INFORME FINAL: LAB 3 (GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA)
NOMBRES:
Novoa Oliveros, Erland Fernando.
Villegas Tamara. Fredy Nelson.
FACULTAD: Facultad de Ingeniería Mecánica (FIM)
CICLO: Quinto Ciclo (2009 – I)
CURSO: Máquinas Eléctricas (ML202)
PROFESOR: Ing. Murillo Manrique, Jesús Húber.
UNIVERSIDAD: Universidad Nacional de Ingeniería (UNI)
1. INTRODUCCIÓN En este tercer laboratorio se experimentó el funcionamiento de un generador de corriente continua (con excitación independiente), utilizando como motor primo un motor de inducción (motor AC asíncrono trifásico). Para esto se procedió a medir la potencia del motor de inducción (para saber cuál es la potencia con la cual es alimentada el generador), así como también los voltajes y corrientes en el generador DC tanto en vació como para distintas cargas. Lamentablemente no se pudo analizar la función de esta máquina DC al ser utilizada como motor, ya que no se contaba con un freno que proporcione una carga en el eje; sin embargo, en laboratorio se observó su funcionamiento como motor operando en vacío.
2. OBJETIVOS
Interpretar paso a paso cada prueba realizada en laboratorio, haciendo ver cuáles fueron las limitaciones que se tuvo en cada ensayo.
Detallar como se hizo las conexiones para hacer funcionar el motor de inducción como motor primo del generador DC (de excitación independiente).
Mediante los ensayos realizados obtener gráficas importantes como son, la curva de magnetización o curva de características internas (Eg vs If) y la curva de características externas (VL vs IL), entre otras gráficas más.
Encontrar relaciones (mediante gráficas) de la potencia de entrada y la corriente que pasa por la armadura (que es la misma corriente que pasa por la carga).
Finalmente encontrar la regulación de tensión de la máquina DC para saber si realmente es correcto su uso como generador DC.
3. EQUIPOS Y MÁQUINAS ELÉCTRICAS UTILIZADAS
El siguiente instrumento digital es capaz de medir voltajes y corriente (en AC y DC), también mide la potencia activa, potencia reactiva y potencia aparente con su respectivo factor de potencia.
Máquina rotativa DC (utilizada como generador DC)
Máquina rotativa AC asíncrona (utilizado como motor primo)
Megohmetro (para medir el aislamiento)
4. REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO PRUEBA DE RESISTENCIA Se procedió a medir las resistencias en los terminales de los devanados del motor de inducción, para ello se hizo uso de un ohmímetro; sin embargo sabemos que para mayor precisión se debió usar un voltímetro y un amperímetro para luego aplicar ley de ohm y encontrar el valor de la resistencia.
Para el motor de inducción:
Para el generador DC: Al igual que para el motor de inducción para el generador de DC también se le hizo su prueba de resistencia usando simplemente el ohmímetro.
Con esto hemos medido la resistencia en devanado inductor y las resistencias de los devanados de compensación.
A pesar de lo anterior aun tendríamos problemas ya que el motor de inducción no trabaja con corriente continua sino con corriente alterna, por eso la resistencia al trabajar con corriente alterna va ha ser mayor que la resistencia en DC, debido a que el área transversal del cable por donde pasa la corriente AC es menor que el área transversal por donde pasa la corriente con DC. A este fenómeno se le conoce como EFECTO SKIN.
Como se dijo anteriormente a menor área transversal, mayor es la resistencia, por eso estas consideraciones deben ser tomadas cuando se desee mayor precisión en los cálculos. En nuestro caso obviamos estas consideraciones, y nos limitamos a medir utilizando simplemente el ohmímetro, con corriente DC.
PRUEBA DE AISLAMIENTO Para esta prueba se hizo uso de un Megohmetro, el cual es capaz de medir resistencias elevadas, para saber que tan bueno es el aislamiento que existe entre dos conductores. Procedimos a medir la resistencia entre cada terminal de los devanados de la máquina AC y la masa de la misma, notando que al hacer esto el Megohmetro no era capaz de medir esta resistencia, la razón es porque el motor con el que trabajamos era nuevo y se encontraba en óptimas condiciones, y debido a que el Megohmetro es capaz de medir resistencias de hasta 2000M Ω, entonces era obvio que el aislamiento entre las líneas de los devanados del motor y la masa del motor superaban estos 2000M Ω.
La figura anterior muestra como se midió el aislamiento entre un devanado y masa, lo mismo se hizo con los demás devanados obteniéndose el mismo resultado. Es importante saber que un motor presenta tres estados operativos debido al grado de aislamiento entre sus devanados con su propia masa; a continuación se muestra ello en la siguiente tabla.
Estado del motor AC R>50MΩ
Buen estado
R<30MΩ
Mal estado
R<10MΩ
Pésimo estado (a mantenimiento)
Con ello podemos estar seguros de que existe un buen aislamiento entre los devanados del motor y su masa (el motor se encuentra en buen estado).
PRUEBA DE VACÍO Para esta prueba hacemos que el Generador DC opere sin carga (en vacío) y a velocidad constante . Es importante aclarar que esta prueba solo se la puede realizar para máquinas de excitación independiente y máquinas Shunt, mas no para máquinas en serie, ya que en una máquina en serie al no existir carga, no habría circuito cerrado, por lo tanto no existiría flujo de corriente, y el voltaje en los terminales seria solamente el voltaje remanente.
En esta prueba se usó un generador DC de excitación independiente con su eje conectado al eje del motor de inducción (motor primo).
Motor de inducción: Se alimentó cada uno de los tres terminales (conexión en Y) del motor con una tensión alterna de 220v, y se le hizo trabajar en vacío (sin un torque opositor en su eje), obteniendo los siguientes datos.
V (V)
Io (A)
Pot (W)
CosΦ
371,5
0,46
52,22
0,31
Hallando el voltaje de remanencia (Er): Para encontrar el voltaje de remanencia, se conectan los ejes del motor de inducción con el del generador, y no se alimenta de voltaje a los terminales del devanado inductor (devanado del estator) y tampoco se coloca carga a los terminales del generador.
Con esto hemos encontrado el voltaje de remanencia: Er = 4.444v Datos para la curva de magnetización (Eg vs If): Para este caso si alimentaremos con corriente el devanado inductor, a esta corriente la nombramos como If y l a iremos variando poco a poco; como en los terminales del generador no hay carga, este voltaje de vacío será igual al voltaje generado (Eg) por el campo inductor. Al hacer esta prueba obtuvimos los siguientes datos., además agregamos el Eg cuando If=0, es decir agregamos el Voltaje de remanencia.
If (A)
Eg (V)
0,01
101,4
0,02
121,8
0,03
132,5
0,04
153
0,05
161,3
0,06
174,3
0,07
179,3
0,08
187,2
0,09
190,8
PRUEBA CON CARGA Para esta prueba se hace funcionar el generador con carga entre sus terminales, y lo que se mide es la corriente que pasa por esta carga y el voltaje entre esos terminales, con esto obtendremos la curva (VL vs IL), de donde también podremos hallar la regulación de voltaje del generador. Tener en cuenta
que tanto la velocidad angular en el eje y la corriente en el devanado de campo se mantiene constante.
De esta prueba obtuvimos los siguientes resultados: Motor inducción (motor primo)
Generador DC de excitación independiente
V (V)
I (A)
Pot (W)
CosΦ
VL (V)
IL (A)
Pot L (W)
372,7
0,43
119,23
0,743
178,3
0,21
37,68
373
0,45
135,76
0,801
173,5
0,37
64,86
373,1
0,47
149,62
0,858
168,4
0,5
85,07
372,6
0,52
180,03
0,923
157
0,8
126,13
372,1
0,56
194,07
0,939
150,4
0,96
143,9
370,8
0,61
216,03
0,966
139,9
1,19
170
5. CUESTIONARIO i.
Enumere y defina las características de funcionamiento nominales del GCC. Tome los datos de placa del generador de C.C. utilizados en sus ensayos.
FREDY
ii.
De los ensayos de vacío graficar Eg vs If. Para este ensayo, se tomó los siguientes datos:
De donde obtenemos la siguiente gráfica, la cual es llamada curva de magnetización o curva de característica interna de la máquina DC:
iii.
Del ensayo con carga graficar las siguientes curvas. Va vs Ia, Pot vs Wm, EF vs Wm, EF vs Pot, Pot vs Ia, Ia vs Ra*Ia Para este ensayo se cumple que los terminales de la armadura coinciden con los terminales de la carga, por lo tanto, el voltaje en la armadura es igual al voltaje en la carga y la corriente en la armadura es el mismo que la corriente en la carga (por ser generador DC de excitación independiente). Estas consideraciones la tendremos en el desarrollo de este informe. Va = VL Ia = IL Por lo tanto la gráfica Va vs Ia es:
Las gráficas Pot vs Wm y EF vs Wm, no son posibles realizarlas debido a que no se puedo medir las RPM del eje debido a la ausencia de un freno.
Gráfica EF vs Pot: De los siguientes datos tomados para el motor de inducción y para el generador DC. Motor inducción (motor primo)
Generador DC de excitación independiente
V (V)
I (A)
Pot in(W)
CosΦ
VL (V)
IL (A)
Pot L (W)
372,7
0,43
119,23
0,743
178,3
0,21
37,68
373
0,45
135,76
0,801
173,5
0,37
64,86
373,1
0,47
149,62
0,858
168,4
0,5
85,07
372,6
0,52
180,03
0,923
157
0,8
126,13
372,1
0,56
194,07
0,939
150,4
0,96
143,9
370,8
0,61
216,03
0,966
139,9
1,19
170
Obtendremos la eficiencia, mediante la siguiente fórmula:
Con lo cual podemos hallar la eficiencia en cada punto y compararla con la potencia de salida (Pot L).
Pot in(W)
Pot L (W)
EF
119,23
37,68
31,60
135,76
64,86
47,78
149,62
85,07
56,86
180,03
126,13
70,06
194,07
143,90
74,15
216,03
170,00
78,69
Con estos datos podemos graficar la eficiencia vs la potencia, y podemos notar como varía la eficiencia con la potencia, tal como muestra la siguiente gráfica:
90.00 80.00 70.00 60.00 a i c 50.00 n e i c i 40.00 f E
EF
30.00 20.00 10.00 0.00 0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
Potencia entrada (Pot in)
Vemos que la gráfica es creciente, sin embargo esto indica que la cantidad de datos tomados no fue suficiente, ya que no es visible donde es el punto óptimo para la máxima eficiencia.
Gráfica Pot vs Ia Para encontrar la forma de esta gráfica, utilizaremos los siguientes datos: Pot in(W)
IL (A)
119,23
0,21
135,76
0,37
149,62
0,5
180,03
0,8
194,07
0,96
216,03
1,19
1.4 ) a I = 1.2 L I ( a r 1 u d a 0.8 m r a a l 0.6 n e e t 0.4 n e i r r 0.2 o C
IL (A)
0 0
50
100
150
200
250
Potencia de entrada (Pot in)
Notamos que a mayor potencia de entrada (potencia entregada por el motor primo) mayor es la corriente en la armadura del generador DC.
Gráfica Ia vs Ia*Ra En la prueba de resistencia, hallamos que Ra=17.4Ω, sin embargo sabemos que para mayor precisión deberíamos considerar que la resistencia varia al trabajar con corriente alterna, por el objetivo de dicha gráfica era notar la variación de la resistencia al trabajar con corriente alterna. Pero debido a que hacen falta algunos datos adicionales, no podemos hacer dicha gráfica tal como debería ser. Por eso a continuación presentaremos la gráfica tomando que Ra es constante e i gual a 17.4 Ω.
Ia
Ia*Ra
0,21
3,65
0,37
6,44
0,50
8,70
0,80
13,92
0,96
16,70
1,19
20,71
25.00
e d o d a 20.00 n a v e ) d V l ( 15.00 e a n r u e d n a ó i m10.00 s r n a e t e d 5.00 a d i a C
Ia*Ra
0.00
0.00
0.50
1.00
1.50
Corriente en la armadura
iv.
De las pruebas con carga determine el rango de regulación de velocidad (zona de trabajo estable) del GCC. Esta gráfica no es posible debido a que no se pudo medir las RPM en el eje del generador DC. Pero lo que podemos encontrar es la regulación de tensión del motor, a partir de la gráfica hallada anteriormente y que pondremos nuevamente a continuación.
Como en el dato de placa menciona que la corriente nominal es 1A, entonces podremos hallar la regulación de tensión, mediante la siguiente fórmula:
Reemplazando con los datos observados en el gráfico, obtenemos:
34.3%
Con esto vemos que el generador no tiene buena regulación (ya que no es menor del 5%), por lo tanto no es correcto su funcionamiento como generador. v.
¿Qué sucede en el GCC cuando se invierte el sentido de giro de su motor primo? Demuestre analíticamente los cambios encontrados.
FREDY vi.
¿Cómo verificaría si el sistema de escobillas está calibrado correctamente haga un esquema. En caso de no estar bien calibrado, este efecto, como afectaría en el trabajo normal del GCC? Explique detalladamente sus respuestas.
FREDY
6. CONCLUSIONES
Se pudo ver que hubo varias limitaciones en la realización de cada ensayo, como son: la ausencia de un freno para medir las RPM y la potencia en el eje, la medición de las resistencias con ohmímetro DC obviando el efecto SKIN, la falta de datos tomados para hallar el punto donde la eficiencia es máxima al variar la potencia de entrada.
Se observo mediante gráficos y dibujos como se hizo las conexiones para hacer funcionar el sistema de: Motor de inducción como motor primo del generador DC.
Se obtuvo dos gráficos importantes, el primero fue la curva de magnetización obtenido mediante el ensayo de vacío y el segundo fue la curva de características externas obtenida mediante el ensayo con carga.
Mediante la gráfica de potencia de entrada vs corriente en la carga, se comprobó que a mayor potencia de entrada mayor es la corriente en la carga.
El último cálculo que se hizo demostró que la regulación del generador DC superaba el 5% (%r=34.3%), por lo tanto su uso como generador no es correcto debido a su alta regulación.
