UNIV UNIVERS ERSID IDAD AD NACI NACION ONAL AL DE COLOM COLOMBI BIA, A, LABOR LABORA ATORI TORIO O DE CONV CONVERS ERSIÓ IÓN N ELECT ELECTRO ROMA MAGNÉ GNÉTI TICA CA,, NORM NORMAS AS BÁSI BÁSICA CAS S DE SEGU SEGURI RIDA DAD D
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Pre-Informe P05: Máquina DC-Motor en Derivación Elkin D. Reyes M, Juan S. Riveros Ch, Camilo A. Martinez M, Jose M. Pinto G, Laura S. Rosero Z.
Abstract—En —En la presen presente te prácti práctica ca de labora laborator torio io se hará hará un estudi estudio o de las máquin máquinas as de corrie corriente nte contin continua, ua, se mostra mostrarán rán los resultados de pruebas que se harán en la práctica, como la variación de la velocidad debida a la corriente de campo, entre otras. En la teoría se incluirán aspectos constructivos, reacción de armadura, etc. Index Terms—Campo —Campo
,Magne ,Magnetic tico, o, Corrie Corriente nte , Polari Polaridad dad ,
Máquina , Conexión
I. I NTRODUCCIÓN El desarr desarroll olloo de las máquin máquinas as de corrie corriente nte contin continua ua se enfoca en la búsqueda de procedimiento óptimos para transformar la corriente alterna inducida en una espira , girando dentro de una campo magnético con la corriente de polaridad constante. Es de suma importancia reconocer a estas maquinas por su flexible control sobre variables como la velocidad y el torque , esto ha permitido su aplicación en diversas áreas de la ingeniería. Dedicaremos esta practica a profundizar en el comportamiento de la máquina reafirmando los conceptos presentados a continuación II. O BJETIVO Reconocer cada una de las partes de una máquina DC , realizando las medidas respectiva para identificar los devanados y terminales , con el ánimo de observar la variables que controlan la máquina. III. A LCANCE El procedimiento aplica para el conjunto de máqu máquin inas as de corr corrie ient ntee cont contin inua ua,, que que está estánn dise diseña ñada dass para para este ste pro propósi pósito to:: Gener eneral al Elec Electr tric ic,, com omppound ound,, 4.5kW, 125V, 36A, 1750RPM,Rf = 47 .2Ωa25oC,I f f = 2A
IV. C ONOCIMIENTOS ONOCIMIENTOS PREVIOS A. Máquina de Corriente Continua
Figure 1. Aspectos Aspectos construtivos construtivos de una máquina máquina DC
molde cilíndrico y luego soldada a la su base. La culata contiene los soportes(13) donde se apoyara la máquina. Para fijar los polos que contienen los núcleos polares(2) es necesario perforar diversos puntos de su periferia, construidos en chapas de acero y sobre este apilamiento se presenta el devanado inductor(8).Para desarrollar la mejor transferencia de flujo magnét magnético ico se diseña diseña una expan expansió siónn muy cercan cercanaa al rotor rotor llamada zapata polar(3), los motores y generadores eléctricos periódicamente cambian la dirección en la corriente entre el rotor y el circuito circuito externo ,esta función función llamada llamada conmutació conmutaciónn es optimizada por unos polos intermedios(4) y (5) , llamados también polos de conmutación , que son conectados en serie con el inducido. La parte parte mó móvi vill esta esta form formad adaa por por el inducido(6) y el (10) colector , el colector esta formado por discos de acero al silicio y aloja el devanado. El arrollamiento del inducido(7) que comúnmente se encuentran con la configuración de tambor , constan de dos lados activos que se sitúan debajo de los polos con el ánimo de obtener la mayor f.e.m posible , por otro lado el colector de delgas es el punto crítico característico de las máquinas de corriente directa y se encarga de la conversión mecánica de la corriente alterna inducida en las bobinas en corriente directa de salida , formado por laminas de cobre aisladas entre si.
La máquina de corriente continua se compone de dos parte fundamentales , la primera es la parte fija llamada comúnmente estator y la segunda una parte móvil o rotor. A continuación se describe cada una de las partes relevantes de la maquina C.C que se mostraran en un esquema básico en la Figure1. Observemos pues que la parte fija esta formada por la culata o yugo(1) , esta pertenece la circuito magnético de la máquina y es el soporte mecánico del conjunto, comúnmente construida de materi material al ferrom ferromagn agnéti ético; co; en maquin maquinas as de pot potenc encia ia baja baja B. Reacción de inducido se construye de hierro fundido y para maquinas de mayor Al igual que en los generadores síncronos, si una máquina potencia se construye con plancha de acero curvada sobre un DC que funciona como generador se mantiene en régimen de circuito abierto, se tendrá en su interior que la única fuerza magnetomotriz actuante será la del rotor ya que no circula corriente alguna por el estator. Sin embargo, si se conecta
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una resistencia de carga, existirá una corriente circulando por el devanado del estator, lo que hará que exista una fuerza magnetomotriz oponiéndose a la del estator, que si se suma vectorialmente a la del rotor, producirá una fuerza magnetomotriz resultante en el entrehierro. A este fenómeno se le conoce como reacción de inducido. C. Conexión de Motores de corriente continua 1) Motores de excitación independiente:: El devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al inducido. Esta separación aporta la ventaja de mayores posibilidades de regulación de velocidad que el de derivación. Se aplica donde se requiera una velocidad prácticamente constante. La conexión de este modelo, se puede observar en la figura 2.
Figure 3. Esquema de conexión para motores de excitación de derivación.
La conexión de este modelo, se puede observar en la figura 4.
Figure 2. Esquema de conexión para motores de excitación independiente.
2) Motores de excitación de derivación:: El
devanado de excitación se conecta en paralelo con el inducido. La velocidad Figure 4. Esquema de conexión para motores de excitación en serie. de un motor con excitación en derivación permanece prácticamente constante para cualquier régimen de carga. 4) Motores con excitación compuesta:: Las características Cuando se aumenta el par resistente aplicado al motor, la aumenta para producir un par motor igual al mismo. del motor compound están comprendidas entre las del motor Dada su estabilidad, éste posee un campo de aplicación shunt y las del motor serie. Estos motores se emplean en muy pocas ocasiones, debido muy amplio: máquinas, herramientas para metales, madera, al peligro de embalamiento para fuertes cargas. plásticos...etcétera. Aún así su mayor utilización es en grúas, tracción, venLa conexión de este modelo, se puede observar en la figura tiladores, prensas, limadores, etcétera, y en máquinas que 3. 3) Motores con excitación en serie:: El devanado de ex- requieran elevado par de arranque, como compresores, lamcitación se conecta en serie con el inducido, por lo tanto la inadoras, etcétera. La conexión de este modelo, se puede observar en la figura Iex = Ii. Según aumenta la intensidad del motor, el motor va perdiendo velocidad. Para intensidades muy pequeñas el 5. motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas. Tiene un par elevado de arranque, ya que si la intensidad es elevada, el D. Relaciones entre torque, corriente de campo y velocidad par crecerá de forma cuadrática a esa intensidad. de la máquina La velocidad del motor disminuye según se le exige un Para una máquina DC, se tiene que: mayor par resistente. Se utilizan para los casos que se exige un gran par de arranque: tranvías, locomotoras, grúas... etcétera, EI a (1) T = y es muy práctica su utilización en tracción eléctrica. 2π n 60
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frecuencia con carga completa, se presenta regulación positiva por lo cual se tiene que la velocidad del motor disminuye cuando la carga incrementa; en cambio cuando la regulación es negativa entonces la velocidad del motor aumenta cuando hay un aumento de carga. V. R ESPUESTAS T ESTS A. Test 1 •
Figure 5. Esquema de conexión para motores de excitación compuesta.
En donde E es la tensión en bornes de la máquina e I a es la corriente de armadura de la máquina, lo que significa que el torque es directamente proporcional a la tensión en bornes y la corriente de armadura e inversamente proporcional a la velocidad mecánica de la máquina. Ahora bien, se tiene que la velocidad de la máquina está dada por: n =
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V − Ra I a (2) K E φ
En las anteriores ecuaciones, los miembros que tienen e subíndice a indican que se refieren a las magnitudes de armadura. En la ecuación 2, K a es una constante que varía según la máquina y φ es el flujo en el entrehierro de la máquina. El flujo es una cantidad cuyo valor es φ = BA y B es una cantidad f µ dada por B = mI donde m es el número de vueltas del 2πr devanado de campo, por lo cual el flujo magnético al interior de la máquina es directamente proporcional a la corriente de campo y como se ve en la ecuación 2, esta corriente por ningún motivo debe tener un valor muy bajo si la armadura está energizada ya que conduciría a un embalamiento de la máquina (velocidad del rotor muy alta). E. Analizar qué pasaría si en algún instante durante la práctica se desconectan los devanados de armadura y campo.
Considerando las ecuaciones del modelo de la máquina DC se tiene que si se desconecta el devanado de armadura, esto provocaría que Ra se hace infinita, por lo tanto la máquina comenzará a perder velocidad y eventualmente se detendrá. En cambio si se desconecta el devanado de campo, entonces la resistencia de campo Rf se hace infinita y no hay forma de controlar la máquina, es por eso que
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F. Estudiar cómo se puede obtener la regulación de velocidad en el motor.
Los motores DC aún son muy usados en diferentes aplicaciones como carros, camiones, entre otras. La regulación de velocidad de un motor está dada por: SR =
ωm , nl − ωm , f l 100% ωm , f l
Siendo la frecuencia de la máquina sin carga y con carga completa. Cuando la frecuencia sin carga es mayor a la
¿Qué dos formas puede tener el rotor de los motores asíncronos trifásicos? (En rotor bobinado y jaula de ardilla) En un generador (para conseguir el movimiento que haga que el campo corte la bobina, se la hace girar en el interior del campo; Al moverse un conductor dentro de un campo se genera en el mismo una fem.El flujo que atraviesa la espira será máximo cuando quede perpendicular al campo) Las máquinas de corriente continua están constituidas por varios elementos. ¿Cuál de los anteriores no es? El rectificador. En un motor: (Al girar el rotor en el interior de un campo se induce en la bobina una fem que se opone a la que produce la corriente) En las máquinas síncronas trifásicas:(no ocurre que La velocidad de giro del rotor es menor que la del giro del campo, tampoco ocurre que la velocidad de giro del rotor sea distinta que la velocidad de giro del campo magnético y de ninguna manera se puede hacer que funcionen en monofásica mediante un condensador ) Son máquinas rotativas de corriente alterna:(Los motores de inducción y los síncronos, y los alternadores) Se afirma que el rotor es una pieza giratoria formada por un núcleo magnético alrededor del cual se enrolla una bobina. Las máquinas de corriente continua asíncrona son aquellas en las que:(La velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético) Para conseguir el giro del rotor en los motores de corriente alterna:(Es necesario un campo giratorio que, mediante acoplamientos magnéticos, provoque el giro) El rotor puede presentar las siguientes formas: 1) Rotor bobinado:formado por una bobina cuyos extremos se conectan a dos anillos dispuestos en el eje y aislados entre si, sobre los que se deslizan unas escobillas que permiten conectar la bobina a un circuito exterior 2) Rotor en jaula de ardilla, formado por una serie de barras de cobre o aluminio dispuestas en cilindro y unidas en los extremos a dos anillos que las cortocircuitan.
B. Test II • •
La velocidad síncrona es:(La velocidad del motor) Cuando una máquina eléctrica de corriente continua funciona como motor, se produce:(Los principios de fuerza electromotriz inducida y de fuerza electromagnética)
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En una máquina eléctrica de corriente continua, a la parte encargada de crear el campo magnético se le denomina:(Inductor) Un motor eléctrico trifásico de corriente alterna tiene en su placa 230/400; si se conecta a una red de 230V, la conexión correcta será:(Triángulo). Las potencias perdidas en un motor eléctrico se deben:(A las pérdidas en el cobre, en el hierro y mecánicas) Un convertidor electromecánico de energía que transforma la energía eléctrica en mecánica en forma de par, se denomina:(Motor) En los motores monofásicos con condensador, éste se coloca para:(Que el motor pueda arrancar) Para regular la velocidad de un motor trifásico:(Se puede modificar la intensidad de arranque, modificar la frecuencia y modificar el número de polos del rotor) El motor de excitación independiente se diferencia del motor de derivación en que:(En el primero, el circuito de excitación se alimenta de una fuente de energía distinta que el circuito del inducido, mientras que en el motor de derivación es la misma fuente de energía la que alimenta a ambos.) Para que un motor pueda arrancar:(El par debe ser menor que el resistente) R EFERENCES
[1] Jesús Fraile Mora Máquinas eléctricas.pp. 418—518, Madrid, 2003. [2] Jesús Fraile Mora Máquinas eléctricas.pp. 519—529, Madrid, 2003. [3] ICONTEC Norma Técnica Colombiana NTC 4120:Efectos de la corriente sobre seres humanos y los animales domésticos. Parte 1 Aspectos generales.pp. 17—79, Colombia, 2013.
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