ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
INFORME DE LABORATORIO PRACTICA #5 TEMA: La máquina máquina de c.c como generador generador GRUPO: GR3 SUBGRUPO: 1A FECHA: 07/11/2013
INFORME DE LABORATORIO PRACTICA # 5 TEMA: LA MÁQUINA DE C.C. COMO GENERADOR. OBJETIVO:
Conocer las partes constitutivas de la máquina de corriente continua. Estudiar la polaridad del voltaje generado por cambios en la dirección del campo y rotación de armadura. Determinar las características de magnetización y de carga del generador shunt.
1. Marco Teórico La constitución de la máquina de cc tiene dos componentes fundamentales: El devanado del estator (inductor) y el devanado del rotor (inducido). Además, parar que una máquina de cc funcione, es necesario de un devanado adicional que generara el campo magnético, el cual se denomina devanado de campo o de excitación, el cual se alimenta con corriente continua. El funcionamiento de estas máquinas es similar al de las máquinas sincrónicas. La diferencia radica en que es necesario rectificar el voltaje inducido, lo cual se logra mediante un mecanismo llamado colector. Actualmente, se puede lograr la rectificación utilizando circuitos electrónicos. Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accionamientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.
La máquina de cc trabajando como generador transforma energía mecánica, en energía eléctrica en corriente continua. Un generador se puede conectar en cualquiera de estas configuraciones, dependiendo de la forma de conexión del campo:
Generador de excitación separa Generador en serie Generador en derivación o shunt Generador compound, larga o corta
Estas conexiones de los generadores difieren en sus características V-I, por lo que cada uno es utilizado en diferentes aplicaciones. En esta práctica se utiliza solamente las conexiones de excitación separad y shunt. Generador en excitación separada
En el generador se requiere la fem Ea = KaΦdωm, donde Ka es la constante de la máquina, la
máquina motriz del generador suministra el torque mecánico Tm y como consecuencia el rotor del generador gira a la velocidad ωm y la fmm IfNf del devanado de excitación produce el flujo magnético por polo Φd.
En esta conexión, se determina la curva de magnetización de la máquina, trabajando en vació, para una determinada velocidad. Se obtiene una curva de la siguiente forma:
Generador en derivación
En el generador se requiere la fem Ea = KaΦdωm, donde Ka es la constante de la máquina, la
máquina motriz del generador suministra el torque mecánico Tm y como consecuencia el rotor del generador gira a la velocidad ωm y la fmm IfNf del devanado de excitación produce el flujo magnético por polo Φd.
Esta conexión requiere que el generador cc tenga un voltaje remante en sus terminales para lograr el proceso de inducción. Esto se ve en la siguiente imagen:
2. Material Utilizado
1 motor trifásico de inducción con arranque estrella - delta. 1 generador de cc. 1 medidor de velocidad. 2 amperímetro analógico. 1 set de cargas resistivo. 2 pinzas amperimétricas. 2 Reóstatos
3. Procedimiento Práctico Determinar los devanados de la máquina c.c. Armar el circuito para obtener la curva de magnetización de la máquina c.c., hasta llegar a la saturación. Tomar los datos necesarios. Armar el circuito necesario para determinar la característica de carga del generador shunt. Aumentar la carga manteniendo el equipo a velocidad nominal, luego disminuir la carga hasta que llegue a un valor de cero, manteniendo constante la velocidad. Observe el efecto de los interpolos.
4.
Tabulación de datos Resistencia Elemento [Ω] Armadura 3,3 Campo 27,9 Interpolos 2,9 TABLA 1
Conexión en derivación Vta [V] IL [A] 110 0 112,9 4,4 112,2 9,2 112,2 14,3 112,8 19 TABLA 2
Conexion Independiente Vta [V] IF [A] 2,3 0 7,3 12 0,23 17 0,26 22 0,46 27 0,58 32 0,68 37 0,8 42 0,9 47 1,02 52 1,14 57 1,24 62 1,4 TABLA 3 5. INFORME 5.1 Tabular y graficar, cada curva obtenida. Efectuar los comentarios sobre los datos y aquellas curvas obtenidos en la práctica. En la determinación de la curva de magnetización se obtuvieron los datos de la tabla 3. En la práctica no se pudo alanzar el voltaje de saturación de la máquina debido a que los reóstatos utilizados limitan la corriente a un máximo de 1.4 A. La curva obtenida es la siguiente:
En este gráfico se puede observar la región lineal del generador de cc. Se puede observar también el voltaje remanente cuando la corriente de excitación es cero. Lo cual es esperado en una máquina que se ha utilizado anteriormente.
La curva del generador en carga se obtiene de los datos de la tabla 2. Para este procedimiento se usa el generador en derivación.
El voltaje en los generadores en conexión en derivación cae un cierto valor al conectar carga, pero no en una manera que represente problemas en las aplicaciones de estos generadores. 5.2 Determinar gráficamente el valor de la resistencia crítica del generador.
En este gráfico, la línea roja representa el valor de la resistencia crítica del generador. El valor de resistencia está dado por la pendiente de la recta.
5.3 Analizar y explicar los resultados obtenidos que tienen relación con el voltaje generado de acuerdo a los sentidos de giro y campo magnético del generador. Para el caso del generador con excitación independiente. Al invertir la polaridad del campo ó al cambiar el sentido de giro de la máquina motriz, la polaridad del voltaje generado se invierte. Esto se debe al cambio en la dirección del flujo magnético en el entre hierro. En el laboratorio, nuestro terminal H/B era positivo al realizar la primera conexión. Al cambiar el sentido de giro de la máquina motriz, éste terminal ahora tiene una polaridad negativa. En el caso del generador en derivación se tiene que prestar atención a la polaridad con la que se alimenta a l campo ya que es posible que al conectar el campo, el flujo de la armadura y el flujo del campo estén en direcciones opuestas y por lo tanto el generador no induzca voltaje. Para corregir esto, se debe cambiar la polaridad de alimentación del campo. 5.4 Determinar gráficamente la característica de carga del generador shunt, a partir de la curva de magnetización y establecer comparaciones con la característica de carga obtenida en la práctica. No se obtuvieron los datos necesarios, ya que esta práctica fue realizada al final de la práctica 6 de motores cc. 5.5 Explicar el proceso de autoexcitación de un generador serie. Para que un generador de cc induzca voltaje, es necesario que exista un flujo magnético de excitación, que es producido por el campo. En el generador serie es necesario que exista un voltaje remanente y se tiene que conectar carga a los terminales del generador para que circule corriente. Al circular corriente se tiene que Ia=IF=IL y en ese momento IF producirá el flujo magnético que inducirá voltaje en la armadura. Si la carga tiene una resistencia muy elevada, es posible que no se produzca la inducción de voltaje. Si se reduce la R de la carga, el voltaje terminal tiene un incremento relativamente alto.
5.6 Explicar el método que permite determinar experimentalmente si el generador compuesto es acumulativo o diferencial. El generador compuesto es una mezcla entre el generador shunt y en serie. El circuito equivalente es el siguiente:
Este circuito es compuesto acumulativo. Se observa la polaridad de los campos serie y paralelo en un instante dado. Si la polaridad es aditiva la Fmm se incrementa. El generador compuesto diferencial es una variante del compuesto acumulativo, en donde las polaridades de los campos serie y paralelo se oponen, reduciendo la Fmm. El circuito es el siguiente:
Al ser la Fmm mayor en el generador compuesto acumulativo, el voltaje inducido será mayor que el voltaje inducido al utilizar la conexión diferencial. Para comprobar la configuración del generador se debe puentear el terminal C con el E luego colocar un voltímetro entre los terminales D-F, y al final alimentar a los terminales C-D, entonces si la lectura del voltímetro es mayor que el de la fuente tendremos el caso de polaridad acumulativa, caso contrario será polaridad negativa. 5.7 Explicar el significado de la regulación de voltaje para los diversos tipos de generadores de c.c. En el caso general, la carga conectada a un generador cc no será fija (cargas en la industria). Esto provoca que los voltajes varíen de acuerdo con la magnitud de la carga conectada y el factor de potencia de la misma. El Coeficiente de Regulación de Voltaje o la Regulación de Voltaje (RV) es una cantidad que compara el voltaje de salida sin carga (en Vacío) con el voltaje de salida a plena carga y se define por la ecuación.
A nivel de suministro de tensión se desea tener una regulación de voltaje tan pequeña como sea posible. 5.8 Explicar el método requerido para determinar la caída de voltaje debido al efecto de la reacción de armadura de un generador. La reacción de inducido produce un efecto desmagnetizante en el generador, al mismo tiempo que se produce una caída de voltaje debido a IARA. Para analizar el efecto de la reacción de armadura, se debe conocer la corriente de la armadura, con lo cual se conocerá IARA, como también la fuerza magnetomotriz desmagnetizante. Tanto la Fmm de reacción de armadura como la caída de voltaje IARA deben encajar entre la línea Ea y VT. Se debe localizar el lugar bajo la curva de magnetización donde el triángulo formado por los efectos de reacción de armadura y de IARA encaja exactamente en estas líneas. Esto se puede observar en el siguiente gráfico:
5.9 Describir un método práctico para determinar la característica de eficiencia de un generador de c.c. En la industria, las magnitudes de voltaje y corriente no son buenos indicadores de la eficiencia en la operación de nuestra máquina. Generalmente, las máquinas son caracterizadas con la potencia que llegan a generar o consumir por lo que la eficiencia se determina con relación a la Pentrada y Psalida de la máquina. La eficiencia en un generador CC será :
donde: es la potencia eléctrica activa
entregada, y es la potencia mecánica entregada al rotor del generador. 5.10
Indicar las aplicaciones prácticas de la máquina de corriente continua.
La máquina de corriente continua tiene varias aplicaciones, tanto en la industria como en la vida diaria. Sin embargo, estas máquinas son ampliamente utilizadas en la industria ya que son óptimas para aplicaciones donde se requiera precisión y control de la velocidad. También son importantes en el transporte como la tracción eléctrica de tranvía y trenes. Los motores cc se aplican principalmente en aplicaciones de automatización y control de los procesos industriales en donde se requiere control preciso de la velocidad y además porque son capaces de proporcionar alto par a bajas velocidades. Es importante tener en cuenta que debido a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación compound, se consigue que la Tensión que suministra el generador a la carga
sea más estable para cualquier régimen de carga. Esta gran estabilidad hace que ésta sea en la práctica la más utilizada para la generación de energía. 6. Conclusiones y Recomendaciones - Se pudo comprobar experimentalmente la operación de la máquina de cc como generador. Para obtener la curva de magnetización de estas máquinas se utiliza al generador con excitación independiente, y se debe variar la corriente de excitación del circuito de campo. - Se observó cómo varía el voltaje terminal del generador al variar la carga conectada. En la conexión shunt, las variaciones de voltaje no tienen una repercusión importante en la carga alimentada. - Se debe tener en cuenta también la resistencia del circuito de armadura para que la máquina funcione correctamente. En la práctica se determinó el valor de la resistencia crítica del circuito. Si esta resistencia es mayor a este valor, la máquina no inducirá voltaje. Además se debe tomar en cuenta que trabajar con resistencias de valor muy pequeño implican alta magnitud de corriente a costo de aumentar muy poco el voltaje inducido, esto se debe a la saturación que existe de las máquinas eléctricas rotativas al trabajar con corrientes muy altas. - Los métodos de inversión de polaridad del voltaje generado se basan en la inversión de giro de los campos magnéticos del generador. Es importante tener en cuenta que para la conexión shunt, las polaridades de los devanados de campo y de armadura no se opongan ya que de esta manera la máquina no induce voltaje. En este caso, se debe cambiar la polaridad de uno de los devanados. - Actualmente, las máquinas de cc se reemplazan por máquinas de inducción debido al alto costo de mantenimiento que tienen las máquinas de cc. Esto se lo hace mediante rectificadores de estado sólido. A pesar de esto, los motores de cc aún ofrecen un funcionamiento óptimo en aplicaciones de control preciso. - Como recomendación, se debe tener cuidado al momento de conectar y desconectar el campo. Es importante siempre controlar el campo mediante los reóstatos y desconectarlo una vez se haya terminado de trabajar con la máquina. 7. Bibliografía - Máquinas Eléctricas, Jesús F. Mora, Mc Graw-Hill, 5ta Ed, Capítulo 6. -Máquinas Eléctricas, Chapman, Mc Graw-Hill, 3ra Ed, Capítulo 9. http://www.uib.es/depart/dfs/GTE/education/industrial/con_maq_electriques/teoria/Teoria% 20Oviedo/Segundo%20Parcial/Presentaciones%20en%20formato%20PDF/Tema8.pdf
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