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• Daniel Alonzo Bustíos Guillén

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 INFORME DE LABORATORIO TEMA: 

MOTOR EN VACIO

PRESENTADO POR: ÁLVAREZ MONTAÑEZ EDUARDO

DOCENTE: Dr. Ing. CARLOS MOISÉS TANCA VILLANUEVA

ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERÍA ELÉCTRICA

CUI: 20123136

GRUPO: B

AREQUIPA - 2016

LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 1

ENSAYO DE VACÍO DEL INDUCCIÓN TRIFÁSICO

MOTOR

DE

1.1 OBJETIVO: a) Determinar los seis parámetros del inducción en estado estacionario o b) Verificar los métodos de arranque inducción trifásico. c) Verificar los métodos de arranque inducción trifásico.

1.2

circuito equivalente del motor de permanente. utilizados en motor eléctrico de utilizados en motor eléctrico de

INTRODUCCIÓN

Los métodos de ensayos necesarios para evaluar y pronosticar las condiciones de operación real del motor asincrónico después de fabricación, reparación, mantenimiento, o acondicionamiento son el método directo e indirecto. Estos métodos dependen de la capacidad de las fuentes de alimentación, equipos e instrumentos del laboratorio de ensayos y de la potencia del motor. MÉTODO DIRECTO de carga es aplicado para motores menores de 15 kW. (20 HP) según capacidad de instrumentos de laboratorio. Consiste en realizar ensayos bajo condiciones de carga nominal de motor tomando lectura de los parámetros eléctricos y mecánicos necesarios. En calidad de carga se puede acoplar un freno Prony, un generador de a.c, un freno electromagnético (corrientes parásitas), una máquina pendular, etc. La exactitud dependerá del dispositivo de carga y de la precisión de los instrumentos de medición siendo está la máquina pendular la más adecuada MÉTODO INDIRECTO de carga para motores de mayor potencia. En los motores mayor potencia no es posible el método directo por lo mencionada anteriormente. Consiste en realizar dos ensayos básicos el de vacío y de rotor bloqueado (o corto circuito). Antes de realizar los ensayos primero se determinó la resistencia de los devanados del estator en frio por fase a través del método directo o indirecto de medición de resistencias en corriente continua, y se toma lectura de la temperatura ambiente.

Figura 1 Circuito equivalente exacto y pérdidas de potencia en el motor de inducción.

Alvarez Montañez Eduardo

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Ensayo de vacío o sin carga de rotor libre. Consiste en hacer funcionar el motor sin ninguna carga mecánica en el eje, es decir, la máquina trabaja a rotor libre. Se aplica tensión nominal al estator midiendo la potencia absorbida Po y la corriente de vacío Io. Existe una gran diferencia entre el ensayo de vacío del motor de inducción y el correspondiente al del transformador. Del circuito equivalente del motor de inducción nótese que si en esta prueba la velocidad del rotor fuera la velocidad de sincronismo n2=n1, el deslizamiento sería igual a cero. Por lo que indicaría que en el circuito equivalente exacto de la fig 1, la resistencia de la carga Rc se hace infinita y en consecuencia la I2 del rotor sería cero o circuito del rotor abierto. Sin embargo, el motor de inducción no puede girar a la velocidad de sincronismo, ya a I2 nula no existiría ningún par electromagnético en el eje. Lo que sucede realmente es que el motor sin carga gira a una velocidad muy cercana del campo giratorio del estator y desde el punto de vista del circuito equivalente la resistencia del rotor o de carga tiene un valor elevado pero no infinito. Como no hay carga en el eje, la potencia disipada en esta resistencia representa las pérdidas de rozamiento en los rodamientos y de ventilación del motor. Como quiera además que I2 es de valor reducido debido a la alta impedancia de R2 lo que nos permite despreciar las pérdidas en el cobre del devanado del rotor. Denominando Pcu1 las pérdidas en el cobre del estator, Pfe a las pérdidas en el hierro y Pmec a las pérdidas mecánicas se tiene la expresión.

P0  PCu1  PFe  Pmec Para determinar cada una de las pérdidas anteriores es preciso completar este ensayo de vacío con medidas adicionales como la determinación de la resistencia por fase del estator con corriente continua y así determinar las pérdidas en el cobre PCu1. En la práctica, para considerar el efecto pelicular de los conductores se suele aumentar el valor anterior en 10% a 20%. Norma IEEE 112-1996. Para determinar la PFe y Pmec es preciso alimentar el motor por una tensión variables, iniciando desde el 120% Vn del valor nominal reduciendo hasta unos 30% Vn; en cada escalada de tensión de mide los valores de P0, I0 y V1. Y a partir de estas potencia se deducen las pérdidas rotacionales o constantes (PFe+Pmec) en cada etapa.

Prot  PFe  Pmec  P0  PCu1  Al representar las pérdidas rotacionales (PFe+Pmec) en función de V1 se obtiene una curva del tipo parabólico, como se indica en la fig 2. Extrapolando la curva hasta que corte el eje de la ordenada se obtiene para V1=0 el valor de las pérdidas mecánicas Pmec; ya las pérdidas en el hierro son nulas al existir flujo magnético V1=0. El valor de las pérdidas en el hierro a la tensión nominal está determinado por la diferencia entre las pérdidas rotacionales (PFe+Pmec) y las pérdidas mecánicas (Pmec) a la tensión nominal V1n fig 2a. Para minimizar errores en la extrapolación de la curva parabólica de la curva fig 2a, es práctico representar las pérdidas rotacionales (PFe+Pmec) en función de la tensión al cuadrado (Vl2), tal como se muestra en un plano logarítmico como en la fig 2b. Lo que resulta en una función lineal, cuya ordenada en el origen representa las pérdidas mecánicas del rotor (Pmec).

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Figura 2. Separación de las pérdidas de mecánicas de las pérdidas rotacionales.

Conocidas las pérdidas (PFe) se puede calcular los parámetros de la rama en paralelo del circuito equivalente, como se muestra en la Figura 3 que se observa la potencia (PFe) de acuerdo con las siguientes expresiones.

Figura 3. Circuito equivalente de la rama en paralelo de circuito equivalente.

cos(0 ) 

PFe m1  V1n  I 0

I Fe  I 0  cos(0 ) I   I 0  sen(0 )

La resistencia de pérdidas del hierro y la reactancia de magnetización

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RFe 

V1n I Fe

X 

V1n I

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1.3 PRELABORATORIO Realice los siguientes cálculos mediante programas de cálculo y de simulación MATHCAD, MATLAB, Scilab y presentar antes de la realización del ensayo: Un motor asíncrono (de inducción) trifásico de rotor jaula de ardilla conectado en estrella (Y), de 3500 W, tensión nominal 220 V, 50 Hz, 6 polos, ha dado los siguientes resultados de los ensayos: de vacío o rotor libre: 220 V; 3.16 A; 590 W. Se sabe también que las pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) es de 312 W; De rotor bloqueado: 34.3 V; 14.5 A; 710 W. Se ha medido la resistencia de entre terminales de 0.48 Ω. a) Parámetros del circuito equivalente del motor referido al estator; b) si el rotor gira a 930 rpm determinar la potencia mecánica útil en el eje del motor, c) la corriente de línea absorbida; d) factor de potencia del consumo de la red; e) rendimiento del motor. f) el torque que desarrolla durante el arranque del motor; g) el torque máximo y su deslizamiento crítico; h) el torque nominal de carga nominal; g) la capacidad de sobre carga del motor.

1.4 M ATERIALES, INTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y EQUIPO Los siguientes dispositivos, equipos, instrumentos y materiales serán necesarios para la realización de la práctica: Item 1

Cantidad 1

2

1

3 4 5 6 7 8 9

1 1 1 1 1 1 1

10 11 13

1 1

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Descripción Regulador de tensión trifásico (variac) 380 V, 25 A Motor de inducción de 10 HP, 440/380/220 V, 60 Hz, 1750 rpm Amperímetro de c.a. 25 A Voltímetro de c.a. de 600V Vatímetro trifásico 50 A, 600 V. Analizador de redes trifásico 380 V, 50 A Microohmímetro MPK5 (o puente Wheastone) Tacómetro óptico digital Multitester para verificación de circuitos Kit de cables flexibles AWG 14 ó 2.5 mm2 Termómetro de mercurio o digital Pinza amperimétrica digital de 0 - 40 A

Código

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1.5 PROCEDIMIENTO a) Datos de Arranque estrella triángulo: armar el circuito de la Figura 4 para el arranque por reducción de tensión del motor de inducción por métodos de configuración de estrella triángulo.

Figura 4. Esquema de montaje de ensayo de vacío del motor asíncrono.

Figura 5. Esquema del circuito eléctrico de potencia del ensayo de vacío

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b) Montar el circuito de la Figura 6, teniendo cuidado con las conexiones, las escalas de los instrumentos de medición. Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor arranque y haga funcionar el motor inducción a tensión nominal V1n por un buen tiempo unos 20 minutos para establecer las condiciones de lubricación de sus respectivos rodamientos.

Figura 6. Montaje de circuito para el ensayo de vacío del motor de inducción. Este ensayo se inicia tomando lecturas desde tensiones del 120 % de U1n y reduciéndola hasta unos 45% de U1n, justo cuando la corriente se eleva en este ensayo se eleva. Tomar unas 10 lecturas incluir una relectura que pertenezca a la U1n Una vez conectado a la red el motor de inducción se realiza el registro de las mediciones de las los instrumentos de medición en la tabla 1. Estos resultados permitirán determinar la variación de la temperatura de los devanados del estator después de funcionamiento.

c) Medimos la resistencia de los tres devanados del estator con el puente Wheastone o micro ohmímetro MPK

A-u1-u2 ohmios 65.3

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B-v1-v2 ohmios 65.5

C-w1-w2 ohmios 65.3

R-Promedio ohmios 65.4

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Tabla 1. Registro de las mediciones con los instrumentos

#

Voltimetro1 div CV V

Amperímetro A CA A

Vatímetro div CW W

Variables mecánicas rpm T[Nm] s

f Hz

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1.6 PROCEDIMIENTO 1.6.1 Dar la relación de los valores promedios o totales de las lecturas en la experiencia de rotor bloqueado en forma tabulada.

V pp  Voltimetro1 Vrms fase 228.7 220.2 210.5 200.2 190.6 180.0 170.1 160.0 150.1 140.1 130.5 119.8

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Vpp 323.4306 311.4098 297.6920 283.1256 269.5491 254.5584 240.5577 226.2742 212.2735 198.1313 184.5549 169.4228

2 Vrms

Amperímetro Arms 0.45 0.42 0.40 0.38 0.37 0.34 0.32 0.31 0.31 0.30 0.30 0.30

App 0.6364 0.5940 0.5657 0.5374 0.5233 0.4808 0.4525 0.4384 0.4384 0.4243 0.4243 0.4243

Vatímetro Wrms fase 37.0 34.5 35.0 33.5 32.0 31.0 30.7 30.0 29.7 28.7 28.7 28.4

Wpp 52.3259 48.7904 49.4975 47.3762 45.2548 43.8406 43.4164 42.4264 42.0021 40.5879 40.5879 40.1637

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LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 1 1.6.2 Graficar las pérdidas rotacionales en función a la tensión del estator y separar las pérdidas rotacionales, pérdidas mecánicas y perdidas en el hierro de ensayo de vacío en forma gráfica. Cálculos previos:

R1  65.5 PCu  3 R1 I o 2 Prot  Po  PCu V1n 2  V1n 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vo^2

Io

3*Po

3*Pcu1

Prota

52303.69 48488.04 44310.25 40080.04 36328.36 32400.00 28934.01 25600.00 22530.01 19628.01 17030.25 14352.04

0.45 0.42 0.40 0.38 0.37 0.34 0.32 0.31 0.31 0.30 0.30 0.30

111.0 103.5 105.0 100.5 96.00 93.00 92.10 90.00 89.10 86.10 86.10 85.20

39.73050 34.60968 31.39200 28.33128 26.85978 22.68072 20.09088 18.85482 18.85482 17.65800 17.65800 17.65800

71.26950 68.89032 73.60800 72.16872 69.14022 70.31928 72.00912 71.14518 70.24518 68.44200 68.44200 67.54200

GRAFICA PERDIDAS ROTACIONALES VS TENSION

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LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 1 Haciendo la regresión lineal usando el comando basic fitting del matlab, opcion linear:

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LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 1 Por comparación con una ecuación lineal las perdidas mecánicas son:

Pmec  67.773 W 1.6.3 Con las pérdidas deducidas determinar los parámetros de las ramas en paralelo de circuito equivalente del motor de inducción y dar en forma tabulada para cada registro de medición. Cálculos previos:

Pm  67.773 Pfe  Prot  Pm cos  

Pfe 3 V1n I o

I fe  I o cos 

  a cos( ) I   I o sen( ) R fe  V1n / I fe X   V1n / I 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vo

Prot

Pm

Pfe

Rfe

Xu

228.7 220.2 210.5 200.2 190.6 180.0 170.1 160.0 150.1 140.1 130.5

71.2695 68.89032 73.608 72.16872 69.14022 70.31928 72.00912 71.14518 70.24518 68.442 68.442

67.773 67.773 67.773 67.773 67.773 67.773 67.773 67.773 67.773 67.773 67.773

3.4357 1.0644 5.7870 4.3524 1.3262 2.5116 4.2054 3.3434 2.4433 0.6420 0.6420

45670 13666 22971 27626 82182 38700 20641 22971 27663 91720 79581

508.25 524.29 526.39 526.94 515.15 529.46 531.74 516.26 484.27 467.01 435.01

1.6.4 A partir de los datos registrados del ensayo de vacío trazar las curvas características: P0 vs U10, Prot vs U10, I0 vs U0l, cos(φ0) vs V10, rpm vs V10.

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1.6.5 Dibujar el circuito equivalente de vacío y dar los parámetros del motor a voltaje nominal. Dar la metodología utilizada para obtener los parámetros de los datos de ensayo.

1.7 INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA 1.7.1 Investigue y compruebe a través del osciloscopio la forma de la onda de corriente del ensayo de vacío I0 y de la tensión de alimentación a la frecuencia de nominal. El ensayo en vacío se realiza con la finalidad de obtener el valor de las pérdidas en el rotor, pérdidas magnéticas, corriente, resistencia y reactancia de magnetización de la maquina de de inducción de 180 Watt. Esta prueba consistió en hacer funcionar a la máquina sin ningún tipo de carga mecánica en el eje, es decir a rotor libre. Para esto se alimentó a frecuencia y tensión nominal en el estator y de esta manera, obtener mediciones más precisas de las corrientes de fase, tensión de línea y potencia activa de entrada [2], [4], [6].

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Diagrama de conexionado: Este esquema muestra una resistencia de 4Ω en la fase b de la maquina de inducción, al igual que la conexión de uno de los canales del osciloscopio en los terminales de dicha resistencia para la obtención de la señal de su caída de tensión. Esto se hizo debido a la carencia de un wattímetro y un miliamperímetro capaz de medir con suficiente calidas los valores de potencia y corriente respectivamente. Más adelante se observará con más detalle la forma en la que se trabajó esta ligera variación del esquema tradicional del ensayo en vacío

1.7.2 Que otros métodos existen para el cálculo de los parámetros del motor de inducción trifásico.

1.8 CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 1.8.1 -

OBSERVACIONES

El Observamos que en el momento de arranque el deslizamiento es 1. Observamos que el torque en rotor bloqueado es cero Observamos que la resistencia del estator varia debido a la temperatura del bobinado del estator

1.8.2

CONCLUSIONES

-

Se pudo Hallar la resistencia y la impedancia de corto circuito del estator

-

Verificamos que la velocidad del eje del rotor es menor a la velocidad de sincronismo de la red variando esta diferencia entre 3% al 6% como se ve en la tabla 1.

-

Se puede notar de la gráfica, que con muy poca tensión de suministro se obtiene la corriente nominal en la prueba de cortocircuito

-

si se suministra el voltaje nominal la corriente es alta y sobrepasara de manera tasita la corriente nominal que soporta el motor.

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-

Notamos que la corriente de vacío disminuye conforme disminuye el voltaje pero solo hasta cierto punto después la corriente comienza aumentar mientras sigue bajando la tensión de vacío.

-

El ensayo a rotor bloqueado se realizó satisfactoriamente, a través del mismo se obtuvieron los parámetros del circuito equivalente.

-

Una incorrecta conexión de las fase del motor a la red nos va a dar un giro anti horario del eje del motor tomando como referencia la flecha del eje del motor.

-

Arrancar un motor en delta provocaría inestabilidad al sistema que al cual se le está conectando debido al alto nivel de corriente que esta requiere para arrancar.

1.9 BIBLIOGRAFÍA 

*Jesús Fraile Mora, “Máquinas Eléctricas”, McGraw Hill, 6ra. edición, 2008. 2. *Fitzgerald A. E.Charles Kingsley Jr, Stephen D. Umans, “Máquinas Eléctricas”, McGraw Hill, 6ra. edición, 2003.

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clear all,clc,format compact %--------------------------------------------------------------------%PRE-LABORATORIO 3 %ALUMNO: ALVAREZ MONTAÑEZ EDUARDO EDGAR %GRUPO: B %--------------------------------------------------------------------POTENCIA=50;%HP VLL=220;%VOLT Vf=VLL/sqrt(3); f=50;%Hz np=6;%numero de polos %--------------------------------------------------------------------% DATOS: ENSAYO DE VACÍO %--------------------------------------------------------------------Voll=220; Io=3.16; P3o=590; Pm=312; %--------------------------------------------------------------------% DATOS: ENSAYO DE ROTOR BLOQUEADO %--------------------------------------------------------------------Vcll=34.3; Ic=14.5; P3c=710; R1=0.24; disp('--------------------------------------------------------------') disp(' SOLUCION ') disp('--------------------------------------------------------------') Vof=Voll/sqrt(3); P3fe=P3o-Pm-3*R1*(Io^2); A=acos(P3fe/(3*Vof*Io)); Ife=Io*cos(A); Iu=Io*sin(A); Rfe=Vof/Ife; Xu=Vof/Iu; Vfc=Vcll/sqrt(3); B=acos(P3c/(3*Vfc*Ic)); Rcc=(Vfc/Ic)*cos(B); Xcc=(Vfc/Ic)*sin(B); fprintf('\na)Parámetros del circuito equivalente del motor referido al estator') fprintf('\nRfe = %0.2e omhios',Rfe) fprintf('\nXu = %0.2f omhios',Xu) fprintf('\nRcc = %0.2e omhios',Rcc) fprintf('\nXcc = %0.2f omhios\n',Xcc) R2p=Rcc-R1; n1=f*60/3; nr=930; s=(n1-nr)/n1; I2p=Ic; Pmi=3*R2p*(1/s-1)*(I2p)^2; PU=Pmi-Pm; fprintf('\nb) Potencia mecánica útil = %0.2f W\n',PU) Zd=R1+(R2p/s)+Xcc*i; Zfe=Rfe*Xu*i/(Rfe+Xu*i); Ioo=Vf/Zfe; I2=Vf/Zd; I1=Ioo+I2;

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fprintf('\nc)Corriente de línea absorvida = %0.2f A\n',I1) fpredd=real(I1)/abs(I1); fprintf('\nd)Factor de potencia del consumo de la red = %0.2f\n',fpredd) eficiencia=PU/(P3o+P3c+PU+Pm)*100; fprintf('\ne)eficiencia = %0.2f\n',eficiencia) torque=Pmi/(2*pi*nr/60); fprintf('\nf)Torque = %0.2f\n',torque) Torquemax=(3*Vf^2)/((2*pi*nr/60)*2*(R1+sqrt(R1^2+Xcc^2))); Scritico=R2p/sqrt(R1^2+Xcc^2); fprintf('\ng)Torque maximo = %0.2f\n',Torquemax) fprintf(' Deslizamiento crítico = %0.2f\n',Scritico) Torquenom=PU/(2*pi*nr/60); fprintf('\nh)Torque nominal = %0.2f\n\n',Torquenom)

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