Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Elctrica Departamento de Potencia

Alumnos: Quintero C. Karla M. C.I. 18.796.543 Palencia S. Luis G. C.I. 15.670.181

Objetivos: Analizar y Comprender las Partes y circuito equivalente del motor trifsico de induccin

Material Utilizado: Mquina Asincrnica de Jaula de Ardilla Mquina Asincrnica de Rotor devanado Electrodinammetro Vatmetro Trifsico Ampermetro Voltmetro Tacmetro Megger Lmpara Estroboscpica Cables

Marco Terico El motor asncrono o de induccin como generalmente es designado, recibe una sola alimentacin de energa en el estator de la mquina, esto lo diferencia de los dems tipos de motores A.C. y D.C. Desde este punto de vista, podra ser considerado como un motor de excitacin nica, no obstante debe indicarse que en su rotor se induce una tensin de C.A. de frecuencia variable, en forma similar al efecto de induccin magntica que presenta el secundario del transformador, esta accin transformadora presenta al motor de induccin como una mquina de excitacin doble, una en el estator producto de la fuente de alimentacin, otra en el rotor a travs de tensiones inducidas en el mismo. Los motores de induccin pueden ser monofsicos o polifsicos, su diseo depende de la tensin de alimentacin y de la potencia a desarrollar. Existen dos tipos de motores de induccin: Motor Jaula de Ardilla. Motor de Rotor devanado.

Motor Jaula de Ardilla: En el rotor de jaula de ardilla los conductores son barras encajadas en un ncleo magntico, igualmente separadas, ubicadas hacia la periferia del rotor y cortocircuitadas por dos anillos terminales, el nmero de polos del rotor de jaula es siempre igual al nmero de polos con que funciona el estator.1

Motor de Rotor devanado: El rotor devanado o bobinado, tambin denominado de anillos, est provisto de un devanado similar al del estator y deber estar diseado para un nmero de polos igual al nmero de polos del estator. Adems puede estar diseado para tensiones diferentes, sin que cambien con ello, las caractersticas propias del motor. De igual manera puede variar el nmero de fases en el rotor. Los rotores bobinados se devanan con conductores de cobre, colocados en ranuras en nmero diferente a las del estator, con el fin de evitar resonancia en al onda de campo fundamental, o en alguna de sus armnicas; lo cual produce vibraciones indeseables que se traducen en ruido. El devanado rotrico, generalmente se conecta en estrella, los terminales de cada fase se conectan en el exterior a anillos rozantes, aislados entre s y colocados sobre el eje del rotor, esta disposicin permite conectar resistencias variables o fuentes de tensin externas al rotor, con el fin de variar las caractersticas de arranque del motor y tambin las de funcionamiento. Deslizamiento: Fsicamente el deslizamiento puede considerarse como el nmero de revoluciones que pierde el rotor por cada 100 vueltas recorridas por el campo magntico giratorio. El deslizamiento en condiciones nominales de funcionamiento no es superior al 6 %, en vaco toma un valor tan pequeo que puede considerarse despreciable. En el instante de arranque el deslizamiento ser del 100 % (S=1).

Mtodos para determinar el deslizamiento: Mtodo Estroboscpico: Este mtodo es aplicable a todo tipo de motor de induccin y consiste en colocar sobre uno de los extremos del eje, un disco dividido en tanto sectores blancos y negros como polos tenga la mquina. El disco se ilumina con una lmpara fluorescente de gas conectada a la misma red que alimenta el motor. La intensidad luminosa de la lmpara vara al variar la tensin, es decir, que en un perodo pasa dos veces por un mximo haciendo que el dibujo del disco resalte ms. Si el disco girase a la velocidad de sincronismo significa que el mismo recorre en medio perodo una distancia equivalente al paso polar, en consecuencia durante este tiempo cada segmento negro por ejemplo gira hasta la posicin del sector negro precedente, esto produce un efecto ptico que da la sensacin de que el disco2

estuviese quieto. Sin embargo, la velocidad del rotor es menor que la sincrnica, por lo que cada sector no alcanza a llegar al sector precedente en un semiperodo, se presenta as un efecto ptico que da la sensacin de giro lento en sentido contrario al giro del rotor. Contando el nmero de revoluciones con que aparentemente gira el disco en un lapso de tiempo determinado por ejemplo en un minuto, se determina las revoluciones de deslizamiento. nd= nmero de veces que un sector negro o lanco pasa por una referencia en un tiempo determinado y se lleva a r.p.m. (4) Mtodo del Miliampermetro: Generalmente se utiliza en motores de rotor devanado, en el primer caso se conecta un ampermetro de cero central entre uno de los anillos y la resistencia de arranque correspondiente a este anillo. En el instante de arranque se debe proteger el aparato del elevado valor de corriente de arranque y de la oscilacin que se presenta en el mismo, debido a que en ese instante la frecuencia de esta corriente es la frecuencia de la red. En funcionamiento, la frecuencia de la corriente del rotor es baja, por lo que la aguja del ampermetro oscilar lentamente, la medicin de estas oscilaciones en un lapso determinado por ejemplo, en un minuto determinar la frecuencia de la corriente del rotor y con ello el deslizamiento.

Mtodo del Tacmetro: La medida de las revoluciones de deslizamiento puede ser obtenida en forma directa si se dispone de un tacmetro electrnico con precisiones superiores a 1 / 1000. El mtodo consiste en acoplar al eje del motor el tacmetro y medir directamente la velocidad n.

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Esquema y Procedimientos Experiencia 1: Para cada tipo de motor, identifique las partes que lo constituyen y verifique el estado de aislamiento de cada una de las partes. Analice y compare. Para realizar esta parte de la prctica se procedi a identificar las partes de cada motor como lo muestra la figura N 1 para un motor Jaula de ardilla (el rotor, el estator y las barras metlicas que forman la jaula) y la figura N 2 muestra las partes de un motor Rotor devanado (el rotor, el estator, el bobinado, las escobillas y los anillos). Tambin se procede a verificar el estado de aislamiento de cada una de las partes midiendo con un megger la resistencia de aislamiento, los valores obtenidos experimentalmente se muestran en la tabla N1 y N2 respectivamente.

Figura N 1: Partes de un motor Jaula de ardilla

Figura N 2: Partes de un motor de Rotor devanado

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Tabla N1: Medidas de aislamiento de cada parte del motor Jaula de ardilla con respecto a la carcaza Parte de la Resistencia de Aislamiento mquina (M) Entre fases 1-2 Entre fases 2-3 Entre fases 1-3 Rotor y Carcaza

Tabla N2: Medidas de aislamiento de cada parte del motor Jaula de ardilla con respecto a la carcaza Parte de la mquina Resistencia de Aislamiento (M) Bobinado rotrico Bobinado estatrico Entre fases 1-2 Entre fases 2-3 Entre fases 1-3

Observe que para ambos motores las resistencia de aislamiento obtenidas entre cada una de las partes son muy parecidas y de valores grandes que oscilan entre los 50M y 200M lo cual nos indica que ambos motores estn perfectamente aislados, evitando as cualquier cortocircuito entre sus partes.

Experiencia 2: Para cada tipo de motor ajuste la carga hasta obtener las condiciones nominales de funcionamiento. Compare con los datos de placa del motor.Tabla N 3: Datos de placa del motor Jaula de Ardilla Potencia Vn (V) Velocidad nominal (r.p.m.) In (A) F (Hz)

En el laboratorio se procedi a acoplar el motor jaula de ardilla con un electrodinammetro. mediante una correa con la finalidad de ajustar el motor a sus condiciones nominales de funcionamiento, donde se obtuvo los siguientes resultados mostrados en la tabla N 4.Tabla N 4: Valores obtenidos en el laboratorio para el funcionamiento nominal del motor Jaula de Ardilla. Potencia Vn (V) Velocidad nominal In (A) F (Hz) (r.p.m.) 5

Estas condiciones fueron obtenidas para un valor de par T= 12 (Kg-cm), observe que los valores obtenidos son bastantes cercanos a los datos nominales de placa del motor, lo cual nos indica que los 12 (Kg-cm) es el valor mximo de carga; la discrepancia existente entre las velocidades y los voltajes pudo deberse a errores de precisin de los instrumentos utilizados.Tabla N 5: Datos de placa del motor de Rotor Devanado Potencia Vn (V) Velocidad nominal In (A) F (Hz) (r.p.m.)

De igual forma que el caso anterior se acoplo el motor de rotor devanado con un electrodinammetro, para ajustarlo a sus condiciones nominales de funcionamiento, los valores arrojados se muestran en la siguiente tabla N 6.Tabla N 6: Valores obtenidos en el laboratorio para el funcionamiento nominal del motor de Rotor Devanado. Potencia Vn (V) Velocidad nominal In (A) F (Hz) (r.p.m.)

Como es de notar al comparar los datos de placa del motor con los valores arrojados experimentalmente se observa una discrepancia en la velocidad del 5.53% el cual no es un error muy grande, sin embargo la diferencia es notoria, esto puede deberse a errores en los instrumentos utilizados y al desgaste del motor. Los datos obtenidos experimentalmente fueron para un par T=12 (Kg-cm). Experiencia 3: Para cada tipo de motor, determine el deslizamiento, para diferentes condiciones de carga, por los siguientes mtodos: Mtodo Estroboscpico. Mtodo del Miliampermetro. Mtodo del Frecuencmetro de Lengeta. Mtodo del Tacmetro. Analice y compare. - Mtodo Estroboscpico.

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El esquema de conexin utilizado para determinar el deslizamiento mediante el mtodo estroboscpico se muestra en la figura N 3, este esquema es para ambos motores.

Figura N 3: Esquema de conexin para determinar el deslizamiento mediante el mtodo estroboscpico.

Los valores obtenidos mediante este mtodo fueron realizados para condiciones de vacio del motor, ya que con carga era difcil poder observar el nmero de sectores negros o blancos que pasaba por la referencia. En el laboratorio se monta el esquema de conexin, y como el motor utilizado tanto el de Jaula de Ardilla como el de Rotor devanado es de 4 polos, se coloc en el eje del rotor un disco con esa cantidad de sectores negros y blancos, y se cont el nmero de veces que un sector negro pasa por una referencia en 15 seg. para nuestro caso. En las siguientes tablas se muestran los valores obtenidos experimentalmente para el clculo del deslizamiento mediante este mtodo para ambos motores. El deslizamiento es obtenido sustituyendo los valores de las tablas en las ecuaciones (1), (2) y (4) mostradas en el marco terico.Tabla N 7: Medidas para determinar el deslizamiento para un motor Jaula de ardilla por el mtodo estroboscpico. Carga N de veces que un sector Tiempo N de Polos S (%) pasa por referencia (seg.) Vacio Tabla N 8: Medidas para determinar el deslizamiento para un motor de Rotor devanado por el mtodo estroboscpico Carga N de veces que un sector Tiempo N de Polos S (%) pasa por referencia (seg.) Vacio 7

- Mtodo del Miliampermetro. Para determinar el deslizamiento mediante el mtodo del miliampermetro se monta el siguiente esquema de conexin; este mtodo solo se usa para motor de Rotor devanado.

Figura N 4: Esquema de conexin para determinar el deslizamiento mediante el mtodo del miliampermetro.

En el laboratorio se uso un ampermetro por lo tanto no fue necesario abrir o cerrar los swiches 1 y 2, ya que el ampermetro fue conectado de una vez para el arranque, por lo tanto como la frecuencia de la corriente rotrica es pequea cuando el motor est en funcionamiento, la aguja oscila lentamente, entonces se cont el nmero de oscilaciones por segundo para obtener f2, en la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos experimentalmente para diferentes cargas.Tabla N 9: Medidas para determinar el deslizamiento para un motor de Rotor devanado por el mtodo del miliampermetro Carga N de Tiempo (seg.) S (%) oscilaciones

-Mtodo del Tacmetro El esquema de conexin es el que se muestra en la figura N 5, el cual consiste en acoplar el instrumento al eje del motor y tomar la medida que ste arroja. Este mtodo es usado para ambos motores.

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Figura N 5: Esquema de conexin para determinar el deslizamiento mediante el mtodo del tacmetro

En las siguientes tablas se muestran los datos tomados en el laboratorio, es decir la velocidad n a la que gira el motor y mediante las ecuaciones (1) y (7) se obtiene el deslizamiento para ambos motores.Tabla N 10: Medidas para determinar el deslizamiento para un motor de Jaula de Ardilla por el mtodo del tacmetro Carga n (r.p.m.) S (%)

Tabla N 11: Medidas para determinar el deslizamiento para un motor de Rotor devanado por el mtodo del tacmetro Carga n (r.p.m.) S (%)

Con los resultados obtenidos para el clculo del deslizamiento del motor Jaula de ardilla mediante el mtodo estroboscpico y el mtodo del tacmetro se puede hacer una comparacin acerca de lo obtenido, si observa se obtiene que mediante el mtodo estroboscpico el deslizamiento en vacio es del 0.77% y por el tacmetro 1.94% , ambos valores difieren, con lo cual concluimos que el error es notable, y que ste pudo cometerse cundo se llevo a cabo el mtodo estroboscpico ya que se pudieron cometer errores humanos, como de apreciacin, el no ser exacto en el tiempo tomado, entre otros. En cuanto al valor del deslizamiento para el motor de rotor devanado por los tres mtodos calculado los resultados son diferentes, teniendo en cuenta que se pudieron cometer errores humanos, como visibilidad al momento de contar el nmero de oscilaciones o el nmero de sectores negros que pasaba por una referencia, errores de apreciacin y el no ser exactos con el tiempo tomado para cada experiencia. Sin embargo con ello se puede concluir que el9

mtodo ms adecuado y preciso es el mtodo del tacmetro, porque en este hay menor probabilidad de cometer errores que con los dems. Experiencia 4: Para cada tipo de motor obtenga experimentalmente las caracterstica de: Rendimiento vs Par. Cos vs Par Par vs Corriente. Par vs Velocidad. Rendimiento vs Velocidad. Analice, grafique y compare Para realizar esta experiencia, se llena una tabla como las mostradas a continuacin con diferentes valores tomados en el laboratorio de par, corriente, velocidad, factor de potencia y potencia con la finalidad de levantar las curvas caractersticas pedidas. En la tabla N 12 se encuentran los datos del motor Jaula de ardilla y en la tabla N 13 los datos del motor de rotor devanado.

Tabla N 12: Medidas tomadas en el laboratorio de un motor jaula de ardilla para construir las curvas caractersticas del mismo. T (KgI (A) n(r.p.m.) Pent (w) Psal (w) Cos (%) cm) 0 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tabla N 13: Medidas tomadas en el laboratorio de un motor de rotor devanado para construir las curvas caractersticas del mismo. T (KgI (A) n(r.p.m.) Pent (w) Psal (w) Cos (%) cm) 2 4 10

5 6 7 8 9 10 11 12

De acuerdo a los valores obtenidos se grafican mediante matlab las curvas caractersticas pedidas aplicando las siguientes ecuaciones: Potencia de salida:

Introduciendo el valor del par en (Kg-cm)

Rendimiento:

-Motor Jaula de ArdillaCaracteristica vs Par60

50

40

Rendimiento (%)

30

20

10

0

0

2

4

6

8

10

12

Par (Kg-cm)

Figura N 6: Grfico de la curva caracterstica de Rendimiento vs Par del motor Jaula de Ardilla 11

Observe que la curva caracterstica de la figura N 6 refleja el rendimiento vs el par, donde a medida que aumenta el par el rendimiento del motor aumento, obteniendo experimentalmente un rendimiento mximo del motor Jaula de ardilla del 53.61%, este valor de rendimiento es bajo y esto puede deberse al desgaste del motor utilizado. .Motor de Rotor devanadoCaracteristica vs Par48 46 44Rendimiento (%)

42 40 38 36 34 32 30 28 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Par (Kg-cm)

Figura N 7: Grfico de la curva caracterstica de Rendimiento vs Par de un motor de Rotor devanado

En esta grfica obtenida se ve claramente el sentido de crecimiento de la curva caracterstica de rendimiento vs par del motor de rotor devanado, observe que en la grfica se ve un pico el cual corresponde al mximo rendimiento obtenido segn la experiencia realizada en el laboratorio que es de un 46.65% para un par de 8 Kg-cm, de acuerdo a estos valores arrojados podemos decir que el rendimiento de la mquina es bajo y esto se debe a que al transcurrir el tiempo esta ha tenido un desgaste. Realizando una comparacin entre ambos motores, de acuerdo a los valores obtenidos, el motor jaula de ardilla tiene mejor rendimiento que el motor de rotor devanado. -Motor Jaula de Ardilla

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Caracteristica Cos() vs Par0.85 0.8 0.75Factor de potencia Cos()

0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0 2 4 6 8 10 12

Par (Kg-cm)

Figura N 8: Grfico de la curva caracterstica del factor de potencia vs Par del motor jaula de ardilla.

Los valores de factor de potencia son negativos, pero en el grfico se colocaron los mismos de forma positiva, es por ello que hacemos referencia del carcter inductivo del factor de potencia, es decir que la corriente atrasa al voltaje, observe la figura 8 donde se ve que de acuerdo al aumento del factor de potencia aumenta el par, tomando en cuenta que entre ms bajo sea el factor de potencia mayor es la cantidad de corriente que se necesita para mantener una misma cantidad de energa. -Motor de Rotor devanadoCaracteristica Cos() vs Par0.9 0.85 0.8Factor de potencia Cos()

0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Par (Kg-cm)

Figura N 9: Grfico de la curva caracterstica del factor de potencia vs Par del motor de rotor devanado. 13

Note que el grfico mostrado de la curva caracterstica del factor de potencia vs el par para un motor de rotor devanado es una curva creciente que a medida que se aumenta el par, aumenta la calidad del factor de potencia, realizando una comparacin entre ambas grficas de los dos motores se observa que ambas tienen un valor de factor de potencia parecido que oscila alrededor de los 0.8 para un par mximo. -Motor Jaula de ArdillaCaracteristica Par vs Corriente12

10

8Par (Kg-cm)

6

4

2

0

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

Corriente I (A)

Figura N 10: Grfico de la curva caracterstica del Par vs corriente del motor jaula de aridilla.

-Motor de Rotor devanadoCaracteristica Par vs Corriente12 11 10 9

Par (Kg-cm)

8 7 6 5 4 3 2 0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Corriente I (A)

Figura N 11: Grfico de la curva caracterstica del Par vs Corriente del motor de rotor devanado.

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Se puede apreciar que en ambos grficos figuras 10 y 11, que las curvas levantadas son de carcter creciente lo cual nos indica algo esperado que a medida que aumenta el par, obviamente aumenta la corriente, llegando para cada caso hasta el valor de corriente nominal del motor, 1.2 A para el motor jaula de ardilla y 1.3 A para el motor de rotor devanado respectivamente. -Motor Jaula de ArdillaCaracteristica Rendimiento vs Velocidad n60

50

Rendimiento (%)

40

30

20

10

0 1650

1670

1690

1710

1730

1750

1770

1790

1800

Velocidad n (r.p.m)

Figura N 12: Grfico de la curva caracterstica del Rendimiento vs Velocidad del motor jaula de ardilla.

-Motor de Rotor devanadoCaracteristica Rendimiento vs Velocidad n48 46 44Rendimiento (%)

42 40 38 36 34 32 30 28 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700

Velocidad n (r.p.m)

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Figura N 13: Grfico de la curva caracterstica del Rendimiento vs Velocidad del motor de rotor devanado.

A travs de las grficas mostradas de la caracterstica de rendimiento vs velocidad, se puede observar que a medida que la velocidad aumenta el rendimiento disminuye, mantenindose algo estable, es decir sin variar, alrededor de cierto porcentaje de rendimiento y luego cae, ello sucede tanto para el motor jaula de ardilla y el motor de rotor devanado. Este porcentaje del que se habla para el motor jaula de ardilla est entre el 53% y para el motor de rotor devanado est alrededor del 44% del rendimiento del motor, estos valores estn reflejados en la tabla N 12 y 13, obviamente esto sucede porque luego de cierto valor se sale del rango de la velocidad nominal a la cual gira el motor, y ya all su rendimiento no es ptimo.

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Conclusiones De acuerdo a la prctica realizada podemos concluir que se cumplieron los objetivos propuestos, identificando las partes de los motores trifsicos de induccin utilizados, as como tambin determinar mediante diferentes mtodos el deslizamiento, en este sentido se puede decir que con el mtodo del tacmetro se obtienen mejores resultados, ya que con este instrumento no se cometen tantos errores debido a que el mtodo estroboscpico y el mtodo del miliampermetro se cometen errores humanos, errores en tomar el tiempo con exactitud, error de visibilidad entre otros, esto se deriva de comparar entre los mtodos y ver los resultados que difieren uno de los otros; en cuanto al mtodo el frecuencmetro del lengeta, no se llevo a cabo debido a que este instrumento de medicin no se encuentra en el laboratorio. Tambin se puede decir que el mtodo ms recomendable para medir el deslizamiento a plena carga es el tacmetro. Es necesario hacer referencia de los valores obtenidos para el deslizamiento por medio del mtodo del tacmetro, para ambos motores si se hace una comparacin con los valores nominales de deslizamiento a plena carga; en el caso del motor jaula de ardilla, el mximo debera ser 7.22% y en forma experimental ste resulto ser 8.77%, existiendo una discrepancia del 13.13%, de igual forma para el motor de rotor devanado el mximo deslizamiento en forma terica es 16.67% y en forma experimental a plena carga result ser 21.22%, donde el error cometido es del 27.29%, ste error cometido en ambos resultados se debe a errores en el instrumento utilizado y al desgaste de la mquina que no giraba a la velocidad esperada para plena carga. En cuanto a las curvas caractersticas del motor jaula de ardilla y el motor de rotor devanado se obtuvieron los valores esperados, mostrados en las tablas N 12 y 13, donde se observa que para ambos motores a medida que el par aumenta, aumenta la corriente y por ende disminuye la velocidad del motor, as como tambin se observa que el factor de potencia aumenta a medida que el par crece , todo ello es reflejado en los grficos mostrados, donde se observa detalladamente cada curva caracterstica para cada motor.

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