Primera experiencia Laboratorio complementario de mquinas elctricas

mayo de 2015IntroduccinLa experiencia desarrollada en laboratorio trata sobre el anlisis de un sistema de 2 mquinas acopladas para energizar un motor asincrnico. En esta experiencia se realiz un arreglo de interruptores y resistencias para cumplir con el requerimiento el cual consiste tener una velocidad escalonada en el tiempo a la salida del motor de induccin.En este informe se presenta el comportamiento de las componentes del sistema y sus respectivas curvas.

Marco terico

Generador SincrnicoUn generador sincrnico es un dispositivo para convertir potencia mecnica de un motor primario en potencia elctrica alterna de voltaje y frecuencia especficos. El termino sincrnico se refiere al hecho de que la frecuencia elctrica de esta mquina esta confinada o sincronizada con su tasa mecnica de rotacin del eje. El generador sincrnico se utiliza para producir la gran mayora de potencia elctrica utilizada en todo el mundo.El voltaje interno generado en esta mquina depende de la tasa de rotacin del eje y de la magnitud del flujo de campo. El voltaje de fase de la mquina difiere del voltaje interno generado por efecto de la reaccin del inducido en el generador y por la resistencia y reactancia internas de los devanados del inducido. El voltaje en los terminales del generador ser igual al voltaje de fase o est relacionado a ste por dependiendo de si la conexin de la mquina es o es Y.La forma de operacin de un generador sincrnico en un sistema real de potencia depende de sus limitantes. Cuando un generador opera slo, las potencias real y reactiva que deben ser suministradas estn determinadas por la carga impuesta y los puntos de ajuste del gobernador y la corriente de campo controlan la frecuencia y el voltaje en los terminales, respectivamente. Cuando el generador est conectado a un barraje infinito, su frecuencia y el voltaje son constantes, de tal forma que los puntos del ajuste del generador y la corriente de campo controlan el flujo de potencia real y reactiva del generador.Mquinas de corriente continua (DC)Las mquinas de corriente continua son elementos electromecnicos de conversin muy verstiles pues con solo cambiar la fuente de energa primaria estas podran ser usadas como motores o como generadores. La principal ventaja de los motores de corriente continua (DC) es su fcil control de velocidad y torque por lo que su uso en aplicaciones de control y automatizacin es muy frecuenteMotor conexin ShuntSe denomina de esta forma cuando los circuitos de campo y armadura se conectan en paralelo. A su vez se divide en shunt de excitacin independiente y shunt autoexitado. En el shunt de excitacin independiente, la fuente de tensin para el circuito de campo es diferente a la fuente de tensin para el circuito de armadura.Motor de induccin Los motores de induccin son mquinas elctricas, las cuales han tenido mayor aplicacin en la industria y artefactos electrodomsticos. Estas mquinas son los principales convertidores de energa elctrica en mecnica (actualmente los motores de induccin consumen casi la mitad de la energa elctrica generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando elctrico en la mayora de los mecanismos, ello se justifica por la sencillez de su fabricacin, su alta confiabilidad y un alto valor de eficiencia.El motor de induccin al igual que el generador sincrnico consta de un rotor y estator. Esta mquina es alimentada al estator con tensiones alternas, en l se generan f.m.m rotativas por lo que aparecen flujos magnticos, de esta forma se inducirn tensiones en el rotor, por lo tanto se generan corrientes en ste, como ya se sabe por principios de electromagnetismo, al tener una espira con corriente sometida a un campo magntico variable se provocara una fuerza, esta fuerza es la que har girar el rotor, esta girara cerca de la velocidad sincrnica que es la velocidad del campo magntico, pero nunca llegara a la misma, ya que si ocurriera esto no habra induccin en el rotor es por ello que se llama motor asncrono.

Figura. 1.1 Motor induccin trifsico

DesarrolloEn la siguiente imagen se muestra el sistema a trabajarFigura 1. Sistema de 2 mquinas acopladas energizando a motor asincrnico.En el sistema se puede observar un motor de corriente continua (5hp, 240 volt, 1750 RPM, tensin de campo 150V) energizado por una fuente trifsica de 320 volts eficaz de fase conectada a un puente trifsico. Este motor le entrega potencia mecnica al generador sincrnico de imanes permanentes el cual genera energa trifsica y alimenta al motor asincrnico (5 hp 460V 60hz) conectado en el ltimo extremo.En el circuito de armadura de la mquina de corriente continua se puede observar un arreglo de interruptores y resistencias, este arreglo es el sistema que hemos ocupado para poder cumplir con el requerimiento que se ha pedido, una velocidad escalonada en el tiempo a la salida del motor de induccin, el objetivo de estas tres resistencias es variar la resistencia de armadura para as tener una tensin variable en el tiempo en el motor de corriente continua, al alterar la velocidad del motor de corriente continua alteramos la energa mecnica entregada al generador sincrnico y a su vez este al motor asincrnico obteniendo as la seal a la salida de este.En las siguientes figuras se mostrar ondas de velocidad en las mquinas.

Figura 2. Velocidad del motor de corriente continua 5hp, 240 volt, 1750 RPM, tensin de campo 150V.

Figura 3. Velocidad del generador sincrnico en el tiempo.

Figura 4. Velocidad del motor asincrnico 5 hp 460V 60hz.Como se puede observar las tres curvas de velocidad son escalonadas y de 4 escalones como se haba pedido anteriormente.Anlisis de curvas:Para empezar con el anlisis de curvas se respetar por orden de conexin, comenzando por la mquina de corriente continua hasta la mquina de induccin

Mquina de corriente continaEn la siguiente imagen se muestra la corriente de armadura de la mquina de corriente continua.

Figura 5. Corriente de armadura.Se puede distinguir un pick de corriente al inicio correspondiente a la partida del motor, luego de esto la corriente baja a un estado estacionario pero no sin antes tener perturbaciones por el cierre de los interruptores de las resistencias y el interruptor trifsico conectado al motor de induccin.Para seguir con el anlisis se continuara con la corriente de campo

Figura 6. Corriente de campo.En la corriente de campo no se puede apreciar nada en especial, tal como se espera se mantiene constante luego de la energizacin.Se presenta la Curva de par de la mquina de corriente continua.

Figura 7. Par.Se puede apreciar una curva de par bastante peculiar, la cumbre del comienzo se debe al arranque del motor de corriente continua, el pick que se ve en el segundo numero 1 corresponde a la conexin del motor asincrnico, las perturbaciones siguientes corresponden al cambio de la resistencia en el circuito de armadura del motor de corriente continua.

Generador sincrnico de imanes permanentes.

Figura 8. Corriente trifsica a la salida del generador sincrnico.Se logra apreciar que las corrientes son elevadas en el segundo nmero 1 y son cero antes de este, esto se debe a que en el segundo 1 se cierra el interruptor trifsico conectado a la salida del generador, el motor asincrnico consume mucha corriente al iniciar su funcionamiento por esta razn en el segundo 1 hay grandes intensidades de corriente.Luego de revisar la curva de intensidad de corriente se expondr la curva de velocidad del generador sincrnico.

Figura 9. Velocidad del generador sincrnico de imanes permanentes.En la velocidad de giro desde el segundo 0 al segundo 1 se puede el inicio de la caracterstica de vaco de la mquina, luego en el segundo 1 se conecta el motor asincrnico como carga, y el arreglo de resistencias para hacer la curva escalonada.Luego de revisar la curva de la velocidad, se analizar la curva de par.

Figura 10. Caracterstica de par de la mquina sincrnica de imanes permanentes.Se puede observar que la caracterstica de torque del generador sincrnico es negativa, esto se debe a que la entrada de potencia mecnica que viene desde el motor de corriente continua es leda en sentido opuesto por el generador por lo que genera un torque hacia el otro sentido.

Motor de induccin

Figura 10. Corriente trifsica que alimenta el motor de induccin.Al energizar el motor de induccin se presenta una corriente transitoria al momento de su partida debido a que en el momento de arranque, el campo magntico rotatorio empieza a girar a la velocidad sincrnica, y el rotor an est detenido, y es el momento de mayor tensin inducida en las barras del rotor. Adems, la resistencia de carga es el valor ms bajo, prcticamente es un cortocircuito, ya que el deslizamiento tiene un valor de 1. Posteriormente las corrientes del motor de induccin se estabilizan llegando a un rgimen permanente y por ende el motor gira a una velocidad constante.

Figura 11. Caracterstica par del motor de induccin.El torque inducido del motor de induccin depende de la potencia con que se le alimenta. Dado que la tensin vara en 4 etapas el torque presenta 4 fluctuaciones que hacen responder de una manera proporcional con la tensin que se le aplica. La velocidad responde proporcionalmente con el torque como se logra apreciar en la siguiente figura.

Figura 11. Velocidad mecnica del motor de induccin rpm/sg.La velocidad de giro del motor de induccin presenta un transitorio debido a que el motor de corriente continua no es lo suficientemente potente para iniciar la mquina suavemente. Dado que se realiz un arreglo con resistencias en el circuito de armadura del motor corriente continua, se produjo cuatros escalones que hacen fluctuar la curva de velocidad que se observa en la figura. Posteriormente la velocidad se va a mantener constante.ConclusinPodemos deducir de este experimento, que una alteracin en la primera parte del sistema produce un impacto en la totalidad de este, por lo que al controlar en este caso la mquina de cc, se puede controlar los resultados en todas las etapas del sistema. Tambin se muestra que se puede variar la tensin de entrada a la mquina de corriente continua con un arreglo de resistencias, gracias a esto se puede controlar la velocidad del motor de corriente continua y como se dijo antes controlar las componentes del sistema.