LABORATORIO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS II PRÁCTICA 1 GRUPO 22 NOMBRES: Christian Álvarez., Miguel Cajas, Álvaro Serpa, Christian Urigüen. FECHA: 06 de Abril del 2013. 1. TEMA Maquinas síncronas.
2. OBJETIVOS 2.1 PRINCIPAL O GENERAL Conocer los fundamentos e identificar las partes que constituyen una maquina eléctrica síncrona para luego aplicarlos en el laboratorio de Maquinas II.
2.2 SECUNDARIOS O ESPECÍFICOS
Reconocer las partes constitutivas de la maquina síncrona.
Analizar los fundamentos de las maquinas síncronas.
Relacionar lo investigado con las maquinas del laboratorio.
3. MARCO TEÓRICO 3.1 ASPECTOS CONSTITUTIVOS DE LA MAQUINA SÍNCRONA. En términos prácticos al hablar de una maquina síncrona estamos hablando de una fuente de C.A. usada como tal casi en exclusiva, actuando como generador, se la conoce habitualmente como el alternador. Es una máquina de gran versatilidad, puede usarse tanto como motor, como generador y como condensador con el fin de mejorar el factor de potencia de un sistema eléctrico.
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Desde el punto de vista de su construcción, tiene devanados tanto en el estator como en el rotor. En la generalidad de las maquinas síncronas están constituidos por una serie de componentes tanto eléctricos, electromagnéticos y mecánicos [1]. Como en cualquier máquina para entenderla mejor se inicia describiendo a partir de sus componentes más significativos. Los elementos básicos son:
Inductor
Inducido
Escobillas
Culata o carcasa
Entrehierro
Cojinetes
Ver cada una de las partes de un motor síncrono en la Fig.1
FIGURA 1. PARTES CONSTITUTIVAS DE UN MOTOR SÍNCRONO [1].
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Inductor: se le llama también estator porque es la parte fija de la máquina. Se encarga de producir y conducir el flujo magnético. A su vez consta de los siguientes elementos:
Pieza polar: es la que sujeta a la culata o yugo de la máquina, incluye al núcleo y su expansión.
Yugo: es necesario para cerrar el circuito magnético de la máquina; generalmente está constituido por hierro fundido o acero.
Núcleo: es parte del circuito magnético de la máquina junto con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en él se hallan los devanados inductores.
Polos: están fabricados de acero y silicio laminado. Las láminas del polo no se encuentran aisladas entre sí debido a que el flujo principal no varía con el tiempo.
Expansiones polares: es la parte más ancha de la pieza polar, se encuentra cerca del inducido (rotor) de la máquina.
Devanado Inductor: está formado por el conjunto de espiras que, en número prefijado para cada tipo de máquina, producirá el flujo magnético cuando circule la corriente eléctrica.
Inducido: El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina. Se denomina también rotor por ser la parte giratoria de la misma se pueden encontrar rotores lisos o rotores de polos salientes para altas y bajas velocidades respectivamente. Y consta a su vez de: núcleo del inducido, devanado inducido y colector. [1]. Ver la forma de un rotor de la maquina síncrona en la Fig.2
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FIGURA 2. R OTOR O INDUCIDO DE UN MOTOR SÍNCRONO [1].
Núcleo del inducido: está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2% de silicio para mejorar las pérdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de
la máquina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido.
Devanado Inducido: se encuentra conectado al circuito exterior de la máquina a través del colector, y siendo en el donde se produce la transformación de la energía.
Colector: es un conjunto de láminas de cobre, llamadas delgas, aisladas entre si y conectadas a las secciones del devanado del rotor. Sobre las delgas se deslizan las escobillas.
Escobillas: son fabricadas generalmente de carbón o de granito se encuentran en un porta escobillas y se unen al borde del inducido mediante un conductor flexible.
Cojinetes: sirven de apoyo al eje del rotor de la máquina. Entrehierro: es el espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el rotor y las expansiones polares, evitándose así el rozamiento entre ambos. Culata coma se observa en la figura 1, la culata es la cobertura o la denominada carcasa de la maquina eléctrica y está hecha de material ferromagnético. Su misión aparte de proteger tanto al usuario como a la maquina es conducir el flujo creado por él se vanado inductor. [1]. 4
Ver las partes que realizan el contacto eléctrico entre el estator y el rotor en la Fig.3
FIGURA 3. SECCIÓN DE CONTACTO ENTRE EL ROTOR Y EL ESTATOR DE UNA MAQUINA SÍNCRONA [1].
3.2 FUNCIONAMIENTO DE UNA MAQUINA SÍNCRONA Las maquinas síncronas son máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación
n
(rpm) está
vinculada rígidamente con la frecuencia f de la red de corriente alterna con la cual trabaja, de acuerdo con la expresión [2]
Donde p es el número de polos de la máquina. Los dos principios fundamentales en los que se basa cualquier máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica son los siguientes:
Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal manera que corta líneas de flujo magnético, de genera enl una fuerza electromotriz (f.e.m).[2]
Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de un campo magnético, se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.[2]
Ver un generador de fuerza electromotriz en la Fig.4 5
FIGURA 4. GENERADOR DE UNA FUERZA ELECTROMOTRIZ [1]. Para entender el funcionamiento de esta máquina primero podemos considerar el rotor que consiste de un devanado con p polos. Ver rotor de polos salientes y rotor de polos lisos en la Fig.5
FIGURA 5. (A)R OTOR DE POLOS SALIENTES, (B) R OTOR DE POLOS LISOS [3]. Consideremos en el primer caso una máquina de polos salientes presentado en la figura 4 (a). Este rotor se alimenta con una tensión de corriente continua para generar un campo magnético constante. El rotor está activo por un dispositivo externo como por ejemplo una turbina o un motor térmico. La rotación de este campo generado por el rotor produce una tensión inducida alterna en cada uno de los devanados del estator, Los devanados están repartidos con un ángulo de
por lo
que la tensión generada por la maquina es trifásica. Como hemos visto para el campo magnético giratorio, la disposición de los devanados con esta fase permite tener tres tensiones inducidas con desfases de
entre cada fase. Esta tensión inducida va a depender de la
velocidad de rotación. Tiene la misma dependencia con la frecuencia que una espira rotativa
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en un campo magnético uniforme, salvo que en este caso la espira permanece quieta y el campo giratorio: [3]
La velocidad de rotación y la frecuencia generada son iguales (o tienen un factor de proporcionalidad debido al número de polos) por eso se llama este generador síncrono. Ver los modos de excitación de una maquina síncrona en la Fig.5
Figura 6. (a)Esquema de un motor generador síncrono con alimentación por escobillas, la tensión continua genera la el campo estático del rotor, (b) El estator esta alimentado en continuo para generar el campo estático, la tensión inducida se obtiene con escobillas sobre el rotor. Para altas tensiones esta solución presenta desventajas, aparece chispas alrededor de las escobillas. [3]. Para generar el campo en el rotor (el inductor) necesitamos una corriente continua. Esta corriente se puede obtener de diversas maneras. En la figura 5 ensenamos una escobillas situadas en el eje del rotor, alimentan el rotor en DC. En ciertos casos se alimenta con una tensión trifásica y luego la tensión se rectifica por medio de componentes de potencia en el eje del rotor. En la figura (b) tenemos otro tipo de maquina síncrona. Se alimenta el estator con una tensión continua para generar un campo magnético uniforme. El rotor tiene devanados 7
orientados con desfases de
. La tensión trifásica se obtiene en las escobillas del rotor para
luego ser transformada o utilizada por la carga. Nótese que estas máquinas son reversibles y pueden funcionar como motor. Si se alimenta en trifásico el estator de la figura 5 (a) y si se alimenta el rotor con una tensión continua entonces la máquina funciona como un motor. [3]
4. EQUIPOS UTILIZADOS
Fuente variable trifásica de 0-220 VCA 30A
Multímetro.
Pinza amperométrica.
Cables de conexión.
Motor síncrono.
Máquina shunt de corriente continua.
5. DESARROLLO Ver los valores nominales de la placa del motor síncrono (DM-SN/DG2240 Q-4 B3 IP 21) en la tabla I. Tabla I.
PLACA DEL MOTOR SINCRONO Conexión
V
A
KVA
cosɸ
1/min
Erreg.Excit
D/CEN
230
8.8
3.5
0.95K
1800
110V
YΔ
127
15.2
%ED
0.8 I
60Hz
2.2A
Conexión
V
A
KW
cosɸ
1/min
Erreg.Excit
D/MOT
220
10.5
3
0.95K
1800
110V
YΔ
127
18.2
%ED
0.8 I
60Hz
2.2A
Ver los valores nominales de la placa de la máquina shunt de corriente continua (10A31359ZD90-0ZA1-Z) en la tabla II.
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Tabla II.
PLACA DE LA MAQUINA SHUNT V
1/min
A
KW
230
1500
19,5
4,5
220
1500
17
3.3
Excitación independiente
V
A
mH
220
0.76
B3
156
0,55
6. CONCLUSIONES En definitiva este trabajo ha sido de gran ayuda ya que para comenzar a realizar las distintas pruebas a las máquinas de laboratorio es preciso tener muy claro los principales parámetros de las maquinas síncronas y así poder relacionar de mejor modo los datos que se obtendrán de los ensayos que se realizaran en el laboratorio, también ha servido para mis conocimientos y despejo mis dudas en cuanto a un motor síncrono. De esta manera sabemos que una maquina síncrona pude funcionar tanto como motor o como generador pero comúnmente la podremos ver trabajando como un generador ya sea en pequeña o gran escala como es el caso de las generadoras hidroeléctricas.
Bibliografía
[1] E. McGraw-Hill, «McGraw-Hill Interamericana de España,» [En línea]. [Último acceso: 28 Marzo 2013]. [2] J. F. Mora, Maquinas Electricas, España: Mcgraw-hill., 2003. [3] S. J. Chapman, Maquinas Electricas.
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7. ANEXOS Véase en la Figura 7 una maquina síncrona en la cual se pudo observar las diferentes partes de la misma pudiendo de esta manera corroborar la investigación realizada previamente.
FIGURA 7. MAQUINA SÍNCRONA Véase en la Figura 8 la placa correspondiente a las características de un motor shunt en la cual podemos observar las diferentes características de funcionamiento de la maquina como es el caso de voltaje y corriente.
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FIGURA 8. MAQUINA SHUNT. Véase en la Figura 9 la placa correspondiente a las características de un maquina síncrona en la cual de igual manera se observa las diferentes características de funcionamiento de la maquina como es el caso de voltaje, corriente, potencias.
FIGURA 9. MAQUINA SÍNCRONA. Véase en la Figura 10 el acople mecánico entre una maquina síncrona y un motor shunt.
FIGURA 10. ACOPLE ENTRE MAQUINA SÍNCRONA Y MAQUINA SHUNT .
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