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LABORATORIO DE CONVERSIÓN ELECTROMECANICA DE LA ENERGÍA CICLO N°2: MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

NOMBRE ALUMNOS: DANIELA PARRA MORALES JORGE ALBARRÁN CID CARLOS ALVEAL CARVAJAL PROFESOR: RUBÉN PEÑA GUIÑEZ AYUDANTE LABORATORIO: JAVIER CHAMBLAS LARA

FECHA DE LABORATORIO: MARTES 15 DE MARZO DEL 2016. FECHA DE ENTREGA DEL PREINFORME: LUNES 14 DE MARZO DEL 2016.

I. OBJETIVOS.

- Obtener curva de excitación y parámetros de la máquina de corriente continua. - Obtener la característica de carga para distintas configuraciones de la máquina de corriente continua. - Experimentar mecanismos de control de velocidad.

II. ACTIVIDADES PREVIAS. 1) Identificar el Freno Prony y sus características de funcionamiento. Tomar nota de la longitud del brazo y los pesos que se pueden utilizar. Tabular los distintos torque que se pueden aplicar al motor con este sistema. El freno se compone por un brazo, sobre el que se monta un dinamómetro y una rueda, que tiene adosada una cincha de alto rozamiento. Esta rueda es la que se conecta al eje del motor del cual se quiere medir su potencia. El ajuste de la cincha es variable. Esto es, se puede controlar el torque de carga aplicado al motor. Cuando se desea conocer el par de giro de un motor para una velocidad de rotación determinada, se va incrementando gradualmente la compresión ejercida sobre las zapatas aumentando la masa del contrapeso (o bien su brazo de palanca), con lo que el motor es frenado hasta que se estabiliza en la velocidad de rotación dada.

En nuestro caso el brazo mide 120 cm de largo, con un peso de 7.158 kg ubicado en uno de los extremos y se mueve a través del brazo para obtener un torque dado. Cuando la fuerza que ejerce el peso iguala al torque de la máquina, la barra se encontrará en posición horizontal.

Figura N°1:”Dibujo de un freno Prony con brazo de palanca” Desde luego como, T= m*g*d Siendo d la distancia del peso hacía el eje, g la aceleración de gravedad (9.81 [m/s2]) y m la masa del peso. Los valores tabulados de distintos torques se pueden ver en la siguiente tabla

TABLA N°1: “Valores de par para distintas posiciones de la masa” Distancia [m] 0.05 0.1 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60

Par [Nm] 3.51 7.02 10.53 14.04 17.55 21.06 24.58 28.09 31.60 35.12 38.62 42.13

2) Obtener los datos de la placa del grupo motor-generador de corriente continua. TABLA N°2: “Datos de placa” Dato de Placa Fabricante No. De Serie Potencia Corriente de Armadura Voltaje de Armadura Corriente de Excitación Voltaje de Excitación Velocidad Número de Polos Número de interpolos Número de escobillas Número de delgas Aislación Refrigeración Carcaza

Motor DC Siemens Schuckertwerke 22578831002 6.8 [kW] 33-38.5 [A] 230 [V] 0.17-1.6 [A] 115-125 [V] 1450-4000 [rpm] 4 4 4 120 B Ventilación natural Semi blindada de fierro fundido

III. TRABAJO DE LABORATORIO.

Generador DC Siemens Schuckertwerke E022578830002 4.7 [kW] 20.4 [A] 230 [V] 1.2 [A] 100 [V] 1450 [rpm] 4 4 4 120 B Ventilación natural Semi blindada de fierro fundido

1.- Parámetros y curvas de Excitación. a) Medir los valores de las resistencias de armadura, de interpolos y de los campos del motor en ensayo para distintas posiciones del rotor. El puente de Wheastone es el medidor de resistencias más sensitivo que existe por esto será utilizado en nuestra experiencia para obtener los mejores valores de resistencias de armadura y de campos del motor. Puesto que los devanados de los interpolos se conectan en serie con los devanados de la armadura, la medición de la resistencia total será la suma de estás. El puente se conecta en los terminales GA-HB y se medirá para 4 posiciones distintas del eje, la resistencia de armadura. Para la resistencia de campo Serie, el puente debe conectarse en las terminales E-F y Para la resistencia de campo Shunt, se conecta en los terminales J-K del tablero de control. En el ANEXO I en 1.a se encontrara la tabla N°3 con los valores de las resistencias.

b) Obtener las inductancias de armadura del campo principal y serie. i) Con un instrumento. El instrumento elegido es el Multímetro Metermann. En el ANEXO I.1b se encontrara la tabla N°4 con las mediciones realizadas.

ii) Para el campo Shunt, obtener la inductancia obteniendo la respuesta transitoria de la corriente al aplicar un escalón de voltaje. Registrar valores de voltaje y corriente transitorios y explique, ¿cómo se obtiene la inductancia de campo? Aplicaremos un escalón de voltaje de 115[V]. Así al aplicar el voltaje se obtendrá la respuesta de la corriente. Con un osciloscopio conectado respectivamente con sondas al voltaje aplicado y a la resistencia de armadura podremos ver los valores de la corriente y la constante de tiempo se calculará según la imagen obtenida en el osciloscopio. Así con los conocimientos de teoría de circuitos podremos calcular la inductancia.

Figura N°2: “Corriente que se obtiene al aplicar una escalón de tensión (ejemplo)”

: τ=

L → L=τ∗R R

C) Obtenga las curvas de excitación en vacío a velocidad

nominal y a 70% de la velocidad nominal, usando el campo Shunt. Utilice valores crecientes de corriente de campo y luego valores decrecientes. Varíe la corriente de cero a nominal. Se debe alimentar el campo a tensión de 230 [V] mediante un variac trifásico y el rectificador – con el sw1 abierto- luego ajustamos la resistencia de campo, para lograr una corriente de campo nominal en el generador de 1.2 [A], una vez obtenida esta corriente se cierra el Sw1 y se modificará el valor de la resistencia de partida para tener velocidad nominal. Posteriormente se alimenta el campo del motor en conexión independiente, y se varía la resistencia de campo para lograr los valores de corriente de campo necesarias de forma creciente, hasta llegar a la corriente nominal y de forma decreciente., hasta llegar a la corriente 0. Finalmente se repite para una velocidad de 70% de la nominal, reduciendo la tensión de alimentación y logrando el ajuste necesario de las resistencias de campo y serie La tabla N°5 y N°6 con las futuras mediciones estarán en el ANEXO I.1.c

2.- Características en carga. a) Para un motor en conexión Shunt determinar las variaciones de la velocidad, corriente de armadura, torque en el eje y eficiencia en función de la carga a voltaje nominal. Para ello, cargar el motor con el freno Prony. Ajustar inicialmente la excitación del motor para tener corriente nominal en el campo. Tomar valores para 20%, 40%, 60%, 80% y 100% de carga. Verificar, previo a cada medición, que la tensión de armadura sea la nominal. Primero se tiene el cuidado de ajustar inicialmente la excitación del motor para tener corriente nominal en el campo, esto es según la placa del motor 1.6 [A]. En esta prueba se utiliza al motor de corriente continua como motor. Una vez se tiene la corriente nominal del campo se cierra el SW, acto seguido la resistencia de partida es disminuida para llevar la maquina a velocidad nominal. Luego de lo anterior, se procede a cargar el motor con el freno Prony, ubicando el peso a 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm y 60 cm, manteniendo la tensión nominal de armadura. En el ANEXO I.2.a se incluirán los datos obtenidos de esta prueba en una tabla y en el ANEXO I II.a el circuito que se utiliza como referencia (Fig.N°4).

b) Repetir 2.a) para un motor en conexión compuesta larga acumulativo. Para esta prueba la partida en marcha de la MCC es la misma y la aplicación de la carga también. Lo que si cambia para esta prueba es la adición de un devanado en serie (ef) en el devanado de armadura de la MCC. En la figura N°5 en el ANEXO II II.b se puede apreciar de mejor manera el circuito en esta configuración. Se debe tener especial cuidado en la conexión de los devanados, porque la polaridad tiene que ser acumulativa. En estas pruebas es necesario medir el voltaje V2, las corrientes A1 y A2, la velocidad de rotación con un tacómetro digital y la distancia que hay en el freno pony. Los valores obtenidos de las mediciones están en el ANEXO I II.b

3.-Estudio de mecanismos de variación de la velocidad. Para la máquina en ensayo conectada como motor con excitación independiente realice los ensayos considerando: a) Variación de la tensión de armadura: Manteniendo la corriente de armadura en 50%, obtener la velocidad del motor en función de la tensión de armadura al operar con corriente de excitación constante, igual a la nominal. Ajustar para tensiones de 25%, 50%, 70% y 100%. Para una tensipin del 50%, determinar la regulación de velocidad entre vacío y plena carga. Se conectara tanto motor como generador con excitación independiente. Para hacer arrancar el motor el Switch debe estar abierto y la resistencia de partida (Rp) del motor ttiene que estar en su valor máximo. Se ajusta Rf para que circule corriente nominal (1.6 [A]) por el campo principal del motor. Una vez realizado esto se cierra el Switch y se comienza a disminuir el valor de Rp hasta alcanzar su valor mínimo. Debido a que solo se necesita 16.5 [A] de corriente de armadura en el motor, se le agrega carga a la M.C.C mediante el banco de resistencias, para así lograr los valores de corriente deseados. La variación de tensión se realiza mediante la ayuda de un variac trifásico que en su entrada debe estar conectado directamente a la red mientras que en la salida provendrá de un rectificador trifásico. Finalmente, se tiene especial cuidado en que no baje hasta cierto nivel la corriente de campo, pues en dicho caso la máquina se puede descontrolar (embalar). Los resultados de las mediciones están en la tabla N°9 en el ANEXO I III.a) y el circuito implementado en el ANEXO II III.a). b) Uso de resistencia externa en circuito de armadura: Repetir 3.a) regulando ahora la tensión en la armadura por medio de un reóstato en serie. Ajustar los mismos valores de tensión de armadura usados en 3.a). Debido a que solo se necesita 16.5 [A] de corriente de armadura en el motor, se le agrega carga a la M.C.C mediante el banco de resistencias, para así lograr los valores de corriente deseados. A diferencia del punto anterior, aquí se manipula la tensión inducida a través de una resistencia conectada en la armadura, lo cual es claro ver el efecto que produce en la tensión: A medida que aumentado su valor la tensión inducida baja y viceversa. Esto último se justifica básicamente a través de un divisor de tensión. Los resultados de las mediciones están en la tabla N°10 en el ANEXO I III.b) y el circuito implementado en el ANEXO II III.b).

c) Variación de la corriente de excitación (operación a flujo debilitado): dejando constante la tensión de armadura en su valor nominal y ajustando la carga de modo que la corriente de armadura sea un 50%, obtener la característica de velocidad del motor en

función de la corriente de excitación. Ajustar la corriente de excitación a 100%, 90%, 80%, 70%, 60% y 50%. Para una corriente de excitación del 50%, determinar la regulación de velocidad entre vacío y plena carga. Para esta prueba, se conecta tanto motor como generador con excitación independiente del campo shunt (principal). Para hacer arrancar el motor el Switch debe estar abierto y la resistencia de partida (Rp) del motor tiene que estar en su valor máximo. Se ajusta Rf para que circule corriente nominal (1.6 [A]) por el campo principal del motor. Una vez realizado esto se cierra el Switch y se disminuye el valor de Rp hasta alcanzar su valor mínimo. Éste método consiste en ir aumentando paulatinamente la resistencia de campo para con ello ir disminuyendo la corriente de excitación. Los resultados de las mediciones están en la tabla N°11 en el ANEXO I III.c) y el circuito implementado en el ANEXO II III.c).

4.-Pérdidas y Rendimiento. Utilizando el método de desaceleración, efectuar las medidas necesarias para obtener por separado, las pérdidas mecánicas (roce y ventilación), pérdidas en el fierro y pérdidas en los enrollados de la máquina de C.C. trabajando en condiciones nominales. Suponer que todas las pérdidas debidas a los reóstatos son asignadas a la instalación general de la que forma parte la máquina, y no a ésta misma. Mediante el método de desaceleración, que consiste en frenar la MCC bajo distintas condiciones, se obtuvieron las pérdidas más relevantes, las que se separan en Pérdidas por roce y ventilación, Pérdidas en el fierro y Pérdidas en el cobre. Con un osciloscopio y una sonda diferencial de voltaje midiendo el voltaje de armadura se obtuvieron las curvas de desaceleración con los que se realizaron los cálculos para determinar las respectivas pérdidas. El circuito que muestra las conexiones y todos los switchs necesarios para esta prueba, se muestran a continuación.

Figura N°6: Conexiones para la prueba de pérdidas.

Pérdidas Mecánicas (roce y ventilación): Para esta experiencia el motor deberá estar girando a velocidad nominal. Una vez en esta velocidad se abrirán simultáneamente los switchs 1 y 2, manteniendo el switch 3 en la posición 1. La máquina de este modo empezará desacelerar debido a las pérdidas de roce y ventilación. Pr +v =−J ⋅ ωnom ⋅

Δ ω1 Δt 1

Con: J : Momento de inercia de la máquina [ kg/m2 ] ωn :Velocidad nominal de la máquina [ rad/s] dω/d t: =Aceleración de la máquina [rad/s2 ] (pendiente de la gráfica) Pérdidas en el Fierro: Se llevará el motor a velocidad nominal y se desconectará el switch 1, manteniendo el switch 3 en la posición 1, así nuevamente la máquina comenzará a desacelerar debido al efecto de las pérdidas del núcleo Pr +v + Pfe =−J ⋅ω nom ⋅

Δω 2 Δt 2

Pérdidas en los devanados del Motor (Cobre): Para determinar las pérdidas del cobre se llevará la máquina a una velocidad superior a la nominal (aproximadamente a 1550 rpm). En seguida se abrirá el switch 1 y rápidamente el switch 3 se llevará de la posición 1 a la posición 2. La máquina de este modo comenzará a desacelerar debido al efecto de las pérdidas en el cobre. Δω 3 Δω 3 Pr +v + Pfe + Pcu =−J ωnom Pr +v + Pfe + Pcu =−J ωnom Δt 3 Δt 3 Además las pérdidas activas en un circuito son de la forma P = RI2, así entonces: Pcu=( R s+ R arm )I 2arm

ANEXO I: “Tablas” I.a) TABLA N°3: “Resistencias dela máquina” Resistencia De armadura 0° De armadura 90° De armadura 180° De armadura 270° De campo Shunt De campo Serie

Valor

I.b) TABLA N°4: “Valores de inductancias de devanados” Devanado De armadura De campo Shunt De campo Serie

Valor

I.c) Tabla N°5: “Mediciones a velocidad nominal” Corriente de Campo (A)

Tensión Inducida (V) Para Tensión Inducida (V) para corriente de campo corriente de campo creciente. decreciente.

Tabla N°6: “Mediciones a 70% de la velocidad nominal” Corriente de Campo (A)

Tensión Inducida (V) Para Tensión Inducida (V) para corriente de campo corriente de campo creciente. decreciente.

II.a) TABLA N°7: “Resultado de mediciones para las Características de carga parte a)” Corriente de 0% armadura Velocidad(rpm) Distancia (brazo freno Prony Voltaje de armadura Corriente de campo

20%

40%

60%

80%

100%

II.b) TABLA N°8: “Resultado de mediciones para las Características de carga parte b)” Corriente de 0% armadura Velocidad(rpm) Distancia (brazo freno Prony Voltaje de armadura Corriente de campo

20%

40%

60%

80%

100%

III.a) TABLA N°9: “Mediciones para la Variación de la tensión de armadura” Voltaje de armadura Velocidad (rpm) Distancia (brazo del freno Prony) Corriente de armadura (A) Corriente de campo (A)

100%

75%

50%

25%

III.b) TABLA N°10: “Mediciones para el uso externo de resistencias en la armadura” Voltaje de armadura Velocidad (rpm) Distancia (brazo del freno Prony) Corriente de armadura (A) Corriente de campo (A)

100%

75%

50%

25%

III.c) TABLA N°11: “Mediciones para la operación a flujo debilitado” Voltaje de armadura Velocidad (rpm) Distancia (brazo del freno Prony) Corriente de armadura (A) Corriente de campo (A)

100%

75%

ANEXO II: “Circuitos” II.a

Figura N°4: “Circuito con conexión del campo Shunt” II.b

50%

25%

Figura N°5: “Circuito con conexión Compuesta larga acumulativo” III.a)

Figura N°6: “Circuito para prueba con variación de la tensión de armadura” III.b)

Figura N°7: “Circuito con resistencia externa en circuito de armadura”

III.c)

Figura N°8: “Circuito para la variación de la corriente de exitación”

ANEXO III: “Equipamiento” LISTADO GENERAL DE INSTRUMENTOS CANTIDAD 2 2 2 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1

SESIÓN I-II-III I-II-III

II-III II-III III II-III II I-II-III

NOMBRE Voltímetro DC Voltímetro AC Amperímetro DC Amperímetro DC Amperímetro AC Switch Trifásico Switch Monofásico Luz Estroboscópica Variac Trifásico Sincronoscopio Lámparas Sincronización Taco generador Osciloscopio Digital

FONDO ESCALA 0-300-600[V] 0-300-600[V] 0-1-3-10[A] 0-3-10-30[A] 0-2-5-20-50[A]

1 1 1 2 3 1 1

III I I I-II-III I-II-III

Sonda Diferencial Tensión Multímetro Digital Puente Wheastone Banco Resistencias 4[kW] Inductores Amperímetro de Inducción Wattmetro Trifásico ION 7300