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• Alejandro Luna Cardenas

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

MAQUINAS ELÉCTRICAS I

PRÁCTICA I “CONSTRUCCIÓN DE MOTORES DE CD Y CA”

Profesor: Franco Guzmán Luis Fernando

Grupo: 5AM4

Integrantes: Luna Cárdenas Juan Alejandro Meneses López Luis Ángel

Fecha de realización: miércoles, 23 de agosto de 2017

OBJETIVO • •

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Identificar visualmente las partes que integran las maquinas rotativas de CA y CD. Investigar los principios de operación de las maquinas rotativas vistas en el desarrollo de la práctica, para definir la función que cumple cada una de las partes que las integran y explicar cómo interactúan entre si. Reconocer y obtener la información de los datos característicos de un motor eléctrico a partir de la placa de datos instalada por el fabricante.

MARCO TEORICO CLASIFICACION GENERAL DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS Generadores: Transforman la energía mecánica en eléctrica. Se instalan en las centrales eléctricas (CC.EE.) y los los diferentes equipos de transporte, como autos, aviones, barcos, etc. En las CC.EE. los generadores son accionados mecánicamente mediante turbinas que pueden ser a vapor o hidráulicas; en los equipos de transporte mediante motores de combustión interna o turbinas a vapor. En una serie de casos los generadores se usan como una fuente de energía para equipos de comunicaciones, dispositivos automáticos, de medición, etc. Transformadores: Son dispositivos estáticos de tipo electromagnético que tienen dos o más devanados acoplados por un campo magnético mutuo (núcleo) y se usa para convertir uno o varios sistemas de C.A. en otro u otros sistemas de C.A. de tensión diferente. La aplicación de los trasformadores permite elevar o bajar la tensión, variar el número de fases y en algunos casos variar la frecuencia de la C.A. La posibilidad de transmitir las señales eléctricas de un devanado a otro mediante inducción electromagnética fue descubierta por M. Faraday. Motores: Son equipos eléctricos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica; sirven para accionar diferentes maquinas, mecanismos y dispositivos que son usados en la industria, agricultura, comunicaciones, y en los artefactos electrodomésticos. En los sistemas modernos de control los motores se usan en calidad de dispositivos gobernadores de control, como reguladores y/o programables.

CONSTRUCCION DE MAQUINAS ROTATIVAS DE CD La estructura física de las maquinas consta de dos partes: el estator o parte estacionaria y el rotor o parte giratoria. La parte estacionaria de la maquina consta de una estructura, que proporciona el soporte físico, y de las piezas polares, que se proyectan hacia adentro y proporcionan un camino para un flujo magnético de la máquina. Los extremos de las piezas polares que están cerca del rotor se extienden sobre la superficie de este para distribuir su flujo uniformemente sobre la superficie del rotor. Estos extremos se llaman zapatas polares. La superficie expuesta de una zapata polar se llama cara polar y la distancia entre la cara polar y el rotor se llama entrehierro.

Figura 1. Diagrama simplificado de una máquina de cd. [1]

Hay dos devanados principales en una máquina de cd: los devanados del inducido y los devanados del campo. Los devanados del inducido se definen como aquellos en los que se induce el voltaje mientras los devanados del campo se definen como aquellos que producen el flujo magnético principal en la maquina (hay motores en los que el flujo magnético es producido por un imán permanente). En una máquina de cd, los devanados del inducido están ubicados en el rotor y los devanados del campo o imanes permanentes están ubicados en el estator. Algunas características principales de la construcción típica de un motor de cd son: •

Construcción de polos y estructura. Los polos principales de las maquinas más nuevas estoan hechos en su totalidad de material laminado, esto para evitar la presencia de corrientes de Foucault. Normalmente la construcción de las caras de los polos es achaflanada o excéntrica, lo que quiere decir que

los extremos externos de las caras polares están un poco más lejos de la superficie del rotor que del centro de la cara polar. Esto incrementa la reluctancia en los extremos de la cara polar y, por lo tanto, reduce el efecto de agrupamiento de flujo ocasionado por la reacción del inducido en la máquina.

Figura 2. Polos con un entrehierro más ancho en los extremos para reducir la reacción del inducido. a) Polos achaflanados, b) polos excéntricos o uniformemente nivelados. [1]

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Construcción del rotor o inducido. El rotor o inducido de una máquina de cd consta de un eje de acero al que se le construye en núcleo de hierro laminado troquelado, el núcleo cuenta con ranuras en la superficie exterior para sostener los devanados del inducido. El conmutador se construye cobre el eje del rotor en un extremo del núcleo. Las bobinas del inducido se colocan en las ranuras del núcleo y sus extremos se conectan a los segmentos del conmutador. El conmutador y las escobillas. Está hecho de barras de cobre aislada con un material parecido a la mica. Estas barras son lo suficientemente gruesas como para resistir el desgaste normal que sufrirán durante la vida útil de un motor. Las escobillas de la máquina están hechas de carbón, grafito, metal grafitado o una mezcla de carbón y grafito. Tienen una conductividad alta para reducir las pérdidas eléctricas y un bajo coeficiente de fricción para reducir el desgaste excesivo. Aislamiento de los devanados. Para asegurar un estado óptimo de los devanados se agrega un ventilador que generalmente se incluye en el eje del rotor, este con el fin de mantener baja la temperatura en los devanados. Para estandarizar los límites de temperatura de una máquina, se han definido una serie de clases de sistemas de aislamiento. Estas clases son: A, B, F, H. Cada clase representa una temperatura permisible en el devanado. La clase A está limitada a 70° C, B a 100° C, F a 130° C y la clase H e limita a 155° C.

CONSTRUCCION DE MAQUINAS ROTATIVAS DE CA Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base del rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor. Estator: El estator es el elemento que opera como base permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. a) Estator de polos salientes. b) Estator ranurado.

Figura 3. Tipos de estatores

El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio, que tienen la habilidad de permitir que el flujo pase a través de ellas con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados provee los polos magnéticos. Los polos de un motor siempre son pares, por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur). Rotor: El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de la energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y puede ser básicamente de tres tipos: a) Rotor ranurado b) Rotor de polos salientes c) Rotor jaula de ardilla

Figura 4. Tipos de rotores

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MAQUINAS ROTATIVAS DE CD Y CA Maquinas rotativas de C.A. Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción (asincronos). El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en las otras partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gira a una velocidad constante, que se denomina por la frecuencia de corriente en la línea d potencia de corriente alterna. La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no puede utilizarse este tipo de motores en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo la carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y legar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con la fuente de potencia monofásica mediante inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio. El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción (asíncrono) de caja a de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluye una serie de conductores de gran capacidad colocador en círculo alrededor del árbol y paralelos

a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y este induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas a la misma velocidad que el campo magnético, no habrá en el corriente inducido, y, por lo tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de rotación del rotor y la del campo difieren entre si de un 2 a un 5%. Esta diferencia de velocidad conoce como caída. Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente alterna utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia, que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al bifásico. Estos motores se denominan motores monofásico o motores de condensador (o de capacidad), según los dispositivos que usen. Los motores de jaula de ardilla monofásicos no tienen un par de arranque grande, y se utilizan motores de repulsión-inducción para las aplicaciones en las que se requiere el par. Los motores de baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente alterna como con corriente alterna, se denominan motores universales. Estos se fabrican en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos. Maquinas rotativas de C.D. El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de n electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente (o del campo devanado) situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor. Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que el rotor rompa la inercia y comience a girar su eje en el mismo sentido d las manecillas del reloj en unos casos, o sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

MATERIAL • • • • • • • • •

1 motor de CD de imanes permanentes 1 motor universal 2 motores de CD industriales marca BALDOR 1 grupo moto generador REALIANCE-UNELEc 2 motores industriales marca WEG y SIEMENS 1 Fuente de alimentación 1 juego de desarmadores 1 pinzas de punta 1 juego de llaves Allen

DESARROLLO EXPERIMENTAL Parte 1 Motor de CD de imanes permanentes 1. Energice con ayuda de la fuente de energía su motor de imán permanente para verificar su correcto funcionamiento. 2. Desarme con ayuda de la herramienta el motor de CD de imanes permanentes y posteriormente identifique las partes que lo constituyen. 3. Recopile evidencia fotográfica de cada una de ellas partes que integran el motor que sirva de soporte en su reporte.

Escobillas

Eje y núcleo

Conmutador

Carcasa

Imán permanente

4. Realice un esquema a detalle de las partes involucradas, describiendo la función que realiza cada una de ellas.

1. Escobillas: Alimenta a el rotor a través del colector. 2. Rotor: Constituye la parte móvil del motor, es un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete. 3. Imanes Permanentes: Mantiene un campo magnético para atraer el sentido de giro del rotor. 4. Culata o Carcasa: Mantener la estabilidad del rotor y el campo que el motor genera; cubre lo que viene siendo la parte interna del motor. 5. Colector: Se sitúa en uno de los extremos del eje del rotor, se compone de un anillo deslizante seccionado en dos o más segmentos. 6. Bobinas Inductoras: Son bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual, debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado. 7. Laminaciones: Estas crean fuerzas magnéticas variables que interactúan con las ya generadas por los imanes y por lo tanto hacen que el motor gire.

8. Eje: Está formado por una barra de acero fresada. transmite la rotación al núcleo, devanado y al colector. 5. Describa en un máximo de 8 líneas el funcionamiento de su MCDIP. Al conectar mi motor de corriente directa a una fuente de alimentación lo primero que hará es generar una diferencia de potencial entre las escobillas, posteriormente el colector completara el circuito de las bobinas y estas con ayuda del núcleo laminado y del imán permanente generaran pares de fuerzas, las cuales el eje las transformara en energía mecánica. 6. Compare la construcción de su MCDIP con el motor universal proporcionado. El motor de imane permanentes contiene 2 láminas como escobillas; mientras que el motor universal contiene grafito con muelles como escobillas, al igual que el motor de imanes permanentes tiene la forma de un motor de corriente continua en conexión serie. Parte 2 Motores CD industriales 1. Realice una inspección visual de los motores CD3475 y CPD3440 de la marca BALDOR. 2. Realice un diagrama esquemático de conexión de cada uno de los motores y determine el tipo de estator que posee cada modelo.

Motor: CDP3440 Tipo de estator: Imanes permanentes

Motor: CD3475 Tipo de estator: Campo devanado 3. Recopile mediante una tabla comparativa los parámetros indicados en cada una de las placas de datos de los motores.

Conexión CDP3440 TIPO: ESTATOR DE IMANES PERMANENTES

Conexión CD3475 TIPO: ESTATOR DE CAMPO DEVANADO

4. Recopile evidencia fotográfica de cada una de las partes que integran el motor que sirva de soporte en su reporte.

Figura 5. Motor de imanes permanentes CDP3440

Figura 6. Motor con campo devanado CD3475

5. Para su reporte integra las hojas de especificaciones suministradas por el proveedor en su sitio web. 6. Tome la información de la placa de datos de las maquinas UNELEC Y RELIANCE, determine el tipo de máquina, así como sus características. Parte 3 Motor de CA asíncrono tipo Jaula de ardilla 1. Desarme cuidadosamente los motores de inducción trifásica WEG y SIEMENS proporcionados por el profesor. 2. Recopile evidencia fotográfica de cada una de las partes que integran el motor que sirva de soporte en su reporte.

Figura 7. Motor SIEMENS

3. Realice un esquema a detalle de las partes involucradas describiendo la función que realiza cada una de ellas.

4

1. 2. 3. 4. 5.

Carcasa Estator Rotor Ventilador Eje o flecha

3

5

1

2

1.-Carcasa: Protege la parte interior del motor. 2.-Estator: Ahí se encuentran los devanados del motor e incitan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. 3.-Rotor: Este contiene la flecha y el núcleo, así como también las escobillas.

4.-Ventiladores: Estos reducen el ruido y aumenta la eficiencia del motor. 5.-Flecha: Está formado por una barra de acero fresada, en el cual se monta los componentes del rotor; se encarga de transmitir la fuerza en movimiento rotatorio. 4. Describa en un máximo de 8 líneas el funcionamiento de su motor de inducción trifásica tipo jaula de ardilla. Su funcionamiento se basa en aplicar una corriente sobre las bobinas inductoras trifásicas; las cuales crearán un campo magnético giratorio que cortará los conductores del rotor y se formará una fuerza electromotriz que inducirán al rotor, jaula de ardilla, una tensión, y lo pondrá en movimiento.

CUESTIONARIO 1. Menciona las similitudes y diferencias encontradas en la construcción de las maquinas rotativas de CD Y CA. Similitudes • Transforman la energía eléctrica en mecánica. • Funcionan bajo el mismo principio. • Pierden velocidad de giro con la carga y a su vez su consumo de corriente es mayor. Diferencias • El motor de C.D. funciona con ayuda el campo magnético generado por un imán, mientras que el de C.A. funciona con ayuda de un campo magnético generado por el estator. • La velocidad del motor de C.D. aumenta con la tensión aplicada, mientras que el de C.A. es necesario usar variadores de frecuencia. • Los motores de C.A. son monofásicos, mientras que los motores de C.A. pueden ser monofásicos o trifásicos. 2. Explique por que el rotor de su MCDIP está armado por un número impar de bobinas. Mi motor MCDIP tiene un bobinado imbricado, es decir, en las ranuras se van colocando alternativamente el lado derecho de la bobina, el lado izquierdo de la otra bobina, el lado derecho y así sucesivamente. Por consiguiente, una bobina tendrá uno de sus lados en una ranura par y el otro en una ranura impar y el paso de bobina es, impar. 3. ¿En que se diferencian los motores CD3475 y CDP3440 vistos en la práctica?

El CD3475 tiene bobina inductora, mientras que el CPD3440 tiene un imán permanente. 4. ¿Cuál es la razón de utilizar una configuración de chapas unidas en lugar de un material solido en la elaboración de núcleos polares? Si insertáramos en el núcleo un bloque de hierro compacto, al someterlo a un campo magnético alterno, en su interior corren corrientes parasitas (corrientes de Foucault) que lo recalientan. A consecuencia de este fenómeno es necesario utilizar laminas delgadas y además separadas por un barniz u óxido, de modo que las corrientes parasitas que hay en una lámina nunca podrían cortocircuitarse con las corrientes de las láminas adyacentes. 5. ¿Qué función tiene el sistema de conmutación de la máquina de C.D.? Alternar la corriente que pasa por las bobinas y para que la fuerza obtenida por el campo magnético del imán y la corriente que pasa por la bobina genere un movimiento del eje. 6. Mencione las similitudes y diferencias existentes entre el motor universal y su MCDIP. Similitudes • Funcionan con corriente continua. • Al igual que el MCDIP el Motor Universal tiene la forma de un motor de corriente continua en conexión serie Diferencias • El campo magnético de mi MCDIP es generado por un imán permanente, mientras que el motor universal utiliza bobinas inductoras que se encuentran en el estator. • Mi motor de imanes permanentes solamente funciona con corriente directa, mientras que el universal con corriente directa y corriente continua. • La corriente en el motor universal se hace llegar a través de carbones, y en mi MCDIP se hace a través de hilos conductores. 7. ¿Por qué recibe el nombre de rotor tipo jaula de ardilla? Porque dentro de las láminas si quitáramos las mismas tendríamos un núcleo redondo parecido a una jaula de ardilla o de ratón. 8. ¿Por qué el rotor de un motor de inducción posee un ligero desfasamiento entre las delgas del núcleo que le dan una forma de espira? Para que facilite el sentido de giro y pueda romper las líneas magnéticas. 9. ¿Cómo funciona un campo magnético giratorio?

Un campo magnético giratorio es inducido por lo regular en motores de corriente alterna por el desfasamiento de tiempo, por lo regular son en motores monofásicos y trifásicos donde el rotor es inducido por el campo magnético de las bobinas manejan sobre él, por el medio del sentido de la corriente al pasar por la bobina genera un campo estas son atraídas por las láminas semimagnéticas tipo jaula de ardilla.

OBSERVACIONES A lo largo de esta práctica pudimos observar como estaban conformados los motores de CA y CD. Cuando desarmamos el motor de imanes permanentes pudimos observar las partes que lo conformaban; rotor, colector, eje y bobinas inductoras. Vimos la simplicidad de un motor de imanes permanentes contra un motor trifásico tipo jaula de ardilla.

CONCLUSIONES Al realizar esta práctica logre identificar cada una de las partes que conforman los motores de CA y CD. Observé las diferencias y comprendí bajo que principios funciona cada uno de estos. También pude aclarar que no todos los motores pueden funcionar como generador. Al motor de imanes permanentes se le puede aplicar una energía de manera inversa, es decir, aplicar energía mecánica en el eje, este motor nos devolverá una tensión o diferencia de potencia entre las terminales de alimentación, por otro lado, con el motor tipo jaula de ardilla no podemos realizar ese experimento. Luna Cárdenas Juan Alejandro Existe gran variedad de máquinas tanto de CA como de CD, en este caso vemos el funcionamiento que tienen los motores y los generadores los cuales son capaces de convertir energía eléctrica a mecánica y viceversa respectivamente. Estas máquinas rotativas tienen una estructura específica pues además de necesitar de un componente fijo (estator) y uno rotativo (rotor) dependen de los materiales y la forma en que se construyen. En la industria todas estas máquinas tienen un papel muy importante ya que constituyen lo básico en cuanto a transformación de energía. Meneses López Luis Ángel

REFERENCIAS Chapman, S. J. (2012). Máquinas eléctricas. Mexico: Mc Graw Hill. [1]

ANEXOS

Baldor CDP3440

Baldor CD3475