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UNIVERSIDAD DE CONCEPCIN DEPARTAMENTO DE INGENIERA
CHILE ELCTRICA
LABORATORIO DE CONVERSIN
ELECTROMECNICA DE LA ENERGA
SECCION 1
GRUPO 4
CICLO N 4: MQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
Alumnos: Jaime Salazar Valenzuela
Luis Saldivia Maldonado
Rodrigo Ulloa Gaete
Profesores: Leonardo Palma Fajul
Rubn Pea Guiez.
Ayudante:.
Fecha de Entrega: 22 Septiembre 2011
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Laboratorio CEM Pgina 2
1. Resumen
Las mquinas de corriente continua forman parte de la amplia gama
de motores
elctricos presentes en la industria. Este tipo de motores
presenta una gran versatilidad
en cuanto a las posibles configuraciones de conexin, como lo son
conexin separada,
serie o derivacin (shunt), todas experimentadas a lo largo de la
presente experiencia.
Lo que les da un amplio rango de volt-ampere o velocidad-torque
tanto para operacin
en estado estable como dinmica. Cabe destacar que pueden ser
operados tanto como
motores o generadores segn sea su requerimiento.
Estos motores presentan la ventaja de poder ser controlados con
gran precisin,
aunque gracias a los avances en estudio y tecnologa de control
han permitido que los de
corriente alterna ganen terreno en la industria.
A continuacin se presenta un estudio realizado a una MCC, en el
cual se analiza
resultados obtenidos de ensayos de Laboratorio, tanto de
parmetros como variables de
funcionamiento en estado esttico y dinmico. Se presenta la curva
de excitacin, la
cual fue obtenida utilizando el motor como generador con carga
nula, luego, un estudio
de cmo del comportamiento para distintos valores de carga,
tambin un estudio del
comportamiento para carga constante y alimentacin variable tanto
para armadura como
campos y finalmente las prdidas que se generan tanto mecnicas,
fierro y cobre.
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Laboratorio CEM Pgina 3
2. ndice Pgina
1 Resumen. 2
3 Captulo 1. Motor de corriente continua. 4
3.1 Actividades Previas 4
3.2 Trabajo de Laboratorio 7
3.2.1. Parmetros y Curvas de Excitacin. 7
3.2.2. Caractersticas de Carga. 12 3.2.3. Estudio de mecanismos
de variacin de velocidad. 19
3.2.3. Prdidas y Rendimiento. 21
4 Anexo 1.1 24 5 Anexo 1.2 34
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Laboratorio CEM Pgina 4
3. Captulo 1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (MCC-1)
3.1. Actividades Previas
i) Observar y anotar las caractersticas de placa y constructivas
del Motor y Generador a ensayar.
Tabla 1. Datos de placa del Motor C.C Fabricante
Siemens-Schubertwerke
N de serie EO225788-31002
Tensin nominal de armadura 230 [Vdc]
Corriente nominal de armadura 33 38.5 [A]
Velocidad 1450 [rpm]
N de polos 4
N de interpolos 4
N de escobillas 4
Potencia 6.8 [kVA]
Tensin de excitacin 12.5 - 115 [Vdc]
Corriente de excitacin 0.17 - 1.6 [A]
Aislamiento Tipo B
Tabla 2. Caractersticas constructivas del Motor C.C Tipo de
rotor Bobinado
Tipo de estator Polos salientes
Tipo de ventilacin Ventilacin Natural
Tipo de carcasa Fierro semiblindado
Tabla 3. Datos de placa del Generador C.C Fabricante
Siemens-Schubertwerke
N de serie EO225788-30002
Tensin nominal de armadura 230 [Vdc]
Corriente nominal de armadura 20.4 [A]
Velocidad 1450 [rpm]
N de polos 4
N de interpolos 4
N de escobillas 4
Potencia 4.7 [kVA]
Tensin de excitacin 100 [Vdc]
Corriente de excitacin 1.2 [A]
Aislamiento Tipo B
Tabla 4. Caractersticas constructivas del Generador C.C Tipo de
rotor Bobinado
Tipo de estator Polos salientes
Tipo de ventilacin Ventilacin Natural
Tipo de carcasa Fierro semiblindado
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Laboratorio CEM Pgina 5
En la figura 1 y 2 se observan los esquemas de una mquina de
corriente
continua.
Figura 1. Esquema de representacin de la MCC.
Figura 2. Esquema simplificado de la MCC.
ii) Identificar Freno Prony y sus caractersticas de
funcionamiento. Tomar nota de la longitud del brazo y los pesos que
se pueden utilizar.
El freno Prony es un mecanismo compuesto por una barra de 60 cm
de largo, por
cada lado, con respecto al eje central. Al centro posee un disco
adosado al eje de las
mquinas, el cual, permite controlar la velocidad de estas, por
medio de una manivela,
la cual, se regula para ejercer presin sobre el disco. El
sistema adems, posee un peso
en uno de sus extremos, el cual, se mueve manualmente a travs de
la barra hasta que
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Laboratorio CEM Pgina 6
quede en posicin horizontal. En este punto, el torque en el eje
es igual a la fuerza que
ejerce el peso por la distancia de este al centro de la
barra.
La potencia de salida es disipada en forma de calor por el tipo
de material del
freno. Adems el sistema provee una forma muy simple para aplicar
un torque de carga
al eje principal de salida de la mquina.
En la tabla 5 se presentan algunas caractersticas del freno
utilizado y en la
figura 3 un esquema representativo.
Tabla 5. Caractersticas del freno Prony. Largo total [cm] Peso
total [Kg] Peso aadido [Kg]
120 7.860 7.158
Y el torque en el eje se determina de la siguiente relacin.
= (mg) d
Donde.
T: Torque en el eje.
F: Fuerza ejercida por el peso aadido.
m: Masa del peso aadido.
d: Distancia desde el peso, al eje central.
g: Constante de gravedad.
Figura 3. Esquema del Freno Prony
.
i) Visualizar Panel de Comando y anotar disposicin de circuitos.
Identificar suministro de fuerza CA y CC, y suministro de control,
protecciones y los
circuitos de los motores.
En la figura 4 se muestra el esquema del panel de comando a
utilizar para
ensayos con las mquinas de corriente continua.
220Vac380Vac
R S T N
stop start
230VdcGenerador DC
GA HB GA HB
E F
J K
E F
J K
Alimentacin330Vac
stop start
230Vdc
- +
0
10
1
Motor DC
Int2 P2
Int1 P1
+
+
+
+
+
+
Disco de frenado
Regla
Peso
Dep. responsable
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Referencia tcnica
{techRef}
Creado por Aprobado por
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Estado del documento
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Ttulo, ttulo suplementario
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Rev.
Fecha de edicin Idioma
26/05/2011 {lng}
Hoja
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Laboratorio CEM Pgina 7
Figura 4. Panel de comando.
El panel de comando de la MCC est conformado por alimentacin
tanto
continua como alterna. En la parte izquierda superior se
encuentra el interruptor de
corriente continua para una tensin de 230 (VDC), ms abajo se
encuentran los
contactores que permiten que la energa fluya desde la fuente
hacia los terminales
ubicados en su inferior. En la parte central del panel se
encuentran los terminales tanto
del motor como del generador de corriente continua, para el caso
de la armadura, la
designacin es GA(+) - HB(-), para devanado de campo serie E(+) -
F(-) y para
devanado de campo shunt J(+) - K(-). En la parte derecha del
panel, se encuentra la
alimentacin para corriente alterna controlada por un interruptor
trifsico, ms abajo se
encuentran los respectivos contactores trifsicos que permiten el
flujo de energa desde
la fuente hacia los terminales en su inferior. La alimentacin
trifsica para los estudios
realizados se utiliz para alimentar rectificadores y variac.
Tambin se encuentran los
disyuntores correspondientes a los contactores para alimentacin
tanto de corriente
continua como alterna, en esta ltima tambin se encuentra
alimentacin monofsica.
3.2. Trabajo de Laboratorio.
3.2.1. Parmetros y Curvas de Excitacin.
a) Medir los valores de las resistencias de armadura, de
interpolos y de los campos del motor y generador ensayado. Adems
medir las inductancias de
armadura y de campo.
Se comenz midiendo las resistencias en cada terminal del panel,
para ambas
mquinas, las cuales, se midieron a travs de un Puente de
Wheastone. Cabe recalcar,
que la medicin de resistencia de armadura incluye la resistencia
en los interpolos de
cada mquina, por lo tanto, se midi en 4 ngulos distintos. Para
posteriormente,
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Laboratorio CEM Pgina 8
determinar el valor promedio de estas. Para las resistencias de
campo serie y shunt se
midieron directamente en sus terminales, sin ninguna
particularidad.
Para la medicin de inductancias, se registraron mediante un
Puente Universal
en cada terminal del panel de comando.
Las mediciones se realizaron conectando los instrumentos a los
siguientes
terminales.
Armadura: GA - HB
Campo serie: E - F
Campo shunt: J - K
Las mediciones registradas se resumen en las siguientes
tablas.
Tabla 6. Mediciones de resistencias.
Terminales Mediciones Motor Mediciones Generador
Armadura (Rotor a 0) 0.75 [] 0.92 []
Armadura (Rotor a 90) 0.85 [] 1.00 []
Armadura (Rotor a 180) 0.71 [] 1.90 []
Armadura (Rotor a 270) 0.71 [] 1.90 []
Campo serie 0.19 [] 0.08 []
Campo shunt 71.19 [] 75.0 []
Tabla 7. Mediciones de inductancias.
Terminales Mediciones Motor Mediciones Generador
Armadura 5.7 [mH] 11.3 [mH]
Campo serie 0.059 [mH] 0.11 [mH]
Campo shunt 3.1 [H] 3.6 [H]
Se extrae de las mediciones obtenidas, que le resistencia del
campo shunt o
independiente, es significativamente ms alta con respecto a la
de armadura y a la de
campo serie, esto debido a que por este campo deben circular
corrientes ms bajas con
respecto a la del campo serie y por armadura, ya que por esta
zona deben circular
corrientes elevadas, ya que deben ser capaces de generar una
fuerza contraelectromotriz
que, posteriormente mover la mquina y generar una velocidad
angular.
Con respecto a las mediciones de inductancia, estas reflejan la
teora, ya que se
sabe que si circula una mayor corriente por el devanado de campo
serie y armadura, el
bobinado ser de un calibre mayor, por lo tanto, tendr menos
vueltas que el devanado
shunt, provocando una menor inductancia y resistencia en sus
terminales.
b) Obtener las curvas de excitacin en vaco a velocidad nominal,
para los campos shunt y serie.
En el presente apartado, se obtuvieron las caractersticas de
excitacin de la
mquina segn el procedimiento detallado en el anexo 1.1 1.b. En
donde se oper con el
motor trabajando como generador y el generador como motor, ambos
a velocidad
nominal. Finalmente, se obtuvieron las mediciones de corriente
de excitacin del motor,
en forma creciente y decreciente y, la tensin en sus terminales
en vaco.
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Laboratorio CEM Pgina 9
En las figuras a continuacin, se presentan las curvas
obtenidas.
Figura 5. Curvas de excitacin.
En la figura 5, se observa claramente la caracterstica de este
tipo de mquinas,
al presentar curvas de excitacin, para ambos devanados, que no
parten desde el origen.
Esto se produce, ya que, si se excita el MCC a partir de su
estado inicial, o sea, desde su
primera magnetizacin y se lleva hasta un valor de flujo mximo
para luego bajar la
corriente de campo o excitacin hasta cero, se puede apreciar que
la mquina queda con
un cierto nivel de magnetismos debido a la caracterstica propia
del material
ferromagntico. Esta propiedad ser utilizada en los siguientes
apartados para el proceso
de autoexcitacin del motor.
Otra caracterstica importante a recalcar, es el nivel de
saturacin presente en
ambas curvas, pero se dejar su anlisis detallado cuando se
presenten las curvas
respectivas, al igual que el estudio de la caracterstica de
histresis. Finalmente, se
aprecia la diferencia entre las curvas de cada devanado. Ya que,
el voltaje en el campo
shunt es ms elevado esto es debido a que este campo es el que
aporta el mayor flujo de
campo a la mquina, producto de la menor corriente que circula
por aquel. En cambio,
para el campo serie, la corriente es superior, por lo tanto,
aporta un menor flujo a la
mquina.
- Cul es la razn de vueltas entre ambos devanados?
Para determinar la razn de vueltas se aproxima una lnea recta
desde el origen
de cada curva hasta sus valores del extremo superior, o sea, una
aproximacin lineal y
0 5 10 15 20 25 30 350
50
100
150
200
250
Corriente de excitacin
Tensi
n e
n t
erm
inale
sCurvas de excitacin.
I exc. creciente, campo shunt
I exc. decreciente, campo shunt
I exc. creciente, campo serie
I exc. decreciente, campo serie
-
Laboratorio CEM Pgina 10
se determina la pendiente de cada recta ( y ). La cual, se
determin con las curvas de corriente de excitacin creciente.
Campo shunt.
[ ]
[ ]
Campo serie.
[ ]
[ ]
Luego, se determina la razn de vueltas a partir de las
siguientes ecuaciones.
Por consiguiente.
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Laboratorio CEM Pgina 11
Figura 6. Curva de excitacin. Campo serie.
Recordando que la corriente nominal de campo es de 33 [A], el
nivel de tensin
alcanzado para dicha corriente es bastante menor al nominal. Por
lo tanto, la curva
obtenida no demuestra detalladamente la caracterstica de
saturacin de la mquina
utilizada. Pero s queda en claro, lo comentado anteriormente con
respecto al flujo
remanente, ya que al comenzar excitando la mquina desde un valor
nulo de corriente,
esta no presenta tensin cero. Adems se observa claramente, la
caracterstica de
histresis, ya que la curva de corriente de excitacin decreciente
se presenta sobre la de
corriente de excitacin creciente.
0 5 10 15 20 25 30 350
5
10
15
20
25
30
35
Corriente de excitacin
Tensi
n e
n t
erm
inale
s
Curvas de excitacin. Campo serie
I exc. creciente
I exc. decreciente
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Laboratorio CEM Pgina 12
Figura 7. Curvas de excitacin. Campo shunt.
Para la presente curva, se obtuvieron valores cercanos a los
nominales. Por lo
tanto, la caracterstica de excitacin se refleja con claridad. Ya
que en un principio se
muestra un flujo remanente similar al anterior. Adems, al ir
excitando gradualmente el
circuito de campo, se alcanza una saturacin magntica del fierro,
aproximadamente a la
mitad de la corriente de excitacin nominal, 0.8 [A]. Esta
saturacin del fierro se
alcanza en forma distinta, primero los dientes de la armadura,
luego el yugo del estator,
rotor y piezas polares. Esto hace que la curva de magnetizacin
muestre un paso gradual
a la plena saturacin a medida que se saturan los distintos
tramos del circuito
magntico.
Finalmente, dado que las trayectorias de ascenso y descenso no
son las mismas,
por el efecto de histresis y dependen del nivel de excitacin,
los fabricantes
acostumbran a entregar la curva normal de excitacin obtenida con
los puntos mximos
de los distintos niveles de excitacin.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60
50
100
150
200
250
Corriente de excitacin
Tensi
n e
n t
erm
inale
s
Curvas de excitacin. Campo shunt
I exc. creciente
I exc. decreciente
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Laboratorio CEM Pgina 13
3.2.2. Caractersticas de Carga.
Para un motor en conexin shunt y en conexin compound
acumulativo. Determinar
las variaciones de la velocidad, corriente de armadura, torque
en el eje y eficiencia en
funcin de la carga. Para ello, cargar el motor con el freno
Prony. Ajustar
inicialmente la excitacin para la velocidad de vaco ideal. Tomar
valores para 0%,
25%, 50%, 75% y 100%. Verificar, previo a cada medicin, que la
tensin de
armadura sea la nominal.
Para el presente apartado, se sigui el procedimiento detallado
en el Anexo 1.1
2), el cual, determina los valores mencionados. Aunque se debe
hacer notar, que para las
caractersticas de cargas pedidas, estas se obtuvieron al ir
variando la distancia desde el
peso al origen y, as, obtener las distintas mediciones. Esto se
llev a cabo mediante el
freno Prony y con la precaucin de ajustar la tensin nominal de
armadura para cada
variacin de carga y para cada conexin pedida.
Como observacin, se debe tener la precaucin de conectar el campo
serie con la
misma polaridad al campo shunt, para obtener la caracterstica
acumulativa.
Finalmente, se determina la regulacin de velocidad y se
presentan las curvas
para un motor en conexin shunt y en conexin compound
acumulativo, a partir de las
tablas 8 y 9, la cuales corresponden a los datos de las curvas
presentadas que se
obtuvieron a partir de los valores obtenidos en el
Laboratorio.
Tabla 8. Datos para la determinacin de caractersticas de carga.
Conexin shunt.
Distancia
[cm]
Torque
[Nm]
Corriente de
armad. [A]
Velocidad
[rad/seg]
Potencia de
entrada [W]
Potencia de
salida [W]
Eficiencia
(%)
0.00 0.0000 2.00 154.462 436.00 0.00000 0.000
10.0 7.7107 6.40 150.378 1395.2 1159.52 83.11
20.0 15.421 12.0 148.702 2616.0 2293.13 87.66
30.0 23.132 17.0 146.922 3706.0 3398.60 91.71
40.0 30.843 22.0 145.456 4796.0 4486.30 93.54
50.0 38.553 28.0 142.419 6104.0 5490.68 89.95
Tabla 9. Datos para la determinacin de caractersticas de carga.
Conexin compound
acumulativo.
Distancia
[cm]
Torque
[Nm]
Corriente de
armad. [A]
Velocidad
[rad/seg]
Potencia de
entrada [W]
Potencia de
salida [W]
Eficiencia
(%)
0.00 0.0000 2.00 154.253 436.00 0.00000 0.000
10.0 7.7107 7.00 148.284 1526.0 1143.37 74.93
20.0 15.421 12.0 147.969 2616.0 2281.84 87.23
30.0 23.132 16.4 144.514 3575.2 3342.89 93.50
40.0 30.843 21.0 141.372 4578.0 4360.34 95.25
50.0 38.553 26.0 139.278 5668.0 5369.57 94.74
- Regulacin de velocidad para ambas configuraciones.
Conexin shunt.
( )
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Laboratorio CEM Pgina 14
Conexin compound acumulativo.
( )
Luego, se presentan las curvas pedidas.
Figura 8. Curvas comparativas de Torque Vs Velocidad, para ambas
conexiones.
Se aprecia en la figura 8, que la caracterstica
torque-velocidad, para ambas
conexiones, es la siguiente. Cuando se va aplicando carga al eje
de la mquina, la
velocidad va disminuyendo por lo que la tensin inducida cae en
la misma proporcin.
La diferencia entre ambas conexiones est en que la conexin
shunt, presenta una cada
ms lineal con respecto a la conexin compound ya que la tensin
inducida depende de
la corriente de campo y resistencia, y ambas se mantienen
inalterables. Adems, como
en la conexin compound acumulativa los flujos se refuerzan
mutuamente, habr un
mayor nivel de flujo que en la conexin shunt, por lo que, la
velocidad se ver
disminuida al alimentar el motor con una misma tensin.
Finalmente, se extrae que para
la caracterstica de vaco, ambas configuraciones presentan una
velocidad similar y se
puede aadir que la resistencia de armadura determina la
velocidad de carga, para una
operacin a flujo constante.
138 140 142 144 146 148 150 152 154 1560
5
10
15
20
25
30
35
40
Velocidad [rad/seg]
Torq
ue [
Nm
]
Torque Vs Velocidad
Conexin shunt
Conexin compound
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Laboratorio CEM Pgina 15
Figura 9. Curvas comparativas de Torque Vs Corriente de lnea de
armadura, para
ambas conexiones.
Segn las ecuaciones de una mquina de corriente continua, el
torque en el eje es
proporcional a la corriente de armadura, por lo tanto, en la
figura 9, se observa esta
proporcionalidad casi idntica para las distintas
configuraciones. Cuya diferencia est
en la conexin de los devanados y en la resistencia de armadura.
Se puede extraer
adems, que a una corriente de armadura similar a cero, el torque
en el eje no es nulo,
esto debido al flujo remanente comentado anteriormente y es la
particularidad en este
tipo de mquinas, ya que, se necesita un pequeo flujo para
autoexcitarlas.
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
35
40
Corriente [A]
Torq
ue [
Nm
]
Torque Vs Corriente de armadura
Conexin shunt
Conexin compound
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Laboratorio CEM Pgina 16
Figura 10. Curvas comparativas de Potencia de salida Vs
Velocidad, para ambas
conexiones.
Como la potencia de salida es proporcional a la carga en el eje
y a la velocidad.
En la figura 10, se observa que a un pequeo decaimiento de la
velocidad, para ambas
configuraciones, se produce un aumento significativo del torque
en el eje, como se
detall en la figura 8. Provocando que la potencia de salida
aumente en forma
considerable. Esto se produce ya que en teora de mquinas de
corriente continua, la
potencia de entrada por la puerta elctrica es idntica a la
potencia de salida de la puerta
mecnica, o sea, idealmente se tiene una conversin de un 100%.
Por lo que, si se
aumenta la corriente de armadura, se produce una disminucin en
la velocidad y un
aumento en la potencia de entrada y, como se mencion, tambin en
la potencia de
salida.
138 140 142 144 146 148 150 152 154 1560
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Velocidad [rad/seg]
Pote
ncia
de s
alid
a [
W]
Potencia de salida Vs Velocidad
Conexin shunt
Conexin compound
-
Laboratorio CEM Pgina 17
Figura 11. Curvas comparativas de Potencia de salida Vs
Corriente de lnea de
armadura, para ambas conexiones.
Como se mencion anteriormente y siguiendo las ecuaciones de este
tipo de
mquinas. A un aumento de la corriente de armadura, se produce
una cada de tensin
inducida, por lo que, la velocidad tambin disminuye. Esto
provoca un aumento en la
potencia de salida del motor, ya que, como adems se est cargando
la mquina. El
torque aumenta significativamente, produciendo una relacin
proporcional entre la
corriente de armadura y la potencia de salida, para ambas
configuraciones.
Debido a que la corriente de armadura no vara en gran medida, ya
que el campo
serie no aporta gran flujo como lo hace el campo shunt, las
relaciones entre ambas
curvas son prcticamente similares.
0 5 10 15 20 25 300
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Corriente [A]
Pote
ncia
de s
alid
a [
W]
Potencia de salida Vs Corriente
Conexin shunt
Conexin compound
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Laboratorio CEM Pgina 18
Figura 12. Curvas comparativas de Potencia de salida Vs Torque,
para ambas
conexiones.
En la figura 12, se presenta claramente lo mencionado en las
figuras anteriores,
ya que, como la potencia de salida es proporcional al torque y a
la velocidad. De la
segunda, no vara significativamente, pues, es una consecuencia
del nivel de carga y de
la tensin inducida, que es dependiente adems de la corriente de
armadura, por lo que,
a un aumento de la corriente de armadura, la tensin inducida
disminuye y la velocidad
tambin lo hace en la misma proporcin (considerando constante el
nivel de flujo), pero
como se aade el nivel de carga, la potencia de salida se ve
afectada en gran medida por
la magnitud del torque. Y se sabe que este es directamente
proporcional a la corriente de
armadura, con las mismas consideraciones mencionadas.
0 5 10 15 20 25 30 35 400
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Torque [Nm]
Pote
ncia
de s
alid
a [
W]
Potencia de salida Vs Torque
Conexin shunt
Conexin compound
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Laboratorio CEM Pgina 19
Figura 13. Curvas comparativas de Potencia de salida Vs
Eficiencia, para ambas
conexiones.
De la figura 13, se extrae, que en la prctica, la eficiencia
nunca llegar a ser la
ideal como en la teora, ya que se producen prdidas en ambas
puertas (Prdidas
mecnicas por roce y ventilacin y prdidas elctricas en los
devanados y en el fierro),
que se analizarn en el apartado 4 del presente informe.
Respecto a las diferencias entre ambas configuraciones, se
extrae que para una
baja potencia de salida, la conexin shunt es ms eficiente. Esto
se produce, ya que,
como se observ en las figuras anteriores, a una menor potencia
de salida, el torque
tambin era menor. Y como no se tiene el campo serie conectado,
no existe una cada
adicional de tensin, por lo que, la tensin inducida es mayor.
Provocando una mayor
velocidad con respecto a la configuracin compound, que
finalmente se traduce en una
mayor eficiencia.
Luego, para una mayor potencia de salida, la conexin compound
acumulativa
es ms eficiente, ya que, al aumentar la potencia de salida, las
prdidas en la mquina se
hacen cada vez ms significativas, por lo que, la configuracin
compound presenta una
mayor eficiencia.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Eficiencia [%]
Pote
ncia
de s
alid
a [
W]
Potencia de salida Vs Eficiencia
Conexin shunt
Conexin compound
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Laboratorio CEM Pgina 20
3.2.3. Estudio de mecanismos de variacin de la velocidad.
Para la mquina en ensayo, conectada como motor con excitacin
independiente,
se pide:
a) Variacin de la tensin de armadura y utilizando una
resistencia externa en circuito de armadura.
Para la mquina en ensayo, conectada como motor con excitacin
independiente,
se realizaron mediciones para el estudio de la variacin de la
tensin de alimentacin de
armadura a travs de una fuente variable y variacin de la tensin
de armadura a travs
de un restato en serie con sta.
Los resultados para dichas mediciones se muestran a
continuacin.
Figura 14. Control de la velocidad variando la tensin de
armadura.
En la figura 14, se observan dos mtodos de control de velocidad
a travs de
variacin de tensin de armadura, Control mediante fuente variable
y Control mediante
resistencia externa. Se observa que ambos poseen una curva
similar, exceptuando el
punto de 75 % de tensin de armadura (172,5 (V)) en el cual el
segundo mtodo tiene
una velocidad inferior. Cabe sealar que al agregar una
resistencia externa en serie con
la armadura, se producen grandes prdidas con respecto a la
potencia desarrollada en el
eje, por lo cual la eficiencia de la mquina disminuye, adems,
presenta una mayor
complejidad en el control de tensin conforme se vara la carga en
el eje.
En los mtodos de control mediante la variacin de la tensin de
armadura,
permiten obtener velocidades iguales o inferiores a la nominal,
pero no superior a sta.
Para alcanzar velocidades sobre la nominal se debiera aumentar
la tensin de armadura
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Tensin de armadura (V)
Wm
(rp
m)
Control de velocidad variando tensin de armadura
Control mediante fuente variable
Control mediante resistencia externa
-
Laboratorio CEM Pgina 21
sobre la nominal, pero ello implicara que la mquina pudiese
daarse, por lo cual no es
viable hacerlo.
b) Variacin de la corriente de excitacin.
Figura 15. Control de velocidad variando la corriente de campo
del motor C.C
En la figura 15, se muestra el mtodo de control de velocidad
mediante la
variacin de la corriente de campo. Se puede observar que este
mtodo presenta
velocidades iguales o superiores a la nominal, conforme se
disminuya la corriente
nominal de campo, pero no inferiores, debido que no se puede
superar la corriente
nominal, lo cual implicara posibles daos al devanado de
campo.
Luego, se comparan los tres mtodos mencionados. En la tabla
10.
Tabla 10. Regulacin de velocidad para los distintos mtodos de
control de velocidad.
Control mediante fuente
variable de tensin.
50 % de la tensin de
armadura (115 (V))
7,35 %
Control mediante
resistencia externa.
50 % de la tensin de
armadura (110 (V))
7,46 %
Control mediante variacin
de corriente de campo.
50 % de la corriente de
campo (0,8 (A))
10,87 %
Los mtodos de control mediante una fuente variable y mediante
una resistencia
externa presentan una regulacin de velocidad similar, debido a
que los dos tienen el
mismo principio de funcionamiento, el de variar la tensin de
armadura.
0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.61500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200Control de velocidad variando corriente de campo
Corriente de campo (A)
Wm
(rp
m)
-
Laboratorio CEM Pgina 22
3.2.4. Prdidas y Rendimiento.
Utilizando el mtodo de desaceleracin, efectuar las medidas
necesarias para obtener
por separado, las prdidas mecnicas (roce y ventilacin), prdidas
en el fierro y
prdidas en los enrollados de la mquina de C.C. trabajando en
condiciones
nominales. Suponer que todas las prdidas debidas a los restatos
son asignadas a la
instalacin general de la que forma parte la mquina, y no a sta
misma.
Mediante el mtodo de desaceleracin, que consiste en frenar la
MCC bajo
distintas condiciones, se obtuvieron las prdidas ms relevantes,
las que se separan en
Prdidas por roce y ventilacin, Prdidas en el fierro y Prdidas en
el cobre. Con un
tacogenerador conectado al eje de la mquina y junto a un
registrador se obtuvieron las
curvas de desaceleracin con los que se realizaron los clculos
para determinar las
respectivas prdidas.
El circuito empleado para la experiencia se muestra en el
anexo.
- PRDIDAS POR ROCE Y VENTILACIN.
Se hace operar la MCC en vaco a una velocidad ligeramente
superior a la
nominal (1513[rpm]), luego se desenergiz la MCC, abriendo
directamente la
alimentacin, y de esta manera se obtuvo la curva de
desaceleracin de la mquina de
donde se obtuvo para la siguiente relacin:
Entonces con los clculos realizados en el Anexo 1.1.4), las
prdidas por roce y
ventilacin son:
[ ]
- PRDIDAS EN EL FIERRO
De igual forma que en el caso anterior se llev la MCC a una
velocidad
ligeramente superior a la nominal, adems se energiz el campo de
la MCC en su valor
nominal para sumar las prdidas del fierro, luego se desenergiz
la MCC abriendo el
interruptor Sw1 y de esta manera se obtuvo la curva de
desaceleracin de la mquina de
donde se obtuvo para la siguiente relacin:
-
Laboratorio CEM Pgina 23
Entonces con los clculos realizados en el Anexo 1.1.4), las
prdidas en el fierro
son:
[ ]
- PRDIDAS EN EL COBRE
Se llev la MCC a una velocidad ligeramente superior a la nominal
igual que en
los casos anteriores. Al igual que en el caso anterior se
energiz el campo de la MCC
para considerar las prdidas en el fierro y luego manteniendo la
posicin del switch Sw1
se cambi la posicin del switch Sw2 de 1 a 2, con Rag= 2[kW]. De
esta manera la
mquina comenz a desacelerar y se registr su curva, de donde se
obtuvo
para la siguiente relacin:
Entonces con los clculos realizados en el Anexo 1.1.4), las
prdidas en el cobre
son:
[ ]
Finalmente, el rendimiento en trminos de la potencia de salida y
las prdidas,
se muestra a continuacin:
( )
Se observa que el rendimiento es relativamente bajo, esto
atribuible a la
aproximacin en las curvas de desaceleracin o debido a que la
carga puesta al motor de
corriente continua fue muy elevada, lo que provoc que no fuera
capaz de entregar la
potencia en el tiempo de frenado.
Con respecto a las prdidas obtenidas en la experiencia se puede
apreciar que las
obtenidas en el cobre son las ms significativas, prdidas
asociadas a las bobinas e
interpolos, dichas prdidas podran disminuirse planteando un
diseo con materiales
elctricos que presenten menor resistencia.
En relacin a las prdidas en el fierro estas estn asociadas a los
circuitos
magnticos presentes en el motor, y los fenmenos que provocan
dichas prdidas son la
accin de conmutacin de las bobinas del rotor para producir una
tensin inducida
continua, tambin existe el fenmeno de reaccin de armadura que
hace que disminuya
el flujo en la mquina, se encuentra la llamada curva de
magnetizacin en donde se
evidencia el fenmeno de histresis pues al ir excitando
gradualmente el circuito de
campo, se alcanzara la saturacin magntica del fierro en forma
distinta. Primero los
dientes de la armadura, luego el yugo del estator, rotor y
piezas polares. El contante
reordenamiento de los polos magnticos produce friccin lo que
produce prdidas de
potencia activa por calentamiento, esto se puede disminuir
usando materiales
magnticos de alta calidad (con polos magnticos fcilmente
orientables que reducen la
friccin).
-
Laboratorio CEM Pgina 24
4. ANEXO 1.1
1) Parmetros y Curvas de Excitacin.
a) Medicin de resistencias e inductancias.
A continuacin, se presenta la forma de conexin en los terminales
de los
distintos instrumentos de medicin.
Figura 16. Determinacin de resistencias e inductancias.
Las resistencias se midieron a travs del Puente de Wheastone y
las inductancias
mediante el Puente Universal.
b) Curvas de excitacin.
El procedimiento utilizado fue el siguiente. Se conect como en
la figura 17 y
18, dependiendo del campo utilizado. Luego, con la resistencia
de partida del generador
y la resistencia de campo a sus valores mximos, se obtiene una
corriente inicial
reducida, ya que, al arrancar la mquina se tiene una velocidad
nula, por lo tanto, una
fuerza contra electromotriz tambin nula y al tener una
resistencia pequea de
armadura, la corriente posee una magnitud superior a la nominal.
A continuacin, se
procedi a energizar la mquina con la precaucin de dejar el
interruptor sw1 abierto.
Primero, se ajust la resistencia de campo del generador para
lograr un valor de
corriente nominal de 1.2 [A] y, una vez logrado esto, se cerr el
interruptor y se ajust
la resistencia de partida para lograr la velocidad nominal de
1450 [rpm]. Al tener ambas
mquinas girando a velocidad nominal, se aliment el campo del
motor en conexin
independiente y, dependiendo del devanado que tenga, se iba
alimentando con un
rectificador adecuado para lograr los valores nominales de cada
uno.
-
Laboratorio CEM Pgina 25
Figura 17. Conexin para la determinacin de la curva de
excitacin. Campo serie.
Figura 18. Conexin para la determinacin de la curva de
excitacin. Campo shunt.
Las mediciones obtenidas se resumen en las tablas 11 a 14.
Tabla 11. Mediciones campo shunt, Corriente de excitacin
creciente.
A4
[A]
0.00 0.22 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.90 1.10 1.40 1.60
V3
[V]
4.00 46.0 60.0 80.0 98.0 118 137 160 179 198 208
Tabla 12. Mediciones campo shunt, Corriente de excitacin
decreciente.
A4
[A]
1.60 1.50 1.40 1.20 1.00 0.90 0.78 0.70 0.60 0.50 0.40 0.3 0.24
0
V3
[V]
208 202 198 186 172 162 150 140 124 108 83.0 65.0 54.0 8
Tabla 13. Mediciones campo serie, Corriente de excitacin
creciente.
A4
[A]
0.0 1.0 2.0 4.0 7.0 10 11 12 15.2 17.2 20.0 22.2 25 31.0
V3
[V]
4.0 6.0 7.2 8.6 10.9 13.6 14.6 15.5 18.6 20.5 23.0 25.3 27.6
34.0
-
Laboratorio CEM Pgina 26
Tabla 14. Mediciones campo serie, Corriente de excitacin
decreciente.
A4
[A]
31.0 28.0 27.0 22.4 18.0 15.2 12.8 9.8 6.5 5.5 2.8 1.4 0.6 0
V3
[V]
34.0 31.4 31.0 26.7 22.8 20.1 17.9 15.1 11.9 11.0 8.3 6.9 6.1
5.5
2) Caractersticas en carga.
a) Para un motor en conexin shunt.
Para la determinacin de la variacin de la velocidad, corriente
de armadura, torque
en el eje y eficiencia, se procede a cargar el motor con
diferentes valores. Utilizando el
freno a disposicin.
Se comienza energizando al motor con la resistencia de partida y
la resistencia de
campo Rf al mximo, para limitar las corrientes de partida. Luego
del arranque, se
reduce al mnimo la resistencia de partida y con la resistencia
de campo se ajusta la
corriente nominal. Se cierra el interruptor y se procede a
cargar la mquina con el freno
Prony, para cada valor de carga se procede a tomar los valores
pedidos. Manteniendo la
tensin a su valor nominal para cada una.
Los datos obtenidos se presentan en la tabla 15 y el esquema de
conexin en la
figura 19.
Tabla 15. Mediciones para la determinacin de las caractersticas
de carga,
conexin shunt.
d [cm] A1 [A] A2 [A] V2 [V] T [rpm]
0.0 2.00 1.6 218 1475
10.0 6.40 1.6 218 1436
20.0 12.0 1.6 218 1420
30.0 17.0 1.6 218 1403
40.0 22.0 1.6 218 1389
50.0 28.0 1.6 218 1360
Figura 19. Conexin para la determinacin de las caractersticas de
carga, conexin
shunt.
-
Laboratorio CEM Pgina 27
b) Para un motor en conexin compound acumulativo.
Para un presente caso, se procede de la misma forma que en el
apartado a), con
la diferencia que se conecta el devanado serie del campo del
motor, con la precaucin
de conectarlo con la misma polaridad al campo shunt, para que
tenga la caracterstica de
acumulativo.
Los datos obtenidos se presentan en la tabla 16 y el nuevo
esquema de conexin
en la figura 20.
Tabla 16. Mediciones para la determinacin de las caractersticas
de carga,
conexin compound acumulativo.
d [cm] A1 [A] A2 [A] V2 [V] T [rpm]
0.0 2.00 1.6 218 1473
10.0 7.00 1.6 218 1416
20.0 12.0 1.6 218 1413
30.0 16.4 1.6 218 1380
40.0 21.0 1.6 218 1350
50.0 26.0 1.6 218 1330
Figura 20. Conexin para la determinacin de las caractersticas de
carga, conexin
compound acumulativo.
- Regulacin de velocidad para ambas configuraciones.
Conexin shunt.
Conexin compound.
-
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3) Estudio de mecanismos de variacin de la velocidad.
El circuito a emplear para realizar esta actividad se muestra en
la figura 21.
Figura 21. Circuito a emplear para realizar ensayos de variacin
de velocidad de
motor de corriente continua.
Tabla 17. Mediciones para control de velocidad mediante tensin
de armadura
controlada por fuente variable.
Tensin A1 (A) A2 (A) V1 (V) V2 (V) T (rpm) A4 (A)
100 % 17,4 1,6 230 106 1545 1,15
75 % 17,3 1,6 173 110 1129 1,17
50 % 17,2 1,59 116 110 742 1,18
25 % 17,2 1,59 72 110 447 1,16
Tabla 18. Determinacin de regulacin para el 50% de tensin de
armadura
mediante fuente variable.
Vaco Plena carga
T (rpm) 789 735
V1 (V) 115 115
A1 (A) 0,5 22,5
La regulacin de velocidad est dada por:
-
Laboratorio CEM Pgina 29
Tabla 19. Mediciones para control de velocidad mediante tensin
de armadura
controlada a travs de resistencia externa.
Tensin A1 (A) A2 (A) V1 (V) V2 (V) T (rpm) A4 (A)
100 % 17,5 1,56 230 106 1548 1,18
75 % 17,5 1,58 172 106 1084,3 1,18
50 % 16 1,56 86 106 557,5 1,18
25 % 12 1,54 58 106 358,4 1,18
Tabla 20. Determinacin de regulacin para 50% de tensin de
armadura
mediante resistencia externa.
Vaco Plena carga
T (rpm) 720 670
V1 (V) 109 110
A1 (A) 0,8 24,5
La regulacin de velocidad est dada por:
Tabla 21. Mediciones para variaciones de velocidad mediante
variacin de
corriente de campo.
Corriente A1 (A) A2 (A) V1 (V) V2 (V) T (rpm) A4 (A)
100 % 17,7 1.6 230 110 1534 1,21
81 % 14 1,3 238 112 1710 1,2
75 % 15 1,2 238 112 1768 1,2
50 % 12,2 0,8 230 112 2150 1.2
Tabla 22. Determinacin de regulacin para 50% de corriente de
campo del
motor.
Vaco Plena carga
T (rpm) 2153 1942
V1 (V) 230 230
A1 (A) 3,2 22
La regulacin de velocidad est dada por:
-
Laboratorio CEM Pgina 30
4) Prdidas y Rendimiento.
El circuito implementado para esta actividad es el
siguiente:
Figura 22. Esquema circuital para determinacin de Prdidas de la
MCC.
De la experiencia se obtuvieron las siguientes curvas de cada
una de las pruebas:
Figura 23. Curva de Desaceleracin para obtencin prdidas por roce
y ventilacin.
De aqu de aproxima:
-
Laboratorio CEM Pgina 31
*
+
[
]
[
] [
]
Figura 24. Curva de Desaceleracin para obtencin prdidas por roce
y ventilacin y
prdidas en el fierro.
De aqu de aproxima:
*
+
[
]
[
] [
]
-
Laboratorio CEM Pgina 32
Figura 25. Curva de Desaceleracin para obtencin prdidas por roce
y ventilacin,
prdidas en el fierro y prdidas en el cobre.
De aqu de aproxima:
*
+
[
]
[
] [
]
Para la obtencin de las prdidas y rendimiento de la MCC se
tienen las
siguientes ecuaciones:
( )
( )
( )
Se replantean las ecuaciones de manera de determinar el momento
de inercia:
De (2) y (3) se tiene:
(
)
(
)
(
)
-
Laboratorio CEM Pgina 33
Reemplazando los datos obtenidos de la experiencia:
[ ] [ ] [ ] [
] [ ]
Adems de los que se conocen de las curvas obtenidas:
[
]
[
]
[
]
Se calcula el momento de inercia:
( ) [ ]
Como se encuentran dos mquinas acopladas el momento de inercia
es el de
ambas luego se asume que ambas poseen el mismo J, es decir :
[ ]
De esta forma se tiene:
[ ] [
] [
]
[ ]
[ ] [
] [
] [ ]
[ ]
( )
[ ] [
] [
] [ ]
[ ]
Entonces el rendimiento queda determinado por la relacin:
( )
-
Laboratorio CEM Pgina 34
5. ANEXO 1.2
LISTADO DE MATERIALES MCC-I
Cantidad Smbolo Nombre
4 V1, V2, V3, V4 Voltmetro anlogo DC YEW 300 [Vdc]
4 A1, A2, A3, A4 Ampermetro anlogo DC YEW 3-10-30 [A]
2 Sw1, sw2 Interruptor monofsico
1 Sw3 Interruptor de dos posiciones
1 T Tacmetro Digital
1 P.U. Puente Universal
1 P.W. Puente de Wheastone
1 T.G. Tacogenerador
1 RL Banco de resistencias [0-4 kW]
1 Rp Restato de partida [16 / 12 A]
1 Rf Restato de campo [100 / 2.4 A]
1 Rc Restato de campo [380 / 3 A]
1 Rreg Restato de regulacin [380 / 3 A]
