Experiencia n°3: Formación de campos magnéticos en máquinas rotativas. Silverio Valverde Max Adrian Christopher-20104078K Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú
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Abstract.- En Abstract.- En el presente presente informe analizaremos analizaremos las las características características de un campo magnético formado formado en el entrehierro entrehierro de una máquina rotativa cuando cuando sus devanados devanados son excitados excitados con con corriente continua o con con tensiones alternas alternas trifásicas. trifásicas.
1. Materiales utilizados utilizados
-
Máquina eléctrica Student Autotransformador trifásico (o grupo convertidor) 01 Fluke para la observación de forma de onda 01 amperímetro de pinza DC 01 amperímetro de pinza AC 02 multímetros Tres reostátos de (0-200, 0-500, 0-550)
Figura 2 Placa de la máquna DC
máquina a utilizar: utilizar: 2. Esquema de la máquina
Figura 3 Placa de la Máquina eléctrica student
Figura 1 Esquema de la máquina eléctrica student.
3.
el valor de V tiende a mantenerse constante durante el crecimiento de If.
Cuestionario
4.1 Graficar en el papel milimetrado y a escala conveniente: 4.1.1 La distribución de f.m.m producido en el estator. Las características de magnetización e indicar las zonas características.
En la presente experiencia se trabajó con dos fases (R-S), con 12 bobinas en el estator y con 60 espiras por bobina. Esta información se sacó de la hoja técnica de la maquina Student.
Datos tomados en el laboratorio:
La distribución de fuerza magneto motriz en el estator se construiría sumando 60If hasta un máximo valor de 300If:
1 2 3 4 5 6 7
f= 60hz V I 141.3 0.5 227.6 1 243 1.5 332.7 2 353.2 2.5 367.8 3 378.2 3.5
6 f I 4 × C 2 Z o N 0
Se toma los valores de la corriente en el estator y el voltaje en el rotor, manteniendo siempre la velocidad constante a 3600RPM. En consecuencia E es directamente proporcional al flujo en la máquina y a la velocidad de rotación de ella.
-2
0
100
200
300
α
-4 -6
E=KΦw La corriente de campo en una maquina eléctrica produce una fuerza magneto motriz dada por F=NI. Puesto que la corriente de campo es directamente proporcional a la fuerza magneto motriz y E es directamente proporcional al flujo, se presenta la curva de magnetización como la gráfica de E contra la corriente de campo a una velocidad dada.
4.2. A partir de las mediciones efectuadas en el apartado 3.1.1.4. Deducir la magnitud máxima de la inducción magnética en el entrehierro (tomando como base cada valor de tensión inducida). Hacer lo mismo a partir de la distribución de fuerza magneto motriz y compararlas. A partir de las tensiones inducidas:
V vs I (f=60 hz) 400
E=KΦw
300 227.6
=
378.2
332.7 367.8
353.2
=
Dónde:
243
200
Reemplazando: 141.3
100
=
0
0
1
2
3
=
4
√ 2
De las especificaciones técnicas de la Maquina Student: 4.1.2
La característica de la magnetización e indicar las zonas características
Se puede distinguir una zona lineal para valores de V bajos, una zona de codo para valores de V intermedios y una zona de saturación donde
400
P: Número de polos=2 Z: Número de conductores en serie del rotor: 18x9 R: Radio del Rotor= 12.446cm L: Longitud axial del Rotor
°
Se trabajó con una velocidad de 3600RPM Reemplazando las mediciones realizadas durante el desarrollo del laboratorio
V
Bmax
1
141.3
0.013144717
2
227.6
0.021172948
3
243
0.022605564
4
332.7
0.030950087
5
353.2
0.032857141
6
367.8
0.034215335
7
378.2
0.035182816
A partir de la Fuerza magneto motriz:
∅ 2 ∅ = 2 =
‘μ’, el producto con ‘I’ es siempre creciente, por lo que no alterará la respectiva correspondencia de valores máximos de ‘B’ e ‘I’. Un cálculo se realizó en base a las tensiones del inducido y el otro en base a los valores de corriente en el estator, se debe tener en cuenta el concepto de perdidas alteran los valores de trabajo. Se debe tener en cuenta que las medidas de longitudes tomadas de la hoja de especificaciones guarden total correspondencia con la realidad, una pequeña variación de la longitud del entrehierro puede alterar los cálculos matemáticos 4.3. Para un valor de corriente de excitación, calcular la energía magnética almacenada en el entrehierro a partir de los datos tomados en (3.1.1.4) y a partir de la expresión para W=1/2Lm I². Comparar los valores encontrados para las magnitudes de las inductancias magnetizantes (Lm). Sabemos que:
Lm=/I,
Entonces
Lm=(Nm)/I
Reemplazamos el valor de Lm en el de energía y tenemos:
Reemplazando:
= =
√ 2
De las especificaciones técnicas
W1=11.1096 BmaxI
Por otro lado tenemos: W2=½BHVol
el volumen es igual a:
Vol=5.314x10-5m3
P: Número de polos=2 Finalmente tenemos:
W2=2.6574x10-5BH
N: Número de conductores en serie del estator: 5x60 lg: Longitud del Entrehierro: 0.09906cm Reemplazando las mediciones realizadas durante el desarrollo del laboratorio
I
Bmax
0.5
0.53820508
1
1.076410161
1.5
1.614615241
2
2.152820321
2.5
2.691025402
3
3.229230482
3.5
3.767435562
De esta manera se deduce que la magnitud de inducción máxima también corresponde a la máxima intensidad de corriente continua en el estator. Aunque la última relación contiene al término no lineal
FORMACION DE CAMPO GIRATORIO 4.4. Determinar analíticamente la formación de la onda de f.m.m. giratoria en el entrehierro, para los casos 3.2.1, 3.2.2 y 3.3.3 En el caso 3.2.1: Excitación con tensión continúa en un devanado retórico en movimiento.
= Φmax coswt = = cos
= −
=
= −
= ′
= Φcos( − )
En el caso 3.2.2: Excitación con tensión alterna en un devanado trifásico estacionario.
= − NΦ −
Entonces, si w1 = w2, no sólo se obtiene frecuencia igual a cero, sino que la f.e.m. inducida también será cero.
Sean las corrientes trifásicas:
= ,
= −
= − 120°, = −120°
Sus fuerzas electromotrices con respecto a un punto de orientación ‘θ’ serán:
= cos, = −120° cos−120°, = +120° cos+120°
3 = − 2
Entonces, tomando θ = 0 y cte. para facilitar los cálculos:
4.4.1. Respecto al apartado 3.2.3.2 ¿se alteraron los valores registrados al cambiar la secuencia de fases de la alimentación? Hicimos 3 pruebas, la primera con una vel ocidad de 0 rpm y obtuvimos en las mediciones ciertos valores de frecuencia y tensión. Las 2 siguientes fueron con velocidades de 1800 rpm una en el mismo sentido y otra en sentido contrario, en estas pruebas se pudo observar como en el primer caso las frecuencias y tensiones se suman, mientras que en el otro, pasa lo contrario. 4.5. ¿De qué depende la velocidad del campo giratorio producido al excitar un devanado polifásico? Puesto que el periodo o intervalo de tiempo de la variación senoidal de la corriente es el mismo en los conductores, la velocidad del campo magnético rotatorio (S), varía directamente con la frecuencia, pero inversamente con el número de polos: S = 120 f / P = 120 f / 2n
=
3 = cos 2
f: Frecuencia(Hz) n:Número de polos
= −
3 = 2
4.6. Si el arrollamiento polifásico no es balanceado ¿Se produce un campo giratorio? Explique. Cuando el arrollamiento no es balanceado si se genera un campo
En el caso 3.2.3: Excitación con tensión alterna en un devanado trifásico estacionario.
giratorio pero este se encuentra desequilibrado lo cual puede hacer que el motor se encienda incluso cuando uno no quiere que eso pase. 4.7. Si el arrollamiento fuera monofásico ¿Qué fenómeno ocurre?
De las relaciones anteriores:
3 = − 2 =
Donde:
: á : Luego:
Los motores monofásicos asíncronos o también llamados motores monofásicos de inducción son las máquinas de impulsión eléctrica más utilizadas por su sencillez, seguridad y costo. En general en todas las dependencias industriales se necesitan “pequeños motores” que funcionen mediante alimentación monofásica para los diversos aparatos eléctricos. La denominación “motor pequeño” se aplica a motores de potencia inferior a un caballo de fuerza, es decir, menor a un HP. También llamado motor de potencia fraccional y casi la totalidad de los motores monofásicos son de potencia fraccional. Aun cuando, se fabrican en potencias enteras normalizadas: 1.5, 2.5, 5, 7.5 y 10 HP tanto para tensiones de 115, 230 e incluso 440 volt para las potencias de 7.5 y 10 HP
El motor monofásico de inducción es netamente inferior al motor de inducción trifásico. Para iguales pesos, su potencia bordea solo el 60% de la del motor de inducción trifásico; tiene un factor de potencia más bajo y menor rendimiento. Estos motores también presentan una gran desventaja: puesto que hay una sola fase en el bobinado del estator, el campo magnético de este motor no gira; en cambio, pulsa, al principio con gran intensidad que va disminuyendo luego, pero permaneciendo en la misma dirección. Como no hay campo magnético giratorio en el estator, un motor de inducción no tiene momento de arranque. 4.8. Explicar a qué se deben las deformaciones vistas en la onda sobre el Fluke. Las pequeñas deformaciones en las ondas generadas en general se deben a la no linealidad de las cargas, a las soldaduras eléctricas y a arcos eléctricos por conexiones o contactos eléctricos defectuosos.
Figura 5 Perturbaciones en el fluke
4.9. Escribir conclusiones acerca de la experiencia. 1.
2.
3.
4.
Figura 4 Deformaciones vistas en el fluke
La máquina rotativa (MEG) poseía un tacómetro (medidor de velocidad mediante un voltaje proporcional), pero éste no funcionaba correctamente, por lo que las mediciones se efectuaron directamente con un multímetro. Debido a que los reóstatos no estaban en buenas condiciones, no se podía llegar al valor nominal de la máquina en varias mediciones, ya que se producían chispas en dichos reóstatos. El multímetro FLUKE nos permite graficar una medición en tiempo real de voltaje, corriente, frecuencia, etc. Esto es muy ventajoso ya que se pueden observar formas de onda directamente, sin necesidad de contar con un osciloscopio. Los instrumentos analógicos (voltímetros, amperímetros, vatímetros) son útiles cuando se realiza una medición de alta magnitud, tales como corrientes del orden de varios amperios que podrían dañar otros equipos sensibles.
5.
Los instrumentos digitales son muy útiles cuando se realizan mediciones de magnitud moderada, tales como voltajes de magnitud comparable a la red de tensión. Esto por las ventajas de todo equipo digital: precisión y confiabilidad.
Figura 7 Hoja de datos (parte 2)
Figura 6 Hoja de datos (parte 1)
Nota: Por problemas de coordinación con mi grupo respectivo no pude hacer los cálculos con mi hoja de datos, sin embargo un compañero tuvo la amabilidad de facilitarme su hoja de datos para poder cumplir con el cuestionario de la presente experiencia. Las fotos mostradas a lo largo del presente informe si son de mi autoría y son constancia de mi asistencia a la experiencia.
