Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2
GUIA DE LABORATORIO No. 3. 1
ENSAYO DE VACÍO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO
OBJETIVOS
1.1
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 el sistema de arranque utilizados en motores eléctricos de inducción trofásico.
INTRODUCCIÓN
1.2
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 d el 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 ad ecuada
Método indirecto de carga para motores de mayor potencia. En los motores mayor potencia no es posible el método directo por lo mencionada anteriormente. Consiste en realizar dos ensayos básicos el de vacío y de rotor bloqueado (o corto circuito). Antes de realizar los ensayos primero se determino 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.
Fig. 1. Circuito equivalente exacto y pérdidas de potencia en el motor de inducción.
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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 I o. 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 n 2=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 R c 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 I 2 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 I 2 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, P fe a las pérdidas en el hierro y Pmec a las pérdidas mecánicas se tiene la expresión. P0
PCu1 PFe
P mec
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 P 0, I 0 y V1. Y a partir de estas potencia se deducen las pérdidas rotacionales o constantes (PFe+Pmec) en cada etapa. Prot
PFe
Pmec
P0
P Cu 1
Al representar las pérdidas rotacionales (P Fe+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 (PFe+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).
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Fig. 2. Separación de pérdidas de mecánicas de las pérdidas rotacionales. Conocidas las pérdidas (P Fe) se puede calcular los parámetros de la rama en paralelo del circuito equivalente, como se muestra en la fig3. que se observa la potencia (PFe) de acuerdo con las siguientes expresiones.
Fig. 3. Circuito equivalente de la rama en paralelo de circuito equivalente.
cos( 0 )
P Fe
m1 V1n I 0
I Fe I
I 0
cos( 0 )
I 0 sen( 0 )
la resistencia de pérdidas del hierro y la reactancia de magnetización
1.3
R Fe
X
V 1n I Fe V 1n I
PRE-LABORATORIO
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 3500 W, 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
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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; b) si el rotor gira a 930 rpm determinar la potencia mecánica útil en el eje del motor, c) la corriente de línea absorbida; d) factor de potencia del consumo de la red; e) rendimiento del motor. f) el torque que desarrolla durante el arranque del motor; g) el torque máximo y su deslizamiento crítico; h) el torque nominal de carga nominal; g) la capacidad de sobre carga del motor.
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1.4
Procedimiento Experimental Tomar los datos de Placa del motor de jaula de ardilla y realizar la prueba de aislamiento para comprobar su buen estado de operación.
(∅)
.
400Δ /690Y V
1.0Δ /0.58Y A
0.37 kW
0.83
3360 RPM
60 Hz
Este ensayo se inicia tomando lecturas desde tensiones del 120 % de U 1n 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 permitirá determinar la variación de la temperatura de los devanados del estator después de funcionamiento.
#
Tabla 1. Registro de las mediciones con los instrumentos. Amperímetro Voltimetro1 Vatímetro Variables mecanicas C Div C V(líne A CA A div W rpm T[Nm] s V
1 2 3 4
W
a)
404.2
0.42
98.5
363.4
0.34
73.7
332
0.3
59.8
297.5
0.26
48.16
F
Hz 60 60 60 60
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5 6 7 8 9 10 1.5
273.7
0.23
39.8
223.4
0.19
27.6
185.2
0.15
21.12
153.9
0.14
17.85
118.1
0.12
13.87
80.3
0.14
12.16
60 60 60 60 60 60
CUESTIONARIO PARA LA DISCUSIÓN DE RESULTADOS
1.5.1 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.
1.5.2 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. Vo^2(v^2) 233.88
0.24
295.5
11.39
284.11
54702.00
209.81
0.20
221.1
7.46
213.64
44019.85
191.68
0.17
179.4
5.81
173.59
36741.33
171.88
0.15
144.48
4.36
140.12
29541.76
158.02
0.13
119.4
3.41
115.99
24970.56
128.98
0.11
82.8
2.33
80.47
16635.85
106.93
0.09
63.36
1.45
61.91
11433.01
88.85
0.08
53.55
1.27
52.28
7895.07
68.19
0.07
41.61
0.93
40.68
4649.20
1 = 3 × × = −
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GRAFICA V^2 vs Pmec+Pfe 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00
1.5.3 Con los pérdidas deducidas determinar los parámetros de la ramas en paralelo de circuito equivalente del motor de inducción y dar en forma tabulada para cada registro de medición. Rfe
1.5.4
Xu
233.88
0.42
98.5
1.00
1035.12
660.61
209.81
0.34
73.7
1.03
1205.04
718.43
191.68
0.3
59.8
1.04
1262.07
740.89
171.88
0.26
48.16
1.08
1396.62
750.46
158.02
0.23
39.8
1.10
1500.24
772.85
128.98
0.19
27.6
1.13
1578.62
751.91
106.93
0.15
21.12
1.32
2837.39
736.46
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 Uo 350 300 250 200 150 100 50 0 0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
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Prot vs Uo 300.00
250.00
200.00
150.00
100.00
50.00
0.00 0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
Io vs Uo 250.00
200.00
150.00
100.00
50.00
0.00 0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
cos(fi) vs Uo 250.00
200.00
150.00
100.00
50.00
0.00 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
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1.5.5 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.
1.6
INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA
1.6.1 Investigue y compruebe a través del osciloscopio la forma de la onda de corriente del ensayo de vacío I 0 y de la tensión de alimentación a la frecuencia de nominal.
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1.6.2 Que otros métodos existen para el cálculo de los parámetros del motor de inducción trifásico. Método de mínimos cuadrados: Método que haga uso de la información que puede ser obtenida de otras fuentes como puede ser la placa de características o un catálogo del fabricante del motor. Esta última fuente de información proporciona datos sobre las características de los motores en los puntos más importantes de su funcionamiento como son el arranque, el punto de par máximo y el punto de par nominal. Utilizando esta información es posible modelar un circuito que reproduzca las características del motor.
además:
métodos de subespacios algoritmos de optimización estocástico
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1.7
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
1.8
Se identificó el flujo de potencia a través la máquina, así como las perdidas, y la potencia útil de salida. Se pudo comprobar también a través del modelo teórico y experimental que la corriente durante el arranque de las máquinas de jaula de ardilla es de aproximadamente 4 a 5 veces la corriente nominal, para el motor en ensayo. A través del modelo teórico se pudo comprobar que el par de arranque es inferior al par máximo desarrollado ( = 120% ) y el par de arranque es aproximadamente el 225% del par nominal. Se pudo observar que el par de salida aumenta linealmente con la potencia de salida, es decir la velocidad disminuye ligeramente conforme aumenta el par de salida.
BIBLIOGRAFIA Máquinas Eléctricas 5ta ed. - Jesús Fraile Mora http://www.aemdessau.de/es/productos/generadores-trifasicos/asincronos/ http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/asincronas%20caminos.pdf http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstream/11059/4101/2/621314P977_A nexo.pdf Determinación Experimental de los Parámetros Eléctricos de una Máquina de Inducción de 180Watt - Francisco M. González-Longatt. http://fglongatt.org/OLD/Reportes/RPT2007-10.pdf
