄𝟏 (𝑽𝑪𝑨 ) 25

𝐈𝟏 (𝒎𝑨𝑪𝑨 )

𝐄𝟐 (𝑽𝑪𝑨 )

50 75 100 125 150 175 200 Tabla 2.1

4) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

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6. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN. 1) De una breve explicación del funcionamiento del transformador. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2) Explique las pruebas de corto circuito y circuito abierto y la función de cada una. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3) ¿Cuáles son las pérdidas que ocurren dentro de un transformador real? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4) Explique qué es la histéresis. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 5) ¿Qué es el flujo disperso? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

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Nombre de la Práctica

7. CONCLUSIONES. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

8. BIBLIOGRAFÍA. EXPERIMENTOS CON EQUIPO ELÉCTRICO. WILD Y DEVITO. LIMUSA. MÁQUINAS ELÉCTRICAS, TRANSFORMADORES Y CONTROLES. HAROLD W, GRINGRICH. PRENTICE HALL. MÁQUINAS ELÉCTRICAS. STEPHEN J. CHAPMAN. Mc GRAW HILL.

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PRÁCTICA 3 POLARIDAD DEL TRANSFORMADOR Y TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS.

1. OBJETIVOS. Al término de la práctica el alumno: a) Determinará la polaridad de los devanados del transformador. b) Aprenderá cómo se conectan los devanados del transformador en serie aditiva y en serie substractiva. c) Estudiará la regulación de voltaje del transformador. d) Estudiará la regulación del transformador con cargas inductivas y capacitivas.

2. INTRODUCCIÓN. Polaridad del transformador. Cuando se energiza el devanado primario de un transformador por medio de una fuente de CA, se establece un flujo magnético alterno en el núcleo del transformador. Este flujo alterno concatena las vueltas de cada devanado del transformador induciendo así voltajes de CA en ellos. Por definición, un voltaje en CA cambia continuamente su valor y su polaridad, por lo tanto, el voltaje aplicado al devanado primario (terminales 1 y 2) cambia constantemente la polaridad de la terminal 1 con respecto a la terminal 2. Las terminales 1 y 2 no pueden tener jamás la misma polaridad. La terminal 1 debe ser siempre negativa o positiva con respecto a la terminal 2. Por consiguiente, le flujo magnético alterno induce voltajes en todos los demás devanados, haciendo que aparezca un voltaje de CA en cada par de terminales. Las terminales de cada devanado también cambian de polaridad la una en relación a la otra.

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Nombre de la Práctica Cuando se habla de la “polaridad” de los devanados de un transformador, se trata de identificar todas las terminales que tienen la misma polaridad (positiva o negativa) en el mismo instante. Por lo común se utilizan “marcas de polaridad” para identificar estas terminales. Dichas marcas pueden ser puntos, cruces, números, letras o cualquier otro signo que indique cuáles terminales tienen la misma polaridad. Por ejemplo, en la figura 3.1 las marcas de polaridad son puntos negros e indican que en un instante dado, 1 es positivo con respecto a 2, 3 es positivo con respecto a 4, 6 es positivo con respecto a 5, etc.

Figura 3.1 Marcas de polaridad. Es conveniente notar que una terminal no puede ser positiva por sí sola, sólo puede serlo con respecto a otra terminal. Cuando las baterías se conectan en serie para obtener un mayor voltaje de salida, la terminal positiva de una de las baterías se debe conectar con la terminal negativa de la siguiente. Cuando se conectan de esta manera, los voltajes individuales se suman. De igual modo, si los devanados del transformador se conectan en serie para que sus voltajes individuales se sumen, la terminal con la “marca de polaridad” de un devanado se debe conectar a la terminal “no marcada” del otro devanado.

El concepto de polaridad. La polaridad de los transformadores indica el sentido relativo instantáneo del flujo de corriente en los terminales de alta tensión, con respecto a la dirección del flujo de corriente en los terminales de baja tensión. La polaridad de un transformador de distribución monofásico puede ser aditiva o sustractiva. Una simple prueba para determinar la polaridad de un transformador consiste en conectar dos bornes adyacentes de los devanados de alta y baja tensión y aplicar un voltaje reducido a cualquiera de los devanados.

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Nombre de la Práctica Cuando dos o más transformadores se conectan juntos, es importante conocer la dirección relativa del voltaje de cada uno de ellos. Se han establecido ciertas convenciones para designar la llamada polaridad de un transformador.

La prueba de polaridad. Cuando en un transformador no está especificada la polaridad o se desconoce, se puede determinar con una simple medición de voltaje, como se indica a continuación: 1) Hacer una conexión entre las terminales de alto y bajo voltaje; del lado derecho, cuando se ve al transformador desde el lado de las boquillas y de bajo voltaje. 2) Aplicar un voltaje bajo, por ejemplo, 120 volts a las terminales de alto voltaje y medir este voltaje con un voltímetro. 3) Medir el voltaje de la terminal del lado izquierdo, ósea, del lado de alto voltaje a la terminal del lado Izquierdo, de bajo voltaje. Si el voltaje anterior es menor que la tensión a través de las terminales de alto voltaje, el transformador tiene polaridad sustractiva. Si este voltaje es mayor, entonces la polaridad es aditiva.

Transformadores Trifásicos. Dependiendo del propósito de la instalación, un transformador se puede conectar de distintas formas. En el caso de los transformadores monofásicos, hay distintas maneras de conectarlos a la fuente de alimentación y a la carga. En los transformadores trifásicos, la polaridad correspondiente a cada fase se puede definir y determinar del mismo modo que para los transformadores monofásicos. Como se sabe, la finalidad principal de la determinación de la polaridad es que el trasformador pueda conectarse en paralelo con otro. Para el caso de un transformador trifásico se tiene la situación Figura 3.2 Polaridad de un transformador ilustrada en la figura 3.2, donde se percibe trifásico. fácilmente que cuando se desea conectar dos transformadores en paralelo, hay que conectar las fases 1 de ambos, 2 y 3. Así como se hace para los monofásicos.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Nomenclatura de los transformadores. Está establecido como estándar la siguiente nomenclatura: •

Para las entradas a la bobina primaria del transformador: H1, H2 para el caso de un transformador monofásico. H1, H2, H3 para el caso de un transformador trifásico.

•

Y en las salidas de la bobina secundaria: X1, X2 para el caso de un transformador monofásico. X1, X2, X3 para el caso de un transformador trifásico.

Conexión de los transformadores. La transformación trifásica se puede realizar por medio de tres transformadores monofásicos en conexión trifásica, o por medio de transformadores trifásicos. Los métodos de conexión de los devanados para la conexión trifásica son los mismos, ya sea que se usen tres devanados en un transformador trifásico, o bien, tres transformadores monofásicos por separado en conexión trifásica. Las conexiones trifásicas más comunes son las denominadas delta y estrella.

•

Conexión delta - delta.

Esta conexión se usa con frecuencia para alimentar cargas de alumbrado pequeñas y cargas trifásicas simultáneamente. Para ésto se puede localizar una derivación o “Tap” en el punto medio del devanado secundario de uno de los transformadores, conectándose a tierra y se conecta también al neutro del secundario. De esta manera, las cargas monofásicas se conectan entre los conductores de fase y neutro, por lo tanto, el transformador con la derivación en el punto medio toma dos terceras Figura 3.3 Conexión delta - delta. partes de la carga monofásica y una tercera parte de la carga trifásica. Los otros dos transformadores, cada uno toma un tercio de las cargas monofásicas y trifásicas.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

•

Conexión estrella - delta.

Esta conexión se usa con frecuencia para alimentar grandes cargas trifásicas de un sistema trifásico de alimentación conectado en estrella. Tiene la limitante de que para alimentar cargas monofásicas y trifásicas en forma simultánea, no dispone de neutro. Por otra parte, tiene la ventaja relativa de que la impedancia de los tres transformadores no necesita ser la misma en esta conexión. Figura 3.4 Conexión estrella - delta.

•

Conexión estrella - estrella.

Esta conexión se usa cuando se requiere alimentar grandes cargas monofásicas en forma simultánea, con cargas trifásicas. También se usa sólo si el neutro del primario se puede conectar sólidamente al neutro de la fuente de alimentación, ya sea con un neutro común o a través de tierra. Cuando los neutros de ambos lados del banco de transformadores no se unen, el voltaje de línea a neutro tiende a distorsionarse (no es senoidal). La conexión estrella - estrella se Figura 3.5 Conexión estrella - estrella. puede usar también sin unir los neutros, a condición de que cada transformador tenga un tercer devanado, el cual se conoce como devanado terciario. Este devanado terciario siempre está conectado en delta. Con frecuencia, el tercer devanado se usa para alimentar los servicios de la subestación.

•

Conexión delta - estrella.

Esta conexión optimiza la elevación de voltaje de línea a línea y comúnmente se utiliza en el extremo del generador de una línea para la transformación de mediano a alto voltaje de transmisión. Los devanados del lado de alta tensión presentan menores esfuerzos en su aislamiento, a diferencia de los que ocurrirían en un secundario en delta para el mismo voltaje de línea.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica Para la transformación de mediano a bajo voltaje, esta conexión es útil en aplicaciones que requieren potencia tanto trifásica como monofásica.

Figura 3.6 Conexión delta - estrella.

•

Conexión delta abierta - delta abierta.

La conexión delta - delta representa, en cierto modo, la más flexible de las conexiones trifásicas. Una de las ventajas de la conexión delta abierta o V, es que si uno de los transformadores se daña o se retira de servicio, los otros dos pueden continuar operando. Con esta conexión se suministra aproximadamente el 58% de la potencia que entrega un banco en conexión delta - delta. En la conexión delta abierta, las impedancias de los transformadores no necesitan ser iguales necesariamente, aunque esta situación es preferible cuando es necesario cerrar la delta con un tercer transformador. La conexión delta abierta se usa normalmente para condiciones de emergencia, cuando en una conexión delta - delta uno de los transformadores del banco se desconecta por alguna razón. En forma similar a la conexión delta - delta, del punto medio del secundario de uno de los transformadores se puede tomar una derivación para alimentar pequeñas cargas de alumbrado, o bien, otros tipos de cargas.

Figura 3.7 Conexión delta abierta - delta abierta.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Pruebas a transformadores. Se hacen pruebas en los transformadores y sus accesorios por distintas razones; durante su fabricación, para verificar la condición de sus componentes, durante la entrega, durante su operación, como parte del mantenimiento, después de su reparación, etc. Algunas de las pruebas que se hacen en los transformadores se consideran básicas, algunas otras varían de acuerdo a la condición individual de los transformadores y pueden cambiar de acuerdo con el tipo de transformador, por lo que existen distintas formas de clasificación de las pruebas a transformadores, por ejemplo, algunos las clasifican en prueba de baja tensión y prueba de alta tensión. También se pueden agrupar como pruebas preliminares, intermedias y de verificación. •

Las pruebas preliminares se realizan cuando un transformador se ha puesto fuera de servicio para mantenimiento programado o para revisión programada o bien, ha tenido alguna falla. Las pruebas se realizan antes de abrir el transformador y tienen el propósito general de encontrar el tipo y naturaleza de la falla. Estas pruebas incluyen: − Prueba al aceite del transformador. − Medición de la resistencia de aislamiento de los devanados. − Medición de la resistencia óhmica de los devanados. − Determinación de las características del aislamiento.

•

Las pruebas intermedias, como su nombre lo indica, se realizan durante el transcurso de una reparación o bien, en las etapas intermedias de fabricación, cuando el transformador está en proceso de armado o desarmado. El tipo de pruebas depende del propósito de la reparación o la etapa de fabricación. Por lo general, se hacen cuando las bobinas no han sido montadas o desmontadas y son principalmente las siguientes: − Medición de la resistencia de aislamiento de tornillos y herrajes contra el núcleo. − Prueba de la resistencia de aislamiento de tornillos y herrajes por voltaje aplicado. − Prueba de las boquillas por medio de voltaje aplicado.

•

Cuando se han desmontado las bobinas durante un trabajo de reparación, entonces las pruebas se incrementan. Las pruebas finales se hacen sobre transformadores terminados de fabricación o armados totalmente después de una reparación e incluyen las siguientes: − Prueba al aceite del transformador. − Medición de la resistencia de aislamiento. − Prueba de relación de transformación. − Determinación del desplazamiento de fase de los grupos de bobinas. − Determinación de las características del aislamiento. − Prueba del aislamiento por voltaje aplicado. − Prueba para la determinación de las pérdidas en vacío y en cortocircuito (determinación de impedancia). − Prueba del aislamiento entre espiras por voltaje inducido. − Medición de la corriente de vacío y la corriente de excitación. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica El orden de las pruebas no es necesariamente el mencionado anteriormente. Y de hecho, existen normas nacionales e internacionales que recomiendan qué pruebas y en qué orden se deben realizar, así como cuándo se deben efectuar.

3. CUESTIONARIO PREVIO. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

¿Qué entiendes por polaridad de un transformador? ¿Cómo se conectarían dos baterías de 5 𝑉𝐶𝐷 para obtener un voltaje de 10 𝑉𝐶𝐷 ? ¿Cómo se comporta la polaridad en el voltaje de CA? Mencione las conexiones que existen para los transformadores trifásicos. ¿Qué es y para qué se ocupa el diagrama fasorial? ¿Qué es el desplazamiento angular? Dibuje el circuito equivalente de un transformador real y su diagrama fasorial. Investigue cuál es la tabla IEC para conexiones trifásicas de empleo general.

4. MATERIAL. − − − − − − −

Módulo de fuente de alimentación. (0-120 𝑉𝐶𝐷 , 0-120 𝑉𝐶𝐴 ) Dos módulos de medición de CA. (250/250/250 V) Módulo de medición de CD. (20/200 V) Módulo de transformador. Módulo de medición de CA. (0.5/50 A) Módulo de transformador trifásico. Cables de conexión.

EMS 8821 EMS 8426 EMS 8412 EMS 8341 EMS 8425 EMS 8342 EMS 8941

5. DESARROLLO. ¡ATENCIÓN! En esta práctica se manejan altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente este energizada y siempre des energice la fuente después de cada medición. 5.1 EXPERIMENTO 1 – Determinación de la polaridad. 1) Conecte el medidor de 0-20 𝑉𝐶𝐷 a la salida variable de la fuente de alimentación (terminales 7 y N). 2) Conecte la fuente de alimentación y ajústela lentamente a un voltaje de 10 𝑉𝐶𝐷 .

3) Sin tocar la perilla de control del voltaje, desconecte la fuente de energía y desconecte el medidor.

4) Arme el siguiente circuito. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

5) Observe la deflexión de la aguja del voltímetro de CD en el momento en que se cierra el interruptor de la fuente de alimentación. Si la aguja del voltímetro se desvía momentáneamente a la derecha, las terminales 1 y 3 tienen la misma marca de polaridad (La terminal 1 se conecta al lado positivo de la fuente de alimentación de CD y la terminal 3, al polo positivo del voltímetro). a. ¿Cuáles terminales son positivas en los devanados 1 a 2 y 3 a 4? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 6) Desconecte el voltímetro de CD del devanado 3 a 4 y conéctelo al devanado 5 a 6. Repita la misma operación. a. ¿Cuáles terminales son positivas en los devanados 1 a 2 y 5 a 6? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 7) Regrese el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

5.2 EXPERIMENTO 2 – Conexión en serie de dos devanados de un transformador. En este experimento se conectarán en serie dos devanados de un transformador. 1) Conecte el siguiente circuito.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 2) Conecte la fuente de alimentación y ajústela exactamente a 104 𝑉𝐶𝐴 . 3) Mida y anote los valores en las siguientes terminales. E 1-2 = ______________ 𝑉𝐶𝐴 E 5-6 = ______________ 𝑉𝐶𝐴 E 2-6 = ______________ 𝑉𝐶𝐴

4) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

5.3 EXPERIMENTO 3. 1) Conecte el siguiente circuito.

2) Conecte la fuente de alimentación y ajústela exactamente a 104 𝑉𝐶𝐴 . 3) Mida y anote los valores en las siguientes terminales. E 1-2 = ______________ 𝑉𝐶𝐴 E 5-6 = ______________ 𝑉𝐶𝐴 E 2-6 = ______________ 𝑉𝐶𝐴

4) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

5.4 EXPERIMENTO 4 – Conexiones de transformadores trifásicos. 1) Conecte el siguiente circuito.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Este circuito tiene tres transformadores conectados en una configuración estrella – estrella. a. Calcule los voltajes esperados y anote los valores en los espacios correspondientes. b. Conecte la fuente de alimentación y aumente la salida a un voltaje de línea a línea de 120 𝑉𝐶𝐴 . c. Mida los voltajes indicados y anote los valores en los espacios correspondientes. d. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. Repita los pasos (c), (d) y (e), hasta que haya medido todos los voltajes indicados.

Valores Calculados. 𝐸1 = __________𝑉

𝐸5 = __________𝑉

𝐸3 = __________𝑉

𝐸7 = __________𝑉

𝐸2 = __________𝑉 𝐸4 = __________𝑉

𝐸9 = __________𝑉

𝐸6 = __________𝑉

𝐸10 = __________𝑉

𝐸8 = __________𝑉

𝐸12 = __________𝑉

𝐸11 = __________𝑉

Valores Medidos. 𝐸1 = __________𝑉

𝐸5 = __________𝑉

𝐸3 = __________𝑉

𝐸7 = __________𝑉

𝐸2 = __________𝑉 𝐸4 = __________𝑉

𝐸9 = __________𝑉

𝐸6 = __________𝑉

𝐸10 = __________𝑉

𝐸8 = __________𝑉

𝐸12 = __________𝑉

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𝐸11 = __________𝑉

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 2) Conecte el siguiente circuito.

Este circuito tiene tres transformadores conectados en una configuración delta - delta. a. Calcule los voltajes esperados y anote los valores en los espacios correspondientes. b. Abra el circuito del secundario conectando en delta en el punto “A” y conecte el voltímetro a través de la delta abierta. c. Conecte la fuente de alimentación y aumente lentamente el voltaje de salida. El voltímetro conectado a la delta abierta, en el punto “A”, no indicará ningún voltaje apreciable si las conexiones en delta tienen la fase debida. d. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. e. Desconecte el voltímetro y cierre el circuito de la delta en el punto “A”. f. Conecte la fuente de alimentación y aumente lentamente la salida hasta obtener un voltaje de línea a línea de 120 𝑉𝐶𝐴 . g. Mida los voltajes indicados y anote los valores en los espacios correspondientes. h. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. Repita los pasos (f), (g) y (h), hasta que haya medido todos los voltajes.

Valores Calculados. 𝐸1 = __________𝑉

𝐸2 = __________𝑉

𝐸3 = __________𝑉 𝐸4 = __________𝑉

𝐸6 = __________𝑉 𝐸5 = __________𝑉

Valores Medidos. 𝐸1 = __________𝑉

𝐸2 = __________𝑉

𝐸3 = __________𝑉 𝐸4 = __________𝑉

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𝐸5 = __________𝑉 𝐸6 = __________𝑉

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 3) Conecte el siguiente circuito.

Este circuito tiene dos transformadores conectados en una configuración delta - estrella. a. Calcule los voltajes esperados y anote los valores en los espacios correspondientes. b. Conecte la fuente de alimentación y aumente lentamente la salida hasta tener un voltaje de línea a línea de 90 𝑉𝐶𝐴 . c. Mida los voltajes indicados y anote los valores en los espacios correspondientes. d. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. Repita los procedimientos (b), (c) y (d), hasta que haya medido todos los voltajes indicados.

Valores Calculados. 𝐸1 = __________𝑉

𝐸4 = __________𝑉

𝐸7 = __________𝑉

𝐸3 = __________𝑉

𝐸6 = __________𝑉

𝐸9 = __________𝑉

𝐸2 = __________𝑉

𝐸5 = __________𝑉

𝐸8 = __________𝑉

Valores Medidos. 𝐸1 = __________𝑉

𝐸4 = __________𝑉

𝐸7 = __________𝑉

𝐸3 = __________𝑉

𝐸6 = __________𝑉

𝐸9 = __________𝑉

𝐸2 = __________𝑉

𝐸5 = __________𝑉

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𝐸8 = __________𝑉

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

6. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN. 1) Suponga que se cuenta con una fuente de alimentación de 120 𝑉𝐶𝐴 y que todos los devanados del módulo de transformador (EMS 8341) desarrollan su voltaje nominal. ¿Cómo se conectarían los devanados para obtener los siguientes voltajes? a. 240 volts. _________________________________________________________ _________________________________________________________ b. 88 volts. _________________________________________________________ _________________________________________________________ c. 180 volts. _________________________________________________________ _________________________________________________________ d. 92 volts. _________________________________________________________ _________________________________________________________ 2) Si cada transformador tiene una capacidad de 60 kVA, ¿cuál es el total de potencia trifásica que se puede obtener en: a. Conexión estrella - estrella. _________________________________________________________ _________________________________________________________ b. Conexión delta - delta. _________________________________________________________ _________________________________________________________ c. Conexión delta - estrella. _________________________________________________________ _________________________________________________________

7. CONCLUSIONES. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

8. BIBLIOGRAFÍA. EXPERIMENTOS CON EQUIPO ELÉCTRICO. WILD Y DEVITO. LIMUSA. MÁQUINAS ELÉCTRICAS, TRANSFORMADORES Y CONTROLES. HAROLD W, GRINGRICH. PRENTICE HALL. MÁQUINAS ELÉCTRICAS. STEPHEN J. CHAPMAN. Mc GRAW HILL.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

U.N.A.M.

Ingeniería Industrial

F.E.S. Aragón

Laboratorio de Máquinas Eléctricas

PRÁCTICA 4 MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN MOTOR DE CAPACITOR DE ARRANQUE

1. OBJETIVOS. a) Medir las características de arranque y funcionamiento del motor con arranque P/C. b) Comprobar su funcionamiento durante el arranque y operación continua con el motor monofásico de fase hendida

2. INTRODUCCIÓN. Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja; puesto que sólo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en un motor de este tipo no rota. En su lugar, primero pulsa con una gran intensidad, luego con menos intensidad pero permanece siempre en la misma dirección. Debido a que hay campo magnético en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque. El hecho de que los motores monofásicos de inducción no posean un par intrínseco de arranque fue un impedimento grave para su desarrollo temprano. El motor de inducción sólo llego a ser un producto comercial cuando se desarrollaron los sistemas de potencia trifásicos de 60hz. Cuando el motor empieza a girar, se induce un par en él. Existen dos teorías básicas que explican por qué se produce un par en el rotor una vez que empieza a girar; una es la llamada teoría de doble campo giratorio de los motores de inducción monofásicos, la otra es la llamada teoría del campo cruzado de los motores de inducción monofásicos En algunas aplicaciones, el par de arranque es insuficiente para arrancar una carga sobre el eje del motor. En esos casos se pueden utilizar motores con arranque por capacitor. En un motor de arranque por capacitor, se dispone de un capacitor en serie con el devanado auxiliar del motor. Seleccionando de manera adecuada el tamaño del capacitor, la fuerza magnetomotriz de la corriente de arranque en el devanado auxiliar puede ajustarse para igualar a la fuerza magnetomotriz de la Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica corriente del devanado principal, y puede lograrse que el ángulo de fase de la corriente del devanado auxiliar adelante en 90 grados la corriente del devanado principal. Una diferencia de fase de 90 grados en la corriente produciría un solo campo magnético rotacional uniforme del estator y el motor se comportará como si estuviera arrancando al conectarse a una fuente de potencia trifásica. En este caso, el par de arranque del motor puede sobrepasar el 300% de su valor nominal

El capacitor y el devanado de arranque se desconectan mediante un interruptor centrífugo. Para invertir el sentido de la rotación de un motor con arranque por capacitor, se invierten las conexiones de los cables a los devanados de arranque u operación Los motores con arranque por capacitor son más costosos que los de fase hendida y se utilizan en aplicaciones en las cuales se requiera un alto par de arranque, como en los compresores, las bobinas, los equipos de aire acondicionado y otros equipos que deben arrancar con carga.

Figura 4.1 Estructura del motor de capacitor de arranque.

3. CUESTIONARIO PREVIO. 1) Indique mínimo 5 usos del motor monofásico de arranque por capacitor. 2) Mencione para qué se requiere del capacitor en este tipo de motores. 3) Mencione para qué se utiliza un interruptor centrífugo en el motor de arranque por capacitor. 4) Indique las partes de un motor de inducción de arranque por capacitor.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

4. MATERIAL. -

Módulo de motor de fase hendida con capacitor. Módulo de fuente de alimentación. Módulo de medición de CA. (100/100/250/250 V) Módulo de medición de CA. (0.5/0.5/0.5 A) Módulo de electrodinamómetro. Módulo de vatímetro. Banda de acoplamiento. Cables de conexión. Tacómetro de mano.

EMS 8251 EMS 8821 EMS 8426 EMS 8425 EMS 8911 EMS 8431 EMS 8942 EMS 8941

4.1 DIAGRAMAS ELÉCTRICOS.

Diagrama 4.1 Conexión para medición de la corriente del devanado principal.

Diagrama 4.2 Conexión para medición de la corriente en el devanado auxiliar y en el capacitor.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Diagrama 4.3 Conexión para medición de la corriente con los dos devanados y el capacitor.

Diagrama 4.4 Conexión para la medición de la potencia, corriente y voltaje del motor de arranque por capacitor.

5. DESARROLLO. ¡ATENCIÓN! En esta práctica se manejan altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente esté energizada y siempre des energice la fuente después de cada medición. 1) Instale los 5 módulos en el rack de la fuente de alimentación como se ilustra a continuación.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

2) Conecte la fuente de alimentación; la salida fija de 120 𝑉𝐶𝐴 de ésta (terminales 1 y N), al devanado principal del módulo del motor arranque por capacitor (terminales 1 y 2), así mismo, conecte el módulo de medición de CA (terminales verdes ± y 2.5) como se describe a continuación. a. La terminal 1 de la fuente, con la terminal ± del amperímetro. b. La terminal de salida de 2.5A del amperímetro a la terminal 2 del módulo del motor. c. La terminal N de la fuente a la terminal 1 del módulo del motor. Debe quedar como se muestra a continuación:

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 3) Encienda la fuente de alimentación y mida tan rápido como sea posible (en menos de 3 segundos, encienda y apague) la corriente que pasa por el devanado principal. 𝐼𝑑𝑒𝑣𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 = ______________𝐴𝐶𝐴 4) Retire las conexiones del devanado principal y conecte el devanado auxiliar y el capacitor como se describe a continuación. a. La terminal de 2.5A del amperímetro a la terminal 5 del motor. b. La terminal N de la fuente con la terminal 3 del motor. c. Compare sus conexiones con las mostradas en la siguiente ilustración:

d. Repita el procedimiento 3. Recuerde que debe hacer la medición tan rápido como sea posible. 𝐼𝑑𝑒𝑣𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟 = ______________𝐴𝑐𝐴 5) Retire las conexiones y conecte los dos devanados en paralelo, terminales 1 a 3 y 2 a 5. Acople el electrodinamómetro al motor con arranque por capacitor; utilice la banda de acoplamiento (para poder colocar la banda necesita desatornillar las caratulas de ambos módulos). Observe la siguiente figura:

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

6) Conecte las terminales de entrada del electrodinamómetro a la salida fija de 120 𝑉𝐶𝐴 de la fuente de alimentación; la terminal 1 con la terminal roja y N con la terminal amarrilla. 7) Conecte el módulo del amperímetro; proceda como en seguida se describe. a. La terminal de 2.5A de éste a la terminal 2 del motor. b. La terminal ± con la terminal 1 de la fuente de alimentación. c. El neutro de la fuente de alimentación con la terminal 3 del motor. Sus conexiones deben quedar de la siguiente manera:

8) Coloque la perilla de control del electrodinamómetro en su posición extrema, haciéndola girar en sentido contrario al de las manecillas del reloj; a fin de obtener una carga máxima de arranque para el motor de arranque por capacitor 9) Encienda la fuente de alimentación y mida la corriente tan rápido como sea posible (en menos de 3 segundos). 𝐼𝑑𝑒𝑣𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟 = ______________𝐴𝑐𝐴 10) Retire todas las conexiones y posteriormente, conecte los módulos de vatímetro, electrodinamómetro y los medidores de CA siguiendo los pasos descritos a continuación. a. La terminal 4 de la fuente de alimentación con la terminal 1 del vatímetro. b. La terminal N de la fuente de alimentación con la terminal 2 del vatímetro. c. Las terminales 2 y 6 del motor entre sí, y del mismo modo; las terminales 7 con 5 y 1 con 3. d. La terminal 3 del vatímetro al ± del amperímetro. e. La salida de 8A del amperímetro al ± del voltímetro. f. La salida de 250V del voltímetro con la terminal 4 del vatímetro. g. La terminal 2 del motor con la salida del voltímetro. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica h. La terminal 3 del motor con la terminal ± del voltímetro. i. Conecte el electrodinamómetro como se explicó anterior mente. Compare sus conexiones con las que se muestran a continuación:

11) Coloque la perilla de control del electrodinamómetro en su posición extrema, haciéndola girar en el sentido de las manecillas del reloj; a fin de obtener el par mínimo resistente al arranque del motor de arranque por capacitor. 12) Conecte la fuente de alimentación y ajústela a 120 𝑉𝐶𝐴 . Mida y anote en la tabla 4.1 la corriente de línea, la potencia y la velocidad del motor. Repita las mediciones para cada par indicado en la tabla. PAR (lbf · plg)

I (A)

P (Watts)

S (VA)

VELOCIDAD (rpm)

HP

0 2 4 6 8 Tabla 4.1 13) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. 14) Calcule y anote en la tabla 4.1 la potencia aparente (S) suministrada por el motor, así como la potencia desarrollada en HP para cada par anotado. a. Para los VA, sólo multiplique la corriente de línea por el voltaje fijo de 120 𝑉𝐶𝐴 . 𝑉𝐴 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 · 𝐴𝑚𝑝 Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica b. Para los HP, realice una regla de 3 para cada valor de potencia, usando la relación: 1 𝐻𝑃 = 746𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠

15) A continuación, determine el máximo par de arranque desarrollado por el motor de arranque por capacitor. Desconecte los módulos de vatímetro y de medición. 16) Conecte la entrada del motor con arranque por capacitor a las terminales 2 y N de la fuente de alimentación (120 𝑉𝐶𝐴 fijos); la terminal 2 de la fuente con la terminal 3 del motor y la terminal N con la terminal 2 del motor. 17) Coloque la perilla de control del electrodinamómetro en su posición extrema, haciéndola girar en sentido contrario al de las manecillas del reloj; para una carga máxima. Sus conexiones deben verse de la siguiente manera:

18) Cierre el interruptor de la fuente de alimentación y lea rápidamente el valor del par, según lo indique la escala del dinamómetro. 𝑃𝑎𝑟𝑚á𝑥 = _____________ 𝑙𝑏𝑓 · 𝑝𝑙𝑔

19) Desconecte la fuente y retire todos los cables de conexión. No olvide retirar la banda de acoplamiento antes de quitar el motor y el electrodinamómetro del rack. Guarde todo el equipo en su lugar.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

6. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN 1) De acuerdo con la tabla 4.1, indique los siguientes datos de operación en vacío (𝑝𝑎𝑟 = 0 𝑙𝑏𝑓. 𝑝𝑙𝑔). 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑆) = _____________ 𝑉𝐴 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅𝑒𝑎𝑙 (𝑃) = _____________𝑊

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 (𝑄) = _____________𝑉𝐴𝑟 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ____________

2) De acuerdo con la tabla 4.1, indique los siguientes datos para condiciones de plena carga (𝑝𝑎𝑟 = 9 𝑙𝑏𝑓. 𝑝𝑙𝑔). 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑆) = _____________ 𝑉𝐴 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅𝑒𝑎𝑙 (𝑃) = _____________𝑊

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 (𝑄) = _____________𝑉𝐴𝑟 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ____________

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 = _____________ ℎ𝑝

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 = _____________ % 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 = _____________ 𝑊

3) ¿Cuál es valor de la corriente a plena carga del motor de arranque por capacitor? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 4) ¿Cuántas veces es mayor la corriente de arranque que la corriente de operación a plena carga? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

7. CONCLUSIONES. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

8. BIBLIOGRAFÍA. EXPERIMENTOS CON EQUIPO ELÉCTRICO. WILD Y DEVITO. LIMUSA. MÁQUINAS ELÉCTRICAS, TRANSFORMADORES Y CONTROLES. HAROLD W, GRINGRICH. PRENTICE HALL. MÁQUINAS ELÉCTRICAS. STEPHEN J. CHAPMAN. Mc GRAW HILL.

Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

48

No. de Práctica

Nombre de la Práctica

U.N.A.M. F.E.S. Aragón

49

Ingeniería Industrial

Laboratorio de Máquinas Eléctricas

PRÁCTICA 5 MOTORES Y MÁQUINA DE CD 1. OBJETIVOS. a) Estudiar las características del par en función de la velocidad de un motor de CD con devanado en derivación y con el campo en serie. b) Calcular a eficiencia de un motor de CD con devanado en derivación y con el campo en serie. c) Estudiar las propiedades del generador de CD en derivación con excitación independiente, en condiciones de vacío y en plena carga. d) Obtener la curva de saturación del generador. e) Obtener la curva del voltaje de armadura en función de la corriente de armadura del generador.

2. INTRODUCCIÓN. La regulación de velocidad se define como una medida aproximada de la forma de la característica par-velocidad de un motor: una regulación de velocidad positiva significa que la velocidad del motor cae cuando se incrementa la carga, mientras que una regulación de voltaje negativa implica que la velocidad del motor se incrementa cuando disminuye la carga. La velocidad de cualquier motor de CD depende principalmente de su voltaje de armadura y de la intensidad del campo magnético.

El motor de CD en derivación. Característica de las terminales. La característica de las terminales de una máquina es una gráfica de sus cantidades de salida. En un motor, estas características son el par y la velocidad del eje. Al incrementarse la carga en el eje de un motor en derivación el par de carga excederá el par inducido en la máquina y el motor comenzará a perder velocidad. Cuando el motor pierde Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

Figura 5.1.-Curva par-velocidad de un motor de CD en derivación.

No. de Práctica

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velocidad, el voltaje interno generado cae por lo que se incrementa la corriente en el inducido del motor. Conforme aumenta la corriente del inducido, también lo hace el par inducido en el motor, y finalmente el par inducido es igual al par de carga a un abaja velocidad de rotación. La característica par-velocidad de un motor de CD en derivación se muestra en la figura 5.1, para que la velocidad del motor varíe linealmente con el par, el voltaje en las terminales que suministra la fuente de potencia de CD debe ser constante, sino las variaciones del voltaje afectarán la forma de la curva.

Control de velocidad. Los motores de CD en derivación tienen características de control de velocidad excelentes. Los métodos para controlar la velocidad son: 1. Ajustar la resistencia de campo 𝑅𝐹 (y por lo tanto el flujo del campo). 2. Ajustar el voltaje en las terminales aplicado al inducido. 3. Insertar un resistor en serie con el circuito del inducido (y con lo cual ajustar el voltaje en las terminales aplicado al inducido). A continuación se describen cada una de éstas. •

Cambio de la resistencia de campo.

Si se incrementa la resistencia de campo, disminuye la corriente de campo, y conforme disminuye la corriente de campo, también disminuye el flujo. Una disminución del flujo un decremento instantáneo del voltaje interno generado., que a su vez origina un gran incremento de la corriente del inducido de la máquina. El incremento de la corriente predomina sobre la disminución del flujo y el par inducido aumenta; puesto que el par inducido es mayor que el par de carga, el motor se acelera. •

Cambio del voltaje del inducido.

Este método involucra el cambio del voltaje aplicado al inducido del motor sin cambiar el voltaje aplicado al campo. Si se incrementa el voltaje en el inducido, entonces la corriente en el inducido del motor debe aumentar. Conforme dicha corriente aumenta, el par inducido se incrementa, lo que hace que el par inducido sea mayor al par de carga y que aumente la velocidad del motor. •

Inserción de un resistor en serie con el circuito del inducido.

Este método de control de velocidad causa mucho desperdicio, puesto que son muy grandes las pérdidas en el resistor insertado. Por esta razón casi no se utiliza. Se encuentra sólo en aplicaciones en las que el motor pasa casi todo el tiempo operando a plena velocidad o en aplicaciones demasiado baratas que no justifican otro método de control de velocidad. En el control por resistencia de campo, mientras más baja sea la corriente de campo en un motor de CD en derivación, más rápido girará; y mientras más alta sea la corriente de campo, más lento Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

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girará. Puesto que un incremento en la corriente de campo causa una disminución de la velocidad, siempre puede lograr una velocidad mínima con el control de circuito de campo. Esta velocidad mínima se presenta cuando a través del circuito de campo del motor fluye la corriente máxima permisible. En el control de voltaje del inducido, mientras más bajo sea el voltaje del inducido en un motor de CD en derivación, más lento girará; y mientras más alto sea, más rápido girará. Puesto que un incremento del voltaje del inducido provoca un incremento de velocidad, siempre se puede alcanzar una velocidad máxima con el control de voltaje del inducido. Esta velocidad máxima se presenta cuando el voltaje del inducido del motor alcanza su nivel máximo permisible.

El motor de CD en serie. El par de cualquier motor de CD depende del producto de la corriente de armadura y del campo magnético. En el caso del motor con devanado en serie, esta relación implica que el par será muy grande a corrientes de armadura intensas, tales como las que se producen durante el arranque. Por lo tanto, el motor serie es ideal para el arranque con cargas de gran inercia y es especialmente útil como propulsor en los trenes eléctricos, en los motores de arranque de coches, de elevadores, así como en aplicaciones de tracción de servicio pesado como locomotoras.

Característica de las terminales. Una de las desventajas de los motores en serie es que cuando el par del motor llega a cero, su velocidad aumenta al infinito. En la práctica, el par nunca puede llegar a cero por las pérdidas mecánicas, en el núcleo y misceláneas que debe superar. Sin embargo, si no hay ninguna carga conectada al motor, puede girar lo suficientemente rápido para dañarse. Nunca se debe descargar por completo un motor en serie y nunca se debe conectar a una carga por medio de una banda o cualquier otro mecanismo que se pudiera romper. Si esto sucediera y el motor se encontrara de pronto operando sin carga, el resultado podría ser muy grave.

Control de velocidad.

Figura 5.2.-Curva par-velocidad de un motor de CD en serie.

A diferencia del motor de CD en derivación, sólo hay una manera eficiente de controlar la velocidad de un motor de CD en serie. Este método consiste en cambiar el voltaje en las terminales del motor. El incremento en dichas terminales provoca una mayor velocidad con cualquier par.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

La velocidad de los motores de CD en serie también se puede controlar por medio de la inserción de un resistor en serie en el circuito del motor, pero esta técnica provoca un gran desperdicio de potencia y sólo se utiliza en periodos intermitentes durante el arranque de algunos motores.

Generador de CD Como se puntualizó con anterioridad, no hay diferencias reales entre un generador y un motor excepto en la dirección del flujo de potencia. Puesto que el campo es un electroimán, una corriente debe fluir a través del él para producir un campo magnético. Esta corriente se conoce como corriente de excitación y se puede suministrar al devanado del campo en dos formas: puede prevenir de una fuente externa independiente de CD en cuyo caso el generador se clasifica como generador con excitación independiente, o bien, puede provenir de la propia salida del generador, cuyo caso se denomina generador con autoexcitación. El voltaje inducido en las bobinas (y, por lo tanto, el voltaje de CD en las escobillas) depende exclusivamente de dos cosas: la velocidad de rotación y la intensidad del campo magnético. Si la velocidad se duplica, el voltaje se duplicará también. Si la intensidad del campo se incrementa en un 20%, el voltaje se incrementa también en la misma proporción.

Generador con excitación independiente. Un generador de CD con excitación independiente es aquel cuya corriente de campo la suministra una fuente de CD externa separada; es útil en los casos en que el generador deba responder rápidamente y con precisión a una fuente de control externo, o bien cuando el voltaje de salida deba variar en un rango amplio. Si no se tiene una carga eléctrica conectada al generador, no fluirá corriente y sólo habrá voltaje en la salida. En cambio, si se conecta una resistencia de carga a la salida, la corriente fluye y el generador comienza a proporcionar potencia eléctrica a la carga. Entonces la máquina que impulsa el generador debe proporcionarle una potencia mecánica adicional. Debido a ello, con frecuencia, se observa un incremento en el ruido y la vibración del motor y del generador, junto a una caída en la velocidad. En la figura 5.3 se muestra el circuito equivalente de un generador de este tipo. El voltaje 𝑉𝑇 representa el voltaje real medido en las terminales del generador y la corriente 𝐼𝐿 representa la corriente que fluye en las líneas conectadas a las terminales. El voltaje interno generado es 𝐸𝐴 y la corriente del inducido es 𝐼𝐴 . Está claro que en un generador con excitación independiente la corriente del inducido es igual a la corriente de línea.

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No. de Práctica

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Figura 5.3.-Generador con excitación independiente.

Característica de las terminales. Para un generador de CD, las cantidades de salida son el voltaje en las terminales y la corriente de línea; representadas en una gráfica de 𝑉𝑇 respecto a 𝐼𝐿 a una velocidad constante. Puesto que el voltaje interno generado es independiente de 𝐼𝐴 , la característica en las terminales de un generador con excitación independiente es una línea recta, tal como se aprecia en la figura 5.4.

Figura 5.4.- Característica de las terminales de un generador con excitación independiente. Al incrementar la carga en un generador, 𝐼𝐿 (y por lo tanto 𝐼𝐴 ) aumenta. Conforme se eleva la corriente del inducido, se incrementa la caída 𝐼𝐴 𝑅𝐴 , por lo que cae el voltaje en las terminales del generador.

Control del voltaje en las terminales. Se puede controlar el voltaje en las terminales de un generador de CD de excitación separada por medio del cambio del voltaje interno generado 𝐸𝐴 por la máquina. Por lo que si aumenta 𝐸𝐴 , aumenta el voltaje en las terminales 𝑉𝑇 y si disminuye 𝐸𝐴 , disminuirá𝑉𝑇 . Hay dos formas posibles para cambiar 𝐸𝐴 :

1. Cambio de la velocidad de rotación. Si aumenta la velocidad de rotación 𝜔, entonces aumenta 𝐸𝐴 , por lo que también aumenta 𝑉𝑇 . 2. Cambio de la corriente de campo. Si disminuye la resistencia de campo 𝑅𝐹 , aumenta la corriente de campo 𝐼𝐹 . Por lo tanto aumenta el flujo 𝜙 en la máquina. Conforme aumenta el flujo, también debe aumentar 𝐸𝐴 , por lo que aumenta 𝑉𝑇 . Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

No. de Práctica

Nombre de la Práctica En muchas aplicaciones, el intervalo de velocidad del motor primario es muy limitado, por lo que el voltaje en las terminales se controla más a menudo por medio del cambio de la corriente de campo.

3. CUESTIONARIO PREVIO 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Investigue y describa la curva par- velocidad del motor serie. Investigue y describa la curva par-velocidad del motor derivación. Explique por qué el motor serie tiene a desbocarse cuando no tiene carga. Explique los métodos de control de velocidad de los motores de corriente directa. Dibuje el diagrama de un generador con excitación independiente. Explique por qué el generador de CD produce un voltaje aun cuando no se alimenta corriente a su devanado de campo. 7) ¿Cómo se controla el voltaje en un generador de CD?

4. MATERIAL. -

Módulo de fuente de alimentación. (120V CA, 0-120𝑉𝐶𝐷 ) Módulo de medición de CD. (200 V, 5A) Módulo de motor/generador de CD. Módulo de electrodinamómetro. Tacómetro de mano. Cables de conexión. Banda de acoplamiento. Módulo de medición de CA. (2.5/2.5/2.5 A) Módulo motor/generador síncrono. Módulo de resistencia.

EMS 8821 EMS 8412 EMS 8211 EMS 8911 EMS 8920 EMS8941 EMS 8942 EMS 8425 EMS 8241 EMS 8311

5. DESARROLLO. ¡ATENCIÓN! En esta práctica se manejan altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente esté energizada y siempre des energice la fuente después de cada medición.

EXPERIMENTO 1. - Conexión en paralelo. 1) Conecte el siguiente circuito.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

2) Ajuste la perilla de control del reóstato de campo en derivación en su posición extrema haciéndolo girar en el sentido de las manecillas del reloj (para obtener una máxima excitación del campo en derivación). Verifique que las escobillas estén en la posición neutra. 3) Ajuste la perilla de control del dinamómetro en su posición extrema haciéndolo girar en el sentido contrario al de las manecillas del reloj (para proporcionar una carga mínima en el arranque del motor de CD). 4) Conecte la fuente de alimentación y ajuste el voltaje variable de salida a 120𝑉𝐶𝐷 , guiándose por las lecturas tomadas en el medidor. Observe la dirección de la rotación, si es en sentido anti-horario, apague la fuente de energía, intercambie las conexiones de derivación. 5) A continuación: a. Ajuste el reóstato de campo en derivación a una velocidad en vacío de 1800 rpm, según lo indique el tacómetro de mano. b. Mida la corriente de línea tomando esta lectura en el amperímetro cuando la velocidad del motor sea 1800 rpm. Anote este valor en la tabla 6.1 Nota: Para un par exacto de 0 lbf·plg, desacople el motor del dinamómetro.

6) Después: a. Aplique carga al motor de CD haciendo variar la perilla de control del dinamómetro hasta que la escala marcada en la carcasa del motor indique 3 lbf·plg. (Si es necesario, reajuste la fuente de energía para mantener 120 𝑉𝐶𝐷 ). b. Mida la corriente de línea y la velocidad del motor, anote estos valores en la tabla. c. Repita la operación para cada uno de los valores de par indicados en la tabla 6.1. a. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación.

E (Volts)

A (Amp)

VELOCIDAD (rpm)

PAR (lbf·plg)

120

0

120

3

120

6

120

9 Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

Tabla 5.1 Corriente de línea y velocidad.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 7) Seguidamente: a. Marque los valores de velocidad del motor tomados en la tabla 5.1, en la gráfica 5.1 b. Trace una curva continua por los puntos marcados. c. La gráfica terminada representa las características de velocidad en función del par, de un motor típico de CD en derivación. VE LO CI DA D (RP M)

2000 1600 1200 800 400 6

3

9

PAR (lbf·plg) Gráfica 5.1 Velocidad en función del par del motor de CD en derivación. 8) Calcule la regulación de velocidad (plena carga = 9 lbf·plg), utilizando la ecuación: % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =

(𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑐í𝑜) − (𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) 𝑥 100 (𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

% 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = ____________________%

9) Ajuste la perilla de control del dinamómetro en su posición extrema haciéndola girar en el sentido de las manecillas del reloj (a fin de proporcionar la máxima carga de arranque al motor con devanado en derivación). 10) Ahora: a. Conecte la fuente de energía y aumente gradualmente el voltaje en CD hasta que el motor tome 3A de corriente de línea. El motor debe girar con lentitud o estar parado. b. Mida y anote el voltaje en CD y el par desarrollado. 𝐸 = _________ 𝑉

𝑃𝑎𝑟 = _________ 𝑙𝑏𝑓 · 𝑝𝑙𝑔

c. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación. 11) Posteriormente: a. La corriente de línea en el punto 10 queda limitada sólo por la resistencia a CD equivalente del motor con devanado en derivación.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

b. Calcule el valor de la corriente de arranque que requiere un motor de CD con devanado en derivación, cuando se le aplica todo el voltaje de la línea. (120 𝑉𝐶𝐷 ). 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = ___________ _𝐴

EXPERIMENTO 2. - Conexión en serie. 1) Conecte el siguiente circuito.

2) Ajuste la perilla de control del dinamómetro a su posición media (para proporcionar una carga de arranque para el motor de CD). 3)

A continuación. a. Conecte la fuente de energía y aumente gradualmente el voltaje de CD hasta que el motor comience a girar. Observe la dirección de rotación. Si no es en sentido horario, desconecte el motor e intercambie las conexiones del campo serie. b. Ajuste el voltaje variable a 120 𝑉𝐶𝐷 .

4) Posteriormente. a. Ajuste la carga del motor serie de CD haciendo girar la perilla del dinamómetro hasta que la escala marcada en la carcasa del estator indique 9 lbf·plg. b. Mida la corriente de línea y la velocidad del motor. Anote estos valores en la tabla 6.2. c. Repita esta operación para cada valor de par marcado en la tabla 6.2. Mantenga la entrada constante de 120 𝑉𝐶𝐷 . d. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación.

Nota: Para un par exacto de 0 lbf·plg, desacople el motor del dinamómetro.

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E (Volts) 120 120 120 120

A (Amp)

VELOCIDAD (rpm)

PAR No. de Práctica (lbf·plg) Nombre de la Práctica 9 6 3 0

Tabla 5.2 Corriente de línea y velocidad. 5) Seguidamente. a. En la gráfica 5.2, marque los valores obtenidos en la tabla 5.2. b. Trace una curva continua por los puntos marcados. c. La gráfica representa las características de velocidad en función del par, de un motor típico de CD en serie.

VE LO CI DA D (RP M)

5000 4000 3000 2000 1000 6

3

9

PAR (lbf·plg) Gráfica 5.2 Velocidad en función del par del motor de CD en serie. 6) Calcule la regulación de velocidad (plena carga = 9 lbf·plg), utilizando la ecuación: % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =

(𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑐í𝑜) − (𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) 𝑥 100 (𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = ____________________%

7) Ajuste la perilla de control del dinamómetro en su posición extrema haciéndola girar en el sentido de las manecillas del reloj (para proporcionar la máxima carga de arranque para el motor serie). 8) Ahora. a. Conecte la fuente de energía y aumente gradualmente el voltaje en CD hasta que el motor tome 3A de corriente de línea. El motor debe girar con lentitud. b. Mida y anote el voltaje en CD y el par desarrollado. 𝐸 = _________ 𝑉

𝑃𝑎𝑟 = _________ 𝑙𝑏𝑓 · 𝑝𝑙𝑔

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica c. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación.

9) Posteriormente. a. La corriente de línea en el punto 8 está limitada por la resistencia equivalente a la CD equivalente del motor serie. b. Calcule el valor de la corriente de arranque si se aplicara todo el voltaje de la línea (120 𝑉𝐶𝐷 ) al motor serie. 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = ___________ _𝐴

GENERADOR DE CD EXPERIMENTO 3. – Características en vacío. 1) Puesto que se requiere una velocidad constante de funcionamiento, se usará el motor síncrono para impulsar mecánicamente el generador de CD. Conecte el siguiente circuito.

2) Ajuste la perilla de control del reóstato a la posición apropiada para una excitación normal. 3) Posteriormente: Conecte el circuito que aparece a continuación.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

a. Acople el motor síncrono y el generador de CD por medio de la banda de acoplamiento. Cerciórese de que las escobillas están en la posición neutra. b. Pídale al instructor que revise su circuito. ADVERTENCIA. El interruptor en el circuito de excitación del motor síncrono debe estar cerrado (posición arriba) sólo cuando el motor está girando.

4) Para continuar: a. Conecte la fuente de alimentación. El motor síncrono debe comenzar a funcionar. b. Si el motor síncrono tiene el interruptor S, ciérrelo al llegar a este paso. c. Haga variar la corriente de campo en derivación 𝐼𝐹 , haciendo girar la perilla de control de voltaje de la fuente de alimentación. Observe el efecto en la salida del generador (voltaje de armadura 𝐸𝐴 según lo indica el medidor de 200𝑉𝐶𝐷 ). d. Mida y anote en la tabla 5.3 el voltaje de armadura 𝐸𝐴 para cada una de las corrientes de campo que aparecen en ella. 𝑰𝑭 (mA) 0 50 100 150 200 250 300 350 400

𝑬𝑨 (Volts)

Tabla 5.3 e. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación. f. ¿Puede explicar por qué se tiene un voltaje de armadura a pesar de que la corriente de campo sea cero? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 5) Enseguida. a. Invierta la polaridad del campo en derivación intercambiando los cables a las terminales 5 y 6 del generador de CD. b. Conecte la fuente de alimentación y ajuste la corriente de campo 𝐼𝐹 a 300 𝑚𝐴𝐶𝐷 c. ¿Se invirtió el voltaje de armadura? ____________________________________ d. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 6) A continuación. a. Intercambie los cables del medidor de 200 𝑉𝐶𝐷 . b. Conecte la fuente de alimentación y ajuste la corriente de campo 𝐼𝐹 a 300 𝑚𝐴𝐶𝐷 . c. Mida y anote el voltaje de armadura. 𝐸𝐴 = ______________𝑉𝐶𝐷 d. ¿Tienen aproximadamente el mismo valor el voltaje y el que se obtuvo en el paso 4 (a una 𝐼𝐹 de300 𝑚𝐴𝐶𝐷 ), excepto que sus polaridades son inversas? ____________ e. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación. 7) Seguidamente. a. Invierta la rotación del motor propulsor intercambiando dos de las conexiones del estator (terminales 1, 2 o 3) que van al motor síncrono. b. Conecte la fuente de alimentación y ajuste la corriente de campo 𝐼𝐹 a 300 𝑚𝐴𝐶𝐷 . c. ¿Se invirtió la polaridad del voltaje de armadura?___________________________ d. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación. 8) Después. a. Intercambie los cables del medidor de 200 𝑉𝐶𝐷 . b. Conecte la fuente de alimentación y ajuste la corriente de campo 𝐼𝐹 a 300 𝑚𝐴𝐶𝐷 . c. Mida y anote el voltaje de armadura. 𝐸𝐴 = ______________𝑉𝐶𝐷 d. ¿Tienen aproximadamente el mismo valor el voltaje de armadura y el del paso 4 (a una 𝐼𝐹 a 300 𝑚𝐴𝐶𝐷 ) excepto que sus polaridades son inversas? _______________ e. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación.

EXPERIMENTO 4. – Características de carga.

1) Conecte el siguiente circuito. Coloque los interruptores del módulo de resistencia de tal modo que la resistencia total de carga sea 120 Ω.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

2) A continuación. a. Conecte la fuente de alimentación. El motor síncrono debe comenzar a girar. b. Ajuste la corriente de campo en derivación 𝐼𝐹 , hasta que el generador proporcione un voltaje de salida de120 𝑉𝐶𝐷 . El amperímetro 𝐼𝐴 debe indicar 1 𝐴𝐶𝐷 . c. Anote la corriente del campo en derivación. 𝐼𝐹 = _______________𝑚𝐴 Esta es la 𝐼𝐹 nominal a la potencia nominal de salida (120 V x 1 A = 120 W)del generador de CD. 3) Enseguida. a. Ajuste la resistencia de carga tantas veces cuantas se requieran para obtener cada uno de los valores que aparecen en la tabla 7.2, en tanto que mantenga el valor nominal 𝐼𝐹 que encontró en el paso 2. b. Mida y anote 𝐸𝐴 e𝐼𝐴 para cada uno de los valores de resistencia indicados en la tabla. NOTA.Aunque el valor nominal de la corriente de salida del generador es 1 𝐴𝐶𝐷 puede cargarse hasta 1.5 𝐴𝐶𝐷 (50% de sobrecarga) sin dañarlo.

4) Después. a. Con la resistencia de carga ajustada a una corriente de salida 𝐼𝐴 de 1.5 𝐴, conecte y desconecte la corriente de campo 𝐼𝐹 , mediante el cable de conexión de la terminal 6 del generado de CD. b. ¿Nota que el motor propulsor funciona con mayor dificultad cuando el generador entrega potencia a la carga?___________________________________________ c. Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentación.

5) Calcule y anote la potencia para cada uno de los valores indicados en la tabla 5.4

Tabla 5.4

RL (Ω) ∞ 600 300 200 150 120 100 80 75

IA (A)

EA (V)

6) Para continuar. a. Conecte en cortocircuito total la armadura (terminales 1 y 2). Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

Potencia (Watts)

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica b. Verifique la posición de la perilla del control de voltaje en la fuente de alimentación; debe ser tal que se obtenga una corriente de campo igual a cero. c. Conecte la fuente de alimentación. d. Incremente gradualmente la corriente de campo 𝐼𝐹 hasta que el motor pare. ADVERTENCIA. No deje el motor en esta condición durante más de dos segundos.

e. ¿Cuál es el valor de la corriente de campo en derivación 𝐼𝐹 que se requiere para parar el motor? 𝐼𝐹 = _______________𝑚𝐴

NOTA. Con un cortocircuito en la armadura, la corriente en éste aumenta mucho, lo cual produce un efecto de frenado tan fuerte que se parará el motor.

6. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN. 1) Calcule los siguiente valores del motor de CD con devanado en derivación cuando el par es 9 lbf·plg. -

Hp que desarrolla el motor, utilizando la siguiente ecuación.

ℎ𝑝 =

ℎ𝑝 =

(𝑟𝑝𝑚)(𝑙𝑏𝑓·𝑝𝑙𝑔)(1.59)

(𝑟𝑙𝑔000000)(1.59) = 000000000 100 000

100 000

Potencia de 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 = _____________________ 𝑊

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 = _____________________ 𝑊

% 𝑑𝑒 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ______________________ %

𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = (𝑝𝑜𝑡. 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) − (𝑝𝑜𝑡. 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎)= 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = ______________________𝑊 2) Indique algunas de las partes del motor en las que se producen estas pérdidas. ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________

3) ¿Disminuirían estas pérdidas si se montara un ventilador en el eje del motor? ¿Por qué?

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________

4)

Dé dos razones por las que las pérdidas son indeseables.

________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________

5) ¿Cuántas veces es mayor la corriente de arranque que la corriente normal de plena carga? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________

6) Calcule los hp que desarrolla el motor serie cuando el par es 9 lbf·plg. ℎ𝑝 =

(𝑟𝑝𝑚)(𝑙𝑏𝑓)(1.59) 100 000

= 000000000

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 = _____________________ 𝑊

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 = _____________________ 𝑊

% de 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = _____________________ %

𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = ______________________𝑊

7) ¿Cuántas veces es mayor la corriente de arranque que la corriente normal a plena carga? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

8) Compare el motor de CD con devanado en derivación y el de CD con devanado en serie, de acuerdo con: a. b. c. d.

El par de arranque. La corriente de arranque. La eficiencia. La regulación de velocidad. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________

9) Indique dos formas en que se puede cambiar la polaridad de salida de un generador de CD en derivación. ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

10) Si un generador de CD suministra 180 W a una carga ¿Cuál es el valor mínimo de los hp necesarios para impulsar este generador (suponiendo una eficiencia del 100%)? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

11) En la siguiente gráfica dibuje la curva de 𝐸𝐴 en función de 𝐼𝐹 del generador de CD en derivación. Utilice los datos de la tabla 5.3. Observe que la característica “se dobla” al aumentar la corriente de campo. ¿Puede explicar por qué sucede ésto?

Gráfica 5.3

Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 12) A continuación trace la gráfica de la característica de carga 𝐸𝐴 en función de 𝐼𝐴 . Use los datos obtenidos en la tabla 5.4

Gráfica 5.4

13) Calcule la regulación de voltaje de la condición de vacío a la de carga plena (10 𝐴𝐶𝐷 ).

________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

7) CONCLUSIONES. _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________

8) BIBLIOGRAFÍA. EXPERIMENTOS CON EQUIPO ELÉCTRICO. WILDI Y DEVITO. LIMUSA. MÁQUINAS ELÉCTRICAS. STEPHEN J. CHAPMAN. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

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PRÁCTICA 6 MÁQUINAS SÍNCRONAS 1. OBJETIVOS. a) b) c) d)

Obtener la curva de saturación en vacío del alternador. Obtener las características de corto circuito del alternador. Aprender cómo se sincroniza un alternador al sistema de servicio eléctrico. Entender cómo puede alterarse el proceso de sincronización debido a una secuencia de fase inadecuada.

2. INTRODUCCIÓN. Por definición una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna que convierte energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso utilizada como motor síncrono, o bien convierte energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizada como generador síncrono. Aunque la mayor aplicación de las máquinas síncronas es la generación de energía eléctrica (generadores) los motores síncronos se destacan por su aplicación en sistemas de control y a gran escala como equipos para la compensación de potencia reactiva (capacitores síncronos). Un motor síncrono tiene la misma construcción que un alternador (generador) y por lo tanto presenta las mismas propiedades eléctricas; de hecho la misma máquina puede funcionar como motor o como generador. Desde el punto de vista energético la diferencia es el sentido de conversión de la energía electro-mecánica, como motor la máquina recibe energía eléctrica y entrega energía mecánica, como generador el proceso es inverso.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

El circuito equivalente básico del motor es idéntico al del generador, consistiendo en una reactancia síncrona 𝑋𝑆 , la resistencia de armadura 𝑅𝐴 y un voltaje inducido de corriente alterna 𝐸𝐴 , creado por el flujo de CD proveniente de los polos magnéticos colocados en el estator. En la figura A se muestran los circuitos equivalentes por fase como motor y generador, donde se observa que solo el sentido de la corriente es la diferencia fundamental.

Figura 6.1 Diferencias en el circuito equivalente del generador (a) y del motor (b) síncrono.

Los términos generador de corriente alterna, generador síncrono, alternador síncrono y alternador a menudo se utilizan indistintamente en libros de ingeniería. Los alternadores son la fuente más importante de energía eléctrica. Éstos generan un voltaje de CA cuya frecuencia depende totalmente de la velocidad de rotación. El valor del voltaje generado depende de la velocidad, de la excitación del campo en CD y del factor de potencia de la carga. Si se mantiene constante la velocidad de un alternador y se aumenta la excitación de campo de CD, el flujo magnético y, por tanto, el voltaje de salida, aumentarán en proporción directa a la excitación. No obstante, con incrementos progresivos en la corriente de campo de CD, el flujo alcanzará finalmente un valor lo suficientemente alto para saturar el hierro del alternador. La saturación del hierro significa que, para un incremento dado de la corriente de campo de CD, se tendrá un incremento menor en el flujo. Para conocer el grado de saturación se puede medir el voltaje generado, ya que éste también se relaciona directamente con la intensidad del flujo magnético. Cuando un alternador que trabaja produciendo su voltaje nominal de salida se somete repentinamente a un corto circuito, habrá momentáneamente corriente de gran intensidad, Sin embargo, al subsistir el corto circuito, las corrientes intensas disminuirán rápidamente a los valores seguros. El circuito que se muestra a continuación tiene una fuente de potencia de CD que suministra potencia al circuito de campo del rotor, que se modela por medio de la inductancia y resistencia en serie de la bobina. El resistor ajustable 𝑅𝐹 controla el flujo de corriente de campo. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Cada fase tiene un voltaje interno generado con una inductancia en serie 𝑋𝑆 (que es la suma de la reactancia del inducido y la autoinductancia de la bobina) y una resistencia en serie 𝑅𝐴 . Los voltajes y corrientes de las tres fases están separadas por 120°, pero en todo lo demás son idénticos; lo que lleva a utilizar un circuito equivalente por fase. El circuito equivalente por fase de esta máquina se puede apreciar en la figura 6.2.

Figura 6.2 Circuito equivalente por fase de un generador síncrono. La resistencia del circuito de campo interno y la resistencia variable externa se combinan en un solo resistor 𝑅𝐹 .

Operación en paralelo de generadores de CA. En el mundo actual es muy raro encontrar que un generador síncrono suministre independientemente su propia carga. Esta situación sólo se encuentra en algunas aplicaciones que salen de lo normal, tales como los generadores de emergencia. En todas las demás aplicaciones de generadores hay más de uno que opera en paralelo para suministrar la potencia que requieren las cargas. ¿Por qué se utilizan los generadores síncronos en paralelo? Hay muchas ventajas para ello: 1. Varios generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. 2. Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. 3. Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. 4. Si se utiliza un solo generador y éste no opera cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas que trabajan en paralelo es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que operan lo hacen casi a plena carga y por lo tanto, de manera más eficiente.

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No. de Práctica

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Condiciones requeridas para operar en paralelo. La figura 6.3 muestra un generador síncrono 𝐺1 que suministra potencia a una carga con otro generador 𝐺2 a punto de conectarse en paralelo con 𝐺1 por medio del cierre del interruptor 𝑆1 .

Figura 6.3 Generador que se conecta en paralelo con un sistema de potencia en operación.

Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se dañen severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se conectarán juntos, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectará. Para lograr lo anterior, se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo. 1. Los voltajes de la línea RMS de los generadores deben ser iguales. Para que dos grupos de voltajes sean idénticos, deben tener la misma magnitud de voltaje RMS. 2. Los generadores deben tener la misma secuencia de fase. Esta condición asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente (como muestra la figura 6.4), entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a, por ejemplo) estén en fase, los otros dos pares de voltajes estarán defasados por 120°. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problema con la fase a, pero fluirán enormes corrientes en las fases b y c, lo que dañará ambas máquinas. Para corregir el problema de secuencia de fase, simplemente se intercambian las conexiones en dos de las tres fases en una de las máquinas.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 6.4 Las dos secuencias de fase posibles en un sistema trifásico. 3. Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales. Los voltajes de las fases a y a’ serán completamente idénticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ángulos son iguales 4. La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación. Si las frecuencias de los generadores no son muy parecidas cuando se conectan juntos, se presentarán grandes potencias transitorias hasta que se estabilicen los generadores en una frecuencia común. Las frecuencias de las dos máquinas deben ser casi las mismas, pero no deben ser exactamente iguales. Deben diferir por una pequeña cantidad para que los ángulos de fase de la máquina en aproximación cambien en forma lenta con respecto a los ángulos de fase del sistema en operación.

3. CUESTIONARIO PREVIO. 1) ¿A qué se le llama máquina síncrona? 2) Dibuje el circuito equivalente de la máquina síncrona funcionando como generador y explique sus componentes. 3) Explique la curva de saturación de un material ferromagnético. 4) ¿Qué aplicaciones tienen la máquina síncrona? 5) Investigue por qué los generadores síncronos son las máquinas preferidas para generar energía eléctrica. 6) ¿Qué requerimientos se deben cumplir para sincronizar un generador síncrono al sistema? 7) ¿Qué es la secuencia de fases?

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

4. MATERIAL. -

Módulo motor/generador síncrono. Módulo de motor/generador de CD. Módulo de motor de inducción de jaula de ardilla. Módulo de interruptor de sincronización. Módulo de fuente de alimentación. (120/208 V, 3ϕ, 0-120 𝑉𝐶𝐷 ) Módulo de medición de CA. (250/250/250 V) Módulo de medición de CA. (2.5/25 A) Módulo de medición de CD. Cables de conexión. Banda de acoplamiento. Tacómetro de mano.

EMS 8241 EMS 8211 EMS 8221 EMS 8621 EMS 8821 EMS 8426 EMS 8425 EMS 8412 EMS 8941 EMS 8942 EMS 8920

5. DESARROLLO. ¡ATENCIÓN! En esta práctica se manejan altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente esté energizada y siempre des energice la fuente después de cada medición.

5.1 EXPERIMENTO 1. 1) Conecte el siguiente circuito.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

2) A continuación. a. Acople el motor de jaula de ardilla al alternador, mediante la banda. b. Ajuste el reóstato del campo del alternador a su posición extrema moviendo el control en su sentido de las manecillas del reloj (para una resistencia cero). c. Ponga la perilla de control del voltaje de la fuente a su posición extrema haciéndola girar en sentido contrario a las manecillas del reloj (para un voltaje en CD igual a cero). 3) Seguidamente. a. Conecte la fuente de alimentación. El motor debe comenzar a funcionar. b. Siendo nula la excitación de CD, mida y anote 𝐸1 , 𝐸2 , 𝑦 𝐸3 (use las escalas más bajas de los voltímetros). 𝐸1 = _______________𝑉𝐶𝐷 𝐸2 = _______________𝑉𝐶𝐷 𝐸3 = _______________𝑉𝐶𝐷 c. Explique por qué se genera un voltaje de CA cuando no hay excitación en CD. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4) Para continuar. a. Si el motor tiene un interruptor S, ciérrelo al llegar a este paso. b. Aumente gradualmente la excitación de CD, a partir de 0 hasta 0.1 𝐴𝐶𝐷 . c. Mida y anote en la tabla 1.1 los tres voltajes generados, 𝐸1 , 𝐸2 , 𝑦 𝐸3 . d. Repita (b) para cada una de las corrientes directas indicadas en la tabla 6.1. e. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. 5) Calcule y anote en la tabla 6.1 el voltaje de salida promedio del alternador, para cada corriente indicada. 𝑰𝟏 (Amperes) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

𝑬𝟏 (Volts)

𝑬𝟐 (Volts)

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𝑬𝟑 (Volts)

𝑬𝑪𝑨 (Promedio)

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica Tabla 6.1Voltaje de salida promedio del alternador. 6) Posteriormente. a. Conecte la fuente de alimentación y ajuste la excitación de CD hasta que 𝐸1 = 208 𝑉𝐶𝐴 Mida y anote 𝐸2 𝑦 𝐸3 . 𝐸1 = 208 𝑉𝐶𝐴 𝐸2 = _______________𝑉𝐶𝐴 𝐸3 = _______________𝑉𝐶𝐴 b. Desconecte la fuente de alimentación sin tocar el control de ajuste del voltaje. c. Vuelva a conectar los tres voltímetros de CA de tal manera que midan los voltajes a través de cada uno de los tres devanados del estator. d. Conecte la fuente de alimentación. Mida y anote los voltajes generados en cada devanado del estator conectado en estrella. 𝐸1−4 = _______________ 𝑉𝐶𝐴 𝐸2−5 = _______________𝑉𝐶𝐴 𝐸3−6 = _______________𝑉𝐶𝐴 e. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. f. Comprare los resultados de (a) y (d). ¿Coinciden con los que se obtendrían normalmente de una fuente de alimentación trifásica convencional? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

7) Conecte el siguiente circuito.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

8) Para continuar. a. Abra el interruptor de sincronización. b. Conecte la fuente de alimentación y ajuste la excitación de CD hasta que 𝐸1 = 208 𝑉𝐶𝐴 El motor debe estar funcionando y las tres lámparas del módulo de sincronización deben estar prendidas. c. Mida y anote la corriente de excitación de CD. 𝐼1 = _______________ 𝐴𝐶𝐷 d. Cierre el interruptor de sincronización para poner en corto circuito al alternador. Observe el comportamiento de la corriente alterna 𝐼2 . ¿Hasta qué valor máximo (aproximadamente) aumentó I 2 ? 𝐼2 = ______________ 𝐴𝐶𝐷 e. ¿Cuál es el valor final de estado permanente de 𝐼2 e 𝐼1 ? 𝐼1 = _______________ 𝐴𝐶𝐷 𝐼2 = ______________ 𝐴𝐶𝐴 f. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

5.2 EXPERIMENTO 2.

1) Conecte el siguiente circuito:

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

2) A continuación. a. Acople el motor de CD al alternador por medio de la banda. b. Ponga el reóstato de campo de motor de CD en su posición extrema, haciéndolo girar en el sentido de las manecillas del reloj (para resistencia mínima). c. Cambie el reóstato de campo del alternador a la otra posición extrema, haciéndolo girar en sentido contrario al de las manecillas del reloj (para resistencia máxima). d. Ponga el interruptor de sincronización en posición abierta. e. Si el motor síncrono tiene un interruptor (S), ábralo al llegar a este paso. 3) Después. a. Conecte la fuente de alimentación y, con el tacómetro de mano, ajuste la salida de la fuente de alimentación para una velocidad del motor de aproximadamente 1 800 rpm. b. Mida el voltaje que proporciona la Comisión Federal de Electricidad (CFE) 𝐸2 .

𝐸2 = _______________ 𝑉𝐶𝐴

c. Si el motor tiene un interruptor S, ciérrelo al llegar al este paso. d. Ajuste la excitación de CD del alternador hasta que el voltaje de salida de éste, 𝐸1 , sea igual al voltaje que proporciona CFE, 𝐸2 . Nota: Estos dos voltajes deben mantenerse iguales durante el resto de la práctica

e. Las tres luces de sincronización deben parpadear, encendiéndose y apagándose intermitentemente.

4) Posteriormente. a. Ajuste con cuidado la velocidad del motor de CD hasta que la frecuencia de encendido de las lámparas sea bastante baja. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica b. ¿Se encienden y se apagan las tres luces al mismo tiempo? ____________________ c. Si la respuesta es negativa, la secuencia de fase es incorrecta. Desconecte la fuente de alimentación e intercambie dos de los cables que salen del estator. d. Ajuste con cuidado la velocidad del motor hasta que las tres luces aumenten y disminuyan lentamente. La frecuencia del alternador es muy semejante a la de CFE. e. Cuando los tres focos se hayan apagado por completo, los voltajes del alternador y del sistema estarán en fase. f. Si todos los focos emiten luz continua, los voltajes del alternador y del sistema están defasados 180°. (Esta condición es la de diente – diente y el interruptor de sincronización nunca se debe cerrar en estas condiciones). g. Verifique si los dos voltajes 𝐸1 y 𝐸2 son iguales. Si no es así, ajuste de nuevo la excitación de CD del alternador. 5) Seguidamente. a. Cierre el interruptor de sincronización cuando los tres focos estén apagados, y observe qué pasa con 𝐼1 en el momento en que cierra el interruptor. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ b. Cierre el interruptor de sincronización cuando los tres focos estén opacos y observe cómo varia 𝐼1 en ese momento. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ c. Cierre el interruptor de sincronización cuando los tres focos tengan una luz tenue y observe as variaciones de 𝐼1 en ese momento. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

6) Luego. a. Con el interruptor de sincronización abierto ajuste la excitación de CD del aumentador hasta que el voltaje de salida 𝐸1 = 250 𝑉𝐶𝐷 b. Ajuste la velocidad del motor hasta que los tres focos estén sincronizados. c. Cierre el interruptor de sincronización cuando las tres luces estén sumamente bajas y observe el efecto en 𝐼1 , en el momento de cierre, y un poco después. 𝐼1 en el momento de cierre = ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 𝐼2 después del cierre = ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica d. Abra el interruptor de sincronización. e. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. 7) Para finalizar. a. Invierta la rotación del motor de CD, intercambiando el campo en derivación. b. Trate de sincronizar el alternador como antes. c. ¿Cómo reaccionaron los focos? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ d. ¿Qué significa esto? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ e. Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. f. ¿Cómo se puede sincronizar nuevamente el alternador sin invertir el motor de CD? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ __________________________________________________________________

6. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN. 1) De la tabla 6.1. a. En la siguiente gráfica marque los valores promedio de voltaje en función de los valores de corriente de CD. V O L T A J E

260 240 200 180

G E N E R A D O

140 100 60 20 0.1

0.3

0.5

0.7

CORRIENTE DEL ROTOR (𝐴𝐶𝐷 ) Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

0.9

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica b. Trace una curva continua que pase por los puntos marcados. c. ¿Hasta qué valor forma una línea más o menos recta la curva de voltaje? ___________________________________________________________________ d. ¿En qué valor de 𝑉𝐶𝐴 se encuentra el codo de la curva de saturación? ___________________________________________________________________ e. Explique por qué el voltaje aumenta con menor rapidez cuando se incrementa la corriente de CD. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

2) De algunas de las razones por las que no se debe operar un alternador cerca del codo de su curva de saturación. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 3) Un alternador tiene menos probabilidades de quemarse cuando está en corto circuito permanente, que un generador en derivación de CD con excitación independiente. Explique ésto. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 4) ¿Qué condiciones se deben satisfacer para poder sincronizar un alternador a una línea de potencia trifásica existente? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 5) Un alternador podría sufrir grandes daños mecánicos durante el proceso de sincronización con la línea de alimentación. ¿En cuáles condiciones puede suceder esto? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 6) Un alternador puede generar un voltaje diferente del de la línea de alimentación y puede no estar exactamente en fase con ella, pero debe satisfacer una condición para que pueda entregarle potencia. ¿Cuál es esta condición? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

7. CONCLUSIONES. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

8. BIBLIOGRAFÍA. EXPERIMENTOS CON EQUIPO ELÉCTRICO. WILDI Y DE VITO. LIMUSA. MÁQUINAS ELÉCTRICAS. STEPHEN J. CHAPMAN. MC GRAW HILL.

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PRÁCTICA 7 MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO

1. OBJETIVO. Comprender el principio así como la estructura del motor de inducción jaula de ardilla y el control de la dirección de giro.

2. INTRODUCCIÓN. El rotor más sencillo y de mayor aplicación en los motores de inducción es el que se denomina de jaula de ardilla; éste se compone de un rotor de núcleo de hierro laminado que tiene ranuras longitudinales alrededor de su periferia. Barras sólidas de cobre o aluminio se posicionan firmemente o se incrustan en las ranuras del rotor. A ambos extremos del rotor se encuentran los anillos de corto circuito que van soldados o sujetos a las barras, formando una estructura sumamente sólida. Puesto que las barras de corto circuito tienen una resistencia mucho menor que la del núcleo no es necesario que se les aísle en forma especial del núcleo. En algunos rotores, las barras y los anillos de los extremos se funden en una sola estructura integral colocada en el núcleo. Los elementos de corto circuito, en realidad son vueltas en corto circuito que llevan elevadas corrientes inducidas en ellas, por el flujo del campo del estator. En un rotor jaula de ardilla ensamblado, la periferia del rotor está separada del estator por medio de un pequeño entrehierro. La magnitud de este entrehierro es, de hecho, tan pequeña como lo permitan los requerimientos mecánicos. Esto asegura que el acoplamiento magnético sea más eficiente. Al aplicar potencia trifásica al estator de un motor de inducción, se establece un campo magnético giratorio. Cuando el campo empieza a girar, sus líneas de flujo cortan las barras de corto circuito que están alrededor de la superficie del rotor de jaula de ardilla y generan voltajes en ellas por inducción electromagnética. Puesto que estas barras están en corto circuito con una resistencia muy baja, los voltajes inducidos en ellas producen elevadas corrientes que circulan por dichas barras del rotor.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica Las corrientes circulantes del rotor producen, a su vez, sus propios campos magnéticos intensos, estos campos locales de flujo del rotor producen sus propios polos magnéticos que son atraídos hacia el campo giratorio. Por lo tanto el rotor gira con el campo principal.

El par de arranque del motor de inducción jaula de ardilla es bajo, debido a que en reposo el rotor tiene una reactancia inductiva (X L ) relativamente grande con respecto a su resistencia (R). En estas condiciones la corriente del rotor presenta un atraso de 90 grados en relación al voltaje; por lo que, se puede decir que el factor de potencia del circuito es bajo. A pesar de su ineficiencia, se desarrolla un par, y el motor comienza a girar. Conforme comienza a girar, la diferencia en velocidad entre el rotor y el campo rotatorio (deslizamiento) va de un máximo del 100 por ciento a un valor intermedio, por ejemplo, el 50 por ciento. Conforme el deslizamiento se reduce en esta forma, la frecuencia de los voltajes inducidos en el rotor va en disminución porque el campo giratorio corta los conductores a una velocidad menor y esto a su vez, hace que se reduzca la reactancia inductiva general del circuito. Al reducirse la reactancia inductiva el factor de potencia comienza a aumentar. Este mejoramiento se refleja en forma de un incremento en el par y un aumento subsecuente en la velocidad. Cuando el deslizamiento baja a un valor comprendido entre el 2 y el 10 por ciento, la velocidad del motor se estabiliza. Esta estabilización ocurre debido a que el par del motor disminuye por disminuir los voltajes y corrientes inducidas en el rotor, ya que por el pequeño deslizamiento, las barras del rotor cortan poco flujo del campo giratorio del estator. En consecuencia, el motor presenta un control automático de velocidad similar a la del motor en derivación de CD.

Figura 7.1 Motor de inducción Jaula de ardilla.

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3. CUESTIONARIO PREVIO.

1) Defina los conceptos de potencia real, potencia aparente y potencia reactiva. Escriba las ecuaciones principales que interrelacionan estos parámetros. 2) Investigue y describa la ecuación para calcular la velocidad del campo magnético giratorio del motor. ¿Qué relación tiene esta velocidad con la velocidad de giro del rotor? 3) Diga porque, el motor de inducción de jaula de ardilla es uno de los más utilizados actualmente en la industria. 4) ¿Qué es la secuencia de fases en un sistema de potencia? 5) Explique al menos 2 métodos para controlar la velocidad de un motor de inducción

4. MATERIAL.

1) Resistencia de arranque 2) Fuente de alimentación 3) Vóltmetro/Amperímetro de AC 4) Vóltmetro/Amperímetro de DC 5) Dos módulos de máquinas de campo 6) Tarjeta para la máquina trifásica 7) Tarjeta para el convertidor rotacional 8) Rotor tipo B disco ranurado. 9) Rotor de 3 polos 10) Rotor de Jaula de ardilla 11) Cinco polos magnéticos anchos para la bobina de campo 12) Tres bobinas de campo/300 vueltas 13) Dos bobinas de campo/700 vueltas 14) Porta escobillas tipo C 15) Dos barras de fijación del rotor 16) Cinco barras de fijación de los polos magnéticos 17) Siete pernos de fijación 18) Llave de 8 mm. 19) Cables de conexión

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NO-5302 NO-5306 NO-5307 NO-5308 NO-5310 NO-5314 NO-5315 A02 A04 A06 A10 A13 A14 A18 A20 A21 A22 A24

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No. de Práctica

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a) Rotor de Jaula de ardilla.

A06

b) Rotor de 3 polos.

A04

c) Polo magnético ancho para la bobina de campo. A10

d) Porta escobillas tipo C.

A18

e) Bobina de campo/300 vueltas. A13

f) Barra de fijacion del eje, los polos y los pernos.

Figura 7.2 Referencia de las piezas principales para el montaje de la máquina de este experimento.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 7.3 Diagrama de conexiones del motor de inducción jaula de ardilla con el convertidor rotacional.

Figura 7.4 Diagrama de conexiones del motor de inducción jaula de ardilla.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

6. DESARROLLO. ¡ATENCIÓN! En esta práctica se manejan altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente este energizada y siempre des energice la fuente después de cada medición.

1) Instale los 8 módulos en el rack experimental como se ilustra en la figura 7.5.

Figura 7.5 Montaje de los 8 módulos de trabajo.

2) Note que el módulo de medición de C.D. queda en la parte superior y a la izquierda del reóstato y a la derecha el módulo de medición de A.C., note también que una máquina de campo queda en la parte superior y otra en la parte inferior con la fuente de alimentación. 3) Instale el motor rotacional de 3 fases de energía AC. como se describe a continuación: a) Primero coloque tres de los 5 ejes de los polos magnéticos (A21) en la primera máquina de campo (NO – 5310) (la máquina que ensambló en la parte superior del rack) en los orificios que están marcados con (P1, P4, P6) y deles un pequeño apretón con la llave de 8mm (A24) para asegurarse que estén bien fijos. b) Coloque los tres devanados de campo de 300 vueltas (A13) sobre la parte saliente de los polos magnéticos (A10) y ensámblelos en los ejes (empuje hasta que estos asienten por completo en la máquina, quedando el polo por arriba de Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica la bobina) así mismo fíjelos con los pernos de fijación (A22), formando un circulo con los polos. c) Coloque el eje del rotor (A20) en el orificio central de la máquina dando también un ligero apretón con la llave de 8mm después coloque el rotor de jaula de ardilla (A6) y fíjelo con el perno como lo describe en la figura 7.6.

Figura 7.6 Ensamble del motor rotacional en la máquina de campo (NO–5310).

d) Coloque la máquina de tarjeta gráfica de 3 fases (NO – 5314) en las ranuras de las bobinas del estator (A13) como se describe en la figura 7.7 (asegúrese que las terminales de la tarjea gráfica que se encuentran en la parte posterior de la misma embonen bien con los bornes rojo y negro de los devanados de campo para que esta esté bien fija, y recorra la máquina ala izquierda).

Figura 7.7 Montaje de la tarjeta gráfica del motor rotacional.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

4) Una vez ensamblado el motor rotacional. Instale el convertidor rotacional para obtener las 3 fases de energía A.C., como se describe a continuación: a) Primero coloque los 2 ejes restantes de los polos magnéticos (A21) en la segunda máquina de campo (NO – 5310) en los orificios que están marcados con (P1 y P5) y deles un pequeño apretón con la llave de 8mm (A24) para asegurarse que estén bien fijos. b) Coloque los dos devanados de campo de 700 vueltas (A14) arriba de la parte saliente del polo magnético (A10) y ensámblelos en los ejes (empuje hasta que éstos asienten por completo en la máquina, quedando el polo por encima de la bobina de campo), tratando de formar un circulo; así mismo fíjelos con los pernos de fijación (A22). c) Coloque el eje del rotor (A20) en el orificio central de la máquina dando también un ligero apretón con la llave de 8mm después coloque el rotor de tres polos (A4) sin fijarlo con el perno como lo describe en la figura 7.8.

Figura 7.8 Ensamble del convertidor rotacional en la máquina de campo (NO–5310).

d) Coloque la máquina de tarjeta gráfica del convertidor rotacional (NO – 5315) en las ranuras de las bobinas del estator (A14) y el porta escobillas tipo C (A18) sobre la parte saliente del rotor de 3 polos y fíjelo con el perno como se describe en la figura 7.9 (asegúrese que las terminales de la tarjea gráfica que se encuentran en la parte posterior de la misma embonen bien con las de los devanados de campo) Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 7.9 Montaje de la tarjeta gráfica del convertidor rotacional.

5) Conecte la fuente de alimentación, el convertidor rotatorio y motor de inducción como se describe a continuación a) De la fuente de alimentación conecte la salida de 0V a la terminal 4, la salida de 12V a la terminal 2, las terminales 5 y 6 entre sí, así mismo la salida positiva de C.D. de la fuente a la terminal de 5A del medidor de C.D. y la terminal común de C.D. de la fuente a la terminal T5 del convertidor rotatorio. b) Del convertidor rotatorio conecte la terminal T1 con la terminal 1 del reóstato, la terminal T2 con la terminal común del amperímetro de C.D., la terminal T3 con la terminal 2 del reóstato, la terminal T4 con la terminal superior del porta escobillas, la terminal T5 con el común del vóltmetro de C.D., la terminal T6 con la primera terminal del porta escobillas (la primera de afuera hacia adentro). c) La segunda terminal del porta escobillas con T9, la tercera con T8, la cuarta con T7, T10 con la terminal de 10V del vóltmetro de A.C., T11 con el común del vóltmetro de A.C., T13 con la terminal de 5A del amperímetro de A.C., T14 con la terminal T9 de la maquina trifásica, T15 con T5 de la maquina trifásica, d) De la maquina trifásica T1 con el común del amperímetro de A.C., las terminales T11 y T2 entre sí, las terminales T10 y T7 entre sí, las terminales T6 y T3 entre sí. e) Del reóstato la terminal 2 con la terminal de 10V del vóltmetro de C.D., Como lo describe la figura 7.10. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 7.10 Montaje de las conexiones.

6) Antes de iniciar el experimento asegúrese de que la resistencia esté en su valor máximo. 7) A su vez encienda la fuente de alimentación (NO 5306), compare y observe, la velocidad de rotación del convertidor rotacional con la velocidad del rotor de jaula de ardilla, ajuste la resistencia inicial del módulo (NO – 5302) poco a poco. 8) Después de obtener una velocidad adecuada para el motor de inducción jaula de ardilla ajuste la resistencia inicial (hasta su valor mínimo) en este momento registre lo que indica el amperímetro A2 y el vóltmetro V2 del motor de inducción (son los valores que registra el vóltmetro y el amperímetro de A.C.). Corriente normal I _______ [A] V _______ [V] 9) Apague la fuente de alimentación, después de esperar que el motor de inducción de jaula de ardilla se detenga por completo, encienda la fuente y registre el valor máximo de la corriente de arranque y la tensión en el momento que el rotor de inducción de jaula de ardilla empieza a girar a velocidad plena. Corriente de arranque I ________ [A] V________ [V] 10) Apague la fuente de alimentación y espere a que se detenga el motor, luego intercambie dos de las líneas de alimentación trifásica que alimenta al motor de Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica inducción jaula de ardilla, después suministre energía nuevamente para hacer funcionar al motor otra vez. ¿cambió la dirección del giro? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 11) Una vez terminado el experimento desconecte todas las conexiones, desmonte el equipo y sus partes para guardarlas en su lugar.

Nota: •

Para los experimentos con el motor de inducción, establezca la escala del amperímetro en el máximo de 5 A.

•

Para generar las 3 fases de la fuente trifásica se utiliza un convertidor rotatorio.

6. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN. 1) Explique la razón del cambio del sentido de giro del motor de inducción de jaula de ardilla. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

2) ¿La corriente de arranque del motor de inducción de jaula de ardilla es mucho más grande que la corriente en operación normal? Sí, no ¿Por qué? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

3)

Explique brevemente los métodos utilizados para limitar esta corriente de arranque en un motor __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

4) De una explicación breve sobre el principio de funcionamiento del rotor jaula de ardilla. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

5) Determine cuántas veces es más grande la corriente de arranque medida en el motor de la práctica. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

7. CONCLUSIONES _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

U.N.A.M. F.E.S. Aragón

Ingeniería Industrial

Laboratorio de Máquinas Eléctricas

PRÁCTICA 8 ARRANCADORES DE MOTOR DE INDUCCIÓN

1. OBJETIVOS 1) Comprender los dispositivos de control básicos para el arranque de los motores de inducción.

2. INTRODUCCIÓN. Hay básicamente dos tipos de controladores de motor para funcionamiento a voltaje nominal: manuales y magnéticos. Considere el problema simple de arrancar y parar un motor de inducción trifásico con el dispositivo de control localizado en el motor. Para arrancar el motor sólo se necesita suministrar energía de C.A. a sus terminales: para pararlo basta con interrumpir la energía de C.A. y permitir que el motor reduzca gradualmente su velocidad. En consecuencia. Todo lo que se necesita es un conjunto de contactos en el circuito del motor y la manera de abrirlos y cerrarlos. En un controlador manual, la manera de abrir y cerrar los contactos es simplemente un interruptor operado manualmente. Una de las componentes faltantes en este circuito es alguna prevención para proteger al motor contra la sobrecarga. Una unidad de relevador (o protección) contra sobrecarga del motor es un dispositivo que detecta la cantidad de corriente que toma el motor cuando la corriente excede un valor predeterminado, la unidad de protección responde y desconecta el motor de la línea. Dicha unidad de protección está compuesta de 3 protectores de sobrecarga (OL) en serie con la línea de energía y un contacto de control normalmente cerrado. Este contacto de control responde a una condición de sobrecarga en los sensores. Si se requiere control remoto o desde estaciones múltiples, se necesita un controlador magnético. Todavía se tendrá un conjunto de contactos en el circuito principal para iniciar y parar el flujo de

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica corriente eléctrica al motor, pero en vez de abrir y cerrar estos contactos manualmente, se hará en forma electromecánica. El elemento de control es la bobina de operación del contactor, de allí el nombre de contactor electromagnético o arrancador magnético. Cuando se da energía a esta bobina, su campo magnético cierra los contactos del circuito del motor. En caso contrario, al interrumpirse la energía a la bobina, un resorte abre los contactos del circuito del motor. Para fines de control se necesita una fuente de energía para la bobina, además de un medio de suministrar y cortar la energía a voluntad. La mayoría de motores industriales están provistos de un control que protege a los operarios de cualquier arranque automático del motor que pudiera tomarlos desprevenidos y producirles heridas, ya sea debido al movimiento de partes mecánicas o de choques eléctricos. El arranque automático puede ocurrir después de: 1. La interrupción momentánea del circuito principal de la línea de energía. 2. Una momentánea caída de voltaje de la línea de energía por debajo del “valor de retención” de la bobina del contactor. 3. El cierre de nuevo del relevador de sobrecarga.

La protección puede logarse sustituyendo los botones de acción momentánea por los de tipo contacto manteniendo y agregando un contacto auxiliar de “retención” o de sellado al contactor electromagnético. Hasta este momento hemos visto el arranque y parada del motor, por lo tanto, ahora examinaremos la puesta en reversa de éste. Todo lo que se requiere para invertir la dirección de rotación del motor de jaula de ardilla trifásico es intercambiar dos cualesquiera de los tres cables de energía. Se puede bloquear el motor para una inversión rápida conectándolo para girar en dirección inversa mientras todavía funciona la dirección directa. La corriente durante el periodo de bloqueo es sólo ligeramente más alta que la corriente de arranque En ocasiones, el bloqueo puede imponer un esfuerzo demasiado grande en la máquina movida o en el proceso, en cuyo caso el motor debe pararse por algún otro medio, antes de la inversión. Para esto existen tres tipos de circuitos de control de inversión.

1. El primero consiste en un par de contactores magnéticos cerrados con combinación metálica. 2. El segunda es sólo una mejora del anterior ya que incorpora un cierre de combinación por botón que impide ambas bobinas reciban energía al mismo tiempo. 3. El tercero es un circuito de cierre de combinación eléctrica doble además de los cierres de combinación de botones. Prácticas de Laboratorio Máquinas Eléctricas

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 8.1 Diagrama de conexiones para el circuito controlador a tensión plena.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 8.2 Diagrama de conexiones para el circuito controlador directa-reversa.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

3. CUESTIONARIO PREVIO. 1) ¿Por qué es importante tener un control de velocidad para los motores de inducción? 2) ¿Cuántos tipos de control de motor hay para un voltaje total? 3) Describa el funcionamiento de la bobina de operación del contactor. 4)

Diga las 3 posibles causas por las que un arranque automático pueda ocurrir.

5) Describa las 4 funciones básicas que debe realizar el controlador del motor. 6) Describa el circuito de cierre de combinación eléctrica doble para un controlador de inversión. 7) Describa el circuito para un controlador de inversión por contactores magnético. 8) Describa el circuito para un controlador de inversión de cierre de combinación por botón.

4. MATERIAL. 1) Interruptor de botón de presión rojo. 2) Dos interruptores de botón de presión negro. 3) Dos contactores electromagnéticos. 4) Lámpara piloto roja. 5) Lámpara piloto verde. 6) Relevador de sobrecarga. 7) Dos tableros de componentes. 8) Módulo de motor de inducción de jaula de ardilla. 9) Módulo de fuente de energía (120/208V). 10) Cables de conexión.

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EMS 9101 EMS 9103 EMS 9106 EMS 9120 EMS 9121 EMS 9109 EMS 9127 EMS 8221 EMS 8821

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica a) Relevador de sobre carga.

b) Contactor electromagnético.

c) Botones.

d) Lámparas piloto.

Figura 8.3 Referencia de las piezas principales para el montaje de la máquina para el experimento, Vistas superior y frontal de cada una de ellas.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

5. DESARROLLO. 1) Instale la placa para componentes y el motor de inducción de jaula de ardilla en el rack experimental. Una vez hecho esto coloque en la placa de componentes los botones, las lámparas, la protección magnética y el módulo de la bobina y los contactores en la placa. Figuras (8.4 y 8.5)

Figura 8.4 Montaje de las placas y el motor.

Figura 8.5 Montaje de los componentes.

2) Proceda a instalar el circuito de fuerza para el arranque del motor a. Primero conecte las terminales 4, 5 y 6 del motor en estrella (cuatro con cinco y cinco con seis). b. La terminal 1 del motor con la terminal 2 del módulo de protección magnética, la terminal 2 del motor con la terminal 4 del módulo de protección y la terminal 3 del motor con la terminal 6 del módulo de protección. c. La terminal 1 del módulo de la protección con la terminal 2 del módulo de la bobina, la terminal 3 de la protección con la terminal 6 del módulo de la bobina y la terminal 5 de la protección con la terminal 10 del módulo de la bobina. d. La terminal 1 de la bobina con la terminal 1 de la fuente de alimentación, la terminal 5 de la bobina con la terminal 2 de la fuente y la terminal 9 de la bobina con la terminal 3 de la fuente. Observe la figura 8.6.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 8.6 Conexiones del circuito de fuerza. 3) Una vez realizada la conexión del circuito de fuerza proceda a conectar el circuito de control para el arranque del motor. a. De la terminal 3 de la fuente con la terminal 3 del botón negro de la izquierda, la terminal 4 del botón negro con la terminal 1 del botón rojo, la terminal 2 del botón rojo con la terminal 17 del módulo de la bobina, de la terminal 17 de la bobina con la terminar 1 de la lámpara verde, la terminal 2 de la lámpara verde con el neutro de la fuente. b. De la terminal 18 de la bobina con la terminal 7 del módulo de protección, la terminal 8 del módulo de protección con el neutro de la fuente, la terminal 1 de la lámpara roja con la terminal 3 del botón negro, la terminal 2 de lámpara roja con la terminal 4 del módulo de la bobina, la terminal 3 del módulo de la bobina con el neutro de la fuente c. De la terminal 3 del botón negro con la terminal 13 del módulo de la bobina y de la terminal 4 del botón negro con la terminal 14 de la bobina. Observe la figura 8.7.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 8.7 Conexiones del circuito de control.

4) Una vez hecho ésto encienda la fuente de alimentación y presione el botón negro, apunte sus observaciones, ¿Cuál es el sentido del giro? _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________

5) Después apriete el botón rojo y vuelva a anotar sus observaciones, ¿el motor se detiene o sigue girando? _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________

6) A continuación, proceda a armar el circuito de directa–reversa para el motor. a. Retire únicamente las conexiones del circuito de control. b. Conecte en paralelo los contactores de la segunda bobina de la siguiente forma: la terminal 2 de la bobina ya conectada (a la cual nos referiremos como primer bobina) a la terminal 2 de la segunda bobina, la terminal 6 de la primera con la terminal 6 de la segunda, la terminal 10 con la terminal 10. c. Ahora conectaremos la terminal 1 de la segunda con la terminal 9 de la primera, la terminal 5 de la primera con la terminal 5 de la segunda y la terminal 9 de la segunda con la terminal 1 de la primera. Observe la figura 8.8.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

Figura 8.8 Conexiones de complemento para el circuito de fuerza.

7) Una vez realizadas las conexiones complementarias del sistema de fuerza conectemos el sistema de control.

a. De la terminal 1 de la fuente a la terminal 1 del botón rojo, de la terminal 2 del botón rojo a las terminales 3 de los botones negros, de cada una de las terminales 3 de los botones negros a cada terminal 13 de las bobinas (dejando el botón negro de la izquierda con la bobina izquierda y el botón negro de la derecha con la bobina derecha). b. De cada una de las terminales 14 de las bobinas a las terminales 4 de los botones negros, de cada terminal 4 de los botones a las terminales 17 de las bobinas, de cada terminal 17 de las bobinas a las terminales 1 de ambas lámparas (bobina izquierda con la lámpara verde y la derecha con la roja), de las terminales 2 de las lámparas a las terminales 18 de sus respectivas bobinas. c. De las terminales 18 de cada bobina a la terminal 7 de la protección y la terminal 8 de la protección con el neutro de la fuente. Observe la figura 8.9.

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No. de Práctica

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Figura 8.9 Conexiones del circuito de control para directa – reversa del motor

8) Una vez realizadas las conexiones proceda al encender la fuente. El motor debe permanecer apagado hasta que se presione alguno de los 2 botones negros. 9) Oprima el botón negro de la izquierda y anote sus observaciones, ¿Cuál es el sentido del giro? En seguida oprima el botón rojo para detener el motor. _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________

10) Oprima el botón negro de la derecha y anote sus observaciones ¿Cuál es el sentido del giro? En seguida oprima el botón rojo para detener el motor. _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________

11) Apague la fuente, retire las conexiones, desmonte el equipo y guarde todo en su lugar.

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica

6. PREGUNTAS DE EVALUACIÓN. 1) Explique por qué se permite al relevador de sobrecargas enfriarse durante 5 minutos entre cada prueba. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

2) ¿Cuáles requerimientos adicionales tendría que satisfacer el relevador de sobrecarga si los tres polos no estuvieran enlazados mecánicamente? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

3) Haga una lista de 3 razones por las que es posible rearrancar un motor automáticamente cuando se usa control de 2 hilos. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

4) Enliste 4 funciones básicas que debe realizar un controlador completo de motor. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

5) ¿Qué quiere decir “bloquear un motor”? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

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No. de Práctica

Nombre de la Práctica 6) Defina el término “cierre de combinación” en la forma como se usa en los controladores de reversa. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

7) Anote los 3 tipos de cierres de combinación que se usan en los circuitos de control de inversión. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

8) Haga comentarios sobre el uso de las lámparas piloto en los controles de inversión. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

7. CONCLUSIONES. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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