Pre informe N 4 de Maquinas Electricas

Mquinas de Corriente Continua.

Generador Autoexitado y Motor en
Derivacin























OBJETIVOS.
Observar y analizar las caractersticas constructivas de una mquina de corriente
continua.
Familiarizarse y comprender la informacin obtenida en su placa de datos.
Visualizar el comportamiento del motor de corriente continua en derivacin con
carga y la regulacin de velocidad.
Visualizar el comportamiento del generador de corriente continua autoexcitado con
carga y la regulacin de voltaje.



Base terica

Para realizar este laboratorio es necesario tener algunos conocimientos previos como:
El funcionamiento de un generador de corriente continua se reduce siempre al principio de
la bobina giratoria dentro de un campo magntico. Si una armadura gira entre dos polos
magnticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada
revolucin, y en el otro sentido durante la otra mitad.
Generador con excitacin independiente
En este tipo de generador, la tensin en
los bornes es casi independiente de la
carga de la mquina y de su velocidad,
ya que la tensin se puede regular por
medio del restato de campo, aunque
naturalmente, dentro de ciertos lmites,
porque la excitacin del campo inductor
no puede aumentar ms all de lo que
permite la saturacin.

Curva de excitacin en vaco
Ventajas del motor de corriente continua:
Amplio rango de variacin de velocidad.
Baja relacin peso/potencia
Alta eficiencia
Bajo nivel de ruido
Bajo momento de inercia
Alta capacidad en cargas dinmicas
Alta resistencia a vibraciones
ptima calidad de conmutacin


Motor en derivacin: Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no
disminuye ms que ligeramente cuando el par aumenta. En los motores de corriente
continua y especialmente los de velocidad prcticamente constante, como los shunt, la
variacin de velocidad producida cuando funciona en carga y en vaco da una base de
criterio para definir sus caractersticas de funcionamiento.
Tambin llamado El motor shunt o motor de excitacin en paralelo es un motor elctrico
de corriente continua cuyo bobinado inductor principal est conectado en derivacin o
paralelo con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar.
Al igual que en los dinamos shunt, las bobinas principales estn constituidas por muchas
espiras y con hilo de poca seccin, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal
es muy grande.
En el instante del arranque, el par motor que se desarrolla es menor que el de un motor
serie. Al disminuir la intensidad absorbida, el rgimen de giro apenas sufre variacin.
El par de arranque del motor shunt tambin es mayor que el momento de rotacin nominal,
opera sin llegar a ser tan elevado como el motor serie, ya que aqu solamente crece la
corriente en el inducido mientras que se mantiene constante el flujo (por ser constante la
corriente de excitacin).En consecuencia, el par de arranque viene a ser 1,4 a 1,8 veces el
par nominal.











Trabajo de laboratorio

1. Observe aspectos constructivos de la maquina a ensayar y registre los datos de
placa. Mida resistencias de campo y de armadura





Placa de Datos:
Como Generador:
kW F.L. RPM F.L. AMPS. VOLTS
2 1750 16 125
MODEL N M-253AS-DBP
SERIAL N 370-093-222 253A FRAME
TYPE M-1607 1.0 SERVICE FACTOR
ENCLOUSURE OPEN 0.85 FIELD AMPS.
C RISE 60 125 FIELD VOLTS
TIME DUTY OVERLOAD
AMB C 40 OVERLOAT DUTY
WINDING SHUNT OVERLOAD C RISE
BEARING FRONT
END
6207-2 RS 6209-2 RS BEARING SHAFT END
TAMPER
D.C. GENERATOR

Como Motor:
HP RPM F.L. AMPS. VOLTS
3 1750 23 125
MODEL N M-253AS-DBP
SERIAL N 370-093-222 253A FRAME
TYPE M-1607 1.0 SERVICE FACTOR
ENCLOUSURE OPEN 0.76 FIELD AMPS.
C RISE 60 125 FIELD VOLTS
TIME DUTY 6209-2 RS BEARING SHAFT END
AMB C 40 6207-2 RS BEARING FRONT END
TAMPER
D.C. MOTOR


Caractersticas fsicas:
Consta principalmente de un estator y rotor
1- El estator se compone principalmente de:
Carcasa: construido de hierro fundido y cumple funciones mecnicas, sostener el yugo,
soportar el rotor mediante cojinetes y fijar la maquina sobre una plataforma tres ruedas (en
el caso de las maquinas del laboratorio).
Yugo: cierra la trayectoria del flujo magntico por el estator.
Aislamiento: evita el cortocircuito ante espiras de las bobinas y asla el devanado del
fierro. Es la parte ms dbil de la mquina.
Rotor: parte rotatoria, slidamente unida al eje, forma parte del circuito magntico y lleva
el devanado del rotor.
Frente de la placa de datos de la maquina cc consta de un tablero el cual facilita las
conexin de, el deja una conexin sin margen de error.
Adems contiene de un pequeo brazo metlico perpendicular al eje del rotor de la mquina
que nos permite medir torque.



Caractersticas elctricas:
1- Devanado de inducido (o de armadura):
Conjunto de bobinas donde se induce una fem, en donde se produce la fuerza, Est ubicada
en el rotor. Puede ser alimentado por medio de una fuente externa de voltaje continuo o por
medio de la conexin en derivacin.
2- Devanado de campo (o de excitacin).
Conjunto de bobinas encargadas de proporcionar la f.m.m que produce el flujo magntico,
est ubicado en el estator. Tambin consta de devanado de campo y compensacin,
interpolo, polos principales, devanado de inducido, un sistema de conmutacin, que permite
un adecuado funcionamiento de la mquina, as proporcionar un rendimiento de la maquina
lo mejor posible, sin muchas prdidas.


Datos de placa:
kW: Potencia en el eje cuando se utiliza como generador.
HP: La potencia nominal (hp) es la que entrega el motor en su eje cuando se aplica voltaje
y frecuencia nominales en los terminales del motor, con un factor de servicio de 1.0.
F.L. RPM: Es la velocidad de rotacin (rpm) del eje del motor cuando se entrega la
potencia nominal a la mquina impulsada, con el voltaje y la frecuencia nominales
aplicados a las terminales del motor (velocidad nominal).
F.L. AMPS.: Indica la intensidad de la corriente que toma el motor al voltaje y frecuencia
nominales, cuando funciona a plena carga (corriente nominal).
Volts: Valor de la tensin de diseo del motor, que debe ser medida en los terminales del
motor, y no la de la lnea.
Model N: Es el modelo de la Mquina.
Serial N: Es el nmero exclusivo de cada motor o diseo para su identificacin, en caso
de que sea necesario ponerse en comunicacin con el fabricante o se requiera un cambio de
equipo con la misma caracterstica.
TYPE: Combinacin de letras, nmeros o ambos, seleccionados por el fabricante para
identificar el tipo de carcasa y de cualquier modificacin importante en ella. Es necesario
tener el sistema de claves del fabricante para entender este dato.
Enclousure: Es el tipo de carcasa de la Mquina. OPEN corresponde a que posee aberturas
de ventilacin que permiten el paso del aire exterior sobre y alrededor de las bobinas.
C Rise: Incremento de temperatura por sobre la ambiental.
Amb C: Es la temperatura ambiente mxima (C) a la cual el motor puede desarrollar su
potencia nominal sin peligro. En el caso de ser mayor la temperatura ocasionara un mal
funcionamiento del motor
Winding: Tipo de conexin del devanado de campo. En este caso es shunt, que quiere decir
que la mquina puede ser conectada como generador con excitacin en paralelo.
Bearing front end: Se refiere al descanso (rodamiento) del lado libre.
El valor 6209-2 RS corresponde a descansos de dimensiones envolventes de: 45x85x19.
Bearing shaft end: Se refiere a las caractersticas de descanso del lado del acoplamiento.
El valor 6207-2 RS corresponde a descansos de dimensiones envolventes de: 35x72x17.
Frame: La designacin del tamao de la armazn es para identificar las dimensiones del
motor. Si se trata de una armazn normalizada por la NEMA o IEC incluye las dimensiones
para montaje (que indica la MG1), con lo cual no se requieren los dibujos de fbrica.
Service Factor: Los factores de servicio ms comunes son de 1.0 a 1.15. Un factor de 1.0
significa que no debe demandarse que el motor entregue ms potencia que la nominal, si se
quiere evitar dao al aislamiento. Con uno de 1.15 (o cualquiera mayor de 1.0), el motor
puede hacerse trabajar hasta una potencia igual a la nominal multiplicada por el factor de
servicio sin que ocurran daos al sistema de aislamiento. Sin embargo, debe tenerse
presente que el funcionamiento continuo dentro del intervalo del factor de servicio har que
se reduzca la duracin esperada del sistema de aislamiento. .
Field amps.: Corriente de campo de la mquina.
Field volts: Voltaje de campo de la mquina.



Resistencia en los Devanados:
Medicin
Resistencia de Campo 113 ()
Resistencia de Armadura 0.6 ()
Interpolos 0.1 ()









2.- Obtenga las caractersticas en vaco(a velocidad nominal) Usando como impulsor una
mquina basculante de c.c registre adems momentos en el eje sin excitacin y con
excitacin nominal.



Tabla de Datos:
Varmadura
42,3 77,5 93,5 110 122 127 139
Icampo
0,2 0,4 0,5 0,6 0,76 0,85 1.0






3.- Mediante un osciloscopio observe la forma de onda de la tensin inducida en la bobina
exploratoria de la mquina, con excitacin normal







4.- Conecte la mquina con excitacin en derivacin y verifique las condiciones para la
operacin como generador auto excitado. Registr tensin en terminales en vaco y con
corriente nominal, cuidando mantener en el eje la velocidad nominal.
kg-pie N-m
Torque s/ excitacin 0 0
Torque c/excitacin 0,145 0,426

Mquina con excitacin en derivacin, verificando condiciones para que opere como
generador autoexitado




















Tabla de Datos:








Voltmetro (V)
Ampermetro
(A)
Vaco 150 0
50% I
nominal


142 8,1
100% I
nominal


133 15,8







5.- Ponga en la mquina en servicio como motor en derivacin, alimentando la tensin fija
y con arrancador de c.c. Registr variables elctricas y en el eje en vaco y a plena carga, a
tensin de armadura y corriente de campo nominales.





Voltmetro
(V)
Ampermetro (A)
Velocidad
(rpm)
Torque kg-
pie
Torque N-m
En vaco 125 2,9 1490 0 0
50 % I
nominal
125 11,5 1403 1,98 5,83
100% I
nominal
125 22,9 1302 4,85 14,27

Preguntas y Desarrollo


Indicar las caractersticas constructivas de la mquina de corriente continua.

La mquina de docencia que se encuentran en el laboratorio, est montado sobre una base
metlica con ruedas para un mejor desplazamiento por el lugar.
La estructura del motor tambin es metlica y su forma es cilndrica cuyas dimensiones son
de aproximadamente 80 cm de largo por 30 cm de dimetro con abertura que deja al
descubierto las escobillas y el devanado del estator. Adems presenta un tablero al costado
en donde se pueden realizar las conexiones y el brazo, que est dispuesto para medir el
momento de la mquina.

Indicar los datos de placa aclarando aquellos no autoexplicativos.

kW: Potencia en el eje cuando se utiliza como generador.
HP: La potencia nominal (hp) es la que desarrolla el motor en su eje cuando se
aplican el voltaje y frecuencia nominales en las terminales del motor, con un factor de
servicio de 1.0.
F.L. RPM: Es la velocidad de rotacin (rpm) del eje del motor cuando se entrega
la potencia nominal a la mquina impulsada, con el voltaje y la frecuencia nominales
aplicados a las terminales del motor (velocidad nominal).
F.L. AMPS.: Indica la intensidad de la corriente que toma el motor al voltaje y
frecuencia nominales, cuando funciona a plena carga (corriente nominal).
Volts: Valor de la tensin de diseo del motor, que debe ser medida en las
terminales del motor, y no la de la lnea.
Model N: Es el modelo de la Mquina.
Serial N: Es el nmero exclusivo de cada motor o diseo para
su identificacin, en caso de que sea necesario ponerse en comunicacin con el fabricante.
TYPE: Combinacin de letras, nmeros o ambos, seleccionados por el fabricante para
identificar el tipo de carcasa y de cualquier modificacin importante en ella. Es necesario
tener el sistema de claves del fabricante para entender este dato.
Enclousure: Es el tipo de carcasa de la Mquina. OPEN corresponde a que posee aberturas
de ventilacin que permiten el paso del aire exterior sobre y alrededor de las bobinas.
C Rise: Incremento de temperatura por sobre la ambiental.
Amb C: Es la temperatura ambiente mxima (C) a la cual el motor puede desarrollar su
potencia nominal sin peligro. Si la temperatura ambiente es mayor que la sealada, hay que
reducir la potencia de salida del motor para evitar daos al sistema de aislamiento. .
Winding: Tipo de conexin del devanado de campo. En este caso es shunt, que quiere decir
que la mquina puede ser conectada como generador con excitacin en paralelo.
Bearing front end: Se refiere al descanso (rodamiento) del lado libre.
El valor 6209-2 RS corresponde a descansos de dimensiones envolventes de: 45x85x19.
Bearing shaft end: Se refiere a las caractersticas de descanso del lado del acoplamiento.
El valor 6207-2 RS corresponde a descansos de dimensiones envolventes de: 35x72x17.


Frame: La designacin del tamao de la armazn es para identificar las dimensiones del
motor. Si se trata de una armazn normalizada por la NEMA o IEC incluye las dimensiones
para montaje (que indica la MG1), con lo cual no se requieren los dibujos de fbrica.
Service Factor: Los factores de servicio ms comunes son de 1.0 a 1.15. Un factor de 1.0
significa que no debe demandarse que el motor entregue ms potencia que la nominal, si se
quiere evitar dao al aislamiento. Con uno de 1.15 (o cualquiera mayor de 1.0), el motor
puede hacerse trabajar hasta una potencia igual a la nominal multiplicada por el factor de
servicio sin que ocurran daos al sistema de aislamiento. Sin embargo, debe tenerse
presente que el funcionamiento continuo dentro del intervalo del factor de servicio har que
se reduzca la duracin esperada del sistema de aislamiento. .
Field amps.: Corriente de campo de la mquina.
Field volts: Voltaje de campo de la mquina.




Grafique la caracterstica en vaco.








Este grafico se
realiz con los
datos de la
tabla de la
actividad 2






















Con los datos obtenidos anteriormente calcular las prdidas mecnicas a velocidad
nominal y las prdidas rotacionales de vaco. Explicar el origen de estas prdidas.

P
MEC
= V
ARMADURA
x I
CAMPO
.
P
MEC
= 127 (V) x 0.85(A)
P
MEC
= 107,95 (W)

P
ROTACIONALES
= 2000 (W)

Las prdidas mecnicas se presentan debido al rozamiento propio entre los rodamientos y el
rozamiento con el aire entre las partes de la mquina y el aire encerrado en el entrehierro.

Las prdidas rotacionales a plena carga son esencialmente equivalentes a las prdidas
rotacionales en vaco, puesto que las velocidades en vaco y a plena carga del motor no son
muy diferentes y se pueden hallar determinando la potencia de entrada al circuito del
inducido en vaco y suponiendo que las prdidas por cada en las escobillas y en el cobre
del inducido son despreciables, lo que quiere decir que la potencia de entrada al inducido en
vaco es igual a las prdidas rotacionales.

Comentar y explicar la forma de onda de la tensin inducida en la bobina
exploratoria.

Mediante un osciloscopio conectado a la bobina exploratoria se logr observar la siguiente
grfica:

Como se puede apreciar, la onda es del tipo alterna y
adems presenta distorsiones tanto en la zona
ascendente de la curva (y descendente) como en la zona
en donde la tensin es mxima positiva (o negativa).
Est grfica es la distribucin de campo magntico en el
entrehierro a corriente de campo sin carga.



Comentar las condiciones para la autoexcitacin y las dificultades experimentadas
para lograrlo. Calcular la regulacin de tensin de la mquina como generador
autoexcitado, a corriente nominal.

Para que una mquina opere en la condicin de autoexcitacin, se debe considerar el flujo
remanente que est presente en las mquinas que han sido magnetizadas alguna vez. La
autoexcitacin es posible si:

- el flujo remanente es suficiente.
- el campo est conectado correctamente.
- la resistencia del devanado de campo es menor que un cierto valor crtico.

Si se cumplen las condiciones indicadas entonces al girar la mquina se producir
entre carbones una tensin rotacional debida al flujo remanente, la que har circular una
corriente de campo, la que a su vez aumentar el flujo. Este mayor flujo aumentar la
tensin rotacional, lo que aumentar a su vez la corriente de campo, y as sucesivamente
hasta que la saturacin del fierro impida un mayor aumento del flujo, tal como se puede
apreciar en la grfica que se obtuvo con los valores experimentales en el punto 2.
En la experiencia no hubo problemas para el funcionamiento, slo era necesario el cuidado
en la conexin de los elementos.

Del circuito equivalente se obtiene la regulacin de tensin de la mquina como generador
autoexcitado.
Con los datos de los instrumentos podemos calcular los parmetros a plena carga de la
mquina.
Para calcular la corriente de armadura es necesario sumar la I
L
e I
F
, y a su vez, I
F
es la cada
de tensin en la bobina de campo, y se calcula mediante ley de ohm, como:

133( )
1,17( )
113,1( )
INSTRUMENTO
F
F
V V
I A
R

Con este dato es posible obtener la I
A
, que es la suma de las dos corrientes (I
L
: valor
medido por el instrumento a plena carga).

15,8( ) 1,17( ) 16, 97( )
A L F
I I I A A A


Como R
A
= 0,7( ), la cada de tensin ser all:

0, 7( ) 16, 97( ) 11,87( )
A A A
V R I A V


Con esto, se calcula V
ROT
, que es la suma de las tensiones anteriores.

133( ) 11,87( ) 144,87( )
ROT F A
V V V V V V




Con el dato de tensin sin carga, es posible calcular la regulacin de voltaje (VR).

Donde V
SC
: Voltaje en vaco
V
PL
: Voltaje plena carga.

150( ) 144, 87( )
100% 100% 3, 53%
144, 87( )
SC PC
PC
V V V V
VR x x
V V






Con los datos experimentales determinar la regulacin de velocidad del motor
derivacin.


1490 1302
100% 100% 14, 43%
1302
SC PC
PC
rpm rpm
RV x x
rpm

En base a los datos obtenidos determinar todos los parmetros asociados al circuito
equivalente del generador de c.c autoexcitado y al motor de c.c. en derivacin.

Circuito equivalente generador autoexcitado.












Circuito equivalente motor de c.c. en derivacin.
















Determinar en forma grfica, a partir de la caracterstica de vacio y los parmetros de
la Mquina, la tensin de vaco y con carga. Comparar con los resultados
experimentales.
























) ( 88 , 11 7 , 0 * 97 , 16 V V

El V se produce a partir de una cada de tensin en la resistencia de armadura.
De la grfica podemos apreciar que el voltaje a plena carga es de 137 (V) (app). Lo que es
bastante similar al dato registrado en el ensayo posterior de tensin nominal que es 133 (V).
Utilizando los circuitos equivalentes del punto anterior calcular la regulacin de
tensin para el generador autoexcitado y la regulacin de velocidad del motor en
derivacin, ambos a carga nominal. Comparar y comentar los resultados prcticos
con los tericos.

Circuito equivalente generador autoexcitado.


Regulacin de tensin para el generador autoexcitado (resultado prctico).

150( ) 144, 87( )
100% 100% 3, 53%
144, 87( )
SC PC
PC
V V V V
VR x x
V V




Circuito equivalente motor de c.c. en derivacin.


Regulacin de velocidad para el motor en derivacin (resultado prctico).

1490 1302
100% 100% 14, 43%
1302
SC PC
PC
rpm rpm
RV x x
rpm

Comentarios y conclusiones
En el laboratorio, se realizaron las pruebas como generador a velocidad nominal con y sin
excitacin independiente y tambin se prob como motor en derivacin, con el propsito de
obtener los circuitos equivalentes y las regulaciones de tensin y velocidad cuando la
mquina era usada como generador y como motor respectivamente.
En cuanto a maquinaria e instrumentacin, se pudo comprobar que los motores de DC
convierten potencia elctrica en potencia mecnica por medio de su movimiento rotatorio, o
al contrario, convierten la energa mecnica rotatoria (que en este caso fue suministrada por
otra mquina), en energa elctrica, por lo que las hace de gran ayuda en la industria y
como herramienta de aprendizaje para los alumnos.
Una de las principales caractersticas de esta mquina, es su alto rendimiento, que es
siempre (o debera ser) superior al 90%, tambin presenta un amplio rango de variacin de
velocidad y un bajo nivel de ruido, entre otras. Sin embargo presenta unas desventajas con
respecto a otro tipo de motores, que son su alto costo por mantencin debido a que sus
carbones se van desgastando con el tiempo y adems presenta un elevado torque de partida.

LISTADO DE INSTRUMENTOS Y MATERIALES UTILIZADOS.
Cantidad Item
1 Breaker tripolar15 A
1 Breaker tripular 30 A
1 Multitester Fluke
1 Fuente modular de campo 2 A 125V
1 Osciloscopio
1 Voltmetro 130/260V universal
1 Ampermetro 0-20 Ac.c.
1 Tacmetro
1 Arrancador manual de c.c.
1 Kit de acoplamiento
1 Dinammetro
1 Restato de campo