Maquina de Corriente Continua

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIN FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA

Laboratorio Conversin Electromecnica de la Energa

INFORME

CICLO MQUINA CORRIENTE CONTINUA

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (MCC-1) GRUPO N1

Alumnos

Gerardo Contreras Rogel

Elas Quiones Bustos

Francisco Neira Neira

Docentes

Rubn Pea

Leonardo Palma

Concepcin, 15 de Julio 2015.

DEPARTAMENTO INGENIERA ELCTRICA FACULTAD DE INGENIERA UNIVERSIDAD DE CONCEPCIN

2

INTRODUCCIN

Las mquinas de corriente continua se caracterizan por su versatilidad debido a las distintas

configuraciones que pueden adoptar sus devanados, estas son separada, serie o derivacin

(shunt), lo que da un amplio rango de Volt-Ampere o velocidad-torque tanto para operacin

en estado estable como dinmica. Por lo anterior su aplicacin se encuentra en aquellas

situaciones donde se requiere un amplio rango de velocidad y preciso control de torque.

Estos motores presentan la ventaja de poder ser controlados con gran precisin, aunque gracias

a los avances en estudio y tecnologa de control han permitido que los de corriente alterna

ganen terreno en la industria.

A continuacin se presenta un estudio realizado a una MCC, en el cual se analiza resultados

obtenidos de ensayos de Laboratorio, tanto de parmetros como variables de funcionamiento en

estado esttico y dinmico. Se presenta la curva de excitacin, la cual fue obtenida utilizando el

motor como generador con carga nula, luego, un estudio de cmo del comportamiento para

distintos valores de carga, tambin un estudio del comportamiento para carga constante y

alimentacin variable tanto para armadura como campos y finalmente las prdidas que se

generan tanto mecnicas, fierro y cobre.

En este informe veremos las curvas de excitacin para los campos shunt y serie, adems de las

caractersticas en carga de esta mquina a travs del freno prony, se estudiaran tambin los

diversos mecanismos de variacin de velocidad y por ltimo se vern las tcnicas empleadas

para la obtencin de las perdidas y el rendimiento de la maquina. Por ltimo, cabe mencionar

que la simplicidad de operacin y la flexibilidad de la MCC


3

NDICE

Objetivos...4

Identificacion Freno Prony y sus caractersticas de funcionamiento...4

Datos de placa del grupo motor-generador de corriente continua...6

Trabajo en el laboratorio

1.-Parmetros y Curvas de Excitacin

a) Medicin de los valores de las resistencias de armadura, de interpolos y de los campos del

motor en ensayo para distintas posiciones del rotor7

b) Medicin de las inductancias de armadura, del campo principal y serie.

i) Con un instrumento..8

ii) Con la respuesta transitoria de la corriente al aplicar un escaln de voltaje.

c) Obtencin curvas de excitacin en vaco a velocidad nominal y a 70% de la velocidad

nominal, usando el campo shunt....9

2.-Caractersticas en Carga..11

3.-Estudio de mecanismos de variacin de la velocidad.

a) Variacin de la tensin de armadura.16

b) Uso de resistencia externa en circuito de armadura..17

c) Variacin de la corriente de excitacin (Operacin a flujo debilitado)..18

4.-Prdidas y Rendimiento.

a) Prdidas Mecnicas (roce y ventilacin).20 b) Prdidas Hierro.21 c) Prdidas Cobre..22

Conclusiones.24

Anexo25


4

OBJETIVOS

1.- Obtener curva de excitacin y parmetros de la mquina de corriente continua.

2.- Obtener las caractersticas de carga para distintas configuraciones de la mquina de

corriente continua.

3.- Experimentar mecanismos de control de velocidad.

4.- Calcular perdidas de la mquina.

Procedimiento.

Actividades previas al laboratorio.

1) Identificar Freno Prony y sus caractersticas de funcionamiento. Tomar nota de la longitud del brazo y los pesos que se puede utilizar. Tabular los distintos

torque que se pueden aplicar al motor con este sistema.

Este freno est unido al sistema motor-generador continuo, con lo que podemos cargar el eje

del motor-generador, se compone de una barra de 120 cm centrada en el eje, la que esta

tabulada con diferentes medidas de 0 a 60 cm para entregar diferentes valores de torque en el

eje, posee adems un disco de frenado en el eje. Para aplicar un torque deseado se elige de

distancia del brazo y se coloca la barra en posicin horizontal

Figura 1: Diagrama Freno prony

Tabla 1: Caractersticas del Freno Prony

Largo 120 cm

Peso Total 7.8 kg

Peso Agregado 7.157 kg


5

El torque es igual a: T = F x d

Donde:

F = fuerza [N]

Para este caso la fuerza que acta es el peso, definido cmo P = mg

Con: m = masa = 7.157 kg y g = aceleracin de gravedad = 9.81 m/s2

d = distancia [cm]

Por lo tanto el torque queda dado por: T = mgd

Apartir de esta ecuacin se puede tabular los valores de torque para distintas posiciones de peso

aadido.

Tabla 2: Torque del freno prony para distintos valores de distancia del brazo

Distancia

[cm]

10 20 30 40 50 60

Torque

[Nm]

7,0210 14,0420 21,0631 28,0841 35,1051 42,1261


6

2) Obtener los datos de placa del grupo motor-generador de corriente continua.

Tabla 3: Datos de placa de motor y generador DC

Datos de Placa Motor DC Generador DC

Fabricante Siemens-Schuckertwerke Siemens-Schuckertwerke

Nmero de Serie 22578831002 E022578830002

Potencia 6.8 [kW] 4.7 [kW]

Corriente de Armadura 33-38.5 [A] 20.4 [A]

Voltaje de Armadura 230 [V] 230 [V]

Corriente de Excitacin 1.6-0.17 [A] 1.2 [A]

Voltaje de Excitacin 115-125 [V] 100 [V]

Velocidad 1450-4000 [rpm] 1450 [rpm]

Nmero de Polos 4 4

Nmero de Escobillas 4 4

Nmero de interpolos 4 4

Nmero de Delgas 120 120

Aislacin B B

Refrigeracin Ventilacin Natural Ventilacin Natural

Carcaza Semiblindada de fierro

Fundido

Semiblindada de fierro

Fundido


7

TRABAJO DE LABORATORIO

1.-Parmetros y Curvas de Excitacin.

a) Medir los valores de las resistencias de armadura, de interpolos y de los campos

del motor en ensayo para distintas posiciones del rotor. Completar la siguiente tabla.

La medicin de la resistencia de armadura y de los campos del motor/generador, se

hicieron a travs de un Puente de Wheatstone en los terminales GA-HB de la armadura,

campo serie en los terminales E-F, y campo independiente en los terminales J-K, se midi

para cuatro distintas posiciones del rotor (0, 90, 180 y 270).

Las mediciones se realizarn con motor y generado en temperatura alta, por lo que esta

prueba se va a desarrollar al final del laboratorio. Los resultados se encuentran en el anexo

Figura 2: Panel de control laboratorio MCC

b) Obtener las inductancias de armadura, del campo principal y serie.

i) Con un instrumento.

Para la medicin, el instrumento a utilizar se conectar directamente a los terminales

correspondientes: armadura GA-HB, campo serie E-F, campo independiente J-K.

Las mediciones se realizarn con motor y generado en temperatura alta, por lo que esta

prueba se va a desarrollar al final del laboratorio. Los resultados se encuentran en el anexo


8

ii) Para el caso del campo shunt, obtenga la inductancia obteniendo la respuesta

transitoria de la corriente al aplicar un escaln de voltaje. Tenga cuidado de aplicar

un voltaje de magnitud adecuado. Registre los valores de voltaje y corriente

transitorios y explique. Incluya en el pre-informe cmo obtendr la inductancia de

campo.

Para el caso del campo shunt obtuvimos la inductancia con la respuesta transitoria de la

corriente al aplicar un escaln de tensin. Esto lo realizamos ya que al entregarle un escaln

tensin determinado a los terminales de campo shunt, que vendra siendo un sistema RL,

obtendremos una respuesta en corriente de dicho escaln de voltaje. Al conocer esta

respuesta podremos determinar el del sistema y con ello la inductancia. La respuesta de un sistema con entrada escaln genera un sistema de primer orden.

La funcin de transferencia asociada est dada por: () =

+1

Figura 3: Respuesta Transitoria entrada escaln

De esto sabemos que K es la ganancia, es la constante de tiempo, que corresponde al valor de tiempo que demora la corriente en alcanzar el 63% de su respuesta estacionaria.

Adems para un sistema RL, la constante de tiempo se define como =/, despejamos y podremos calcular el valor de la inductancia. Para encontrar el valor de la constante de

tiempo utilizamos un osciloscopio con una sonda diferencial de voltaje y otra sonda de

corriente as podremos saber cmo se comporta la corriente en los terminales del campo

shunt del motor. Adems de todo esto tuvimos la precaucin de usar una tensin menor a

106.912 V. Este voltaje corresponde a al valor de corriente nominal del campo (de placa)


9

multiplicado por la resistencia obtenida en la prueba anterior. Para nuestro caso ajustamos a

una tensin de 50 V. Donde el valor de tau es igual a = 200[], por lo que el valor de la inductancia es: = 200 65.64 = 13.128[], todo este clculo se encuentra detallado en el anexo.

-Comente las mediciones. Cmo se comparan con valores caractersticos?

Comente sobre los valores obtenidos de inductancia de campo.

As la inductancia medida con la respuesta transitoria de la corriente es de 13.128[]. Este valor difiere del encontrado con el puente Universal (13.42 []) que es un instrumento ms preciso, en un 2.21% aproximadamente. Cabe destacar que esta forma de obtener la

inductancia es ms confiable ya que, apela a la respuesta en corriente innata del sistema

RL ante un escaln de tensin.

c) Obtenga las curvas de excitacin en vaco a velocidad nominal y a 70% de la

velocidad nominal, usando el campo shunt. Utilice valores crecientes de corriente

campo y luego valores decrecientes. Vare la corriente de cero a nominal. Complete

tablas.

Para poder obtener las curvas de excitacin debemos ver como vara la tensin

dependiendo de la corriente de campo entregada, por lo que necesitamos que el motor lo

trabajemos como generador y que el generador lo trabajemos como motor.

Para el que est trabajando como motor se realizara la conexin en derivacin, y para el

que est trabajando como generador se utilizara una conexin por excitacin separada.

La prueba consistir en variar la resistencia de campo Rf del motor de forma de ver la

tensin que se induce para distintos valores de corriente en el campo de forma descendente

y ascendente, siempre es necesario seguir un procedimiento para as evitar cualquier mal

funcionamiento.

Dejamos las resistencias Rf, Rp, Rc en su valor mximo, se energiz con 230 Vdc con el

switch SW1 abierto para que circule corriente primero por la rama de campo del motor, y

del generador,ajustar resistencia de campo del generador y motor hasta circular corriente

nominal 1.2 A y 1.6 respectivamente ,bajamos el switch SW1 y variamos la resistencia

Rp a su valor mnimo, regulamos la resistencia Rc de modo de obtener la velocidad

deseada (velocidad nominal y 70% de la velocidad nominal). Para la segunda curva

utilizamos 1195 rpm aproximadamente 82% de la nominal. Finalmente realizamos las

mediciones requeridas.

Para la grfica de las curvas de excitacin, se sabe que la tensin inducida est dada por:

E= Por lo tanto el voltaje inducido es proporcional al flujo en la mquina, y a la velocidad de la misma. Si relacionamos que la corriente de campo crea una fuerza

electromotriz dada por F =*I, la que a su vez produce un flujo en la maquina dado por la siguiente curva de magnetizacin con lo cual la siguiente figura representa la curva

terica de excitacin.


10

Figura 4: Curva de excitacin terica.

Graficar ambas curvas de excitacin en un slo grfico. Verifique grficamente si la

tensin inducida es proporcional a la velocidad.

Figura 5: Curva de excitacin experimental.

0 0.5 1 1.50

50

100

150

200

250

300Curvas de Excitacion

Tensi

n I

nducid

a [

V]

Corriente de campo [A]

Corriente creciente Velocidad nominal

Corriente decreciente Velocidad nominal

Corriente creciente Velocidad 70% nominal

Corriente decreciente Velocidad 70% nominal


11

Discusin, Comentarios y Conclusiones

La tensin inducida es proporcional a este flujo por lo que se esperara tener una curva de

excitacin similar a la curva magnetizacin terica, si bien los datos obtenidos fueron en un

rango de los 0,28 A a 1,3 A, en este intervalo se puede apreciar que se comporta de forma

idntica al comportamiento terico tanto para la velocidad nominal como para el 70% de la

velocidad nominal.

Podemos verificar que la tensin inducida es proporcional a la velocidad ya que si el flujo

es constante tenemos la siguiente relacin:

1/ 2 = 1/2

Despejando obtenemos que 2 =E1(1/2). Observamos en el grfico y tomamos a modo de ejemplo el valor de la tensin cuando la corriente de campo es de 1 A.

Por lo tanto 2= 171 *1015/1450= 119,7 En efecto, este valor corresponde perfectamente al valor de la tensin inducida cuando circula 1 [A] a una velocidad de 1015

rpm (70% nominal). Por lo tanto podemos concluir que efectivamente la tensin inducida

es proporcional a la velocidad.

2.-Caractersticas en Carga.

A) Para motor en conexin shunt determinar las variaciones de la velocidad, corriente

de armadura, torque en el eje y eficiencia en funcin de la carga a voltaje nominal.

Para ello, cargar el motor con el freno Prony.

Ajustar inicialmente la excitacin del motor para tener corriente nominal en el campo.

Tomar valores para 20%, 40%, 60%, 80% y 100% de carga. Verificar, previo a cada

medicin, que la tensin de armadura sea la nominal. Para la puesta en marcha de un motor

DC, siempre es necesario seguir un procedimiento para as evitar cualquier mal

funcionamiento.

Siempre se debe partir verificando que las resistencias tanto de partida y de campo estn en

sus valores mximos, adems el switch que alimenta la armadura debe estar abierto.

Luego, se debe alimentar con 230 V DC. Con un restato se regula la corriente de campo

hasta alcanzar su valor nominal de 1.6 A.

Ya cumplidas todas las condiciones anteriores se cierra el Switch y ahora el motor

comienza a girar, finalmente la resistencia de partida es llevada a su valor mnimo.

Del freno Prony sabemos que la carga depende de la distancia que existe del peso tomando

como referencia el eje del motor. Entonces, se procedi a tomar valores de Corriente de

Armadura, Velocidad, Voltaje de Armadura y Corriente de campo para distancias de 0 cm,

10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm y 50 cm.

Es importante sealar que para la distancia 0 cm es equivalente al trabajo del motor en

vaco.


12

La puesta en marcha del motor en conexin compuesta larga acumulativa es igual al punto

visto anteriormente, con la nica diferencia que ahora se encuentra en serie una bobina con

la armadura. Tambin llamada conexin compuesta larga acumulativo.

-Entregar Tabla con resumen de los resultados del Laboratorio (brazo y masa del

Freno Prony, velocidad, voltaje y corrientes). Entregar Tabla con valores calculados

para cada punto: torque (Nm), potencia de entrada y potencia de salida en KW (HP),

eficiencia, regulacin de velocidad. Graficar las velocidades y corrientes de lnea en

funcin de los respectivos torques. Graficar la velocidad, corriente, torque y eficiencia

en funcin de potencia de salida, en grficos comunes para cada una de las

conexiones. Discutir las diferencias. Concuerdan estas curvas con lo esperado?

En el anexo, la tabla con los resultados experimentales correspondientes a la prueba de

caractersticas en carga para ambas conexiones.

A partir de los datos obtenidos se calcul:

- El Torque en el eje como: T = F*d [Nm],

Donde:

F = m*g, con g = 9.8[m/seg2] y m es la masa del peso, en tanto que d es la distancia del

peso al centro del eje.

Por otra parte, para el clculo de la eficiencia en funcin de la carga, se usa la frmula:

P

P

Salida

entrada

* (%)100 ,

Donde:

Psalida= T* [W], con T el Torque y la velocidad en rad/seg (w[rpm]* (pi/30). Pentrada= V1*A1, con V1= Tensin armadura del motor y A1 corriente de armadura del

motor.

Todos estos resultados se encuentran en la tabla en el anexo donde se presentan valores

calculados de torque, potencia de entrada, potencia de salida, eficiencia y regulacin de

velocidad para ambos tipos de conexiones.

A continuacin se presentas las curvas caractersticas del motor de corriente continua para

los dos tipos de conexiones.


13

Figura 6: Caracterstica Par-Velocidad.


La velocidad a la que se mueve el motor depende de su propia caracterstica par-velocidad

como de la caracterstica par-velocidad de la carga. En la figura 6 vemos que para los dos

tipos de conexiones, la velocidad es inversamente proporcional al torque, o en otras

palabras si la velocidad aumenta el torque disminuye.

La curva par-velocidad de un motor de corriente continua describe la capacidad de

produccin de un par esttico del motor respecto al voltaje aplicado a la velocidad del

motor.

Para ambas conexiones se consider una fuente de voltaje constante, la que nos llev al

mismo resultado. Para la conexin shunt y dada la ecuacin:

=

()2

=

()2 (1)

Donde es la velocidad de vaco o sin carga. De la ec (1) vemos que la velocidad es funcin del voltaje y la resistencia de armadura y del torque aplicado para un flujo

constante. De la figura 6 vemos que cuando el torque es cero, la velocidad del motor es

muy cercana a la nominal y que en el caso prctico, los valores de voltajes nominales de

trabajo fueron alrededor de los 200 V dc. Luego al aplicar carga al motor la velocidad se

fue reduciendo como era de esperar de acuerdo a la ecuacin de velocidad, por lo tanto

concordamos con lo esperado.

Para la conexin compuesta larga acumulativa, donde existe un devanado en serie con la

armadura que ayuda al devanado en derivacin, el flujo magntico aumenta con la carga, de

modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye ms

rpidamente que si no estuviera conectado en serie.

0 5 10 15 20 25 30 35 401240

1260

1280

1300

1320

1340

1360

1380

1400

1420

1440Caracteristica Par-Velocidad

Velo

cid

ad [

rpm

]

Torque [Nm]

Conexion Shunt

Conexion Compuesta Larga Acumulativa


14

Figura 7: Caracterstica Par-Corriente.


Como observamos en la figura 7 la velocidad del motor se reduce, por lo que, la tensin

inducida cae en la misma magnitud, con ello la corriente de armadura se eleva de manera

de contrarrestar el torque de la carga y por ende son proporcionales como se muestra en la

figura 7. Durante el proceso de arranque podemos ver que un alto torque origina un alto

amperaje en el motor.

Figura 8: Velocidad vs Potencia de Salida.


Para poder determinar la potencia de salida, fue necesario obtener el torque generador por

la distancia del brazo de acuerdo a = , luego la potencia de salida es el resultad del producto entre el torque y la velocidad mecnica en el eje del motor:

= (2)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

20

25

30Caracteristica Par-Corriente

Corr

iente

de A

rmadura

[A

]

Torque [Nm]

Conexion Shunt


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50001240

1260

1280

1300

1320

1340

1360

1380

1400

1420

1440Velocidad vs Potencia de Salida

Velo

cid

ad [

rpm

]

Potencia [W]

Conexion Shunt



15

Entonces de las relaciones anteriores podemos inferir que, cuando el motor est trabajando

en vaco implica que la distancia del peso en el freno Prony es 0 cm, lo que se traduce en

una potencia de salida cero y el motor queda trabajando a velocidad nominal, como indica

la figura 8, por lo tanto concordamos con lo esperado segn ecuacin (2)

Luego, al ir aumentando la distancia del peso con respecto al eje del motor, se traduce en

un aumento de torque y como vimos en la figura 1 implica una reduccin de velocidad.

Finalmente, de acuerdo a la ecuaciones (1) y (2) podemos ver que la velocidad es

inversamente proporcional a la potencia de salida.

Figura 9: Corriente de Armadura vs Potencia de Salida.


De la ecuacin (2), la potencia de salida depende del torque y la velocidad en el eje de

motor. Adems, de la figura 9 se cumple que la corriente de armadura aumenta a medida

que aumenta el torque. En consecuencia, en la figura 9 se cumple que si aumenta la

potencia de salida, la corriente tambin aumentara con ella como es de esperar.

Figura 10: Torque en el eje vs Potencia de Salida.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

5

10

15

20

25

30Corriente de armadura vs Potencia de Salida

Corr

iente

de a

rmadura

[A

]

Potencia [W]

Conexion Shunt


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

5

10

15

20

25

30

35

40Torque en el eje vs Potencia de Salida

Torq

ue [

Nm

]

Potencia [W]

Conexion Shunt



16


En la figura 10 vemos un aumento lineal de las dos variables de acuerdo a la ecuacin

= . Entonces, es vlido decir que al aumentar la distancia del peso del freno Prony con respecto al eje del motor se traduce en un aumento del torque y tambin en un

aumento de la potencia de salida.

Figura 11: Eficiencia vs Potencia de Salida.


Finalmente la eficiencia depende tanto de la potencia de entrada como de la salida, de la

figura 11 vemos que la eficiencia aumenta al aumentar la carga en el motor y al acercarse a

la potencia nominal la eficiencia tiende a ser constante, es importante sealar que la

eficiencia no es mayor debido a que las condiciones de trabajo reales varan un poco con

respecto a las condiciones tericas propuestas, por lo tanto concordamos con lo esperado.

3.- Estudio de mecanismos de variacin de la velocidad

Puesto que trabajaremos con el mismo conjunto motor-generador en las tres experiencias,

ambos con conexin independiente del campo, debemos implementar el siguiente

procedimiento para la puesta en marcha del circuito de la figura 25 en el anexo.

Para comenzar, es imperativo tener todas las resistencias en su valor mximo tanto del

motor como del generador. Tambin, el switch debe estar abierto.

Se alimentan los campos de ambas maquinas con 110 Vdc, las resistencias de campo son

reguladas para obtener las corrientes de campo nominales (1.6 A para el motor y 1.2 A para

el generador).

Luego, las pruebas a realizar para la maquina en ensayo son las siguientes:

a) Variacin de la tensin de armadura: Manteniendo la corriente de armadura en 50

%, obtener la velocidad del motor en funcin de la tensin de armadura al operar con

corriente de excitacin constante, igual a la nominal. Ajustar para tensiones de 25%,

50%, 75% y 100%. Para una tensin del 50 %, determinar la regulacin de velocidad

entre vaco y plena carga.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

10

20

30

40

50

60

70Eficiencia vs Potencia de Salida

Eficie

ncia

[%

]

Potencia [W]

Conexion Shunt



17

Considerando que las corrientes de campo estn en sus valores nominales, se alimenta los

terminales del motor con una tensin variable, suministrada por el conjunto variac-

rectificador, se cierra el Switch y se deja la resistencia de partida en su valor mnimo.

En el generador, conectamos un banco de resistencias para obtener una corriente de

armadura de 16 A (Equivalente al 50% de la corriente nominal del motor). Es importante

mencionar que la carga deba ir cambiando para obtener la corriente deseada en todas las

pruebas

Las mediciones realizadas para distintas tensiones de armadura se encuentran en el anexo.

Se presenta el efecto que tiene el voltaje sobre la velocidad del motor DC.

Figura 12: Variacin de la Tensin de Armadura.


En la figura 12, vemos el comportamiento del motor DC de armadura controlada con

excitacin independiente del campo.

En rgimen permanente y con excitacin separada se cumplen ciertas condiciones que son

importantes sealar para mayor entendimiento de la figura 12.

El control de la velocidad del motor se obtiene ajustando el voltaje aplicado a la armadura y

su polaridad determina la direccin de rotacin del motor.

La ecuacin general del motor es = + , luego la resistencia de partida = y como se encuentra en su valor mnimo podemos decir que 0. Entonces, el voltaje de armadura ser igual al voltaje en los terminales del motor dc. Adicionalmente, el flujo

puede ser escrito como = con constantes.

50 100 150 200 250200

400

600

800

1000

1200

1400

1600Variacion de la Tension de Armadura

Velo

cid

ad [

rpm

]

Tension de armadura [V]


18

El voltaje de armadura es = , por lo tanto, vemos que se cumple una relacin directa, en donde, si el voltaje aumenta tambin lo har la velocidad, con una ganancia como se aprecia en la figura 12.

b) Uso de resistencia externa en circuito de armadura: Repetir 3.a) regulando ahora

la tensin en la armadura por medio de un restato en serie. Ajustar los mismos

valores de tensin de armadura usados en 3.a).

Ahora, el control de la velocidad lo haremos variando la resistencia de partida (resistencia

de armadura) que actuara como un divisor de voltaje en el circuito de la figura 26 del

anexo.

Se utiliza el mismo mtodo de partida descrito anteriormente, aunque ahora se alimentan

los terminales del motor con 230 Vdc y posteriormente se cierra el switch. Con la

resistencia de armadura podremos variar la tensin de armadura para dejarla en los valores

deseados.

Las mediciones realizadas para distintos valores de resistencia de armaduras encuentran en

el anexo.

se presenta el efecto que tiene el voltaje sobre la velocidad del motor DC.

Figura 13: Variacin de la Resistencia de Armadura.


De la figura 13, vemos que ahora la curva no solo depende del voltaje en los terminales,

sino que tambin del valor de la resistencia . Como estamos trabajando en base al mismo circuito, pero variando otro parmetro, la forma de obtener el voltaje de armadura viene

dado por = + , con constante, esta relacin provoca una cada de tensin que se traduce en una prdida de potencia til para el motor DC, que adems se ve reflejado en

el tramo 125 y 200 V de la curva Tensin-Velocidad, donde la relacin pierde la linealidad.

50 100 150 200 250200

400

600

800

1000

1200

1400Variacion de la Resistencia de Armadura

Velo

cid

ad [

rpm

]

Tension de armadura [V]


19

c) Variacin de la corriente de excitacin (Operacin a flujo debilitado): Dejando

constante la tensin de armadura en su valor nominal y ajustando la carga de modo

que la corriente de armadura sea un 50 %, obtener la caracterstica de velocidad del

motor en funcin de la corriente de excitacin. Ajustar la corriente de excitacin a

100%, 90%,80%,70%,60% y 50%. Para una corriente de excitacin del 50 %,

determinar la regulacin de velocidad entre vaco y plena carga.

Como ya dijimos anteriormente, utilizamos el circuito de la figura 27 del anexo, sin

embargo posterior a la puesta en marcha del motor, con la resistencia de partida en su valor

mnimo y una alimentacin de 230 constante, se procede a variar la corriente de campo del motor para ver el efecto que produce sobre la velocidad.

Las mediciones realizadas para distintos valores de corriente de campo se encuentran en el

anexo.

Se presenta el efecto que tiene el voltaje sobre la velocidad del motor DC.

Figura 14: Operacin a Flujo Debilitado.


De la figura 14, vemos que al disminuir la corriente de campo, la velocidad mecnica del

motor DC aumenta considerablemente, mientras que para una corriente de 1.6 A (corriente

de campo nominal del motor) la velocidad se aproxima a las 1450 rpm (velocidad nominal

del motor), de esto, podemos inferir que la relacin entre las variables es inversamente

proporcional.

De acuerdo a la tendencia de la curva, al disminuir el flujo, aumenta la velocidad de

rotacin, esto se vuelve peligroso si en la puesta en marcha del motor, el campo estuviera

desconectado. Esto dara lugar a un embalamiento del motor, debido a la nula circulacin

de corriente de campo, limitado nicamente por el magnetismo remanente de los polos.

Entonces, en comparacin a los mtodos anteriores de variacin de velocidad este anlisis

se presenta como una desventaja de la Operacin a Flujo Debilitado.

0.8 1 1.2 1.4 1.61300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100Operacion a Flujo Debilitado

Velo

cid

ad [

rpm

]

Corriente de Campo[A]


20

Regulacin de velocidad

Obteniendo la regulacin de velocidad de los tres mtodos estudiados, podremos decidir

cual es el mejor mecanismo para controlar la velocidad en un MCC.

Tabla 4: Datos Regulacin de velocidad

Velocidad

[rpm]

Variacin de la

tensin de armadura

Variacin de la

resistencia de

armadura

Variacin de la

corriente de campo

En vaco 793.8 1027 1968

A plena carga 729 741 1955

Para los dos primeros mtodos de control de velocidad, considerando un flujo y corriente

de campo constante. Tenemos que la regulacin de velocidad viene dada por:

(%) =

100%

Variando la tensin:

=793.8 729

729100% = 8.8 %

Variando la resistencia:

=1027 741

741100% = 38 %

Para el ltimo caso, consideramos constante el voltaje de armadura y la resistencia de

armadura en su valor mnimo.

Variando corriente de campo:

=1968 1955

1955100% = 0.66 %


21

Qu comentarios le merecen cada uno de estos mtodos de variacin de la velocidad

en cuanto a rango de aplicabilidad, regulacin de velocidad y eficiencia?

De los tres mtodos estudiados, y considerando valores tpicos de la MCC, la regulacin

entre vaco y plena carga es del orden de 3 a 5%. Pero en nuestro caso, vemos un 0.66% de

regulacin de velocidad en el mtodo de variacin de corriente de campo, lo que nos dice

que es el mtodo que presenta mejor regulacin.

Pero, el control de velocidad usando el flujo de campo, comnmente es utilizado para

alcanzar velocidad por sobre la velocidad nominal, sin embargo con ello se reduce la

capacidad de torque y la regulacin de velocidad resulta pobre. Sin embargo, el control se

realiza utilizando solo la corriente de campo, la cual se realiza a baja potencia.

Finalmente, considerando la conclusin anterior, la mejor manera de variar la velocidad de

un MCC es variando el voltaje de armadura, ya que es el mtodo ms seguro de los tres.

Ya que la corriente de arranque es menor y no es posible llegar a velocidades muy

superiores a la nominal, lo que asegura la integridad de la maquina en ensayo.

4.-Prdidas y Rendimiento.

Utilizando el mtodo de desaceleracin, efectuar las medidas necesarias para obtener

por separado, las prdidas mecnicas (roce y ventilacin), prdidas en el fierro y

prdidas en los enrollados de la mquina de C.C. trabajando en condiciones

nominales. Suponer que todas las prdidas debidas a los restatos son asignadas a la

instalacin general de la que forma parte la mquina, y no a sta misma.

En esta prueba se utiliza el mtodo de la desaceleracin, para efectuar las medidas

necesarias en este procedimiento. Trabajando en condiciones nominales y con el motor

conectado con campo shunt en serie.

Cuando la MCC alcanza velocidad nominal se procede a frenarla bajo distintas

condiciones, as se obtienen las perdidas mecnicas, por fierro y cobre, esto se logra

gracias al cambio de posicin y cierre de determinados switches. Las medidas son

realizadas con un osciloscopio digital y una sonda de voltaje conectada al devanado de

armadura del generador para ver su tensin inducida y observar su pendiente cuando

desacelera la MCC. Asi es posible realizar el clculo de los distintos tipos de prdidas.

a) Prdidas Mecnicas (roce y ventilacin)

Para calcular las perdidas por roce y ventilacin el motor se lleva a velocidad nominal, esto

se logra de la siguiente manera; con sw abierto se procede a dejar corriente nominal en el

campo de la mquina, al alcanzar los 1.6 [A] se procede a abrir el switch y la resistencia de

proteccin de armadura se lleva de su valor mximo, al mnimo, luego como la

MCC esta en condiciones nominales se procede a desenergizar el circuito y es en este

momento cuando se procede a medir la tensin inducida en el generador.

A partir de los clculos del anexo se tiene que las prdidas por roce y ventilacin son:

11

= 1450

23

30= 6.602[ 2 ]


22

Figura 15: Pendiente de tensin por perdidas mecnicas.

b) Prdidas por fierro

Para calcular estas perdidas luego que el motor es llevado a velocidad nominal con

el mismo mtodo de partida anterior, se procede a cerrar el switch luego la MCC se

desacelera debido a las perdidas en el fierro hasta detenerse completamente. Es en este

momento cuando se procede a medir en el osciloscopio.

A partir de los clculos del anexo se tiene que las prdidas por fierro son:

22

= 1450

18.5

30= 8.2078[ 2 ]


23

Figura 16: Pendiente de tensin por perdidas de fierro.

c) Prdidas en los devanados del Motor (Cobre)

Para determinar las perdidas por cobre, se utiliza el mismo mtodo de partida que en el

punto a), al estar en motor en velocidad nominal se procede a cargarlo con un banco de

resistencia. De esta manera el motor desacelera por las prdidas del cobre y se procede a

medir con el osciloscopio.

A partir de los clculos del anexo se tiene que las prdidas cobre son:

Figura 17: Pendiente de tensin por perdidas del cobre.

Con las prdidas y la potencia de carga podemos obtener la eficiencia de esta mquina a

partir de los clculos del anexo se tiene que la eficiencia:

,

(%) =

+ 100 = 85.24%

Qu comentarios le merecen los valores encontrados? Cmo se puede mejorar

cada uno de ellos en el diseo?

Con respecto a las prdidas obtenidas en la experiencia se puede apreciar que las obtenidas

en el cobre son las ms significativas, prdidas asociadas a las bobinas e interpoles, dichas

prdidas podran disminuirse planteando un diseo con materiales elctricos que presenten

menor resistencia y de ser posible magntica.


24

Por roce se producen por el roce de los rodamientos con el rotor, esto genera energa

calorfica por ende se transforma en energa perdida por la mquina.

Por ventilacin se producen en algunos tipos de motores que tienen ventilacin forzada o

natural para disminuir el calentamiento de esta.

Por cobre se producen por el calentamiento de los conductores en el rotor y estator de

la mquina, el cobre presenta una resistencia elctrica dada por:

R = . L/S [. mm2 /m]

Donde : es la resistividad L: la longitud del conductor

S: la seccin del conductor (rea)

Por el efecto Joule donde la magnitud est dada por: = 2

Qu fenmenos dan origen a las prdidas en el Fe en las mquinas de corriente

continua? Indicar dnde y por qu se producen.

Las prdidas por fierro se producen en el rotor y estator, en especial las que se producen en

el ncleo se manifiestan principalmente en las prdidas por el ciclo de histresis del

material Ferromagntico y por corrientes parsitas de Foucault. Es importante notar que, en

aquellas zonas donde las magnitudes de los flujos de armadura y campo se suman la

resultante total de flujo hace que el ncleo se sature, aumentando las prdidas en el fierro

por concepto de calentamiento, corrientes parsitas, etc. consecuentemente, el valor del

voltaje inducido disminuye, empeorando la eficiencia de la mquina. Para reducir las

prdidas en el Fe una buena opcin es utilizar un cierto nmero de chapas magnticas de

hierro con poco espesor convenientemente aisladas entre s por medio del propio xido de

las chapas.


25

Conclusiones

-Estos motores presentan la ventaja de poder ser controlados con gran precisin, aunque

gracias a los avances en estudio y tecnologa de control han permitido que los de corriente

alterna ganen terreno en la industria.

-Este tipo de motores presenta una gran versatilidad en cuanto a las posibles

configuraciones de conexin, como lo son conexin separada, serie o derivacin (shunt),

todas experimentadas a lo largo de la presente experiencia. Lo que les da un amplio rango

de volt-ampere o velocidad-torque tanto para operacin en estado estable como dinmica.

Cabe destacar que pueden ser operados tanto como motores o generadores segn sea su

requerimiento.

-Las mediciones respectivas de los parmetros de la mcc concuerdan con lo que se puede

esperar de estos valores, ya que los valores del campo shunt, son mucho mayores a los de

serie, esto porque la corriente circulante por el campo shunt es mucho menor, asi sus

bobinados son ms robustos aumentando sus valores de inductancia y resistencia, es decir

que para conductores de cobre con mayor rea y mayor longitud se obtendrn mayores

prdidas como habamos mencionado anteriormente ya que su resistividad ser mayor. De

las perdidas vemos que las mayores son las producidas por el cobre esto es de esperarse ya

que es por el calentamiento y su resistividad se espera que es donde ms disipa energa.

-Para la mediciones de velocidad es claro ver que el mejor mtodo para mantener una

velocidad constante y conseguir altas velocidades , con una regulacin de velocidad

pequea, es el mtodo del flujo debilitado, pero a su vez este mtodo es muy peligroso de

usar ya que se debe tener cuidado en que la corriente de campo no baje a valores cercanos

a 0 ya que la maquina se puede descontrolar (embalar).

-A pesar de que las mquinas de corriente continua son una forma sencilla de convertir

energa elctrica a mecnica, estas presentan muchas desventajas como su poca eficiencia

y los riesgos de trabajar en esta mquina.


26

ANEXO

Figura 19: Set-up Medicin de Resistencia

Tabla 5: Parmetros de resistencia

Resistencia () De armadura (0 grados) 1.683

De armadura (90 grados) 0.765

De armadura (180 grados) 1.143

De armadura (270 grados 0.627

De campo principal (shunt) 65.64

De Campo Serie 0.061

Figura 20: Set-up Medicin de inductancia


27

Tabla 6: Parmetros de inductancia

Inductancia (mH)

De armadura 17.56

De campo principal (shunt) 13.42 H

De campo Serie 0.115

Figura 21: Medicin inductancia escaln.

La respuesta de este sistema ante entrada escaln genera un sistema de primer orden, con

funcin de transferencia igual a F(s) = k/ s +1. Donde:

k: Ganancia en SS

: Constante de tiempo, la cual indica el tiempo en el cual el sistema tiene un 63,21% del valor en

SS.

As mismo, como se trata de un circuito RL, la constante de tiempo est dada por la

ecuacin (9).

= L/ R Donde:

L: Inductancia [H].

R: Resistencia [].

Para el clculo de la inductancia con escaln de tensin, sabemos que =/ Iss

Donde e Iss fueron obtenidos de la figura 3, luego =/ Iss = 50/(500mA * 1.5)= 66.66 []


28

Como el valor de se encuentra al 63,21% implica que esta dado para un valor de Iss= 0.75 * 0.6321 =0.4725 en la grafica, tiene un valor de aproximado de 0.55 [s]

=L/ = * R L = 36,66[H]

Figura 22: Set-up conexin SHUNT

Tabla 7: Curvas de Excitacin Para 100% de la velocidad nominal

Corriente creciente Corriente decreciente

Corriente de campo Tensin inducida Corriente de campo Tensin inducida

0 6.7 1.4 263.6

0.1 36.62 1.32 260.1

0.2 73.24 1.2 252.2

0.31 96.8 1.12 236.4

0.4 124.5 0.94 225.3

0.52 151.7 0.82 213.3

0.62 180 0.78 206.1

0.76 202.7 0.7 197.1

0.84 213.8 0.62 183.1

1.0 230.8 0.56 169.2

1.14 244.3 0.48 148.5

1.21 251.3 0.4 130.3

1.31 258.6 0.3 96.2

1.42 266.1 0.22 74.9

0.14 49.4

0.1 35.3


29

Tabla 8: Curvas de Excitacin Para 70% de la velocidad nominal

Corriente creciente Corriente decreciente

Corriente de campo Tensin inducida Corriente de

campo

Tensin

inducida

0,28 46 1.3 136

0,4 62 1.2 133

0,5 76 1.1 129

0,6 88 1 122

0,7 99 0.9 116

0,8 108 0.8 110

0,9 117 0.7 102

1 122 0.6 90

1,1 128 0.5 78

1,2 132 0.4 66

1,3 136 0.28 48

Figura 23: Set-up conexin en derivacin


30

Tabla 9: Caractersticas en carga Motor en conexin shunt

Corriente de

armadura(A)

0% 20 % 40% 60% 80% 100%

2.22 6.14 11.8 16.8 25.5

28.4

Valocidad

(rpm)

1366 1340 1308 1285 1264 1241

Distancia

(brazo del

freno) (cm)

0 10 20 30 40 50

Voltaje de

armadura (V)

240 201 200 198 196.5 193.9

Corriente de

campo (A)

1.6 1.9 1.6 1.57 1.6 1.59

Tabla 10: Caractersticas en carga Motor en conexin shunt

Torque [Nm] Potencia de

entrada [kW]

Potencia de

salida[kW]

Eficiencia [%] Regulacion de

velocidad [%]

0.0000 0.8786 0.0000 0 6.14

7.0210 1.8492 0.9852 53.27 8.21

14.0420 3.0820 1.9234 62.40 10.85

21.0631 4.2251 2.8343 67.08 12.84

28.0841 6.2330 3.7174 59.64 14.71

35.1051 6.9207 4.5622 65.92 16.84

Figura 24: Set-up conexin compuesta larga acumulativo.


31

Tabla 11: Caractersticas en carga Motor en conexin compuesta acumulativa

Corriente de

armadura(A)

0% 20 % 40% 60% 80% 100%

2.2 7.13 12.6 17.5 22.4 28.51

Valocidad

(rpm)

1438 1395 1350 1321 1287 1260

Distancia

(brazo del

freno) (cm)

0 10 20 30 40 50

Voltaje de

armadura (V)

205.1 201 192.1 196.7 198 191.8

Corriente de

campo (A)

1.6 1.6 1.59 1.57 1.58 1.69

Tabla 12: Caractersticas en carga Motor en conexin compuesta acumulativa

Torque [Nm] Potencia de

entrada [kW]

Potencia de

salida[kW]

Eficiencia [%] Regulacion de

velocidad [%]

0.0000 0.8740 0.0000 0 0.83

7.0210 2.0079 1.0257 51.08 3.94

14.0420 3.237 1.9851 60.82 7.40

21.0631 4.3861 2.9138 66.43 9.76

28.0841 5.5154 3.7850 68.62 12.66

35.1051 6.960 4.6320 66.68 15.07


32

3.- Estudio de mecanismos de variacin de la velocidad.

Figura 25: Set-up variacin de la tensin de armadura (Tensin).

Tabla 13: Variacin de la tensin de armadura (Tensin).

% Voltaje de armadura 100% 75% 50% 50%

(vaco)

50% (plena

carga)

25%

Voltaje de armadura (V) 225 170.3 115 115 115 57.5

Velocidad (rpm) 1549 1155 742 793.8 729 339

Corriente de armadura(A) 14.96 15.50 16.78 2.3 21.69 11.34

Corriente de campo (A) 1.53 1.51 1.58 1.6 1.56 1.56

Figura 26: Set-up variacin de la tensin de armadura (Rp).


33

Tabla 14: Variacin de la resistencia de armadura (Rp).

% Voltaje de armadura 100% 75% 50% 50%

(vaco)

50% (plena

carga)

25%

Voltaje de armadura (V) 200.2 170.3 115 115 115 57.5

Velocidad (rpm) 1363 1171 766 1027 741 372

Corriente de armadura(A) 15.35 15.61 15.41 1.27 21.86 12.92

Corriente de campo (A) 1.6 1.6 1.6 1.6 1.58 1.58

Figura 27: Set-up operacin a flujo debilitado.

Tabla 15: Variacin de la corriente de campo.

100% 90% 80% 70% 60% 50% 50%

(vaco)

50%(plena

carga)

Corriente de

armadura (A)

15.31 16.8 15.92 17.44 16.75 16.18 4.12 32.68

Velocidad (rpm) 1362 1422 1440 1588 1749 2037 1968 1955

Voltaje de

armadura (V)

200 199.7 200.5 199.6 200.1 200.5 201 193.5

Corriente de

campo (A)

1.6 1.44 1.28 1.12 0.96 0.8 0.8 0.8


34

4.-Perdidas y rendimiento

Figura 28: Set-up operacin eficiencia.

Con:

J : Momento de inercia de la mquina [ kg/2] n :Velocidad nominal de la mquina [ rad/2] d/d t: =Aceleracin de la mquina [rad/2] (pendiente de la grfica)

Se tiene que las prdidas por roce y ventilacin, se obtienen de la siguiente ecuacin:

+ = 11

Para las prdidas del fierro:

+ + = 22

Y para el caso de las prdidas del cobre:

+ + + = 33

Adems, otra forma de obtener las prdidas del cobre es:

= ( + )2

Con algunos reemplazos tenemos:

= ( + )

2

(33

22

)

Para la resistencia de campo, el valor de la corriente es despreciable, por lo que:


35

=

(33

22

)

Con estas ecuaciones, las pendientes de los grficos son:

11

= 1450

23

30= 6.602[ 2 ]

22

= 1450

18.5

30= 8.2078[ 2 ]

33

= 1450

21.3

30= 7.1288[ 2 ]

Con estos valores, J es:

= 0.4

Como son 2 mquinas acopladas, la constante de inercia de la MCC es:

= 0.2

Con esto, las prdidas son:

+ = 200.49[], = 48.77[], = 183.72[]

Para el rendimiento, tenemos la siguiente relacin:

(%) =

+ 100 =

2500

2500 + 200.49 + 48.77 + 183.72100

(%) = 85.24%

Tabla 16: Tabla resumen eficiencia.

Eficiencia Mcc 85.24%

Prdidas

mecanicas

Prdidas fierro Prdidas Cobre

Pendiente [ 2 ] -6.602 -8.2078 -7.1288

Perdidas [W] 200.49 48.77 183.72

Parmetro J 0.2

0.2

0.2


36

Listado de Instrumentos efectivamente utilizados

1 Ampermetro DC YEW 0-50 [A].

3 Ampermetros DC YEW 0-3-10-30 [A].

4 Voltmetros DC YEW 0-30-100-300 [V].

Multmetro digital Meterman 37XR.

Tacmetro digital 6000-20000 [rpm].

Puente de Wheatstone.

Puente universal.

2 Switch monofsico.

Switch de dos posiciones.

Oscilospocio digital 4 canales con entrada USB.

Sonda diferencial de voltaje.

Sonda de corriente.

1 Restato 380 [] - 1.4 [A]

2 Restatos 347 [] - 1.2 [A]

Maquina de Corriente Continua

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