Máquinas Eléctricas

INTRODUCCIÓN

Las máquinas eléctricas corresponden a una de las más importantes

demostraciones de la utilización del electromagnetismo en la vida del hombre. Estas

máquinas tienen la importante función de transformar la energía mecánica en energía

eléctrica y viceversa, de acuerdo a su utilización reciben distintos nombres, Motor

(Energía Eléctrica a Energía Mecánica) o Generador (Energía Mecánica a Energía Eléctrica).

En cuanto a los motores de CC, las principales ventajas que presenta su uso en

aplicaciones de potencia, se sustentan en la facilidad con que puede controlarse su

velocidad, la posibilidad de alcanzar grandes velocidades y los elevados torques de

arranque.

Los motores de C.C. tipo shunt o los de excitación independiente, a corriente de

campo constante, operan con ligeras variaciones de velocidad para aumentos de carga;

por intermedio de la corriente de campo, de la tensión de armadura o de ambos, puede

controlarse la velocidad en un amplio rango. Los motores compound acumulativo tienen

características intermedias entre los dos anteriores y se obtienen esencialmente las

ventajas de uno y de otro.

Por otro lado los generadores de C.C., los que tienen aplicación práctica son los de

excitación independiente, los shunt o auto excitados y los del tipo compound (compuesto)

acumulativo.

El generador C.C. de excitación independiente tiene una característica de tensión

decreciente con la corriente de carga. No obstante, permite un amplio rango de tensiones

de salida controlables con la corriente de excitación y/o con la velocidad.

El generador shunt también tiene una característica de carga decreciente, pero

más acentuada que el anterior, e inestable cuando las corrientes de carga son demasiado

elevadas.

El generador auto excitado compound acumulativo puede producir una

característica de tensión de salida plana, o bien creciente con aumento de carga.

En esta experiencia se ensayará un generador de C.C. de excitación independiente.

En particular se verá el comportamiento del mismo en vacío (curva de magnetización) y

con carga.

MARCO TEORICO

Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en

energía o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo es utilizado para

convertir energía eléctrica en energía mecánica, se denomina motor, cuando es utilizado

para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se denomina generador. Algunos de

los motores eléctricos son reversibles, es decir, pueden convertir energía mecánica en

energía eléctrica, funcionando como un generador.

Puesto que pueden convertir energía mecánica en eléctrica o viceversa, una

máquina eléctrica puede utilizarse como un motor o un generador. Casi todos los motores

o los generadores útiles convierten energía de una a otra forma a través de la acción de un

campo magnético.

Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir

la energía de corriente continua en energía de corriente alterna, o viceversa, en motores y

generadores, para el primero, un conductor que porta corriente en presencia de un

campo magnético experimenta una fuerza inducida sobre él, para el segundo, un

conductor eléctrico que se mueva en presencia de un campo magnético tendrá un voltaje

inducido en él.

Una máquina eléctrica de corriente continua (motor o generador) consta de dos

partes: el estator o parte estacionaria de la máquina y el rotor o parte rotante de la

máquina. La parte estacionaria de la máquina consta de una estructura que proporciona el

soporte físico y las piezas polares, las cuales se proyectan hacia dentro y proveen el

camino para el flujo magnético en la máquina. Los extremos de las piezas polares

cercanos al rotor se extienden hacia afuera, sobre la superficie del rotor, para distribuir el

flujo uniformemente sobre la superficie del rotor. Estos extremos son llamados zapatos

polares. La superficie expuesta de una zapata polar se llama cara polar y la distancia entre

la cara polar y el rotor se llama entrehierro.

En una máquina de corriente continua hay dos devanados principales: los

devanados del inducido (armadura) y los devanados del campo. Los devanados del

inducido están definidos como aquellos en los cuales es inducido el voltaje, y los

devanados del campo están definidos como aquellos que producen el flujo magnética

principal en la máquina. En una máquina de corriente, los devanados del inducido están

localizados en el rotor y los devanados están localizados en el estator. Debido a que los

devanados del inducido están localizados en el rotor, el rotor de una máquina es llamado

a veces armadura.

En la siguiente figura se encuentra el circuito equivalente de un motor, el circuito

del inducido está representado por una fuente ideal de voltaje EA y una resistencia RA,

esta representación es el equivalente Thevenin de la estructura total del rotor, incluidos

las bobinas del rotor, los interpolos y los devanados de compensación, si los hay. La caída

de voltaje en la escobilla está representada por V esc opuesta a la dirección de corriente de

la máquina. Las bobinas de campo que producen el flujo magnético en el generador están

representadas por la inductancia LF, y la resistencia RF. La resistencia separada Radj

representa una resistencia exterior variable utilizada para controlar la cantidad de

corriente en el circuito de campo.

a) Circuito equivalente de un motor. b) Circuito equivalente simplificado de un motor.

En la siguiente figura se encuentra el circuito equivalente de un generador, ambos

son similares a los circuitos equivalentes de un motor, excepto que la dirección del flujo

de corriente y las pérdidas en las escobillas se invierten.

a) Circuito equivalente de un generador. b) Circuito equivalente simplificado de un generador.

Existen cinco tipos principales de motores de corriente continua de uso general:

motor de excitación separada, motor con excitación en derivación, motor de imán

permanente, motor serie y motor compuesto.

Existen cinco tipos principales de generadores de corriente continua de uso

general, clasificados de acuerdo con la manera de producir su flujo de campo: generador

de excitación separada, generador con excitación en derivación, generador en serie,

generador compuesto acumulativo y generador compuesto diferencial.

PROCEDIMIENTO

Primera Parte

Se realiza el montaje del motor y generador como se ve en el circuito mostrado.

=Amperímetro.

=voltímetro.

Vf= voltaje del campo

Rf= resistencia del campo

Lf = inductancia del campo

Motor de inducción

Eg = Generador

Se variara la resistencia del campo para ver la tensión generada por la variación del

campo tomando 14 lecturas y generando la curva de magnetización.

A

V

Segunda Parte

Para la segunda parte se realiza el montaje adicional agregando una carga y un

amperímetro según el circuito mostrado.

Se varía la carga para ver como cae la tensión con respecto a la carga tomando 7 lecturas

del mismo y generando la curva de caída de tensión

RESULTADOS

Datos del primer montaje en donde aumentábamos la corriente de campo para observar

como variaba la tensión producida por el generador.

If V

0,00 11,00

0,06 28,00

0,12 63,00

0,20 100,00

0,28 139,00

0,32 170,00

0,42 196,00

0,48 214,00

0,54 228,00

0,60 239,00

0,68 250,00

0,74 258,00

0,80 264,00

0,90 270,00

Datos del segundo montaje en donde aumentábamos la carga al generador para observar

como se ve afectada la tensión producida por el mismo,

Il V

0,00 220

0,30 218

0,40 216

0,60 212

0,90 208

1,55 197

2,10 186

ANÁLISIS DE RESULTADOS

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.000.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

Curva de Magnetizacion

V

Corriente de Campo

Tens

ion

Prod

ucid

a

En el grafico se observa la curva de magnetización, que no es más que delinear la

corriente del campo y la tensión generada, analizando dicha grafica así como los datos nos

damos cuenta de que a pesar de tener una corriente de campo Igual a 0 hay una tensión

producida esto debido a las cargas remanentes, otro factor a tener en cuenta es que se

observan claramente las 3 zonas de la curva de magnetización que son la zona reversible

esto quiere decir que si retiramos el campo la densidad de flujo también desaparece, esta

zona esta delimitada hasta donde la corriente de campo tiene un valor de 0.12A, de este

valor a 0.7A tenemos la zona irreversible y de 0.7ª en adelante tenemos la zona de

saturación.

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50160

170

180

190

200

210

220

230

Caida de Tension Por Carga

V

Corriente de Linea

Tens

ion

Prod

ucid

a

En este grafico observamos como la tensión va disminuyendo a medida que aumenta la

corriente de línea esto es lógico ya que la potencia (P=V*I) generada es la misma, esto nos

da confirma que la corriente de línea es inversamente proporcional a la tensión producida

(I=P/V).

CONCLUCIONES

Al iniciar esta práctica encontramos que energizando el sistema, es decir dando las

condiciones iniciales de 0 A, el voltaje para ese momento es de 11 V en el inducido, esto

se debe al flujo remanente que se generó en los polos del generador esto ocurre por la

histéresis magnética del material de los polos del generador, este fenómeno permite al

material conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado,

esto importante al momento de diseñar motores, dado que con este remanente se puede

par mecánico.

En principio se determinó la relación de corriente y voltaje, al ir aumentado

progresivamente la corriente, el voltaje aumentaba casi linealmente en el primer

régimen, posteriormente al llegar al voltaje nominal, se comenzó a saturar el sistema, y

los cambios de voltaje a medida que se aumentaba la corriente, eran menores,

concluyendo que el sistema se encontraba ya en régimen de saturación, es importante

conocer el valor nominal que puede alcanzar , ya que permite establecer las mediadas

máximas a la cuales puede ser sometido el equipo sin que sufra daños permanentes. El

fenómeno anterior se debe a que dentro del nucleó de hierro, hay pequeñas regiones

llamadas dominós magnéticos, cuando aplicamos un campo magnético externo al hierro,

lo dominios orientados con el campo exterior crecen y al orientarse con el campo

magnético, se incrementa el flujo magnético en el hierro, cuando todo los dominios el

núcleo del hierro está saturado con el flujo, por lo que el campo magnético no crece.

Pudimos apreciar en el segunda parte que al energizar el sistema, el voltaje se

encuentra a un valor nominal o constante de 220 V con una corriente de 0 A, esto se debe

a que la corriente de excitación y el flujo son constantes el voltaje que se aprecia es el

voltaje inducido Eg, esto se debe a que no posee carga, y la caída de voltaje en la

resistencia en la armadura es cero, al conectar un carga la corriente resultante a través

de la resistencia(carga) ocasiona que la diferencia de voltaje entre lo terminales es menor

al inducido por Eg, al ir amentado la carga este voltaje ira disminuyendo gradualmente.

RECOMENDACIONES

Se debe realizar un proceso de chequeo y revisión del cableado utilizado en

laboratorio, ya que muchos de ellos no poseen los conectores utilizados. Establecer una

planificación de mantenimiento y revisión de los equipos utilizados, con la finalidad de

mantener el funcionamiento de los mismos.

Algunas recomendaciones que el alumno deberá tener en cuenta cuando proceda

al montaje del circuito en el laboratorio para comprobar físicamente su correcto

funcionamiento son las siguientes:

- Elegir para cada conexión el cable más adecuado: aquel que no sea mucho más largo de

lo que se necesita.

- Marcar las conexiones sobre el esquema como ya realizadas a medida que se vayan

realizando.

De este modo no se olvidará ninguna.