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Informe del experimento del laboratorio N°24 El motor de cd en derivación. (14 Junio 2011)
F. G. Paja, N. Bolaños, y L. X. Villa
Resumen—Este documento presenta los resultados del laboratorio al estudiar las características de par en función de la velocidad del motor de cd en derivación, realizado el 14 de Junio del 2011. El informe contiene el marco teórico referente al tema de la práctica, el desarrollo de las preguntas, la prueba de conocimiento de la misma y las conclusiones a las que se lograron llegar. Palabras clave—par (couple), voltaje de armadura (armature voltage), intensidad del campo magnético (Magnetic field strength).
debilitamiento del flujo reduce el flujo en la maquina a medida que aumenta la carga. Circuito. La Fig.1. Muestra un motor conectado en derivación, en este caso el circuito de campo está conectado en paralelo, o en derivación con el circuito de armadura. Normalmente, el campo tiene una resistencia grande, por lo cual la corriente de campo es pequeña en comparación con la corriente de armadura. El motor conectado en derivación es similar al excitado por separado, salvo que el caso que nos ocupa es necesario regular la corriente de campo por medio de un reóstato, Rc.
I. INTRODUCCIÓN a los conceptos teóricos vistos en clase, se estudió Conen labasepráctica de laboratorio, las propiedades del motor de c-d en derivación. Manteniendo un voltaje de línea de cd constante y haciendo variar la carga se obtuvo una curva de velocidad en función del par.
II. MARCO TEÓRICO Un motor dc en derivación es aquel cuyo circuito de campo se obtiene su potencia directamente de las terminales del inducido del motor, se supone que el voltaje de alimentación al motor es constante. Una característica de las terminales de una maquina es una gráfica de las cantidades de salida son el par al eje y la velocidad; por tanto, su característica de los terminales es una gráfica del par contra la velocidad en su salida. Es importante tener en cuenta que, para una variación lineal de la velocidad del motor con respecto al par, los otros términos de esta expresión deben permanecer constantes cuando cambia la carga. Se supone que el voltaje en las terminales, suministrado por la fuente de potencia dc, es constante, las variaciones de voltaje afectaran la forma de la curva parvelocidad. La reacción del inducido es otro efecto interno del motor que también puede afectar la forma de la curva par-velocidad. Si un motor presenta reacción del inducido, el efecto de
Fig.1. Modelo circuital de un motor conectado en derivación.
Análisis. Ahora deduzcamos el par en función de la velocidad con voltaje de alimentación y corriente de campo fijos. El comportamiento no lineal de estructura magnética no influye, porque la corriente de campo es constante. Por lo tanto la ecuación resultante es la siguiente: (1)
Despejando el par generado obtenemos lo siguiente: (2) Si suponemos que el par de perdida por rotación es constante o varia linealmente con la velocidad, el par de salida tendrá la forma lineal:
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PAR (lbf./plg) 0 3 6 9 12
Puesto que la fuerza contra electromotriz, E, y la velocidad son estrictamente proporcionales, podemos determinar la velocidad a partir de la potencia generada mediante la siguiente ecuación:
Con base a la Tabla I, se trazará una curva que relacionará los valores de velocidad en función del par para un motor de c-d en derivación:
E2
Ra
(4)
Esta ecuación proporciona dos raíces reales y positivas; el valor más grande de E es la solución realista. A partir de la E resultante se obtiene la velocidad, y de esta y de la potencia se calcula el par.
VELOCIDAD EN (r/min)
Determinación de la velocidad en general.
Donde C1 y C2 son constantes.
I(A)
VELOCIDAD(r/min) 1800 17518 1703.1 1690.1 1647.7
E(V) 120 120 120 120 120
(3)
0.7 1.2 1.8 2.45 3.1
1850 1800 1750 1700 1650 1600 0
Definiremos el porcentaje de regulación como la diferencia de los voltajes de salida con carga Vc y sin carga V , dividido entre el
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10
15
PAR (lbf-plg)
voltaje sin carga Vc .
%reg
V Vc Vc
100%
Fig.2. relación de la velocidad en función del par.
(5)
III. DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA EMPLEADA PARA EL DESARROLLO DE LA GUÍA
Se conectó el circuito establecido en la guía de laboratorio N°24: el motor de cd en derivación, esperando obtener los valores del par de carga en función de la velocidad, y la corriente de línea para distinta carga. Haciendo uso de los módulos: de fuente de alimentación, medición de cd, motor-generador de cd, modulo electrodinamómetro.
Al mantener el voltaje de línea de cd constante, el voltaje de armadura y la intensidad de campo serán constantes también por lo que la velocidad debería mantenerse constante. Sin embargo, la velocidad tiende a disminuir cuando se aumenta la carga del motor. Este descenso de velocidad se debe sobre todo a la resistencia del devanado de la armadura. Del punto 8. Se deben calcular la regulación de la velocidad utilizando el voltaje de salida en vacío y a plena carga (9 lbf/plg) anotados en la tabla anterior. Los resultados según II-F-(5) son los siguientes:
IV. DESARROLLO DE LOS PUNTOS DE LA GUÍA Utilizando un voltaje de línea constante igual a 120v, se le aplico carga al motor haciéndola variar según la escala del reóstato, para obtener la corriente de línea (I) y la velocidad del motor. Los resultados obtenidos fueron ubicados en la siguiente tabla en base a todos los pasos dados del punto 2 al 7 de la guía. TABLA I RELACIÓN EXPERIMENTAL ENTRE EL PAR MECÁNICO DEL MOTOR CON DEVANADO EN DERIVACIÓN Y LA VELOCIDAD
A. Carga de 9lbf/plg
%reg
1800 1690.1 100% 6.5% 1690.1
En el numeral 10. b) se pide registral el valor del voltaje c-d y el par desarrollado, para un corriente de línea de 3A. Los datos encontrados fueron.
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6. Indique algunas de las partes del motor en que se producen estas pérdidas:
E=2.0 v PAR=0.1lbf/plg Para el punto 11.b) se debe calcular el valor de la corriente de arranque que requiere el motor de d-c con devanado en derivación, cuando se le aplica todo el voltaje de línea (120v c-d) Prueba de conocimientos 1. Calcule los hp que desarrolla el motor de c-d con devanado en derivación cuando el par es 9 lbf-plg. ( (
)
)
2. Si se sabe que 1 hp equivale a 746 watts, ¿cuál es el valor equivalente en watts de la salida del motor de la pregunta 1? Watts= 180.5. 3. ¿cuál es la potencia de entrada (en watts) del motor de la pregunta 1? La potencia eléctrica que absorbe el motor, es decir la Pabs, también llamada potencia de entrada, es la potencia que desarrollará el motor si no existe ningún tipo de perdidas, es decir, potencia de consumo. Está definida por: Pabs = (Iabs)(U) = (Iexc+Ii)(U) Donde Iabs es la intensidad de corriente de línea de entrada. U es la tensión aplicada en los bordes del motor. Pabs = Va*Ia = (120V)(3.1A) = (372W) porque estamos sin carga. 4. Si se conecta la potencia de entrada y la de salida en watss, ¿Cuál es la eficiencia del motor de la pregunta 1? Ƞ = (potencia de salida / potencia de entrada)(100) Ƞ = (180w / 372w) (100) Ƞ = 48.38 % 5. Calcule las perdidas en watts, del motor de la pregunta Peridas de cobre = (Iexc)(Iexc)(Rexc) + (Ii)(Ii)(Ri) = Peridas en
Sabemos que en no toda la potencia de entrada a la maquina es útil en el otro lado, pues siempre hay alguna perdida asociada al proceso. La diferencia entre la potencia de entrada y la de salida de la maquina son las pérdidas que ocurren en su interior, estas pérdidas se pueden dividir en 5 categorías: pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre, en las escobillas, en el núcleo, las mecánicas y las misceláneas o dispersas. Las partes en donde se presenta son: el circuito de campo, devanados del inducido y del campo de la máquina. El contacto de potencial con las escobillas de la máquina, dentro del metal del motor por corrientes parásitas y las pérdidas por histéresis. Rozamiento propio y rozamiento por el aire. 7. ¿disminuirían estas pérdidas si se montara un ventilador en el eje del motor? ¿Por qué? Si disminuirían las perdidas si colocáramos un ventilador al eje del motor, porque al variar la velocidad se puede reducir el consumo de energía hasta un 60%. Por ejemplo para un motor de 90kw, el variador de velocidad reduce la cantidad de energía empleada por el motor para lograr su fin, o por ejemplo puede permitir que consuma solo la mitad de la energía comparado con otro funcionando a plena velocidad, viéndolo desde el punto de vista de rentabilidad, y suponiendo que este motor cuando fue creado no fue acondicionado con un aislante apropiado que resista las temperaturas, y que un aumento de temperatura no provoque problemas, resistiendo a las altas temperaturas. Pero dado el caso que el motor ya fuere acondicionado para que resista las temperaturas, seria innecesario ya que tenemos problema cuando hay temperaturas altas, así que más bajas de la que ya tiene no habría ningún inconveniente ni afectaría las perdidas, ya que el momento crítico es cuando existen temperaturas internas excesivas que también pueden afectar al vida útil de todos los devanados, por ejemplo el caso del aislamiento en el hilo de cobre, el cual se degrada por efecto de altas temperaturas; es decir un aumento de 10°C en la temperatura de operación, puede reducir a la mitad la vida útil el devanado. Por esto los motores se fabrican con asilamiento de 155°C, pero se diseñan para funcionar a temperaturas no superiores a 130°C. El aumento de temperatura es un aspecto del rendimiento de los motores que se investigan permanentemente, y como tiene un rango de operación ese enfriamiento no afecta las perdidas si ya viene por defecto su respectivo aislante. 8. De dos razones por las que las pérdidas son indeseables. a. Una razón por la que es indeseable las pérdidas, por ejemplo las que varían con carga, las perdidas en el cobre del estator son causadas por el calentamiento provocado por la
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circulación de corriente a través de la resistencia del devanado del estator. Lo que obliga a los fabricantes a utilizar técnicas para reducirlas como la optimización del diseño de las ranuras del estator. Las laminaciones del estator deben ser de acero de baja pérdida, lo más uniformes y delgadas posibles, para maximizar la intensidad de los campos magnéticos. Deben estar alineadas cuidadosamente para garantizar que los canales sean rectos. Naturalmente, cuanto más delgadas sean las laminaciones, tantas más caras serán de producir; además, una gran precisión de alineamiento exige técnicas de producción más especializadas. b. Otra razón es por ejemplo para las pérdidas en el rotor, que son causadas por las corrientes en el mismo y por las pérdidas en el hierro, y si tenemos un motor de alta eficiencia, estas pérdidas se deben reducir aumentando las barras conductoras y los anillos terminales para reducir la resistencia; implicando más costos más trabajo y menor rentabilidad. Generando fiabilidad y confianza en la persona que lo utiliza. 9. ¿cuantas veces es mayor la corriente de arranque que la corriente normal de plena carga?
La corriente de arranque es mayor de 5 a 7 veces la corriente normal de plena carga. Ya que para que un motor en conjunto comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera que genere una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor. Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo del campo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este mayor par de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque, La que no debe superar determinado limite por el calentamiento de los conductores involucrados. Por esto se dice que la corriente de arranque es de 5 a 7 veces mayor que la corriente normal a plena carga que es la corriente que toma o consume un motor cuando desarrolla su potencia nominal. Cabe resaltar que la corriente de arranque es la que toma un motor justamente durante el periodo de arranque, y es considerablemente mayor que su corriente nominal, cuando el motor ha alcanzado su velocidad normal. Esto significa que los conductores que alimentan a los motores deben estar protegidos por un elemento contra sobrecarga con una capacidad suficientemente grande como para soportar la corriente de arranque por un tiempo corto. La corriente de arranque de un motor depende principalmente de su reactancia, y se designa en algunos motores por medio de una letra, correspondiendo las primeras letras del abecedario, a motores de alta reactancia y las ultimas a motores de baja reactancia. Estas cantidades se expresan como (KVA / hp) a rotor frenado y se dan como la corriente nominal.
CONCLUSIONES
Si el voltaje de línea c-d es constante, el voltaje de armadura y la intensidad de campo serán aproximadamente constantes, y por tanto el motor en derivación funciona a una velocidad constante. La velocidad en un motor d-c en derivación disminuye cuando se aumenta la carga del motor, esta disminución depende de la resistencia del devanado de armadura. Las pérdidas del motor, se ven reflejadas en forma de calor y aumentan con el valor de la carga, haciendo que el motor se caliente mientras se produce energía mecánica
REFERENCIAS [1] [2] [3]
Stephen J. Chapman, Maquinas Electricas, 4ed. , McGraw-Hill, p. 65-70. http://www.infowarehouse.com.ve/pugoz/ingelect/ingelec_motorcc.pdf.
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