informe 1 lab conversión

Universidad Nacional de Colombia. Serrano, Cardona, Beltrán, Posada, Agredo, Linares,. Máquina DC.

Resumen — el trabajo del ingeniero electricista precisa del conocimiento de las máquinas de corriente directa, ya que independientemente del uso en el mercado de este tipo de motores, esta máquina presenta características que la hacen importante como un ejercicio académico. Los distintos fenómenos físicos de su funcionamiento, conexiones, construcción, control, variables y demás aspectos serán puntualizados y desarrollados en el transcurso de la práctica.

Palabras Clave — Devanados, Terminales, Maquina DC, Variables, Sensores, Shunt.

I. INTRODUCCIÓN

Dentro de la historia las máquinas de corriente directa nacieron con el descubrimiento de la ley de inducción electromagnética al igual que los transformadores, los cuales comenzaron con el desarrollo de los sistemas de potencia, en teoría se puede considerar este tipo de motores AC, ya que internamente funcionan con corriente alterna, pero bajo una conversión se obtiene corriente directa en sus terminales mediante un proceso llamado conmutación, razón por la cual se conoce a su vez a estos motores como máquinas de colector o conmutadas.Durante el desarrollo de la ingeniería eléctrica los motores DC jugaron un papel importante, pero actualmente el costo de su mantenimiento, el desarrollo de la electrónica de potencia y demás ha causado que las máquinas de corriente alterna y maquinas asincrónicos se hayan hecho populares en el mercado, mientras las máquinas de corriente directa han mermado su aplicación en la industria eléctrica. Pero aun así, pese a su baja en popularidad, es importante conocer en la práctica el funcionamiento de motores de corriente directa, ya que podrían significar interesantes en su funcionamiento físico, en algunas aplicaciones en la ingeniería actual y en general como el bagaje que debe tener un ingeniero electricista.

II. MARCO TEÓRICO

Para el desarrollo de una práctica orientada al estudio de la maquina DC se tienen los siguientes conceptos:

A. Identificación de los devanados de inducido e inductor y funcionamiento general de un motor dc

A continuación se exponen una serie de imágenes que ayudan a visualizar las ideas posteriormente expresadas:

MOTOR DC:

Figura 1. Máquina de corriente continua. (Tomado de www.tuveras.com)[1]

INDUCTOR:

Figura 2. Inductor de una máquina CC (Tomado de www.tuveras.com)[1]

INDUCIDO:

Informe 1. Máquina DC-Motor en Derivación

Serrano Medina, Andrés Felipe., Cardona Ballesteros, Fabián Camilo; Beltrán Buelvas, Nelson Daniel; Posada Diaz, Esteban David; Agredo Castellanos, Andres Camilo; Linares Rubiano, Maikol.afserranom, fccardonab,ndbeltranb,mlinaresr,acagredoc,[email protected]

Universidad nacional de Colombia-Sede Bogotá

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Figura 3. Inducido máquina CC. (Tomado de www.tuveras.com)[1]

POLOS:

Figura 4. Ubicación de polos máquinas CC. (Tomado de http://maquinascdlauraf.blogspot.com/)[2]

Las máquinas de corriente continua se consideran motor si convierte la energía eléctrica en energía mecánica, en principio estas máquinas pueden usarse como motor o generador (convierte energía mecánica en energía eléctrica) pero de acuerdo a características de diseño, se puede favorecer cada una de sus aplicaciones.Teniendo en cuenta los factores constructivos de la máquina DC, se puede dividir a grandes razgos en dos partes, fabricadas en material ferromagnético laminado, la primera se encuentra fija y se denomina estator o carcasa y la segunda es la que realiza la rotación, la cual se denomina inducido o armadura. En ambas partes se realizan bobinados que al momento de su funcionamiento crean campos magnéticos que interactúan y crean un torque resultante [3]El voltaje de CA generado en cada una de las bobinas del inducido rotatorias, se convierte en CD en las terminales externas del inducido, por medio de un conmutador rotatorio y escobillas estacionarias a las cuales están conectados los

cables del inducido. La combinación conmutador escobilla, forma un rectificador mecánico y el resultado es un voltaje CD en la armadura, así como una onda de fuerza magnetromotriz en el inducido la cual esta fija en el espacio; las escobillas se ubican de tal forma que la conmutación ocurra cuando las caras de la bobina estén en la zona neutral, a la mitad entre los polos de campo. Entonces el eje de la onda de fuerza magnetomotriz en inducido está a 90° del eje de los polos de campo. [3]

Figura 4. Ubicación escobillas en máquina DC (tomado A.E Fitzgerald)[3]

Figura 5. Máquina de CC. (Tomado de www.tuveras.com)[1]

B. Partes de un motor DC

Culata: también llamado carcaza, es el anillo externo de la máquina, está hecho de material ferromagnético y funciona como base para la colocación de los polos de la máquina donde se realiza el arrollamiento de las bobinas del estator.

Colector: es un dispositivo que permite realizar conexiones eléctricas a través de un ensamble rotativo, en este caso es Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.

Polos auxiliares: también llamados polos de conmutación, son polos salientes ubicados en el estator entre los polos

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principales y que a su vez se conectan en serie con el devanado de inducido, con esto crea un campo contrario al de la reacción de inducido y de esta forma evita las chispas al momento de la conmutación.

parámetros característicasIntensidad de arranque (Ia) Ia – puede llegar a alcanzar

10In(sin reóstato, ni

regulacion )Ia-≤1.8In (cuando esta equipado con reóstato o sistema de regulación)

Desde 0.75kW, arranque con reostato

Par de arranque (Ma) Ma- hasta 2Mn

Muy buen par de arranque

Control de velocidad Con reóstato o sistema regulador

Velocidad estable y fácil de regular

Puesta en marcha No presenta peligro de embalamiento

Arranque puede realizarse con carga

Escobillas: Son láminas de bronce, latón, grafito, encargadas de realizar el enlace eléctrico entre las delgas del colector y el circuito de corriente continua exterior.

Tapas: dan sostenimiento mecánico al eje del motor.

Grasero: ayuda a la lubricación.

Eje.

Apoyos.

Rodamientos.

C. Conexiones entre devanados motor cc.

Conexión serie: Este tipo de conexión se presenta cuando el devanado de excitación esta en serie con el inducido, por lo tanto la corriente en ambos bobinados es la misma, esto es Iex=Ii, en base a la curva de velocidad, podemos decir que para corrientes muy pequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas, el arranque debe hacerse con carga, ya que tiende al embalamiento, esto es controlado por sistemas electrónicos.Características del motor cc en serie [4]parámetros característicasIntensidad de arranque (Ia)

Ia – puede llegar a alcanzar 2.5In(sin reóstato, ni regulacion )Ia-≤1.8In (cuando esta

equipado con reóstato o sistema de regulación)Desde 0.75kW, arranque con reostato

Par de arranque (Ma) Ma- entre 1 y 3Mn

Muy buen par de arranqueControl de velocidad Con reóstato o sistema

reguladorVelocidad estable y fácil de regular

Puesta en marcha Inestable con tendencia al embalamientoArrancadores electrónicos

Conexión en paralelo: El devanado de excitación se encuentra conectado en paralelo con el inducido. La resistencia del bobinado inductor suele ser elevada. El flujo es contante si el campo es constante, en consecuencia ante variaciones del par resistente el motor seguirá casi inalterable con velocidad estable.

Conexión compuesta: Este tipo de conexión reúne características entre las del motor shunt y motor serie. En su estructura interna está conformado por dos bobinados inductores independientes, el primero dispuesto de tal forma que el bobinado de excitación esta en serie a uno de estos y el otro conectado en derivación con los bobinados inducidos, (inducido serie e inducido auxiliar).Este tipo de motor permite manejar con grandes inercias, con buen par de arranque y velocidad relativamente estable

Características conexión compuesta [4]

Diagramas:

Fig. I De izquierda a derecha, conexión serie, paralelo y compuesta [1] pag.

144-146

D. Comparación entre conexiones

Ventajas DesventajasConexión serie Gran par de

arranquePara intensidades muy pequeñas

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tiende a alcanzar velocidades muy elevadas

Conexión paralelo

Velocidad relativamente constante ante cualquier régimen de carga

Conexión compuesta

Arranque puede hacerse con cargaPosibilidad para trabajar con grandes inerciasVelocidad relativamente estableNo presenta peligro de embalamiento

Peligro de embalamiento para fuertes cargas

E. Conexión asequibles al laboratorio

Las conexiones como se mencionó anteriormente son: Motor de excitación en serie Motor de excitación en derivación o Shunt Motor de excitación compuesta o Compound Motor de excitación independiente

En la caja de bornes del motor disponemos de unos terminales numerados alfabéticamente, que corresponden a las diferentes conexiones que podemos hacer en el motor [1].

Para el inducido serán la A-B. Para el devanado de excitación en shunt o derivación

serán C-D. Para el devanado de excitación en serie serán E-F. Para el devanado de excitación independiente serán J-

K. Para el devanado de compensación y de conmutación

serán G-H.

En el laboratorio sólo se podría utilizar las conexiones Shunt e independiente debido a las características de corriente máxima de la armadura de los motores presentados (2 amperios), por lo cual sólo se utilizarán C-D y J-K solamente. También podemos ver que las demás conexiones tienen un comportamiento más difícil de controlar por sus características velocidad-par que podría constituir un problema a la hora de accionarlos.

Figura 6. Velocidad vs par por conexiones

F. Reacción de armadura

Cuando un conductor se mueve y corta las líneas de campo magnético, de acuerdo con la ley de Faraday se induce un voltaje en el conductor. En un motor de corriente directa, los conductores de la armadura cortan las líneas de flujo del campo magnético. El voltaje inducido en el conductor siempre es opuesto al voltaje aplicado a la máquina. Por lo tanto el voltaje inducido se encuentra en oposición al voltaje aplicado, a este fenómeno se le conoce como fuerza contra electromotriz. La fcem reduce el voltaje resultante en la armadura sin embargo nunca podrá ser igual al voltaje aplicado en las terminales de la armadura [2].La reacción de armadura no es otra cosa que el efecto de la fmm de la armadura sobre la distribución del campo. Esto ocurre debido a que la corriente que fluye en el devanado de armadura crea una fuerza magnetomotriz que distorsiona y debilita el flujo proveniente de los polos. Este fenómeno ocurre tanto en motores como en generadores [2]

III. DESARROLLO Y RESULTADOS DE LA PRÁCTICA

Esta práctica se desarrolló de la siguiente forma:

Se tomaron mediciones de las terminales en la maquina 8 y encontramos que en la figura 7. Los terminales 4 y 5 son del circuito de armadura, y los terminales 6 y 7 pertenecen al circuito de campo.

Figura 7. Conexione en maquina DC

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Llegamos a la conclusión y la identificación de estos terminales, pues al medir resistencia encontramos los siguientes valores:

R f=47.8ΩRa=0.9 Ω

Además midiendo la continuidad directamente entre los terminales de la máquina y los bobinados de inducido e inductor.

Para hallar Rfx, fijamos la corriente de campo en el valor máximo permitido por la máquina, esto se realiza con la

intención de evitar el envalamiento de esta y de esta manera poder controlar el arranque del motor de una manera mucho

más suave, por ende tenemos:2 ( A )= 120 V(47.8 Ω+R fx)

R fx=12.2Ω

Al arrancar la máquina y empezar a variar la corriente de campo se obtuvieron los datos de la tabla y la gráfica mostrada en la figura8.

I (A) ω (rpm)

1.75 15391.718 15481.715 15531.693 15621.669 15701.65 15841.633 15901.604 16001.533 16401.520 16501.495 16681.483 16761.457 16951.428 17161.416 17241.405 17311.398 17371.381 17471.372 1753

1.751.715

1.669

1.633

1.533

1.495

1.457

1.416

1.398

1.372

140014501500155016001650170017501800

RPM VS Corriente de campo

Figura 8. Grafica If vs velocidad en rpm

IV. CONCLUSIONES.

Es recomendable contar con interruptores que corte todos los polos simultáneamente o con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos.

Hay que determinar Rfx teniendo en cuenta la máxima corriente de campo permitida por la máquina para evitar envalamiento.

Se debe garantizar que la resistencia en serie con el circuito de armadura no reduzca bruscamente la corriente de campo, esto puede causar un aumento drástico de la velocidad de la máquina.

REFERENCIAS

[1] La Máquina de corriente continua. [en línea] 12 de marzo de 2014. www.tuveras.com

[2] Máquinas de CD [en línea]12 de marzo de 2014. http://maquinascdlauraf.blogspot.com/

[3] A.E Fitzgerald; Maquinas Eléctricas 6 Ed.[4] ROLDAN V. J, “Motores de corriente continua”.

Paraninfo.2014[5] Guru B, Hiziroglu H. Máquinas Eléctricas y

Transformadores. Tercera Edición. México D.F. Alfaomega. 2003.

[6] kostenko m. p. piotrovski l. m. maquinas eléctricas. tomo i. editorial mir

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