ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS DE SAN SEBASTIN

TECNUN

UNIVERSIDAD DE NAVARRA

Prctica n 3: Sistemas Elctricos

ESTUDIO DE LA MQUINA DE C.C.

Sistemas Elctricos 2009-2010. La Mquina de Corriente Continua 2

NDICE

1 Objetivo de la Prctica............................................................4

2 La Mquina de Corriente Continua............................................5

3 Ensayos Realizados en la Prctica ............................................9

3.1 Medida de Resistencias......................................................9

3.2 Ensayo de Rozamiento ......................................................9

3.3 Estudio del Comportamiento como Generador ......................9

3.3.1 Generador en Vaco y sin Excitacin ......................... 10

3.3.2 Generador en Vaco con Excitacin Independiente ....................................................... 10

3.3.3 Generador con Carga y Excitacin en Paralelo............ 11

3.4 Estudio del Comportamiento como Motor........................... 11

3.4.1 Estudio del Par Motor con Excitacin Independiente ....................................................... 11

3.4.2 Estudio del Par Motor con Excitacin en Serie ............ 12

3.5 Estudio de la Velocidad.................................................... 12

3.5.1 Influencia de la Tensin de Alimentacin................... 13

3.5.2 Influencia del Flujo por Polo .................................... 13

4 Esquemas Experimentales..................................................... 15

4.1 Medida de Resistencias.................................................... 15

4.2 Ensayo de Rozamiento .................................................... 15

4.3 Comportamiento como Generador .................................... 15

4.3.1 Generador en Vaco y sin Excitacin ......................... 15

4.3.2 Generador en Vaco con Excitacin Independiente ....................................................... 16

4.3.3 Generador con Carga y Excitacin en Paralelo............ 16

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4.4 Comportamiento como Motor ........................................... 17

4.4.1 Estudio del Par Motor con Excitacin Independiente ....................................................... 17

4.4.2 Estudio del Par Motor con Excitacin en Serie ............ 18

4.5 Estudio de la Velocidad.................................................... 19

4.5.1 Influencia de la Tensin de Alimentacin................... 19

4.5.2 Influencia del Flujo por Polo .................................... 20

5 Material y Equipo Necesario .................................................. 21

6 Pautas de Desarrollo de la Prctica......................................... 22

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1 OBJETIVO DE LA PRCTICA El objetivo fundamental de la prctica es que el alumno se

familiarice con los conceptos ms bsicos relacionados con las mquinas de corriente continua, as como con la realizacin de los ensayos ms comunes.

Concretamente, se pretende dar una idea general del funcionamiento de estas mquinas, as como de la influencia de diversos parmetros elctricos en su comportamiento. Se pretende que el alumno sea capaz de determinar las curvas ms caractersticas que definen su modo de trabajo, determinando el cambio de funcionamiento que experimentan cuando se introduce una variacin en algn parmetro del circuito.

De todas formas, por ser ms utilizado el motor que el generador, en esta prctica nos centraremos en el estudio de las mquinas de CC en su comportamiento como motor, sin dejar de lado que la propia mquina tambin puede comportarse como generador sin cambios en su estructura.

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2 LA MQUINA DE CORRIENTE CONTINUA Las mquinas de corriente continua constan esencialmente de

dos devanados (aunque tambin puede disponer de otro shunt) alimentados con CC.

Uno de los devanados se denomina inductor y est en el estator de la mquina; el otro, llamado inducido, est en el rotor. En el caso de funcionamiento como motor, ambos bobinados estn alimentados con CC. En el caso de que funcione como generador, se alimenta con CC el inductor y se obtiene una f.e.m. en el inducido (tambin continua).

En este tipo de mquinas existen dos campos: el primero, creado en el estator y que ser fijo; y, el segundo, generado por las corrientes que circulan por las espiras del rotor. El objetivo, en el caso del motor, es el de conseguir un campo magntico en el rotor que interaccione con el del estator para producir un valor de par mximo. Para lograr esto se debe cumplir que ambos campos sean perpendiculares entre s en todo momento. En el caso del generador, se trata de generar de la forma ms eficiente posible una tensin continua en bornes del inducido y para ello se mantendr una velocidad fija en el rotor para que sus espiras y bobinas, al moverse respecto del campo principal del rotor, proporcionen una tensin fija que se rectifica y suma en el exterior de rotor. Ambos objetivos se cumplen gracias a las escobillas y el colector de delgas.

El estator de una mquina de CC genera un campo magntico fijo. Este campo se puede obtener por medio de imanes permanentes o mediante bobinas recorridas por corriente continua y montadas en polos salientes (suele ser el caso ms habitual). Si se opta por esta segunda opcin existen diversos tipos de excitacin:

Excitacin independiente: La corriente que alimenta al devanado inductor es ajena a la propia mquina y procede de una fuente independiente externa, tal como puede verse en la figura a).

Autoexcitacin: En este caso, la corriente de excitacin procede de la propia mquina. Segn la forma de obtener esta corriente se tienen tres tipos diferentes de mquinas de CC:

Excitacin Serie: devanado del inductor en serie con el de inducido. Vase la figura b).

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Excitacin derivacin: devanado del inductor conectado

directamente a las escobillas; por lo tanto, en paralelo con el de inducido. Vase la figura c).

Excitacin compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en paralelo. Vase la figura d).

La nomenclatura de los bobinados es la siguiente:

Bobinado de Inducido: Sus terminales se denominan siempre AB, independientemente del tipo de excitacin.

Bobinado de Inductor: Sus terminales se denominan de forma diferente dependiendo del tipo de excitacin.

Excitacin Independiente: IK Excitacin Derivacin, Paralelo o Shunt: CD Excitacin Serie: EF Excitacin Compuesta o Compound: EF, la parte serie, y,

CD, la parte en paralelo.

Bobinado de Compensacin: Si hay polos de compensacin, para reducir en lo posible la reaccin de inducido, sus terminales se denominan GH.

En el caso de la mquina de CC disponible para esta prctica de laboratorio, los bobinados de la mquina pueden conectarse de formas diferentes para conseguir los distintos tipos de mquinas que se van a ensayar. En el laboratorio se definirn esas conexiones, que no son diferentes de las que se han mostrado.

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Cualquiera que sea el tipo de mquina (excitacin

independiente, paralelo o serie) y ya sea generador o motor, su comportamiento est basado en el conocimiento de dos magnitudes fundamentales: la tensin inducida en el rotor y el par mecnico que se desarrolla, o viceversa.

En cualquier caso, trabaje como generador de CC o como motor, se aplica una corriente al inductor para generar el campo magntico principal. En el caso del generador, se hace girar el inducido (mediante una turbina de cualquier tipo) y, cuando las espiras del inducido pasan por delante de los polos se inducen tensiones en las espiras de las bobinas que son prcticamente proporcionales a la induccin del campo magntico principal, a la longitud de los conductores y a la velocidad con la que se mueven respecto del campo. Este efecto no es ms que el fenmeno de induccin de Faraday. Mientras no circule corriente por los conductores, no aparecern fuerzas sobre ellos que, como dice la Ley de Lenz, se opondrn al movimiento de giro que tenan. Estas fuerzas, que se aplican a los conductores que se encuentran en la superficie (o casi) del rotor, o inducido, proporcionan un par de frenado que hay que vencer si se quiere mantener la velocidad de giro constante. Es decir, en el caso del generador se busca la tensin inducida y, cuando circula corriente por el inducido, se desarrolla un par electromagntico en sentido contrario del movimiento.

En el caso del motor, se busca la produccin de un par mecnico que haga girar el rotor. Para ello, se hace circular corriente continua por las espiras y bobinas del inducido, que estn inmersas en el campo magntico principal generado por el inductor. Mientras no haya giro libre del rotor, habr par en el eje, pero no tensiones inducidas; stas solamente aparecen cuando se produce el giro del rotor. Por ello, en un motor se proporciona un par en el eje y la reaccin se produce en forma de tensin inducida en el rotor, siempre opuesta a la aplicada para que circulen las corrientes por el inducido.

Las expresiones del par electromagntico (no el til) y la tensin inducida se conocen de los apuntes y ya se han trabajado en clase; son las siguientes:

piTipipmg IKIc2Zp

Ic22

ZPT ===

pEpTpi nKKc22ZP

E ===

Para comprender mejor el comportamiento de estas mquinas, se van a realizar varios ensayos como generador y como motor. Estos ensayos se explican a continuacin.

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3 ENSAYOS REALIZADOS EN LA PRCTICA

3.1 MEDIDA DE RESISTENCIAS

Se proceder a medir las resistencias del devanado de inducido, del de inductor serie y del de inductor shunt (o paralelo).

Para ello, sin ms complicacin, se utilizar el polmetro en su funcin hmica. De esta forma conoceremos las resistencias de los tres devanados de la mquina del laboratorio: Ri, Re y Rsh.

3.2 ENSAYO DE ROZAMIENTO

Mediante este ensayo se calculan las prdidas que se producen en la mquina por motivos puramente mecnicos.

Es el mismo ensayo que se realiz en la segunda prctica de Sistemas Elctricos sobre la Mquina de Induccin y puede utilizarse la misma grfica obtenida en dicha prctica.

3.3 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO COMO GENERADOR

Mediante estos ensayos se pretende ver la caracterstica de funcionamiento de la mquina como generadora de corriente continua.

Para ello, se arrastrar mediante el motor de CA asncrono que se encuentra acoplado al eje de la mquina y se alimentar, cuando sea necesario, el inductor con una corriente continua.

Las dos curvas caractersticas ms importantes de una mquina de CC actuando como generador son:

Caracterstica de Vaco: Ei=f(Ie) Al ser el flujo por polo (p) proporcional a la corriente de inductor (Ie), el valor de la tensin inducida (Ei) ser tambin proporcional, como hemos visto, a esa corriente y a la velocidad de giro del rotor, segn la expresin:

pEi nKE =

El ensayo se realiza a diferentes velocidades pero siempre sin alimentar carga elctrica alguna.

La corriente de inductor se variar entre 0 y la IeN.

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Aparecer siempre una curva de subida y otra de bajada

para la caracterstica. Esto es debido al fenmeno de la histresis del material ferromagntico.

La corriente de inductor se modificar mediante un restato en serie con el bobinado de inductor.

Por ltimo, se apreciar una pequea tensin inducida aunque la corriente del inductor sea nula. Es debida al magnetismo remanente en los polos.

Caracterstica de Salida o Regulacin: V=f(I) Mediante esta curva caracterstica se trata de ver cmo vara la tensin proporcionada por el generador en funcin de la carga elctrica alimentada (o la corriente de salida del generador). Es, en realidad, la regulacin del generador; es decir, la cada de tensin producida en su funcionamiento.

El ensayo se realiza a velocidad y corriente de inductor fijas.

En concreto, en esta prctica se van a realizar tres ensayos actuando la mquina como generador. Dichos ensayos son los descritos a continuacin.

3.3.1 GENERADOR EN VACO Y SIN EXCITACIN

Se trata de ver cmo, al variar la velocidad de arrastre del motor de induccin o asncrono y, por lo tanto, la velocidad de giro del rotor del motor de CC, se genera una tensin en la mquina CC.

Para ello, basta con arrastrar el generador CC con el motor de induccin (o asncrono) para tres valores de velocidades de giro diferentes y medir la tensin que se genera en la mquina de continua. Se representar la relacin que expresa la tensin generada en funcin de la velocidad de giro.

3.3.2 GENERADOR EN VACO CON EXCITACIN INDEPENDIENTE

En este caso, vamos a comprobar la variacin que experimenta la tensin suministrada por el generador cuando vara la tensin aplicada al bobinado inductor mediante una fuente de alimentacin externa.

Al igual que en el ensayo anterior, se realizar para tres valores de tensin diferentes y manteniendo constante la velocidad de giro del conjunto. Los valores de tensin a aplicar sern de 5, 15 y 25 voltios, y se deber medir con un polmetro el valor de la tensin

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generada para cada caso, representando posteriormente la curva que muestra la relacin entre ambas magnitudes.

3.3.3 GENERADOR CON CARGA Y EXCITACIN EN PARALELO

En este ltimo ensayo como generador se trata de ver la relacin existente entre la tensin suministrada por el generador y la carga elctrica que se encuentre conectada a la salida del generador.

Este ensayo se realizar con la mquina con excitacin en paralelo o derivacin y manteniendo constante la velocidad de giro del conjunto. Se variar nicamente el valor del restato que se encuentre conectado, midiendo en cada caso los valores de la tensin generada por la mquina y la intensidad que circula por la carga (mediante un voltmetro y un ampermetro). Posteriormente se representar la curva que muestra la relacin entre ambas magnitudes.

3.4 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO COMO MOTOR

El par electromagntico de un motor de CC viene dado por la expresin que ya se conoce:

piTipipmg IKIc2Zp

Ic22

ZPT ===

Para comprobar que el par anterior es funcin de la corriente de inducido y del flujo por polo, se va a estudiar la variacin de dicho par en conexin derivacin y serie.

3.4.1 ESTUDIO DEL PAR MOTOR CON EXCITACIN INDEPENDIENTE

Con el esquema del motor en excitacin independiente se va a realizar el siguiente ensayo:

3.4.1.1 Par Motor Proporcional a la Corriente de Inducido cuando el Flujo por Polo es Constante

Para demostrar esto se va a realizar el siguiente ensayo: Se aplica al motor una tensin de 30 voltios con las dos fuentes de alimentacin, conectndolas una al inductor y la otra al inducido.

La mquina comenzar a girar a un determinado nmero de revoluciones por minuto que sern algo menores que la velocidad nominal (1500 rpm), ya que la tensin aplicada ha sido tambin un poco ms baja. Una vez hecho esto no se volver a tocar la

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alimentacin (esto supone que los distintos ensayos se van realizar a intensidad de excitacin Ie constante).

Posteriormente, con el motor en vaco se va aplicando al motor un par resistente (utilizando el freno), con lo que la velocidad a la que girar la mquina ir cambiando en funcin del par externo que le apliquemos. Se miden entonces la corriente en el inducido, la tensin y la velocidad n. Esto se debe realizar para 3 casos distintos. Bastar con actuar sobre el freno hasta conseguir disminuciones de 15 rpm en la velocidad de la mquina para cada caso. Con los datos obtenidos de los aparatos de medida se pueden calcular las siguientes magnitudes:

Par til: Tu Potencia til: Pu = Tu n Potencia Elctrica Absorbida: PE = V I Rendimiento: = Pu/PE Una vez obtenidos estos valores se proceder a la

representacin de Ii y Tm en una grfica, dando lugar a una recta.

3.4.2 ESTUDIO DEL PAR MOTOR CON EXCITACIN EN SERIE

Se trata de comprobar el gran par de arranque de este tipo de mquinas y cmo afecta la excitacin de la mquina a la velocidad de giro.

Se alimentar la mquina con una corriente de excitacin de unos 5 A y se medirn los valores de velocidad e intensidad en el inducido. Posteriormente se tomarn otros dos casos distintos disminuyendo la corriente de excitacin, y se volvern a tomar las medidas correspondientes. Es muy importante tener en cuenta que para la realizacin de este ensayo los valores a aplicar para la corriente Ie deben estar comprendidos entre 5 y 3 A.

En este ensayo hay que tener mucho cuidado en no disminuir en exceso el par de frenado, pues la velocidad podra ser muy elevada y daar la mquina. Por ello, se recomienda aplicar tensiones pequeas y tener siempre carga en el freno, adems de asegurar siempre un valor conveniente para la excitacin de la mquina.

3.5 ESTUDIO DE LA VELOCIDAD

La velocidad de giro de un motor de Corriente Continua tiene por expresin:

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pE

ii

KIRV

n =

3.5.1 INFLUENCIA DE LA TENSIN DE ALIMENTACIN

Puesto que Ei=V-RiIi, si mantenemos el flujo constante la velocidad depender linealmente de Ei, ya que:

pE

i

KE

n =

Para comprobar este tipo de funcionamiento, se alimentar el motor en conexin independiente y se dejar que gire en vaco. Manteniendo constante la tensin de excitacin, se proceder a variar la tensin de inducido para tres casos distintos y se medirn los valores de la intensidad de inducido Ii y velocidad n en cada caso. Las parejas de valores de tensin y velocidad deben formar una recta.

Para determinar el valor de la corriente de inducido en cada caso en el ensayo, ser necesario colocar un ampermetro, ya que la fuente de alimentacin no es muy precisa en esta prueba para determinar la magnitud de la corriente.

3.5.2 INFLUENCIA DEL FLUJO POR POLO

Segn la expresin anterior, se puede modificar la velocidad de giro, n, modificando el flujo por polo, que depende de los amperios-vuelta del circuito inductor (NeIe, siendo Ne el nmero de espiras del bobinado de inductor).

En el ensayo, variaremos Ie mediante la modificacin de la tensin de excitacin aplicada. Para ello, se alimenta la mquina con excitacin independiente a 30 V y se va disminuyendo la tensin de excitacin tomando para cada caso los valores de corrientes, velocidad de giro y tensiones.

Al disminuir la tensin de excitacin, Ie tambin disminuye, disminuyendo a su vez el flujo p. De la expresin anterior se deduce que, si el flujo es menor, el motor girar ms rpido. Si la carga del motor permanece constante, cada disminucin de Ie (es decir, de p) originar un aumento de n.

Para observar esto, se tomarn 3 valores de Ie, y se medirn los valores de Ii, n y la tensin aplicada.

Tngase en cuenta que al realizar este ensayo es posible que al modificar la velocidad de trabajo del motor se desajuste el freno, por

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lo que deber revisarse para que en todo momento se mantenga el valor del par resistente (conviene empezar con excitacin nominal y no bajar a valores de Ie que provoquen embalamiento excesivo del motor).

MUY IMPORTANTE!! En este ensayo no se debe disminuir la tensin de excitacin por debajo de los 15 V, ya que se produce un embalamiento excesivo de la mquina.

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4 ESQUEMAS EXPERIMENTALES

4.1 MEDIDA DE RESISTENCIAS

Re () Rsh () Ri ()

4.2 ENSAYO DE ROZAMIENTO

Este ensayo no hace falta repetirlo puesto que se realiz en la prctica 2.

4.3 COMPORTAMIENTO COMO GENERADOR

4.3.1 GENERADOR EN VACO Y SIN EXCITACIN

Ei (V) n (rpm)

Representacin de la tensin generada en funcin de n

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4.3.2 GENERADOR EN VACO CON EXCITACIN INDEPENDIENTE

Ei (V) Ve (V)

Representacin de la tensin generada en funcin de Ve

4.3.3 GENERADOR CON CARGA Y EXCITACIN EN PARALELO

Vi (V) Ii (A)

Representacin de la tensin generada en funcin de Ii

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4.4 COMPORTAMIENTO COMO MOTOR

4.4.1 ESTUDIO DEL PAR MOTOR CON EXCITACIN INDEPENDIENTE

MEDIDAS EXPERIMENTALES

Ve (V) Vi (V) Ie (A) Ei (V) Ii (A) n (rpm)

CLCULOS

Tu (Nm) Pu (W) Pmg (W)

Representacin del par en funcin de II

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4.4.2 ESTUDIO DEL PAR MOTOR CON EXCITACIN EN SERIE

MEDIDAS EXPERIMENTALES

Ve (V) Vi (V) Ie (A) Ei (V) Ii (A) n (rpm)

CLCULOS

Tu (Nm) Pu (W) Pmg (W)

Representacin del par (T) en funcin de Ie

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4.5 ESTUDIO DE LA VELOCIDAD

4.5.1 INFLUENCIA DE LA TENSIN DE ALIMENTACIN

MEDIDAS EXPERIMENTALES

Ve (V) Vi (V) Ie (A) Ei (V) Ii (A) n (rpm)

CLCULOS

Tu (Nm) Pu (W) Pmg (W)

Velocidad n (rpm) en funcin de Vi

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4.5.2 INFLUENCIA DEL FLUJO POR POLO

MEDIDAS EXPERIMENTALES

Ve (V) Vi (V) Ie (A) EI (V) Ii (A) n (rpm)

CLCULOS

Tu (Nm) Pu (W) Pmg (W)

Velocidad n(rpm) en funcin de Ie

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5 MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO Para realizar los montajes descritos es suficiente con los

siguientes elementos:

1 Motor de Corriente Continua 1 Motor Asncrono de arrastre del motor de CC 2 Polmetros (1 Ampermetro y 1 Voltmetro) 1 Restato 2 Fuentes de Alimentacin

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6 PAUTAS DE DESARROLLO DE LA PRCTICA Para realizar la prctica y poder evaluar los conocimientos

adquiridos en su desarrollo, es preciso tener en cuenta lo siguiente:

La prctica consiste en realizar los montajes descritos en los apartados previos anotando las indicaciones de los diferentes aparatos de medida en las casillas de las tablas que aparecen en el apartado 4 de este guin. Las casillas sombreadas en color gris que aparecen en las tablas de este guin corresponden a los clculos que hay que realizar con los datos obtenidos experimentalmente, que se colocarn en las casillas en blanco. Asimismo, debern representarse grficamente las curvas que se piden en los recuadros dispuestos en el mismo apartado

La forma de realizar cada ensayo, los resultados experimentales obtenidos y cmo se llevan a cabo los clculos sern la base de las preguntas del examen de laboratorio.

No hay que entregar memoria de la prctica.