Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 1 UNI-FIEE UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA EL ÉCTRICA Y ELECTRÓNICA GUÍA DE LABORATORIO DE MÁQUINAS ELECTRICAS II EE-242 ING. LUIS ROJAS MIRANDA CICLO 2014-I Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 2 UNI-FIEE ENSAYO Nº 1 ARROLLAMIENTO PARA MÁQUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE ALTERNA 1. OBJETIVO Estudio práctico de los bobinados polifásicos usados en motores asíncronos. Influencia de la distribución de bobinas y análisis del contenido de armónicos que genera un motor. 2. EQUIPO A UTILIZAR - Motor Westinghouse (WESCO): “Alternating Current Motor for Winding Study”. - 1 Amperímetro de pinza. - 1 Multímetro. - 1 Analizador de armónicos multifunción, Fluke 39. - 1 Tacómetro o estroboscopio. - Extension trifásica. - Una llave cuchilla o un interruptor termo magnético 3Ф, 30 A. - Autotransformador 220/ 0-220 V o transformador 3| 380/220. - Cables de conexión. 3. PROCEDIMIENTO 1 er Caso: Formar usando todas las bobinas disponibles, un arrollamiento trifásico simétrico de 2 polos. Conectar en serie todas las bobinas de una misma fase. Aplicar 220 V en conexión estrella. 1. Arrancando el motor en forma directa, medir y anotar en un cuadro tabulado: la velocidad de vacío, la corriente de vacío, la corriente de arranque, sentido de giro del motor y el tiempo de arranque. 2. Analizar el contenido de armónicos de tensión (V) y corriente (I) hasta el armónico ν = 15, así como la distorsión armónica total (THD) de ambos, durante la operación del motor en vacío. 2 do Caso: Formar usando todas las bobinas disponibles, un arrollamiento trifásico de 8 polos balanceados completamente. Conectar en serie todas las bobinas de una misma fase. Aplicar 220 V en conexión estrella. 1. Repetir los puntos 1 y 2 del primer caso. 3 er Caso: Solo modificando las conexiones del segundo caso, duplicar el número de polos de la máquina (conexión de polos consecuentes). 1. Repetir los puntos 1 y 2 del primer caso. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 3 UNI-FIEE 4 er Caso: Conectar el arrollamiento de 8 polos en conexión doble estrella y aplicar una tensión de tal manera que se mantenga B max constante, respecto a la conexión en estrella simple. 1. Repetir los puntos 1 y 2 del primer caso. Motor Westinghouse El motor asíncrono que se utiliza para realizar las conexiones tiene un bobinado trifásico tipo imbricado de doble capa, por lo tanto 48 bobinas distribuidas en 48 ranuras (un lado de bobina en la parte inferior y el otro en la parte superior), el paso de bobina es única para cualquier caso y = 1 – 8 (7 ranuras de distancia entre los lados superior e inferior). Cada bobina tiene un número en un extremo y el mismo número aumentado en cien en el otro (lo cual equivale también al mismo número con 1-1’, 2-2’…), lo que significa que los bornes de la primera bobina son 1-101, como se muestra en la siguiente figura: En esta figura el lado superior de la bobina figuran como 1’, 2’, 3’, etc., mientras que el módulo de laboratorio son: 101, 102, 103, etc. 4. CUESTIONARIO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 34 35 36 37 38 39 40 41 33 42 43 44 45 46 47 48 1' 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 9' 10' 11' 12' 13' 14' 15' 16' 17' 18' 19' 20' 21' 22' 23' 24' 25' 26' 27' 28' 29' 30' 31' 32' 33' 34' 35' 36' 37' 38' 39' 40' 41' 42' 43' 44' 45' 46' 47' 48' Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 4 UNI-FIEE 1. Mostrar el diagrama de conexiones del arrollamiento de una fase en cada caso. 2. Deducir la onda del campo magnético producido por una sola fase en cada caso. 3. Calcular y presentarlo en un cuadro tabulado el factor de paso (K p ), factor de distribución (K d ), y el factor de devanado (K dev ) hasta el armónico ν = 15, para los casos de 2 y 8 polos. 3. Explicar cómo se logra duplicar el número de polos (de 8 a 16) del arrollamiento con sólo algunos cambios de conexión. 4. Explique a qué se debe el cambio del sentido de giro al duplicar el número de polos (de 8 a 16). 5. ¿Qué posibilidades hay de formar un arrollamiento bifásico balanceado tetrapolar?, indicar que fuentes de alimentación se requiere para alimentarlo y ¿cuál sería entonces su velocidad de vacío? 6. Calcular teóricamente la proporción entre las corrientes de vacío correspondientes a los tres casos ensayados. 7. Dibujar la distribución de amper-conductor para una de las fases y calcule la densidad lineal de corriente A/m (láminas de corriente) a lo largo del entrehierro en cada caso. 8. Mostrar el diagrama de conexiones para un arrollamiento de 12 fases y 2 polos. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 5 UNI-FIEE ENSAYO Nº 2 LA MÁQUINA ASÍNCRONA 1. OBJETIVO Realizar los ensayos de la máquina asíncrona como motor y generador, a partir de ellos determinar los parámetros del circuito equivalente. La determinación de las pérdidas rotacionales y el pronóstico teórico de su comportamiento a partir del circuito equivalente. 2. EQUIPO A UTILIZAR - Resistencia de arranque R a 30 Ω, 8,5 A. - Resistencia de campo 1000 Ω, 1 A - 97,6 A. - 3 llaves cuchilla 1| 30 A. - 01 amperímetro DC, 0-30 A. - 01 amperímetro DC, 0 – 1 A. - 01 amperímetro DC, 0-1,5 A. - 01 multímetro digital. - 01 Resistencia de carga 0 – 15 A o lámparas incandescentes. - 01 amperímetro DC, 0 – 2,5 A. - Tacómetro o estroboscopio. 3. PROCEDIMIENTO Observar las características de la máquina, bornes de conexión, anotar los datos de placa, resistencia por fase del devanado de armadura y armar el esquema eléctrico de la figura 2.1. Figura 2.1. G = K J 220 Vdc GA HB + - R x MAs ~ GENERADOR DC SHUNT S 1 A R S T 220 Vac 380 Vac Fluke 39 Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 6 UNI-FIEE 3.1 ENSAYO EN VACÍO Medir la resistencia de cada uno de los devanados r a , el promedio de las tres será el valor que se tome como dato. Anotar la temperatura. Luego la máquina debe ser arrancada con la tensión mínima del autotransformador y sin carga en el eje, esperando que funcione un tiempo prudencial para que las condiciones de lubricación se estabilicen. Seguidamente elevar la tensión de alimentación hasta aproximadamente un 120% del valor nominal y registrar para esta tensión la potencia y corriente absorbida por el motor. Disminuir la tensión de alimentación hasta aproximadamente 50% de V n y anotar para cada valor de tensión, la potencia y corriente (10 juegos de valores). Medir la temperatura de cada fase del estator una vez culminado este ensayo. 3.2 ENSAYO EN CORTO CIRCUITO (ROTOR BLOQUEADO). Bloquear el rotor adecuadamente y aplicar a la máquina asíncrona una tensión reducida de tal manera que la corriente consumida no sobrepase los límites de la corriente nominal. Tomar simultáneamente varios juegos de lecturas (6 valores como mínimo) de tensión, corriente y potencia hasta aproximadamente 1,5I n . Culminado el ensayo medir las resistencias por fase del estator r a . 3.3 ENSAYO COMO MOTOR BAJO CARGA Acoplar los ejes de las máquinas, asíncrona y la de corriente continua, luego arrancar la máquina asíncrona aumentando gradualmente la tensión de alimentación hasta el valor nominal; luego excitar el generador de corriente continua, de tal manera que genere su tensión nominal. Enseguida conectar a los bornes del generador de CC la resistencia de carga R L o las lámparas incandescentes, las cuales deberán estar en su posición de máximo valor de resistencia. Ajustar el valor de R L o encender las lámparas de tal manera que el motor asíncrono tenga una velocidad en el eje correspondiente a un deslizamiento del 3% (debido al torque frenante que surge en el generador); a continuación registrar la velocidad, potencia y corriente absorbida por el motor asíncrono, la tensión en bornes del generador DC y la corriente en la resistencia de carga del mismo. Máquina Asíncrona n (rpm) P (W) Q (VAr) V (V) I a cos ¢ T (N-m) Máquina CD V cd (V) I cd (A) V 0 (V) P 0 (W) I 0 (A) n (rpm) cos 0 ¢ V cc (V) P cc (W) I cc (A) cos cc ¢ T (N-m) Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 7 UNI-FIEE 3.4 ENSAYO COMO GENERADOR Modificar las conexiones del circuito del generador DC para obtener el motor shunt DC (figura 2.2). Figura 2.2. Arrancar el motor de corriente continua con la resistencia de campo en su mínimo valor y la de armadura en máximo, observar el sentido de giro. Desconectar esta máquina y arrancar el motor asíncrono con tensión reducida verificando que el sentido de giro sea el mismo que el de la máquina CC. Si no son iguales alterar la secuencia de fases de la tensión trifásica, permutando dos líneas cualesquiera. Arrancar nuevamente el motor CC y llevarlo a la velocidad cercana a la síncrona (velocidad del campo en el motor de inducción). A continuación conectar el motor asíncrono a la red, con la tensión del autotransformador en la misma posición. Incrementar esta tensión gradualmente hasta 380 V aproximadamente. A estas condiciones aumentar la velocidad hasta alcanzar la corriente nominal en una de las máquinas. Seguidamente medir la potencia, tensión y corriente en el estator, corriente en la máquina de corriente continua y la velocidad rotórica. Repetir estas mediciones reduciendo gradualmente la velocidad hasta alcanzar la velocidad síncrona (tomar 10 valores como mínimo). Máquina Asíncrona n (rpm) P (W) Q (VAr) V (V) I a cos ¢ T (N-m) Máquina CD V cd (V) I cd (A) 4. CUESTIONARIO G = K J 220 Vdc GA HB + - R x MAs ~ Motor primo. S 1 A R S T 220 Vac 380 Vac Fluke 39 R a Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 8 UNI-FIEE 1. Relación de los valores tomados en la experiencia. 2. A partir del juego de valores del ensayo de vacío calcular: mec fe P P P A + A = 00 estator del cobre el en Pérdidas I r P I r P P cu ÷ = A ÷ = 2 10 1 1 2 10 1 0 00 3 3 0 0 0 3 cos VI P = | - Factor de potencia en vacío. 3. Graficar en un mismo cuadro las características del motor asíncrono en régimen de marcha en vacío, es decir, P 00, I 0 y cos| como funciones de la tensión aplicada. Explicar la tendencia de cada curva y defina el intercepto de determinaría en el eje de las ordenadas la interpolación de la curva P 00 . 4. A partir de las lecturas del ensayo a rotor bloqueado calcular: Z cc y R cc en fase / O y tabularlos en función de la tensión aplicada. 5. Graficar en un mismo cuadro P cc , I cc , Z cc y R cc como funciones de la tensión aplicada. Explicar las tendencias. 6. Calcular los parámetros del circuito equivalente “T” de sustitución de la máquina asíncrona para tensión nominal. 7. A partir de 6, evaluar los parámetros del circuito equivalente “L” invertida. 8. Construir el diagrama circular usando el circuito equivalente “L” invertida. 9. A partir de 8 se pide: Operación como motor: Para un deslizamiento de 3%, determinar: corriente, potencia absorbida, factor de potencia, potencia en el eje y eficiencia. Comparar estos resultados con los obtenidos experimentalmente. Explicar las divergencias. El deslizamiento para torque máximo. La máxima potencia en el eje. Operación como generador. Entregando por sus bornes la corriente de operación como motor encontrada en 9.1, determinar: el deslizamiento, potencia entregada en bornes, factor de potencia, potencia recibida por el eje y eficiencia. La máxima potencia que puede entregar por sus bornes y el deslizamiento en estas condiciones. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 9 UNI-FIEE Para la máquina como generador construir la característica teórica de potencia en bornes vs. Velocidad o deslizamiento. Contrastarla con los puntos experimentales. Calcular errores y explicar divergencias. Ubicar los puntos experimentales tomados para el generador y ubicarlos en el diagrama circular trazado en la experiencia. Explicar diferencias. Dar un mínimo de 5 observaciones y 5 conclusiones. ENSAYO Nº 3 GENERADOR SÍNCRONO I 1. OBJETIVO Demostrar de forma práctica los ensayos de rutina aplicados al generador síncrono, como son: prueba de vacío, cortocircuito trifásico, carga puramente inductiva y resistiva, características en “V”, así como la característica angular (de potencia). Demostrar la operación del generador síncrono en régimen autónomo y en paralelo con la red. 2. EQUIPO A UTILIZAR - Resistencia de arranque R a , 30Ω, 8,5 A. - Resistencia de campo motor 1000 Ω, 1.2 A. Campo de la Ms. - 03 Llaves cuchilla 2x30 A. - 01 Amperímetro CD 0-40 A. - 01 Amperímetro CD 0-1,2 A. - 01 Amperímetro CA 0-10 A. I a . - 01 Voltímetro CA 0-300 V. - 01 Multímetro digital. - 01 Instrumento multifunción FLUKE 39. - Resistencias de carga de 0-15 A, 220V o Lámparas incandescentes. - 01 Amperímetro CD 0-1,5 A. Campo generador. - 01 Tacómetro o estroboscopio. - 01 Autotransformador trifásico. - Cables de conexión. 3. PROCEDIMIENTO Observar las características de la máquina, bornes de conexión, anotar los datos de placa, resistencia por fase del devanado de armadura y armar el esquema eléctrico de conexiones para la operación del generador. Determinar la distribución de los amperímetros CA y CD e incluirlo en el informe previo. Armadura en delta o estrella. Figura 3.1. 3.1 Ensayo en vacío. Verificar para el motor de corriente de accionamiento de continua tipo shunt, que la posición del reóstato de campo R x se encuentre en posición de mínima resistencia y el de armadura R a en máxima. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 10 UNI-FIEE Ponerlo en marcha cerrando el interruptor S 1 de la red de 220 Vdc y llevarlo hasta la velocidad síncrona del generador, verificar periódicamente que se mantenga constante. Cerrando el circuito de la excitación del generador síncrono S 2 , disminuir la resistencia de campo R x para elevar la tensión generada hasta 120% de la tensión nominal. En seguida disminuir gradualmente la tensión (aumentando R x ) para tomar de 8 a 10 valores de tensión y corriente de campo I f , hasta dejar abierto el circuito y anotar la tensión remanente del generador (cuando I f =0). Figura. 3.1. Ensayo en cortocircuito trifásico Retirar la excitación, abriendo S 2 (I f =0). Poner en cortocircuito los bornes del generador síncrono RST, tal como se muestra en la figura 3.2. Figura. 3.2. A R x 220 Vdc + - Ms Excitación S 2 Imax=1,2In If A A A M = K J 220 Vdc GA HB A + - R x 220 Vdc + - R a R x Ms Excitación Motor primo. S 1 S 2 If A V Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 11 UNI-FIEE En seguida cerrar el circuito de excitación y aumentar gradualmente I f de tal manera que se obtenga de 3 a 5 valores de la corriente de armadura I cc . Anotar este juego de valores en una tabla. I f I cc I f p.u. I cc p.u. Esta característica resulta ser lineal debido a que su mismo devanado representa una carga inductiva (r a ≈0). Ensayo bajo carga de factor de potencia cero. Para realizar esta prueba es necesario acoplar o poner en paralelo el generador síncrono con la red industrial (barra infinita). Entre la red y el generador se conectará un autotransformador de tensión regulable, el cual representará a la carga inductiva. El esquema de conexión en paralelo es el mismo que de la figura 1, para la puesta en paralelo se utilizan las lámparas o el sincronizador, como se muestra en la figura 3.3. Figura. 3.3. M = K J 220 Vdc R S T A A 220 Vac GA HB A + - R x 220 Vdc + - R a R x V A Lámparas al apagado. S 1 S 2 Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 12 UNI-FIEE Figura. 3.3. Con la máquina ya en sincronismo con la red, incrementar la excitación o sobreexcitar (disminuyendo R x del devanado de campo del generador) hasta que entregue su corriente nominal, anotar los valores de I f y V. Ajustar la tensión del autotransformador a un nuevo valor y mantener constante la corriente de armadura actuando sobre la corriente de excitación. Anotar nuevamente las nuevas mediciones I f y V. La prueba será satisfactoria si cosφ ≤ 0,1-0,2 lo que se verifica con el fluke 39. I f (A) V (V) P (W) Q (VAr) Cos φ I f (pu) V (pu) Repetir el proceso para otras 4 ó 6 tensiones del autotransformador. Ensayo bajo carga resistiva Estando el generador síncrono operando a condiciones nominales de vacío (tensión y frecuencia nominal), sin el autotransformador, conectar una carga trifásica resistiva que consuma a tensión y frecuencia nominal la corriente de armadura nominal. Para mantener constante la tensión se debe interactuar sobre I f , R x del generador síncrono, y para mantener constante la velocidad se debe interactuar sobre la corriente de campo I f , R x del generador shunt. Anotar el valor de la corriente de armadura, corriente de excitación, frecuencia y tensión del generador síncrono (I a , I f , f, V). M = K J 220 Vdc R S T A A 220 Vac GA HB A + - R x 220 Vdc + - R a R c V A Sincronoscopio. Ms Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 13 UNI-FIEE I a (A) I f (A) f (Hz) V (V) A continuación desconectar la carga gradualmente sin variar la corriente de excitación del generador I f y manteniendo constante la frecuencia con la corriente del campo del motor shunt, medir la tensión generada en vacío. Tener cuidado que el generador no se embale al quitar la carga. Nota: Como carga resistiva se puede utilizar tres reóstatos o tres juegos de lámparas. A R x 220 Vdc + - A Ms Figura 3.4. 4. CUESTIONARIO 4.1 Relación de las lecturas tomadas en la experiencia. 4.2 Trazar las características de vacío, cortocircuito y factor de potencia cero. 4.3 Graficar las características anteriores en un mismo cuadro en pu. 4.4 A partir de los resultados de 4.2 determinar las reactancias no saturadas y saturadas (x d , x q ), la relación de cortocircuito (RCC), el factor de saturación para tensión y corriente nominal. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 14 UNI-FIEE 4.5 A partir de los resultados de 4.3 (conociendo la resistencia de armadura por fase), trazar los diagramas fasoriales de Pothier del generador síncrono operando a tensión y corriente nominal, para los siguientes factores de potencia: 1, 0,8 inductivo y 0,8 capacitivo. Obtener en cada caso la fem E f . La regulación de tensión y excitación necesaria I f . 4.6 Determinar el error porcentual, tomando como referencia los resultados experimentales, en la fuerza electromotriz E f y la excitación necesaria para la prueba experimental con carga resistiva. Explicar los errores obtenidos. 4.7 Dar un mínimo de 5 conclusiones. ENSAYO Nº 4 GENERADOR SÍNCRONO II 1. OBJETIVO Demostrar de forma práctica los ensayos bajo carga para la determinación experimental de la característica P-o y las curvas en “V” del generador síncrono. Asimismo la prueba de deslizamiento para la estimación de las reactancias en el eje directo y en cuadratura en una máquina de polos salientes. 2. EQUIPAMIENTO - Resistencia de arranque R a 30Ω, 8,5 A. - Resistencia de campo motor 1000 Ω, 1.2 A. Campo de la Ms. - 03 Llaves cuchilla 2x30 A. - 01 Amperímetro CD 0-40 A. - 01 Amperímetro CD 0-1,2 A. - 01 Amperímetro CA 0-10 A. I a . - 01 Voltímetro CA 0-300 V. - 01 Voltímetro CA con 0 en el centro de la escala. - 01 Multímetro digital. - 01 Instrumento multifunción FLUKE 39. - 01 Resistencia de carga de 0-15 A, 220V o Lámparas incandescentes. - 01 Amperímetro CD 0-2,5 A. Campo generador. - 01 Tacómetro o estroboscopio. - 01 Autotransformador trifásico. - Cables de conexión. 3. EQUIPO A UTILIZAR Característica potencia vs. Ángulo de carga (P -o ). Conectar el equipo tal como se muestra en la figura 4.1. Ajustar la tensión, secuencia de fases y frecuencia del generador síncrono (condiciones previas, sincronización), y ponerlo en paralelo con la red. El disco graduado dispuesto en el eje del motor primo ubicar un origen 0 = o para medir el ángulo delta, para ello debe iluminarse el disco con el estroboscopio. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 15 UNI-FIEE Observar a continuación la dependencia entre la potencia P entregada por la máquina y el ángulo de carga o , para ello debe aumentarse el torque aplicado al eje del generador. Tomar valores de P y o , desde las condiciones de mínima potencia hasta potencia donde la corriente de armadura no supere 1,5 I n . Es necesario que durante la sobrecarga un integrante del grupo este atento para regular el torque aplicado a la máquina en caso de pérdida de sincronismo. Figura 4.1. Características en “V” del generador síncrono Se desconecta el estroboscopio. Estando en paralelo el generador síncrono con la red, regular su potencia entregada al 50% de la potencia nominal y mantenerla constante, luego aumentar la corriente de excitación I f del generador hasta que la corriente de armadura I a alcance su valor nominal. A partir de este juego de valores desexcitar gradualmente al generador (disminuir I f ), la corriente de armadura I a empezará a disminuir y pasará P (W) Q (VAr) cos¢ o (º) I a (A) M = K J 220 Vdc R S T 220 Vac GA HB A + - R x 220 Vdc + - R a R x V A Lámparas al apagado. 1 S A Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 16 UNI-FIEE por un valor mínimo para luego volver a incrementarse, desexcite hasta que la corriente de armadura sea la nominal. Anotar este juego de valores. Seguidamente consiga la corriente de armadura mínima. Estando I a en el mínimo valor disminuir la carga del generador a 25% de la potencia nominal, manteniendo constante esta potencia, repetir el proceso anterior. Realizar nuevamente lo explicado, pero para una potencia de 0% de la nominal. P=0,5 P n P=0,25 P n P=0 P n I f I a I f I a I f I a Prueba de deslizamiento Reducir la potencia entregada por el generador a la red y sacarlo del paralelo. Realizar el esquema de conexiones que se muestra en la figura 4.2. M = K J 220 Vdc R S T 220 Vac GA HB + - R a R x A Ms V Vcd Autotrasformador a tensión reducida. A V Figura 4.2 Encender el motor primo y llevarlo a una velocidad próxima a la velocidad síncrona, de tal manera que el deslizamiento sea mayor que el 2%. Reducir la tensión de la red ajustable (autotransformador) a 0.25V n aproximadamente y cerrar el interruptor del generador, cuidando que la corriente de armadura no supere su valor nominal. Se deberá notar que el índice del voltímetro Vcd conectado en los bornes del campo del generador empezará a oscilar suavemente. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 17 UNI-FIEE Simultáneamente tomar las medidas de la tensión aplicada a la máquina y la corriente de armadura que consume, cuando: El índice del voltímetro Vcd pase por cero y cuando pase por un máximo, es decir, la tensión máxima y mínima en los bornes del generador y la corriente máxima y mínima que absorbe. max min min max I V x I V x q d = = 4. Cuestionario 4.1 Relación de lecturas obtenidas en la experiencia. 4.2 Con la información obtenida en la prueba de deslizamiento estimar las reactancias en el eje directo y cuadratura (x d y x q ) de la máquina. 4.3 Calcular la relación x d /x q y compruebe si este valor se encuentra dentro del rango usual para máquinas de este tipo y potencia. Explique. 4.4 Utilizando los valores x d , x q (4.3) y r a (medido en el ensayo 3), construir la característica teórica P vs. o . Contrastarla con los puntos obtenidos experimentales. Calcular los errores y explicar las divergencias. 4.5 De los gráficos anteriores indicar cual sería la potencia máxima que podría entregar el generador sin perder el sincronismo y cual es el ángulo delta limite; contrastarlo con los cálculos teóricos. 4.6 Graficar en un mismo plano los datos experimentales de las características en “V” (I a vs I f ) del generador síncrono operando en paralelo con la red para cada caso (P=0%P n , 25%P n y 50%P n ). Calcular el factor de potencia del generador cuando entrega la corriente de armadura I a por sus bornes y es excitado con una corriente de excitación I f . I I f 50% 25% 0% fpd inductivo fpd capacitivo a Límite de operación w V max V min I max I min Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 18 UNI-FIEE 4.7 En las graficas obtenidas en 4.6. Para cada caso ubicar los puntos mínimos de la curva (I amin ) y unirlos con una curva que constituirá el lugar geométrico de cosθ=1,0 (característica de regulación). Estimar las curvas a otros factores de potencia y determinar el límite de operación estable al disminuir I f para cada caso (Para E f mínimo). I I f 50% 25% 0% fpd inductivo fpd capacitivo a Límite de operación Dar un mínimo de 5 conclusiones y 5 observaciones. ENSAYO Nº 5 GENERADOR SHUNT - COMPOUND 1. OBJETIVO Estudio empírico de la autoexcitación del generador shunt y la determinación de sus características en estado estable. Asimismo a partir de esta máquina se implementa un generador de tipo compuesto. 2. EQUIPOS A UTILIZAR - Resistencia de arranque R a 30Ω, 8,5 A. - Resistencia de campo motor 1000 Ω, 1.2 A. Campo de la Ms. - 03 Llaves cuchilla 2x30 A. - 01 Amperímetro CD 0-40 A. - 01 Amperímetro CD 0-1,2 A. - 01 Amperímetro CD 0-15 A. I a . - 02 Voltímetros CD 0-300 V. - 01 Multímetro digital. - 01 Resistencia de carga de 0-15 A, 220V o Lámparas incandescentes. - 01 Amperímetro CD 0-2,5 A. Campo generador. - 01 Tacómetro. - Cables de conexión. 3. PROCEDIMIENTO Observar las características de la máquina, bornes de conexión, datos de placa y armar el modulo según el esquema eléctrico de conexiones para la operación Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 19 UNI-FIEE como generador mostrado en la figura 5.1 (la carga resistiva puede ser una resistencia o un juego de lámparas). Figura 5.1. Antes de arrancar el motor debe de verificarse la posición de los reóstatos R a y R x , de la manera que se limite la corriente de arranque y a la vez que tenga un torque necesario para su aceleración (R a en máximo valor y R x en mínimo). Cerrando el interruptor S 1 de la fuente de corriente continua, poner en marcha el motor verificando el sentido de giro que indica la flecha, para lo cual disminuir gradualmente R a y ajustar la velocidad al valor nominal (aumentando R x ), el cual debe de mantenerse constante para todas las pruebas. 3.1 Características de excitación Con el interruptor S 3 abierto, medir con el multímetro la tensión inducida en la armadura, cerrar el interruptor, con R x en máximo valor y observar en el multímetro el efecto producido sobre la tensión generada. Si la conexión no posibilita la autoexcitación, permutar los bornes del devanado de excitación o de armadura. Observar ahora la dependencia de la tensión inducida con respecto a I f reduciendo R x sin tomar aun valores; regresar luego a la máxima resistencia. En vacío Excitar nuevamente la máquina incrementando I f hasta obtener una tensión del 120% de la nominal. Anotando la tensión y la excitación en este punto disminuir monótona y gradualmente I f hasta tomar 8 o 10 valores. Finalmente con I f =0 (S 1 abierto) se anota la nueva tensión remanente. En carga Con la tensión generada al mínimo verificar que R L se encuentre en su máximo valor, luego conectarla. Aumentar la corriente de excitación I f hasta alcanzar una tensión en bornes de aproximadamente el 70%V n . Ajustar R L hasta lograr la corriente de carga igual al valor nominal. Registrar la tensión en bornes V y la corriente de excitación I f . Luego actuar sobre R x y R L para aumentar I f (por lo tanto V), manteniendo I constante. Anotar los nuevos valores de I y V. G = K J A GA HB R x Generador. S 1 M = K J 220 Vdc A GA HB + - R a R x Motor. S 2 V I V 220 Vdc + - S 3 If R L A A Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 20 UNI-FIEE 3.2 Característica Externa Con R L en máximo valor, llevar la tensión hasta 0,9V n aproximadamente y medir la corriente de excitación I f correspondiente. A partir de este punto tomar los valores de tensión en bornes (V), la corriente de excitación I f , reduciendo R L gradualmente hasta alcanzar la corriente máxima tolerada por esta resistencia. Tratar de completar la característica hasta el punto de cortocircuito, considerando que la sobrecarga de la máquina debe ser muy breve. 3.3 Característica de regulación Con la carga R L en máximo valor, elevar la tensión (reduciendo R x ) hasta el 90%V n aproximadamente. Bajo estas condiciones elevar gradualmente la corriente de carga (reduciendo R L ) y al mismo tiempo, para mantener constante la tensión, elevar la corriente de excitación I f (reduciendo R x ). Tomar de 4 a 6 valores de I f e I. 3.4 Variación de la característica externa en conexión Compound (compuesta). Efectuar los cambios de conexión en el generador tal como se muestra en la figura 5.2, la bobina de tipo serie y repetir el procedimiento 3.2. Invertir la polaridad de la bobina serie y repetir lo anterior. Apuntar valores de tensión (V) y corriente (I) para ambos casos. Figura 5.2 4. CUESTIONARIO 4.1 Relación de las lecturas tomadas en la experiencia. 4.2 Trazar las características en vacío y en carga a corriente no min en un mismo cuadro. Conociendo la resistencia de armadura incluyendo interpolos, trazar el lado triángulo característica del generador para una tensión en bornes. G = K J A GA HB R x Generador. S 1 M = K J 220 Vdc A GA HB + - R a R x Motor. S 2 V I V 220 Vdc + - If A A Laboratorio de Máquinas Eléctricas II EE 242 Ing. Luís Rojas Miranda / ccg 21 UNI-FIEE 4.3 Recoger tres pares de valores (E f , I f ) de la característica de vacío, de tal manera que se cumpla: I f3 =I f2+ I; I f1 +I y aproximar una parábola de la forma: E f = a 0 + a 1 I f + a 2 I f 2 Verificar los errores porcentuales respecto a los experimentales. 4.4 Del “triángulo característico” trazado en 4.2 anotar el cateto que cuantifica. Puede asumirse (no es estrictamente correcto) que este valor expresado en amperios es proporcional a la corriente de armadura CI a . Calcular C. 4.5 Para considerar el efecto desmagnetizante de la reacción de armadura se puede considerar que I’ f= I f -CI a (siendo I f =V/R f , R f =resistencia del devanado de campo+R x ), y evaluar la Fem. inducida E y la constante C de 4.4. 4.6 Trazar la característica externa experimental del generador shunt. En el mismo cuadro graficar la característica externa teórica. Esta debe obtenerse utilizando la ecuación hallada en 4.5 dando valores para I. Discutir y sustentar las divergencias. 4.7 Trazar la característica experimental de regulación para una tensión en bornes V igual. BIBLIOGRAFÍA - M. P. Kostenko, L. M. Piotrovski. 1976. Máquinas Eléctricas, tomo II. Editorial Mir. Primera edición. Rusia. - Jesús Fraile Mora. 2003. Máquinas Eléctricas. Mc Graw-Hill /Interamericana de España, S. A. U. Quinta edición. España. - Luis Rojas Miranda 2007 Curso de Máquinas Eléctricas II EE-214 Apuntes del curso. EXPERIENCIAS LIBRES (EL) SUGERIDAS POR LOS PROFESORES EL1. Arranque y operación del motor síncrono trifásico. EL2. Arranque Υ/∆ y operación del motor asíncrono trifásico de J. A. EL3. Arranque y regulación de velocidad del motor asíncrono trifásico de anillos rozantes. EL4. Corrección del factor de potencia del motor asíncrono trifásico de J. A. EL5. Operación del generador asíncrono auto excitado. EL6. Operación del motor asíncrono trifásico conectado a una red monofásica. EL7. Arranque y operación de un motor monofásico con condensador de arranque. EL8. Ensayo de vacío del motor asíncrono trifásico, en régimen trifásico. EL9. Arranque y operación del motor asíncrono trifásico de J. A. tipo Dalhander. EL10. Aplicación del variador de frecuencia en el arranque y regulación de velocidad de un motor asíncrono trifásico