Lab3_ME2

Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2- 2015B.

Apellidos y Nombres: ALVARO CUEVA, JHON DIEGO CUI:20122544

GUIA DE LABORATORIO No. 3. 1 ENSAYO ENSAYO DE VACÍO VACÍO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO TRIFÁS ICO 1.1

OBJETIVOS a) Determinar los parámetros del circuito equivalente del motor de inducción en estado estacionario o permanente. b) Estimar las pérdidas rotacionales, núcleo y eléctricas durante la operación en vacío o sin carga acoplada al eje. c) Verificar Verificar los métodos de arranque utilizados en motor eléctrico de inducción trifásico.

1.2

INTRODUCCIÓN

Los métodos de ensayos necesarios para evaluar y pronosticar las condiciones de operación real del motor asincrónico después de fabricación, reparación, mantenimiento, o acondicionamiento son el método directo e indirecto. Estos métodos dependen de la capacidad de las fuentes de alimentación, equipos e instrumentos del laboratorio de ensayos y de la potencia del motor. motor.

Método directo

de carga es aplicado para motores menores de 15 kW. (20 HP) según capacidad de

instrumentos de laboratorio. Consiste en realizar ensayos bajo condiciones de carga nominal de motor tomando lectura de los parámetros eléctricos y mecánicos necesarios. En calidad de carga se puede acoplar un freno Prony, un generador de a.c, un freno electromagnético (corrientes parásitas), una máquina pendular, etc. La exactitud dependerá del dispositivo de carga y de la precisión de los instrumentos de medición siendo está la máquina pendular la más adecuada

Método indirecto de carga para motores de mayor potencia. En los motores mayor potencia no es posible el método directo por lo mencionada anteriormente. anteriormente. Consiste en realizar dos ensayos básicos el de vacío y de rotor bloqueado (o corto circuito). Antes de realizar los ensayos primero se determinó la resistencia de los devanados del estator en frio por fase a través del método directo o indirecto de medición de resistencias en corriente continua, y se toma lectura de la temperatura ambiente.

P á g i n a 1 | 19



Ensayo de vacío o sin carga de rotor libre. Consiste en hacer funcionar el motor sin ninguna carga mecánica en el eje, es decir, la máquina trabaja a rotor libre. Se aplica tensión nominal al estator midiendo la potencia absorbida Po y la corriente de vacío Io. Existe una gran diferencia entre el ensayo de vacío del motor de inducción y el correspondiente al del transformador. Del circuito equivalente del motor de inducción nótese que si en esta prueba la velocidad del rotor fuera la velocidad de sincronismo n2=n1, el deslizamiento sería igual a cero. Por lo que indicaría que en el circuito equivalente exacto de la fig 1, la resistencia de la carga Rc se hace infinita y en consecuencia la I2 del rotor sería cero o circuito del rotor abierto. Sin embargo, el motor de inducción no puede girar a la velocidad de sincronismo, ya a I2 nula no existiría ningún par electromagnético en el eje. Lo que sucede realmente es que el motor sin carga gira a una velocidad muy cercana del campo giratorio del estator y desde el punto de vista del circuito equivalente la resistencia del rotor o de carga tiene un valor elevado pero no infinito. Como no hay carga en el eje, la potencia disipada en esta resistencia representa las pérdidas de rozamiento en los rodamientos y de ventilación del motor. Como quiera además que I2 es de valor reducido debido a la alta impedancia de R2 lo que nos permite despreciar las pérdidas en el cobre del devanado del rotor. Denominando Pcu1 las pérdidas en el cobre del estator, Pfe a las pérdidas en el hierro y Pmec a las pérdidas mecánicas se tiene la expresión.

 =  +  +  Para determinar cada una de las pérdidas anteriores es preciso completar este ensayo de vacío con medidas adicionales como la determinación de la resistencia por fase del estator con corriente continua y así determinar las pérdidas en el cobre PCu1. En la práctica, para considerar el efecto pelicular de los conductores se suele aumentar el valor anterior en 10% a 20%. Norma IEEE 112-1996. Para determinar la PFe y Pmec es preciso alimentar el motor por una tensión variables, iniciando desde el 120% Vn del valor nominal reduciendo hasta unos 30% Vn; en cada escalada de tensión de mide los valores de P0, I 0 y V1. Y a partir de estas potencia se deducen las pérdidas rotacionales o constantes (PFe+Pmec) en cada etapa.

 =  +  =  − ¨

Al representar las pérdidas rotacionales (PFe+Pmec) en función de V1 se obtiene una curva del tipo parabólico, como se indica en la fig 2. Extrapolando la curva hasta que corte el eje de la ordenada se obtiene para V1=0 el valor de las pérdidas mecánicas Pmec; ya las pérdidas en el hierro son nulas al existir flujo magnético V1=0. El valor de las pérdidas en el hierro a la tensión nominal esta determinado por la diferencia entre las pérdidas rotacionales (P Fe+Pmec) y las pérdidas mecánicas (Pmec) a la tensión nominal V1n fig 2a. Para minimizar errores en la extrapolación de la curva parabólica de la curva fig 2a, es práctico representar las pérdidas rotacionales (PFe+Pmec) en función de la tensión al cuadrado (Vl2), tal como se muestra en un plano logarítmico como en la fig 2b. Lo que resulta en un función lineal, cuya ordenada en el origen representa las pérdidas mecánicas del rotor (Pmec).

P á g i n a 2 | 19



Figura 2. Separación de las pérdidas de mecánicas de las pérdidas rotacionales.

Conocidas las pérdidas (PFe) se puede calcular los parámetros de la rama en paralelo del circuito equivalente, como se muestra en la Figura 3 que se observa la potencia (PFe) de acuerdo con las siguientes expresiones.

Figura 3. Circuito equivalente de la rama en paralelo de circuito equivalente.

cos(∅ ) =

  ∗  ∗ 

 =  ∗ cos(∅ )

 =  ∗ sen(∅ )

La resistencia de pérdidas del hierro y la reactancia de magnetización

 =

 =

 

 

P á g i n a 3 | 19



PRE-LABORATORIO

1.3

Realice los siguientes cálculos mediante programas de cálculo y de simulación MATHCAD, MATLAB, Scilab y presentar antes de la realización del ensayo: Un motor asíncrono (de inducción) trifásico de rotor jaula de ardilla conectado en estrella (Y), de 50 HP, tensión nominal 220 V, 50 Hz, 6 polos, ha dado los siguientes resultados de los ensayos: de

vacío o rotor

libre: 220 V;3.16 A; 590 W. Se sabe también que las pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) es de 312 W; De rotor bloqueado: 34.3 V; 14.5 A; 710 W. Se ha medido la resistencia de entre terminales de 0.48 Ω.

a) Parámetros del circuito equivalente del motor referido al estator;

Datos del Problema: V  220 N

V o

f

I  3.16A o

I  14.5A cc

p2p  3

P  590W o

P 710W  cc

P  312W m

I of

I fcc



50Hz

V of

R  0.48 m

P cu1



3 I o

2

 



I o

V N 

3

V  34.4 cc

V fcc



I cc

V cc 

3

P  263.621W fe

P fe







3V I of of



220

 14.379W P cu1

 R

Pfe  Po  Pcu1  P

 o  acos



 1.35

P á g i n a 4 | 19


 

cos  o  0.219 I fe



I  cos o

I



I  sin o

V of

 o  0.692A

 183.597 

X

 

I fe

 cc  acos V fcc



R  1

 o  0.976

 o  3.083A

R  fe

R T

sin


I fcc

R T



P cc









3V I fcc fcc





V of I

X  1

 0.606



 cos  cc  1.126 

 0.563 

cos

 cc  0.822

X T



 Vfcc  Ifcc

sin

 cc  0.57



 sin   cc  0.78 



R  R  R  0.563  2 T 1

 0.39 

X  X  0.39  2 1

2

a)

41.195 



2

X T



si el rotor gira a 930 rpm determinar la potencia mecánica útil en el eje del motor,

nrotor  930rp

nsinc



 m

sinc n

 n rotor

 

Zeq 

 0.07

R 2



sm

1 1 Z2

Vof Zeq





s

m1



0.1

sinc

Z2  R 1  XT i 

IE 

1000 rpm



p2p n

s

60f  s  rpm

1 R fe



( 15.335

1

( 8.603  0.78i) 

 ( 7.65  2.201i) 





 E  arg Zeq  0.28

X i



4.412i) A

Ientrada  IE  15.957A

P á g i n a 5 | 19







PE  Re 3 Vof  IE  5.844 k

P cur



I  FE

3 I entrada

V of

2

 R

1



429.945W

0.692A



R fe

 3 V I P FE of FE

263.621W



Pa  PE  Pcur  PFE  5.15k P mi



P util

1



s



 Pa

m



P mi



P m





4.789k

4.477kW

b) la corriente de línea absorbida; Vof

IE  Zeq I entrada

c)

( 15.335



I E





4.412i) A

 15.957A

factor de potencia del consumo de la red;





 E  arg Zeq  0.28

cos

 E  0.961

d) rendimiento del motor. P util 

motor



P E

 76.623 %

e) El torque que desarrolla durante el arranque del motor; s arranque



1 2

3 Vof 

 arranque  2 

n sinc 60

R 2 s arranque



R 2



s arranque

 R 1 

 



2

 1324.035N 

2

 XT



P á g i n a 6 | 19



f) El torque máximo y su desplazamiento crítico

s

R 2 max





2

R 1

0.585

2



X T

3 V of

 max 

n 2 

sinc

 2

60

2

 1447.054N 

 R  1

2

R 1





2

X T

g) El torque nominal de carga nominal

s

nominal



0.05

3 V of

 nominal  n 2 

sinc 60



 R 1



R 2

2

 s

nominal R 2

 s

 



2



 385.488N 

2

X T

nominal



h) La capacidad de sobrecarga del motor

CSC



 max  nominal

 3.754

1.4 MATERIALES, INTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y EQUIPOS Los siguientes dispositivos, equipos, instrumentos y materiales serán necesarios para la realización de la práctica:

Item

Cantidad

Descripción

1

1

Regulador de tensión trifásico (variac) 380 V, 25 A

2

1

Motor de inducción de 10 HP, 440/380/220 V, 60 Hz, 1750 rpm

3

1

Amperímetro de c.a. 25 A

4

1

Voltímetro de c.a. de 600V

5

1

Vatímetro trifásico 50 A, 600 V.

6

1

Analizador de redes trifásico 380 V, 50 A

Código

P á g i n a 7 | 19



7

1

Microohmímetro MPK5 (o puente Wheastone)

8

1

Tacómetro óptico digital

9

1

Multitester para verificación de circuitos

10

1

Kit de cables flexibles AWG 14 ó 2.5 mm2

11

1

Termómetro de mercurio o digital

13

1.5

Pinza amperimétrica digital de 0 - 40 A

PROCEDIMIENTO a) Arranque estrella triángulo: armar el circuito de la Figura 4 para el arranque por reducción de tensión del motor de inducción por métodos de configuración de estrella triángulo.

Figura 4. Esquema de montaje de ensayo de vacío del motor asíncrono.

P á g i n a 8 | 19



Figura 5. Esquema del circuito eléctrico de potencia del ensayo de vacío.

a) Montar el circuito de la Figura 6, teniendo cuidado con las conexiones, las escalas de los instrumentos de medición. Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor arranque y haga funcionar el motor inducción a tensión nominal V1n por un buen tiempo unos 20 minutos para establecer las condiciones de lubricación de sus respectivos rodamientos.

Figura 6. Montaje de circuito para el ensayo de vacío del motor de inducción.

Este ensayo se inicia tomando lecturas desde tensiones del 120 % de U1n y reduciéndola hasta unos 45% de U1n, justo cuando la corriente se eleva en este ensayo se eleva. Tomar unas 10 lecturas incluir una relectura que pertenezca a la U1n Una vez conectado a la red el motor de inducción se realiza el registro de las mediciones de las los instrumentos de medición en la tabla 1. Estos resultados permitirán determinar la variación de la temperatura de los devanados del estator después de funcionamiento.

P á g i n a 9 | 19


1.6

1.6.1


CUESTIONARIO PARA LA DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Dar la relación de los valores promedios o totales por fase de las lecturas de los instrumentos de medición en el ensayo de vacío en forma tabulada. Datos de placa del Motor:

Aclaraciones:

Los valores tomados se realizaron con una conexión del motor en delta, debido a que la tensión utilizada en delta es 400V, y es una tensión disponible en el laboratorio.

#

Voltimetro1 Amperímetro Vatímetro V A W

Variables mecánicas rpm T[Nm]

Cos ()

1

396.1200

0.2598

37

3570

0

0.36

2

381.3976

0.2425

34.5

3563

0

0.38

3

364.5967

0.2309

35

3565

0

0.42

4

346.7566

0.2194

33.5

3561

0

0.44

5

330.1289

0.2136

32

3556

0

0.46

6

311.7691

0.1963

31

3551

0

0.50

7

294.6218

0.1848

30.7

3545

0

0.56

8

277.1281

0.1790

30

3539

0

0.60

9

259.9808

0.1790

29.7

3529

0

0.63

10

242.6603

0.1732

28.7

3517

0

0.68

11

226.0326

0.1732

28.7

3511

0

0.73

12

207.4997

0.1732

28.4

3490

0

0.77

P á g i n a 10 | 19


1.6.2


Graficar las pérdidas rotacionales en función a la tensión del estator y separar las pérdidas rotacionales, pérdidas mecánicas y perdidas en el hierro de ensayo de vacío en forma gráfica.

Utilizamos Excel para regresión exponencial

#

Vo

Io

3*Po

3*Pcu1

Prota

111

13.2638

97.7362

1

396.1200 0.2598

2

381.3976 0.2425 103.5

11.5542

91.9458

3

364.5967 0.2309

10.4800

94.5200

4

346.7566 0.2194 100.5

9.4582

91.0418

5

330.1289 0.2136

96

8.9670

87.0331

6

311.7691 0.1963

93

7.5718

85.4282

7

294.6218 0.1848

92.1

6.7072

85.3928

8

277.1281 0.1790

90

6.2946

83.7054

9

259.9808 0.1790

89.1

6.2946

82.8054

10 242.6603 0.1732

86.1

5.8950

80.2050

11 226.0326 0.1732

86.1

5.8950

80.2050

12 207.4997 0.1732

85.2

5.8950

79.3050

105

Vo vs P rotacionales 120 100 80 60

y = 62.555e0.0018x R² = 0.9417

40 20 0 0

50

100

150

200

250

P á g i n a 11 | 19



Utilizamos Matlab para regresión lineal

#

Vo^2

Io

3*Po

3*Pcu1

Prota

1

156910

0.2598

111

13.2638

97.7362

2

145460

0.2425

103.5

11.5542

91.9458

3

132930

0.2309

105

10.4800

94.5200

4

120240

0.2194

100.5

9.4582

91.0418

5

108990

0.2136

96

8.9670

87.0331

6

97200

0.1963

93

7.5718

85.4282

7

86802

0.1848

92.1

6.7072

85.3928

8

76800

0.1790

90

6.2946

83.7054

9

67590

0.1790

89.1

6.2946

82.8054

10

58884

0.1732

86.1

5.8950

80.2050

11

51091

0.1732

86.1

5.8950

80.2050

12

43056

0.1732

85.2

5.8950

79.3050

Pm=71.846

V1n2 vs P(rotacionales) 120 X: 1.569e+05 Y: 97.74

100

80 s le a oi

n

y = 0.00015461*x + 71.846

60 at

c or P

40

20

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2 2

V1n

1.4

1.6

1.8

2 x 10

5

P á g i n a 12 | 19


1.6.3


Con las pérdidas deducidas determinar los parámetros de las ramas en paralelo de circuito equivalente del motor de inducción y dar en forma tabulada para cada registro de medición.

V1n=sqrt(3)*[228.7 220.2 210.5 200.2 190.6 180 170.1 160 150.1 140.1 130.5 119.8]; Io=(1/sqrt(3))*[0.45 0.42 0.4 0.38 0.37 0.34 0.32 0.31 0.31 0.3 0.3 0.3]; Po=3*[37 34.5 35 33.5 32 31 30.7 30 29.7 28.7 28.7 28.4] R1=65.5; Pcu1=3*R1.*Io.^2 Prota=Po-Pcu1 Pm=71.846; Pfe=Prota-Pm cosfi=Pfe./(3.*V1n.*Io) Ife=Io.*cosfi Iu=Io.*sind(acosd(cosfi)) Rfe=V1n./Ife Xu=V1n./Iu

P á g i n a 13 | 19


1.6.4


#

Vo

Prota

Pm

Pfe

Rfe

Xu

1

396.1200

97.7362

71.846

25.89

18182

1530.1

2

381.3976

91.9458

71.846

20.1

21711

1577

3

364.5967

94.5200

71.846

22.674

17588

1585.1

4

346.7566

91.0418

71.846

19.196

18792

1586.1

5

330.1289

87.0331

71.846

15.187

21529

1549.4

6

311.7691

85.4282

71.846

13.582

21469

1592.6

7

294.6218

85.3928

71.846

13.547

19223

1600.2

8

277.1281

83.7054

71.846

11.859

19428

1553.3

9

259.9808

82.8054

71.846

10.959

18502

1457.1

10

242.6603

80.2050

71.846

8.359

21133

1404.1

11

226.0326

80.2050

71.846

8.359

18336

1308.3

A partir de los datos registrados del ensayo de vacío trazar las curvas características: P0 vs U10, Prot vs U10, I0 vs U0l, cos(φ0) vs V10, rpm vs V10.

Po vs V1n 120

100

P

o

80

60

40

20

0

0

50

100

150

200 V1n

250

300

350

400

P á g i n a 14 | 19



P rotacional vs V1n 100 90 80 70 60 a t o r P

50 40 30 20 10 0

0

50

100

150

200 V1n

250

300

350

400

250

300

350

400

Io vs V1n 0.35

0.3

0.25

0.2 oI

0.15

0.1

0.05

0

0

50

100

150

200 V1n

P á g i n a 15 | 19



cos(fi) vs V1n 1 0.9 0.8 0.7 0.6 ) i f ( s o c

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

50

100

150

200 V1n

250

300

350

400

250

300

350

400

rpm vs V1n 4000 3500 3000

pr

m

2500 2000 1500 1000 500 0

0

50

100

150

200 V1n

P á g i n a 16 | 19


1.6.5


Dibujar el circuito equivalente de vacío y dar los parámetros del motor a voltaje nominal. Dar la metodología utilizada para obtener los parámetros de los datos de ensayo.

 = 400  cos(∅ ) =

 =

^ 

= 24.7376 

 = 0.2598 

  ∗  ∗ 

cos(∅ ) = 0.07935  =  ∗ cos(∅ ) = 0.0206   =  ∗ sen(∅ ) = 0.25898   =

 =

1.7

1.7.1

 

 

= 19417 Ω

= 1544 Ω

INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA

Investigue y compruebe a través del osciloscopio la forma de l a onda de corriente del ensayo de vacío I0 y de la tensión de alimentación a la frecuencia de nominal.

P á g i n a 17 | 19


1.7.2


Que otros métodos existen para el cálculo de los parámetros del motor de i nducción trifásico.

P á g i n a 18 | 19


1.8


CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 

Cuando se tomó lecturas de tensión y corriente se observó que ambos decrecían proporcionalmente y de pronto tuvo un comportamiento inverso donde aumento la corriente, no se consideraron estas medidas debido a que no son correctas



Para el cálculo de la potencia mecánica se evalúa V1n=0 y para el cálculo de la potencia en el entrehierro se resta la potencia en el rotor menos la potencia mecánica



Para el arranque de un motor es conveniente arrancar en estrella y luego pasarlo a delta debido a que la corriente de arranque es menor en estrella



Para el arranque de la maquina se considera S=1(deslizamiento) y en vacío S=0 y si S es negativo significa que la maquina se comporta como generador



En el momento de arranque el deslizamiento es 0.



La resistencia del estator varía debido a la temperatura del bobinado del estator



Observamos que las perdidas mecánicas son aproximadamente iguales en la curva parabólica y lineal. Curva parabólica: Pm=65.308 W Curva lineal: Pm=67.773 W

1.9



En ensayo de vacío se realiza por el lado del estator aplicando una tensión nominal



Para concluir se ha podido investigar y estudiar un poco más profundo lo que es el funcionamiento y aspectos constructivos de la máquina asíncrona.

BIBLIOGRAFIA 1. Jesús Fraile Mora, “Máquinas Eléctricas”, McGraw Hill, 6ra. edición, 2008. 2. Fitzgerald A. E. Charles Kingsley Jr, Stephen D. Umans, “Máquinas Eléctricas”, McGraw Hill, 6ra. edición, 2003. 3. Máquinas Eléctricas y Transformadores, Bhag S. Guru

P á g i n a 19 | 19

Lab3_ME2

Recommend Documents