LABORATORIO DE MOTORES Y GENERADORES

CURVA DE VACIO DEL GENERADOR DC

1. INTRODUCCIÓN

Las máquinas de corriente continua son usadas actualmente en diversos campos, el generador DC se ha dejado de lado en las aplicaciones industriales, siendo remplazado por generadores de corriente alterna, sin embargo el comprender su funcionamiento interesa ya que este permitió lo que hoy en día es la industria de la generación eléctrica.

2. OBJETIVOS

Entender el comportamiento de un generador DC sin carga y que sucede con sus características internas.

Entender la relación entre la tensión inducida (Ea) y el flujo por polo (φp) en un motor de corriente continua.

Conocer la relación entre la corriente de campo (If) y la tensión inducida (Ea) en un motor de corriente continua.

3. EQUIPOS REQUERIDOS

Máquina de corriente continua 2 multímetros 1 variac Tacómetro de mano Rectificador de potencia Motor jaula de ardilla Cables de potencia.

4. METOLOGIA GENERAL

Antes del desarrollo practico del laboratorio, es necesario realizar una investigación sobre los métodos de protección de un motor dc y su funcionamiento general para la comprensión del mismo y se llevaran a cabo losCálculos (de ser necesarios), las simulaciones y mediciones q serán anexadas a las tablas más adelante especificadas.Para la toma de mediciones prácticas será necesario seguir los lineamientos especificados más adelante bajo continua supervisión del

profesor o monitor para evitar errores en los montajes y mediciones erróneas.La práctica se realizará utilizando el motor DCLab-Volt que se encuentran en el laboratorio de Máquinas Eléctricas.La conexión necesaria para el laboratorio se encuentra en la figura 1. Se debe lograr arrancar el motor en vacío con las resistencias de protección tanto en armadura como en campo. Se iniciara con la resistencia de armadura a su máximo valor y con la resistencia de campo en cero. Poco a poco se iremos disminuyendo el valor de la resistencia de armadura hasta que sea cero y veremos la máxima velocidad del mismo sin corriente de campo, luego de esto empezamos a aumentar la resistencia de campo hasta llevarla a su valor nominal tanto en corriente como en velocidad.

Ilustración 1 Circuito a montar en la práctica

5. DESCRIPCIÓN DEL PREINFORME

El preinforme para la práctica debe contener un resumen de los siguientes temas:

Modelo y funcionamiento de una maquina DC. Marco teórico respecto a la curva de vaco de una máquina DC. Realizar un breve análisis del comportamiento de la conexión

Derivación (Shunt) de motor DC. Simulación de los montajes realizados.

6. MARCO TEÓRICO

LA MÁQUINA DC

Desde el punto de vista constructivo, esta máquina está constituida por dos núcleos de hierro, generalmente laminado, uno fijo (estator) y otro que gira (inducido o armadura). En ambos núcleos van ubicadas bobinas de diferentes configuraciones que crean campos electromagnéticos que interactúan, de modo que se pueda obtener o una tensión generada o bien un torque motriz en el eje, según la máquina trabaje como generador o motor. Las bobinas del rotor, que en este caso para la máquina de corriente continua (DC) se llama inducido o armadura, se definen como aquellas en las que se induce un voltaje, y las bobinas inductoras ubicadas en el estator, que en este caso para la máquina de DC se llama estator, se define como aquellas que producen el flujo magnético principal en la máquina.

Ilustración 2 Representación esquemática de una máquina DC

El circuito eléctrico del estator, que también se conoce como circuito eléctrico fijo de excitación, está compuesto por el enrollado de campo (principal) y si existen, los devanados de los interpolos y los devanados de compensación.El circuito eléctrico rotatorio está constituido por el devanado del inducido o armadura y el conmutador o colector.El conmutador es simplemente un rectificador mecánico formado en términos elementales por dos semianillos, cuyo fin es rectificar la onda de tensión interna generada, transformándola en una de DC. en el caso de operar como generador, o de convertir la corriente continua que se aplica externamente por medio de las escobillas, en una corriente alterna que generará un campo magnético en la armadura de la máquina, cuando opera como motor.Las escobillas de carbón fijas que hacen contacto con la superficie del conmutador, presionadas por un resorte, conectan al devanado con los terminales externos de la armadura.La necesidad de conmutación es la razón por la cual los devanados de armadura de las máquinas de DC se colocan sobre el rotor.

El efecto de la corriente continua en el devanado de campo de una máquina de DC es crear una distribución de flujo magnético estacionario con respecto al estator. De igual modo, el efecto del conmutador es tal que cuando pasa corriente continua a través de las escobillas, la armadura crea una distribución de flujo magnético que también está fija en el espacio y cuyo eje, determinado por el diseño de la máquina y la posición de las escobillas, típicamente es perpendicular al eje del flujo del campo. La interacción de estas dos distribuciones de flujo es lo que crea el par de la máquina de DC. Si la máquina trabaja como generador, este par se opone al giro. Si está trabajando como motor, el par electromagnético actúa en la dirección de giro.

LA CURVA DE VACIO DE UNA MAQUINA DC

Sin carga en la máquina o con los efectos de reacción del inducido ignorados, la fuerza magnetomotriz es la suma algebraica de las fuerzas magnetomotrices que actúan en el eje directo o principal. Para el generador o motor compuesto usual que tiene Ni vueltas de campo en derivación por polo o N, vueltas de campo en serie polo Fmm de campo principal = Nf If+ Ns Is (1)

Observe que la fuerza magnetomotriz en el campo en serie puede sumarse o restarse de la del campo en derivación; la convención de signos de la ecuación 1 es tal que las fuerzas magnetomotrices se suman. Habrá más términos en la ecuación 1 cuando existen más devanados de campo en los polos principales y cuando, a diferencia de los devanados de compensación, los devanados concéntricos están con los devanados de campo normales para permitir un control especializado. Cuando está ausente el campo en serie o el campo en derivación, el término correspondiente en la ecuación 1 naturalmente se omite.Por lo tanto, la ecuación 1 aumenta en ampere-vueltas por polo la fuerza magneto motriz bruta de los devanados de campo principal que actúan en el circuito magnético principal. La curva de magnetización de una máquina de DC, por lo general, se da en función de la corriente sólo en el devanado de campo principal, el cual invariablemente es el devanado de campo en derivación cuando hay uno presente. Las unidades de fuerza magnetomotriz de una curva de magnetización como ésta y de la ecuación 1 pueden hacerse iguales mediante uno de dos pasos. La corriente de campo en la curva de magnetización se multiplica por las vueltas por polo en dicho devanado, y se obtiene una curva en función de ampere-vueltas por polo; o ambos lados de la ecuación 1 se divide entre Nf, con lo que las unidades se convierten en la corriente equivalente en la bobina Nf sola, la cual produce la misma fuerza magnetomotriz.

Por lo tanto

Fmm bruta= If+ (Ns/Nf) Is (2)

Ilustración 3 Curva de vacío o magnetización de una máquina DC

Observese que la escala de fuerza magnetomotriz se da tanto en corriente de campo en derivación como en ampere vueltas por polo, lo segundo se obtiene de lo primero con base en un campo en derivación de 1 000 vueltas por polo. La característica también puede presentarse en forma normalizada por unidad, como se muestra mediante las escalas de fuerza magnetomotriz superior y el voltaje del lado derecho. En estas escalas, 1.0 de corriente de campo o fuerza magnetomotriz por unidad es la que se requiere para producir voltaje nominal a velocidad nominal cuando la máquina está descargada; así mismo, 1.0 de voltaje por unidad es igual al voltaje nominal.El uso de la curva de magnetización con voltaje generado, en lugar de flujo, graficada sobre el eje vertical es un tanto complicado por el hecho de que la velocidad de una máquina de DC no necesita permanecer constante y que la velocidad interviene en la relación entre el flujo y el voltaje generado. Por consiguiente, las ordenadas de voltaje generado

corresponden a una velocidad de máquina única. El voltaje Ea generado a cualquier velocidad ωm está dado por las ecuaciones 3 y 4, repetidas aquí en función de los valores de estado estable de voltaje generado.

Ea = (ωm/ωm0) Ea0 (3)

O, en función de la velocidad de rotación en r/min,

Ea = (n/n0) Ea0 (4)

En estas ecuaciones, ωm0 y n0 son la velocidad de la curva de magnetización en rad/seg y r/min, respectivamente, y Ea0 es el voltaje generado correspondiente.

CONEXIÓN DERIVACIÓN (SHUNT) DEL MOTOR DC

En motores en derivación y excitación separada, el flujo de campo es casi constante. Por consiguiente, el par incrementado debe ir acompañado por un aumento casi proporcional a la corriente del inducido y por una pequeña disminución de fuerza contraelectromotriz Ea para permitir el flujo de esta corriente incrementada a través de la pequeña resistencia del inducido.Como la fuerza contraelectromotriz está determinada por el flujo y la velocidad, la velocidad debe reducirse un poco. Al igual que el motor de inducción de jaula de ardilla, el motor en derivación es en esencia un motor de velocidad constante, cuya velocidad se reduce aproximadamente 6% en situaciones que van desde vacío hasta plena carga. La curva continua de la figura 3 muestra una característica típica de velocidad-par. El par de arranque y el parmáximo están limitados por la corriente del inducido, la cual puede ser conmutada con éxito.Una ventaja sobresaliente del motor en derivación es la facilidad de control de la velocidad.

Ilustración 4 Característica velocidad-par de torsión de motores DC

Con un reóstato en el circuito del campo en derivación, la corriente y el flujo a través de éste por polo pueden ser variados a voluntad; además, la variación del flujo provoca la variación inversa de la velocidad para mantener la fuerza contraelectromotriz aproximadamente igual al voltaje existente en las terminales. Con este método es posible obtener un rango de velocidad máxima de 4 o 6 a 1, la limitación es, de nuevo, las condiciones de conmutación. Con la variación del voltaje del inducido se obtienen rangos de velocidad muy amplios.

7. SIMULACIONES Y ANALÍSIS MATEMÁTICO

Velocidad (r/min) Voltaje de Armadura (V)

Corriente de Armadura (A)

7. CONCLUSIONES

7. REFERENCIAS