Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2- 2017B
Equation Chapter 1 Section 1 GUIA DE LABORATORIO No. 4. TEMA: ENSAYO DE ROTOR BLOQUEADO DEL M OTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO 1.1
OBJETIVOS a) Determinar los seis parámetros del circuito equivalente del motor de inducción en estado estacionario o permanente. b) Estimar las pérdidas eléctricas del motor mediante el bloqueo del eje del rotor. c) Determinar y verificar el desempeño de operación del motor de inducción trifásico de jaula de ardilla.
1.2
INTRODUCCIÓN
Para el ensayo de rotor bloqueado se emplea el mismo esquema de conexiones del ensayo en vacío pero con la diferencia de que debemos de bloquear el rotor con algún dispositivo de freno mecánico (por ejemplo zapatas). Y además ajustar los alcances de los instrumentos para altas corrientes y tensiones reducidas, es preferible realizar con la conexión en estrella y en la posición del rotor que indique una corriente mayor estable. Los instrumentos indicarán las magnitudes por fase. La suma de las potencias del vatímetro las pérdidas totales del cobre: P c.c.
P . . P . . P . . c c A
c c B B
(1.1)
c c C
La corriente media por fase: I
c.c.
I c.c. A
I I c.c B . B c.c.C
3 La tensión de corto circuito por fase:
U
U
U c.c.
c.c. A
(1.2)
U c. c. B B
c.c.C
(1.3)
3 La Uc.c. debe de pertenecer al valor por fase, tener cuidado en el tipo de conexión de devanados del estator en que se realiza el ensayo de rotor bloqueado. El vatímetro nos indica la potencia activa que consume de la red para cubrir las pérdidas eléctricas totales de cobre del estator y del rotor Pc.c.
mI 2. . R . . c c
(1.4)
c c
El factor de potencia de este ensayo de este ensayo es:
cos c.c.
P c.c.
(1.5)
mU c .c. I c.c.
La impedancia equivalente o total de corto circuito: U
Z c.c.
(1.6)
c.c.
I c.c.
La resistencia y reactancia equivalente de corto circuito: Rc.c.
Z . . cos cc
X c.c.
c.c.
2
c. c.
P c.c. 2
mI c.c.
R 2. . c c
(1.7) (1.8)
Todos los cálculos de estas lecturas se conservan en forma tabulada y luego se traza las curvas características de corto circuito: I c.c., Pc.c. , cosØc.c.=f(Uc.c.) En este ensayo de rotor bloqueado no funciona el sistema de ventilación por tener justamente la velocidad del rotor (n 2 = 0) cero, por tanto después de esta prueba la temperatura de los devanados será elevada θ 1, esta temperatura θ 1 se determina a través de resistencia medida al inicio del ensayo: Dr. Moisés Carlos Tanca Villanueva
1
Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2- 2017B
R R 1 1
1
1
234.5 0
0
R
1 0
(1.9)
0
Donde: R 1(θ0) = Resistencia de fase del estator en frío a la temperatura de ambiente. Si esta temperatura resulta menor a la temperatura de operación del motor se corrige a la resistencia equivalente de corto circuito a la temperatura de operación (75 ºC) por la siguiente relación: RCC 75 ºC
R
1 1
CC
2
(1.10)
1
Donde: α = 0.004 Y así mismo también se corrige la impedancia equivalente.
Z c . c .
X 2. .
2
c .c.
(1.11)
c c
En consecuencia también la tensión de corto circuito U c.c. = Ic.c. x Z c.c. y las pérdidas del cobre P c.c. = m * Ic.c.2 * R c.c. Para el circuito equivalente se debe tener presente los parámetros a corrientes nominales. Una vez corregida estos parámetros se puede corregir la corriente y potencia de corto circuito a voltaje nominal para poder obtener la corriente de arranque y potencia de arranque y lograr evaluar el torque de arranque, a través de factores de corriente y torque de arranque Para determinar el factor de corriente de arranque se corrige la corriente a la tensión nominal, lo que es lo mismo multiplicar por la relación de tensión de corto circuito: k Iarr
I 1arr
I 1nom
U 1nom
(1.12)
U 1c.c.
Ahora bien la potencia en el arranque se puede determinar corrigiendo la potencia corto circuito multiplicando por el factor de corriente de arranque: P arr
U 1 2 . . 1 . .
(1.13)
nom
P
cc
cc
Luego el factor de torque de arranque respecto a la nominal, podemos determinar con la afirmación, que en el ensayo de rotor bloqueado la potencia electromagnética se transforma en pérdidas del cobre del rotor, así evaluamos el torque de corto circuito: T c.c.
P cu 2
1
P c.c.
2
P 1 P cu
nuc
(1.14)(1.15)
1 2
Donde: P cu1 mI 1 R1 y P cu 2 mI 2 R2 = Pérdidas del cobre del estator y del rotor (eléctricas). Pnuc – Pérdidas del núcleo; se toma de la curva P 0 vs U0 (ensayo de vacío) a un voltaje correspondiente a la de U c.c. La consideración se debe a que en el arranque las pérdidas en el núcleo del rotor son apreciables por ser f 2 = f 1. Así el torque electromagnético de arranque se corrige por el factor de la corriente de arranque:
I 1 2 T . . I 1 arr
T arr
(1.16)
cc
nom
Y el factor de Torque de arranque rerspecto al torque nominal es: T k Tarr
arr
(1.17)
T nom
Donde: T nom – torque electromagnético que desarrolla en motor a velocidad nominal y potencia en la flecha del rotor Con los datos del ensayo de vacío y rotor bloqueado se determina el circuito equivalente del motor de inducción y las características de desempeño en condiciones de carga.
Dr. Moisés Carlos Tanca Villanueva
2
Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2- 2017B
Figura 1 Circuito equivalente exacto y pérdidas de potencia en el motor de inducción.
1.3
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 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 de carga establecida por la velocidad del rotor; g) la capacidad de sobre carga del motor. e) Graficar las curvas de torque vs deslizamiento.
1.4
MATERIALES, INTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y EQUIPOS
Los siguientes dispositivos, equipos, instrumentos y materiales serán necesarios para la realización de la práctica: Item 1 2
Cantidad 1 1
3 4 5 6
1 1 1 1
Descripción Regulador de tensión trifásico (variac) 380 V, 25 A Motor de inducción de 10 HP, 440/380/220 V, 60 Hz, 1750 rpm Amperímetro de c.a. 25 A Voltímetro de c.a. de 600V Vatímetro trifásico 50 A, 600 V. Analizador de redes trifásico 380 V, 50 A
Código
Dr. Moisés Carlos Tanca Villanueva
3
Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2- 2017B
7 8 9 10 11 13
1.5
1 1 1 1 1
Microohmímetro MPK5 (o puente Wheastone) Tacómetro óptico digital Multitester para verificación de circuitos Kit de cables flexibles AWG 14 ó 2.5 mm2 Termómetro de mercurio o digital Pinza amperimétrica digital de 0 - 40 A
PROCEDIMIENTO
a) Medir previamente la resistencia activa de los tres devanados del estator con el puente Wheastone o micro ohmímetro a la temperatura fría θ0.
Temp. frio o
C
A ohmios
B ohmios
C ohmios
Rmedia ohmios
b)Armar el circuito de la Figura 2 para el arranque por reducción de tensión del motor de inducción por métodos de configuración de estrella triángulo.
Figura 2. Esquema de montaje del ensayo de rotor bloqueado del motor de inducción.
b) Una vez montado el circuito de la fig.2 bloquear con algún dispositivo de frenado para evitar que gire el rotor al aplicarle tensión reducida figura 3. Tener mucho cuidado con las conexiones, las escalas de los instrumentos de medición. Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor aplique tensión reducida hasta llegar a la corriente nominal I 1n . Conservando el mismo esquema de conexiones, bloquear el rotor y aplicar a la máquina asíncrona tensión reducida de tal manera que se obtenga en las fases I 1n (o 150% de I1n ) tomar simultáneamente unos 8 ó 10 juegos de lectura de tensión corriente y potencia, registrando el valor a I 1n. Tener en cuenta la selección de los alcances de los instrumentos especialmente con el amperímetro y de las constantes de escalas, además de los equipos especialmente el regulador de voltaje empleando en cuanto a intensidad de corriente. Dr. Moisés Carlos Tanca Villanueva
4
Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2- 2017B
Figura 3. Montaje de circuito para el ensayo de vacío del motor de inducción.
c) Todos los datos registrados debe llevarse a la siguiente tabla para su posterior evaluación
Tabla 1. Registro de las mediciones con los instrumentos.
#
Voltimetro1 div CV V
Amperímetro Vatímetro A CA A div CW W
Variables mecánicas rpm T[Nm] s
f Hz
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 d) Inmediatamente después de concluida la prueba de rotor bloqueado, medir las resistencias de los devanados por fase para determinar la temperatura del ensayo de rotor bloqueado.
Temp. caliente o
C
1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3
1.6.4
A ohmios
B ohmios
C ohmios
Rmedia ohmios
CUESTIONARIO PARA LA DISCUSIÓN DE RESULTADOS Dar la relación de los valores promedios o totales de las lecturas en la experiencia de rotor bloqueado en forma tabulada. A partir de los datos registrado y calculados de rotor bloqueado trazar las curvas: I cc vs PTcc , Icc vs cos φcc e indicar el punto correspondiente a la I 1n (en papel milimetrado y escala adecuada). A partir de las lecturas del ensayo de rotor bloqueado; calcular Z cc, R cc y X cc en ohmios por fase haciendo las correcciones necesarias a la temperatura de 75 ºC y tabular teniendo en cuenta también la corrección de las pérdidas totales del cobre. A partir de los ensayos de vacío y rotor bloqueado determinar los parámetros del circuito equivalente “T” exacto incluyendo la resistencia de la rama de magnetización del motor
Dr. Moisés Carlos Tanca Villanueva
5
Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2- 2017B
1.6.5
1.6.6
1.6.7
1.7 1.7.1
1.7.2
1.8 1.8.1 1.8.2
1.9
correspondiente a los valores nominales. Dibuje el circuito equivalente con respectivos valores de los parámetros. A partir del circuito equivalente analizar y determinar (trazar) las curvas características de torque – velocidad y señalar los puntos característicos como son: torque de arranque, torque máximo, torque nominal y torque de vacío. A partir del circuito equivalente analizar y determinar (trazar) las curvas características de Corriente del estator – velocidad. Señalar los puntos característicos como son: corriente de arranque, corriente nominal y corriente de vacío. Con la ayuda de los cálculos necesarios estimar las curvas características de operación (de desempeño) del motor que son : torque de salida vs potencia de salida (en el árbol del rotor), I 1 vs potencia de salida, cos φ1 vs potencia de salida y velocidad vs potencia de salida.
INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA Cuáles son las variaciones que debemos de considerar para hacer operar nuestro motor asíncrono como generador a partir de los esquemas de conexiones de ensayo. Donde se aplica el régimen de generador asíncrono de algunos ejemplos prácticos. Defina, de las características, las ventajas y desventajas de motor de asíncrono de rotor bobinado y sus aplicaciones.
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES Plantea en forma personal, concisa y claro un mínimo de cinco (5) conclusiones de la experimentación realizada. Plantea en forma personal y clara un mínimo de tres (3) observaciones para mejorar la experiencia de las prácticas de estas pruebas.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Al final de todo documento o informe técnico se hace referencias a la bibliografía empleada y la normalización respectiva. Dar las referencias bibliográficas de su informe de la práctica; por ejemplo [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.
APENDICE Suplemento que se incluye al final del informe de un trabajo de investigación
ANEXO Adjunte todo material relacionado con la redacción del informe de práctica que ayude a comprender su información presentada.
Dr. Moisés Carlos Tanca Villanueva
6
