Prctica 2

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Prctica 6Operacin con carga de un generador de cd. 6.1 Objetivo.Realizar un ensayo de laboratorio para analizar el comportamiento de un generador de cd autoexcitado que opera con distintos niveles de carga y velocidad constante.6.2 Introduccin.6.2.1 Obtencin de una tensin inducida en un generador autoexcitado.Un generador de cd opera con un campo magntico inicial proporcionado por los polos magnticos del estator. La accin de este campo sobre el devanado de armadura produce la tensin generada que convierte al generador en una fuente elctrica [1][2][3].

Cuando el circuito magntico posee un flujo residual, es posible comenzar un proceso realimentado que en forma escalonada eleva el valor de la tensin inducida hasta alcanzar un punto de operacin estable.

Analcese la operacin del circuito mostrado en la figura 6.1, considerando que el flujo magntico residual produce un efecto igual que una pequea corriente de campo en la direccin mostrada en la citada Fig. 6.1. Si un primomotor hace girar al rotor de un generador de cd, un pequeo campo magntico produce una tensin inducida presente en las terminales del circuito de armadura.

Figura 6.1 Generador de cd en conexin autoexcitado (en paralelo).Al considerar que la resistencia que representa el circuito de armadura () es muy pequea, podemos despreciar sus efectos y la tensin generada es la prcticamente igual que la tensin (voltaje) en las terminales de la armadura.

En una grfica tensin contra intensidad de corriente de campo correspondiente a una mquina de cd (Figura 6.2) es posible visualizar que an cuando la intensidad de corriente es cero, existe un valor de tensin inducida mayor que cero gracias al efecto del flujo residual. En esta misma grfica (Figura 6.2) se muestra la recta que representa la resistencia caracterstica del circuito de campo conectado a la tensin de terminales de armadura, donde

(6.1)Inicialmente, entonces, cuando la mquina gira por accin de un primomotor, se induce una tensin en el circuito de armadura que prcticamente es igual que el voltaje de terminales . El voltaje de terminales produce una intensidad de corriente inicial sobre el circuito de campo. La corriente de campo inicial produce un aumento en el valor de la tensin generada en la armadura. El aumento de la tensin generada produce un nuevo incremento del voltaje de terminales . Un nuevo incremento de produce otro paso incremental para . Este proceso cclico contina hasta que se intersectan las dos caractersticas: la curva de tensin inducida en el circuito de armadura () y la recta de carga del circuito de campo ().

Figura 6.2 Proceso de obtencin de tensin inducida en un generador de cd autoexcitado.Cuando la inclinacin de la curva del circuito de campo () es modificada mediante ajustes en el valor de , el punto de interseccin de las curvas se modifica y por tanto, el valor del voltaje de terminales en vaco de la mquina puede controlarse mediante el desplazamiento del cursor de .Una vez ajustado el valor de voltaje de terminales en vaco y manteniendo la velocidad de giro constante, es posible determinar la caracterstica voltaje de terminales () contra nivel de carga () para el generador autoexcitado si se le somete a diferentes regmenes de carga, registrando y graficando la medida de las parejas de valores resultantes (ver Fig. 6.3).

Figura 6.3 Caracterstica de operacin de un generador de cd autoexcitado con carga.6.2.2 Comparacin operativa entre diferentes conexiones de un generador de cd.Cuando una misma mquina de cd que opera como generador se conecta en diferentes configuraciones (excitacin separada, paralelo, serie o compuesto acumulativo), su caracterstica de operacin en condiciones de carga cambia. Una grfica resumen de tales caractersticas [2] se presenta en la Fig. 6.4, donde todas las caractersticas convergen en el punto de operacin en condiciones nominales (de diseo) de la mquina, es decir, voltaje de terminales e intensidad de corriente de armadura nominales.El generador con excitacin separada muestra la caracterstica de operacin ms plana dada la independencia entre el circuito de campo y el de armadura. Se requiere ajustar su voltaje en vaco un poco por encima del valor nominal para que su cada logre ajustarse las condiciones de carga nominal.

Para el caso del generador autoexcitado en paralelo, se observa una caracterstica con pendiente pronunciada, de tal manera que se requiere un aumento considerable del ajuste de voltaje en vaco respecto del punto de operacin en condiciones nominales.

En un generador serie, dado que la corriente de campo es la misma que la corriente de armadura, la mquina debe construirse para alcanzar su punto de operacin nominal de voltaje y corriente de carga. Si la mquina opera sin carga, la corriente de campo es nula y el voltaje tambin estar abatido.Por ultimo, se observa que para la conexin compuesto acumulativo el ajuste para carga nula se encuentra cerca del valor de voltaje nominal porque el efecto de compensacin del devanado serie incrementa el valor de la fuerza de campo resultante en condiciones de carga. Si el voltaje en vaco tiene el mismo valor que el voltaje de terminales con carga nominal, se dice que el generador tiene una operacin plana.

Figura 6.4 Caractersticas de operacin de un generador de cd de acuerdo con su tipo de conexin.

6.3 Correlacin con los temas y subtemas del programa vigente.

Los conceptos de aplicacin contenidos en esta prctica se refieren directamente a los subtemas del programa de la asignatura Mquinas Elctricas (AEF-1040):

UnidadTemasSubtemas

3Motores y Generadores de

Corriente directa3.1 Fuerza electromotriz inducida

3.2 Anlisis del circuito equivalente

3.3 Tipos de generadores (excitacin separada, derivacin, serie y compuesto).3.4 Motores de corriente directa. Fuerza contraelectromotriz.

3.5 Tipos de motores (derivacin, excitacin separada, serie y compuesto).3.6 Caractersticas de los motores de corriente directa.

3.7 Puesta en marcha de motores de corriente directa.

3.8 Frenado dinmico. Par y eficiencia.

6.4 Material y equipo.

Fuente de poder con salida trifsica de 208 Vca entre lneas (fija o variable).

Fuente de poder de cd de 120 Vcd . Multmetro digital (dos). Autotransformador trifsico con tensin de salida ajustable para alimentar un motor trifsico de induccin usado como primomotor.

Tacmetro digital (o analgico).

Ampermetro de cd y voltmetro de cd analgicos (si los hay disponibles).

Restato con resistencia mayor o igual que 100 ( y capacidad de corriente mayor o igual que 1 A. Interruptor de un polo un tiro.

Arreglo de carga de magnitud variable (restatos de alta corriente o lmparas incandescentes).

Cables de conexin.

Pinzas de electricista, desarmadores plano y Philips. Motor de induccin trifsico de 208VLL, de potencia mayor o igual que 2 hp.

Mquina de cd de potencia menor o igual que 2 hp.

Nota: El tamao de las mquinas, as como sus fuentes de poder y sus sistemas de control pueden variar, de acuerdo con el equipo disponible en el laboratorio de pruebas.

6.5 Metodologa.6.5.1 Diagrama de conexiones del primomotor.

Una manera de controlar la velocidad de un motor de induccin trifsico con carga acoplada en su flecha consiste en controlar la tensin de alimentacin. Si no se cuenta con una fuente de alimentacin variable, se puede conectar un autotransformador trifsico entre la fuente y el motor (Fig. 6.5).La velocidad de la prueba puede ajustarse a un valor menor que la velocidad nominal del generador de cd de modo que la velocidad pueda mantenerse en el sistema cuando la intensidad de corriente de campo es incrementada. Se recomienda que el campo del motor sea conectado en delta.

Figura 6.5 Conexin de un motor a travs de un autotransformador.6.5.2 Diagrama de conexiones del generador autoexcitado en paralelo y obtencin de una curva de carga.Armar el circuito de la Fig. 6.1 considerando cuidadosamente las escalas y polaridades de los dos aparatos de medicin elctrica. Conectar tambin en forma conveniente el tacmetro.Arrancar el motor de induccin con el generador acoplado. Ajustar la velocidad de giro y mantenerla constante durante toda la prueba. Antes de conectar el circuito de campo paralelo (al cerrar el interruptor) tomar la medida de la tensin inducida cuando la intensidad de corriente de campo es igual que cero. Registrar dicho valor en la tabla 6.1.Conectar el circuito de campo paralelo cerrando el interruptor y habiendo asegurado que el cursor del restato se encuentra inicialmente en la posicin de mxima resistencia. Recordar que si el voltaje de terminales del generador no se incrementa al conectar el circuito de campo, es indicativo que el flujo residual tiene polaridad opuesta a la conveniente para iniciar el proceso de crecimiento realimentado y se requiere intercambiar las puntas del arrollamiento de campo. Tabla 6.1 Lecturas para la obtencin de la curva de carga de un generador de cd.

Velocidad (r/min) (A) (V)

17000.0

A continuacin, ajustar el restato de campo hasta alcanzar el valor nominal de la corriente de campo o alcanzar un voltaje de terminales en vaco de al menos 130% de su valor nominal. Una vez alcanzado el estado estacionario y a travs de un ampermetro de cd, aplicar un arreglo de carga que produzca el menor nivel de intensidad de corriente posible con los resistores de prueba disponibles (la menor corriente de carga se logra conectando todos los dispositivos en un circuito serie).Un circuito de carga resistiva puede fabricarse construyendo un mdulo de carga en la forma que se describe con ayuda de la Fig. 6.6. El arreglo se construye con cuatro lmparas incandescentes, cinco interruptores de palanquita de doble tiro simple polo (de tres posiciones), dos bornes de conexin y cable calibre 12.

Figura 6.6 Arreglo de lmparas incandescentes para una fase de carga variable.

Cuando se requiere que la carga sea la ms ligera, si el interruptor 1 se conecta al conductor superior (1), el interruptor 5 se conecta al conductor inferior (2) y los interruptores 2, 3 y 4 se encuentran desconectados, el arreglo corresponde a un circuito serie de cuatro lmparas.

Para el segundo nivel de carga, el interruptor 1 debe estar desconectado, al igual que los interruptores 3 y 4, el interruptor 2 debe conectarse al conductor superior (1) y el interruptor 5 debe conectarse al conductor inferior (2), con lo cual se obtiene un arreglo de tres lmparas en serie.

En seguida, aumentar gradualmente el nivel de carga, primero reduciendo el nmero de resistores en serie y despus cambiando el arreglo de resistores a una conexin en paralelo. Por ejemplo, si se dispone de cuatro lmparas incandescentes, los distintos pasos de carga seran: 1. Cuatro lmparas en serie, 2. Tres lmparas en serie, 3. Dos lmparas en serie, 4. Una lmpara. 5. Dos lmparas en paralelo, 6. Tres lmparas en paralelo, 7. Cuatro lmparas en paralelo. Registrar los resultados obtenidos en la tabla 6.2.Tabla 6.2 Lecturas para la obtencin de la curva de carga de un generador de cd autoexcitado en paralelo.

Lmparas en serie (A) (V)

4

3

2

Lmparas en paralelo (A) (V)

1

2

3

4

Desconectar todo el montaje. Con los datos de la tabla 6.2, dibujar en forma aproximada la caracterstica voltaje de terminales contra nivel de carga para el generador bajo ensayo.

Emitir conclusiones basadas en los resultados obtenidos.

6.5.3 Generador autoexcitado en configuracin compuesto acumulativo y obtencin de una curva de carga.

Como ejemplo de comparacin, es posible repetir el ensayo con una configuracin diferente, generador autoexcitado compuesto acumulativo [2]. Armar el circuito de la Fig. 6.7. Observar que la conexin del devanado serie se realice de manera que la corriente que circula por este devanado produzca una fuerza de campo en la misma direccin del campo principal (paralelo). Si la reduccin en el voltaje de terminales es mayor que para el generador compuesto que la reduccin observada en configuracin paralelo ante el primer paso de nivel de carga, es necesario invertir las puntas del devanado de campo serie.Arrancar el motor de induccin con el generador acoplado. Ajustar la velocidad de giro y mantenerla constante durante toda la prueba. Antes de conectar el circuito de campo paralelo (al cerrar el interruptor) tomar la medida de la tensin inducida cuando la intensidad de corriente de campo es igual que cero. Registrar dicho valor en la tabla 6.3.

Conectar el circuito de campo paralelo cerrando el interruptor y habiendo asegurado que el cursor del restato se encuentra inicialmente en la posicin de mxima resistencia. Recordar que si el voltaje de terminales del generador no se incrementa al conectar el circuito de campo, es indicativo que el flujo residual tiene polaridad opuesta a la conveniente para iniciar el proceso de crecimiento realimentado y se requiere intercambiar las puntas del arrollamiento de campo.

Figura 6.7 Generador de cd en conexin autoexcitado (compuesto acumulativo).

Tabla 6.3 Lecturas para la obtencin de la curva de magnetizacin de un generador de cd compuesto acumulativo.

Velocidad (r/min) (A) (V)

17000.0

A continuacin, ajustar el restato de campo hasta alcanzar el valor nominal de la corriente de campo o alcanzar un voltaje de terminales en vaco de al menos 130% de su valor nominal. Una vez alcanzado el estado estacionario y a travs de un ampermetro de cd, aplicar un arreglo de carga que produzca el menor nivel de intensidad de corriente posible con los resistores de prueba disponibles (la menor corriente de carga se logra conectando todos los dispositivos en un circuito serie). En este punto observar que la disminucin del voltaje sea menos brusca que en la conexin paralelo para asegurar que la configuracin sea acumulativa y no diferencial.

En seguida, aumentar gradualmente el nivel de carga, primero reduciendo el nmero de resistores en serie y despus cambiando el arreglo de resistores a una conexin en paralelo. Por ejemplo, si se dispone de cuatro lmparas incandescentes, los distintos pasos de carga seran: 1. Cuatro lmparas en serie, 2. Tres lmparas en serie, 3. Dos lmparas en serie, 4. Una lmpara. 5. Dos lmparas en paralelo, 6. Tres lmparas en paralelo, 7. Cuatro lmparas en paralelo. Registrar los resultados obtenidos en la tabla 6.4.

Desconectar todo el montaje. Con los datos de la tabla 6.4, dibujar en forma aproximada la caracterstica voltaje de terminales contra nivel de carga para el generador bajo ensayo.

Tabla 6.4 Lecturas para la obtencin de la curva de carga de un generador de cd autoexcitado en configuracin compuesto acumulativo.

Lmparas en serie (A) (V)

4

3

2

Lmparas en paralelo (A) (V)

1

2

3

4

Emitir conclusiones basadas en los resultados obtenidos.

6.6 Sugerencias didcticas.

El profesor debe revisar el material y equipo disponible en el laboratorio para ajustar el circuito de alimentacin y control antes de realizar el ensayo para trabajar cerca de los valores nominales.

El profesor supervisa y aclara dudas en la realizacin de actividades, no las realiza.

El ensayo puede realizarse en pequeos grupos de hasta ocho participantes. Asegurar que el equipo realiza registro de datos durante el ensayo. Puede usarse una fuente de energa de ca variable o un dispositivo variador de frecuencia en lugar de un autotransformador ajustable.

El profesor debe preparar el circuito de carga haciendo uso del material disponible en el laboratorio o el circuito de carga puede instrumentarse con dispositivos consumibles encargados al grupo antes de realizar la prctica.

Se recomienda que el alumno lea cuidadosamente el manual de esta prctica antes de su realizacin. Tomar en cuenta las indicaciones de seguridad para el equipo y para los participantes.

El tiempo esperado para la prueba es 2 h. Un reporte escrito se entrega una semana despus de realizado el ensayo.6.7 Reporte del alumno.

El reporte solicitado al alumno deber incluir los siguientes apartados:

Nmero y nombre de la prctica.

Objetivo.

Marco terico.

Material y equipo.

Mtodo y desarrollo de la prctica (incluyendo tablas y grficas).

Conclusiones y recomendaciones.

Obras consultadas.

6.8 Bibliografa preliminar.[1] Chapman Stephen J. (2003). Mquinas Elctricas. 3/e. McGraw-Hill. Mxico.[2] Fitgerald A.E., Kingsley Charles Jr., Umans Stephen D. (2003). Electric Machinery. 6/e. McGraw-Hill. USA.[3] Krause Paul C., Wasynczuk Oleg, Sudhoff Scott D. (2002). Analisys of Electric Machinery and drive systems. 2/e. IEEE PRESS & Wiley-Interscience. USA.

1

2

1

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

2

1

5

4

4

3

3

2

EMBED Equation.3

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EMBED Equation.3

Serie

Compuesto acumulativo

Excitacin separada

Paralelo

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 V

A

EMBED Equation.3

+

EMBED Equation.3

-

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

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EMBED Equation.3

M

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 ,

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EMBED Equation.3 V

A

+

EMBED Equation.3

-

EMBED Equation.3

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EMBED Equation.3

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