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Máquinas Eléctricas Eléctricas 2
MAQUINAS ELÉCTRICAS II INFORME PRÁCTICA N° 1 GENERADOR ELEMENTAL AC Y DC Sandoval Hector e-mail:
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RESUMEN: En esta práctica se realiza una introducción, correspondiente a aquella variedad de máquinas eléctricas, diseñadas diseñadas para transformar la energía mecánica mecánica en energía eléctrica, conocidas como generadores, nos familiarizaremos con su estructura física, las partes esenciales que los conforman, como se produce la transformación de la energía energía y la ley física que que comando su funcionamiento.
3.1 EL CAMPO CAMPO MAGNÉTICO MAGNÉTICO Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir la energía mecánica en energía eléctrica o viceversa, en motores y generadores, existen cuatro principios básicos que describen como se utilizan los campos magnéticos en las maquinas eléctricas.
PALABRAS CLAVE: Generador elemental, Maquinas
1.
Un conductor conductor que que porta porta corriente produce un campo magnético a su alrededor.
2.
Un campo magnético variable con el tiempo induce un voltaje en una bobina de alambre si pasa a través de esta. (base del funcionamiento del transformador)
3.
Un conductor que porta corriente en presciencia de un campo magnético experimenta una fuerza inducida sobre él. (base del funcionamiento del motor)
4.
Un conductor eléctrico que se mueve en presencia de un a campo magnético tendrá un voltaje inducido en él. (base del funcionamiento del generador)
Eléctricas, transformadores electromecánicos.
1 INTRODUCCIÓN El generador, es es una maquina eléctrica que al contrario de un motor, que transforma a la energía eléctrica en mecánica, el generador tiene la cualidad de transformar transformar la energía mecánica en energía eléctrica ya sea esta de corriente continua o alterna. Estos dispositivos eléctricos son muy comunes en la vida cotidiana, debido a que la energía eléctrica es una fuente de energía limpia y eficiente, fácil de controlar y de transportar a largas distancias, hasta cualquier hogar, oficina o fábrica.
2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL
Para el estudio del generador nos enfocaremos los principios, uno y cuatro.
Conocer la estructura mecánica que conforma el transformador y que característica es la que causa que produzca corriente alterna o continua.
3.2 EL GENERADOR GENERADOR ELEMENTAL
Analizar matemáticamente y comprender que leyes físicas intervienen en el funcionamiento del generador.
Como ya hemos planteado antes, el generador es una maquina eléctrica diseñada para convertir potencia mecánica en potencia potencia eléctrica eléctrica de tipo ac, también se lo puede definir como un dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial en sus terminales o bornes, por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Ensamblar el generador con sus respectivas partes mecánicas y su conexión eléctrica. Observar que diferencias existen entre conectar los carboncillos al conmutador segmentado o a los anillos rozantes. Comprobar la generación de energía eléctrica al introducir energía mecánica en el sistema.
3 MARCO TEÓRICO
Figura 1 Circuito - Generador elemental
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Máquinas Eléctricas 2 podemos notar que el resultado del producto cruz indiferentemente de cualquiera de las dos segmentos en los cuales se produce la inducción en la espira y de la posición angular de la misma, el producto cruz se encuentra en la línea de acción de la cantidad vectorial formando un ángulo de cero grados, por lo cual en la definición del producto punto el coseno del ángulo es igual a uno.
Retomando el principio número cuatro de los campos magnéticos que reza que “Un conductor eléctrico que se mueve en presencia de un a campo magnético tendrá un voltaje inducido en é l”, y análogamente planteándonos el principio de inducción de voltaje por la acción de un campo magnético variable, también llamada ley de Faraday, podemos notar que tendrá el mismo efecto de inducción de voltaje, el mover un conductor por medio de un campo magnético constante , o mantener el conductor en una posición constante y someterlo a la acción de un campo magnético variable, en cada caso se obtendrá un voltaje inducido.
Figura 4. Gráfico vectorial
Considerando que solo en los 2 segmentos que se encuentran frente a las caras polares se induce el voltaje, la ecuación quedaría de la siguiente forma:
Figura 2 Campo magnético variable
Por las definiciones físicas y relaciones físicas entre magnitudes angulares y lineales se sabe que:
Donde se sabe que corresponde al área de la espira, la misma que es constante, por lo que la ecuación final se expresara:
De esta manera se genera un voltaje inducido que tiene una forma sinusoidal.
Figura 3. Conductor en movimiento en un campo magnético constante
Para realizar este estudio, contamos con un generador en el laboratorio, cuya característica es tener un campo magnético constante generado por un electroimán y un conductor en movimiento, por lo que a este modelo de diseño se restringirá nuestro estudio. Ahora sabes que la ecuación que define el voltaje inducido para una espira en movimiento en un campo magnético constante es:
⃗ ) (
Expresando esta ecuación con los módulos de los valores vectoriales sabemos que el resultado del producto cruz de dos vectores es un tercer vector perpendicular a los dos vectores originales, cuya dirección es definida mediante la regla de la mano derecha, mediante este análisis
Figura 5 Caracterización de un generador ac.
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3.3 ACCIÓN DEL CONMUTADOR SEGMENTADO Y DE LOS ANILLOS ROZANTES EN EL GENERADOR.
5 DESARROLLO Y PROCEDIMIENTO En el laboratorio se cuenta con el equipo desmontable EMT180 desarrollado por Feedback Instrumentation con fines educativos, dicho equipo al ser versátil, nos permite montar en él una gran variedad de máquinas eléctricas, desde maquinas dc, hasta generadores ac, maquinas con inter-polos, diferentes configuraciones de motores, etc.
Cuando los terminales de la espira se conectan a los anillos rozantes, la señal de voltaje que se obtiene en los terminales de los carboncillos mantiene la característica sinusoidal de la onda, el voltaje varia continuamente de un valor pico positivo a un valor pico negativo en el transcurso del tiempo.
Para el caso de la presente práctica, procederemos a montar el generador elemental, como se muestra en la figura 6.
Al conectar los terminales al conmutador segmentado, se produce un efecto de rectificación mecánica, en los terminales de los carboncillos, es decir el voltaje toma un valor pico positivo o negativo, dependiendo del sentido de giro de la espira el cual variara en el tiempo solamente hasta un valor de cero. El trabajo del conmutador segmentado, consiste en que al conmutar sus segmentos de manera mecánica, invierte la polarización, de la onda de tal manera que solo se obtiene, ondas a un solo lado del eje y.
Figura 7. Generador elemental.
Comenzaremos con el reconocimiento de las piezas.
Figura 6. Efecto del conmutador segmentado.
4 MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS 4.1 COMPONENTES NECESARIOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Unidad base Dos polos de campo Cuatro polos de inducido Bobina L3 Dos bobinas de campo L9 Conmutador de anillo Dos Soportes de escobilla Manivela
Figura 8. Unidad base.
4.2 ALIMENTACIÓN E INSTRUMENTOS Fuente de tención variable dc. Miliamperímetro de posición central 1-0-1. Amperímetro dc de o-5 amp.
Figura 9. Dos polos de campo y cuatro polos de inducido.
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Máquinas Eléctricas 2 desplazarse axialmente sin carga, después fijamos la manivela a uno de los extremos del eje.
ELÉCTRICO
Retomando el primer principio del campo magnético redactado en el marco teórico, armaremos un electroimán, tomamos las dos bobinas L9, y las colocamos en los polos de campo, posteriormente fijamos a los polos de campo en el anillo que se encuentra en la unidad base en las posiciones 3 y 9 en punto con los terminales de las bobinas al lado opuesto del de excitación de la máquina. Finalmente escobillas.
Figura 10. Bobina L9 y bobinas L3.
ensamblamos
los
soportes
de
las
5.2 DESARROLLO La primera parte del desarrollo consiste en realizar la conexión que se muestra en la s iguiente figura.
Figura 11. Conmutador de anillo y soportes de escobillas.
Figura 13 Diagrama de conexión para la práctica del generador elemental.
Para realizar la conexión del electroimán considerar la regla de la mano derecha, la cual nos indica, dependiendo de la dirección de la corriente, como se generara nuestro campo, es decir, por el terminal que ingresa la corriente tendremos el polo positivo, y por el que sale tendemos el polo negativo.
Figura 12. Manivela
5.1 MONTAJE
Posterior mente verificaremos con una brújula que nuestros dos polos de campo se hayan configurado de tal manera que tengamos un polo norte y un polo sur, con el fin de establecer un c ampo magnético constante.
INDUCIDO Acoplamos los polos B, C, D con los tornillos de sujección, insertamos la bobina L3 en el polo faltante A, para conectar sus terminales entro los terminales opuestos del conmutador segmentado posteriormente, deslizamos el conmutador de anillos en el eje con los segmentos en dirección de los terminales del inducido, el conmutador se encuentra hacia el lado del eje en el que se encuentra el espacio para el montaje de las escobillas.
COJINETES Acoplar el eje a los cojinetes terminales, teniendo en cuenta que el mismo gire con libertad y que pueda
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Máquinas Eléctricas 2 600
0,1
800
0,12
Tabla 1. Conmutador Segmentado
En el caso de los anillos, las mediciones de amperaje obtenidas para cada caso oscilaban entre dos picos, uno positivo y uno negativo, con una magnitud aproximadamente igual entre los dos, al igual que en el caso A, a medida que se varía la corriente de campo, aumento la corriente en la salida de los terminales de las escobillas.
Caso B: Anillos Rozantes
Figura 14. Electroimán
Ya con todo ensamblado, comenzamos a realizar las mediciones; para el caso A colocaremos las escobillas en el conmutador segmentado, comenzamos a generar movimiento mecánico con la manivela y realizaremos tres mediciones de amperaje en los terminales de los carboncillos, a 400, 600, y 800 miliamperios medidos en la corriente que ingresa al electroimán.
In (mA)
Out (mA)
400
±0,15
600
±0,25
800
±0,35
Tabla 2. Anillos Rozantes
Repetiremos este procedimiento para el caso B en el cual las escobillas se encuentran en los anillos rozantes.
Figura 15. Conexión de escobillas caso A y caso B
6 ANÁLISIS Y RESULTADOS Como era de esperarse para el caso del conmutador segmentado, los valores obtenidos todos fueron positivos, a medida que se aumentó la corriente de campo, en el estator, la corriente entregada en los terminales de las escobillas también aumento, aunque la variación es mínima.
Figura 16. Características de salida del generador elemental en AC.
7 CONCLUSIONES Caso A: Conmutador Segmentado In (mA)
Out (mA)
400
0,05
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Al aumentar la corriente de campo en el estator, la corriente entregada por el rotor o inducido aumenta, esto se debe a que mientras más grande es la corriente del inductor, el campo generado también crece, lo que se refleja en la densidad de campo
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que a su vez, esta se refleja en nuestra ecuación (4) como un aumento del voltaje inducido, el cual por ley de ohm afecta directamente a la corriente en el inducido.
La variación en el campo magnético generado es proporcional a la variación en la corriente en el inducido.
El campo magnético tiene a crecer hasta el punto en el cual, el material ferromagnético se sature, para nuestro caso en especial el campo magnético crecerá hasta que la mayoría de los dominios magnéticos de los polos de campo estén polarizados, después de cierto punto, por más corriente de campo que se aplique, el efecto en la densidad de capo será mínimo.
8 RECOMENDACIONES
Verificar la conexión en el conmutador al momento de hacer la prueba con los anillos rozantes, ya que la corriente se transfiere de dos de los tornillos de segmentos del conmutador, hacia los anillos, y de no estar conectado como se indica en el montaje, el momento de la prueba con los anillos, el circuito estar abierto y no se podrán realizar las mediciones.
9 REFERENCIAS [1] S. Chapman, "Fundamentos de Maquinas de corriente alterna" en fundamentos de Maquinas Eléctricas, Bogotá, Mc Graw Hill, 5ed., 2005, ch. 4 pp. 232-236. [2] José Javier Díaz, “Electrotecnia y Maquinas,” 1996. [Online]: Disponible en: http://www.tecnoedu.com/Feedback/ElectrotecniaYMaquinas.php [3] W. Oñate, “Practica a: Generador Elemental” en Manual de procedimiento de prácticas, Universidad Politécnica Salesiana sede Sur, Maquinas eléctricas 2, Periodo 45, Quito, Ecuador.
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