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Laboratorio de Máquinas Eléctricas Ciclo 01/2011

Laboratorio # 1

Motor Síncrono

Objetivo: Examinar el diseño de un motor síncrono trifásico, aprender a conectarlo, para obtener sus características de arranque, determinar las características de plena carga de un motor síncrono y determinar las características del par de salida. Equipamiento: Fuente de alimentación, la DAI, el motor síncrono (8241), electrodinamómetro (8960), tacómetro, banda. Teoría: El motor síncrono tiene la característica especial de mantener una velocidad constante bajo cualquier condición de carga hasta plena carga. Esta velocidad constante que se puede mantener incluso cuando hay variaciones de voltaje. Es, por tanto, un motor útil en aplicaciones donde la velocidad se debe saber con precisión y que sea invariable. Cabe señalar que, si un motor síncrono está severamente sobrecargado, su funcionamiento (velocidad) de repente pierde sus propiedades de sincronismo y el motor se detendrá. La velocidad sincrónica del motor utilizado en este experimento es de 1800 rpm. El motor síncrono deriva su nombre del término velocidad síncrona, que es la velocidad natural del campo magnético giratorio del estator. Como ya se vio antes, la velocidad natural de rotación está determinada por el número de pares de polos y la frecuencia de la potencia aplicada. Al igual que el motor de inducción, el motor síncrono utiliza un campo magnético giratorio, pero a diferencia del motor de inducción, él para desarrollado no depende de las corrientes de inducción del rotor. En resumen, el principio de operación del motor síncrono es el siguiente: se aplica una fuente multifásica de c-a a los devanados del estator y se produce un campo magnético rotatorio. Se aplica una corriente directa a los devanados del rotor y se produce un campo magnético fijo. El motor está construido en tal forma que cuando estos dos campos magnéticos reaccionan entre sí, el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio. Si se aplica una carga al eje del rotor, éste tendrá un atraso momentáneo con relación al campo giratorio; pero seguirá girando a la misma velocidad síncrona. Para entender cómo se produce este atraso, imagínese que el rotor está acoplado a un campo giratorio por medio de una banda elástica. Las cargas pesadas harán que se estira la banda de modo que la posición del rotor tendrá cierto atraso con respecto al campo del estator, pero el motor seguirá girando a la misma velocidad. Si la carga es demasiado grande, el rotor se saldrá de sincronismo con el campo giratorio y, como resultado, se parará. En este caso, se dice que el motor está sobrecargado. El motor síncrono no tiene par de arranque propio y su rotor de modo que, una vez parado el motor, no habría manera de hacer que el motor entre en acoplamiento magnético con el campo magnético giratorio. Por esta razón, todos los motores síncronos tienen algún medio de arranque. La forma más sencilla de arrancar un motor síncrono es usar otro motor que lo impulse hasta que el rotor alcance aproximadamente 90 por ciento de su velocidad síncrono. Entonces el motor de arranque se desconecta, y el rotor entra en acoplamiento con el campo giratorio. En la práctica, el método de arranque más usado consiste en que el rotor incluya un devanado de inducción de jaula de ardilla. Este devanado de inducción hace que el rotor alcance una velocidad próxima a la síncrona, funcionando como en un motor de inducción. La jaula de ardilla sigue útil incluso después de que el motor ha llegado a la velocidad síncrona, ya que tiende a amortiguar las oscilaciones del rotor producidas por cambios repentinos en la carga. El módulo de motor síncrono/generador contiene un rotor con dispositivo de arranque de jaula de ardilla. Como se vio antes, se necesita una potencia reactiva positiva para crear el campo magnético en un motor de corriente alterna. Esta potencia reactiva tiene la desventaja de producir un factor de potencia bajo. Los valores nominales de los generadores, transformadores y circuitos de abastecimiento están limitados por la capacidad que tienen para llevar corriente. Esto significa que la carga en kilowatts que pueden entregar es directamente proporcional al factor de potencia de las cargas que alimentan. Por ejemplo, a un factor de potencia de 0.7, un sistema sólo proporcionará el 70 por ciento de la carga en kilowatts que podría entregar a un factor igual a la unidad.

Laboratorio de Máquinas Eléctricas Ciclo 01/2011 El motor síncrono requiere una considerable potencia reactiva cuando opera en vacío sin ninguna excitación de c-d aplicada al rotor. Actúa como una carga inductiva trifásica en una línea de potencia. Cuando el rotor se excita, se produce parte del magnetismo dentro del motor, dando como resultado que el estator tiene que proporcionar una menor cantidad y la potencia obtenida de la línea d potencia disminuye. Si el rotor se excita hasta que se produce todo el magnetismo, la línea de alimentación sólo tendrá que proporcionar potencia real al motor y el factor de potencia será igual a la unidad. En lo que respecta a la línea de alimentación, el motor síncrono se comporta ahora como una carga resistiva trifásica. Si el rotor se excita más todavía, tendiendo a crear más magnetismo que el que requiere el motor, entonces la línea de potencia comienza a proporcionar una potencia reactiva negativa al estator a fin de mantener constante el flujo total. Sin embrago, la potencia reactiva negativa corresponde a un capacitor y el motor síncrono actúa entonces como una carga capacitiva trifásica con relación a la línea de potencia. Cuando funciona en vacío, el motor síncrono tiene la propiedad de actuar como capacitor variable/inductor variable, en donde el valor de la reactancia (XL ó XC) queda determinado por la intensidad de la corriente directa que fluye por el rotor. Cuando un motor síncrono se usa en el mismo sistema de potencia junto con motores de inducción, mejora el factor de potencia general del sistema. La salida de potencia (en caballos de fuerza) del motor entregado a la carga se define como sigue:

¿Dónde? rpm es la velocidad del motor en revoluciones por minuto, TNm es el par en Newton-metros. Mantenga en cuenta que un caballo de fuerza equivale aproximadamente a 746 W. La potencia reactiva [VAR] se puede calcula como:

Donde S es la potencia aparente [VA], P es la potencia real [W] consumida por el motor. La la eficiencia del motor es:

Donde Pout, W es la potencia de salida entregada a la carga en watts. Las pérdidas del motor, por lo tanto, se calcula como:

out,W Experimento:

1. Examine la parte frontal del módulo del motor síncrono (Figura 1.1). Tenga en cuenta los tres devanados separados conectados a los terminales 1 y 4, 2y 5, 3 y 6. Estas bobinas son idénticas y ubicadas en el estator - una parte fija del motor. Una fuente de poder trifásica será conectada a las bobinas. El embobinado en el rotor está conectado a través de un reóstato de 150 ohms y un interruptor de palanca a los terminales 7 y 8. Po este embobinado circulará corriente continua.


Figura 1.1

2. Acople el motor con el dinamómetro con la correa de distribución. Conecte el motor síncrono a la fuente de alimentación como se indica en la Figura 1.2.

Figura 1.2 Conecte el dinamómetro a la fuente de tensión alterna por el cable gris. Use cables finos, para conectar el "par" y "velocidad" a las salidas del dinamómetro a las terminales "T" y "N" del DAI; conectar "tierra" en las terminales de dinamómetro y DAI. Ajuste el “MODE" del interruptor del dinamómetro a la posición "DYN" y el interruptor de carga del dinamómetro en la posición "MAN". Ajuste la perilla de control del dinamómetro a la posición hacia la izquierda para la carga mínima para el motor. No aplique energía en este momento.

3. El motor se le suministra corriente de c-d sólo cuando el interruptor S está cerrado. Asegúrese de que el interruptor está abierto (OFF) en este momento (posición inferior). Encienda la fuente. El motor debe comenzar su funcionamiento de forma inmediata. Registre los valores de tres corrientes del estator a una tabla de datos.

4. Cierre el interruptor S y ajustar el control de reóstato para las corrientes mínimas del estator

según lo indicado por los medidores. Registre los valores de tres corrientes del estator (mínimo) a la tabla de datos. Aumente la excitación DC al rotor ajustando el reóstato de mínima resistencia (a


la derecha extrema posición del mando). Registre los valores de tres corrientes del estator en la tabla de datos. Reducir la excitación DC hasta que las corrientes del estator está en sus valores mínimos. Observe y registre la posición de la escala de la perilla de control del reóstato (es decir, 10:00, 2:00, etc.). Esta es la posición correcta del reóstato. No lo cambie.

5. Apague la fuente y abra el interruptor S. Nota: el interruptor debe estar cerrado sólo cuando él

está en marcha! Intercambie dos de los cables de conexión de CA en el estator del motor terminales (1, 2, ó 3). Encienda la fuente y observe si la dirección de rotación ha cambiado. Apague la fuente y retorne a la conexión inicial. Encienda la fuente y verifique que el rotor está girando en sentido horario.

6. Encienda la fuente y cierre el interruptor S en el motor. El motor debe comenzar a girar. Asegúrese de que el reóstato está en su posición correcta como se indica en la parte 4. Aumente la carga en el motor a 0,2 Nm. (La acción de frenado del dinamómetro), variando la perilla de control en el dinamómetro. Control de carga, ya sea por el indicador de dinamómetro o con el correspondiente medidor LabVolt. Registre los valores de tres corrientes del estator y la velocidad del motor según lo medido por el dinamómetro a la tabla de datos. Repetir las mismas medidas, mientras registra los valores de las corrientes y la velocidad del motor en la tabla de datos, para las cargas de 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2 y 1.4 Nm. No mantener su motor en marcha sobrecargado (para las cargas superiores a 1,0 Nm.) más tiempo de lo que es necesario tomar una medida ya que la carga normal para el motor es de 1,0 Nm.

7. Modifica el circuito como se indica en la Figura 1.3. Establecer el dinamómetro en la posición sin carga.

Figura 1.3

Con la perilla variable de control de voltaje de salida de CC, ajústela a cero voltios, encienda la

fuente. Tenga en cuenta los valores de corrientes del estator. Ajuste cuidadosamente el voltaje

del rotor a 120 Vdc. Registre la corriente I1 del estator y la tensión del rotor E2 en la tabla de

datos. Repita las mediciones de voltajes del rotor para valores de 100,75, 50, 25 y 0 Vdc mientras

registra la corriente del estator y el voltaje del rotor en la tabla de datos. Apague la fuente.

8. Modifique el circuito como se indica en la figura 1.4, manteniendo las conexiones con el

dinamómetro sin cambios.


Figura 1.4

Tenga en cuenta que el motor síncrono está conectado en su configuración normal inicial (como un

motor trifásico jaula de ardilla, motor de inducción). Ajuste la perilla de control del dinamómetro

hacia la derecha en su máxima condición para proporcionar una carga máxima de arranque en el

motor. Cierre el interruptor S. Abra una nueva tabla de datos para registrar los valores de las

tensiones E1, E2, I1 y el par de la carga indicado por el dinamómetro. Encienda la fuente y mida

rápidamente (guarde en la tabla de datos) los valores de E1, E2, I1, y el par desarrollado de

arranque. Apague la fuente.

9. Con el circuito sin cambios, encienda la fuente y reduzca el par de torsión a 1,4 Nm. Anote el

valore de E1, E2, I1, y el par en la tabla de datos. Repetir las mismas medidas para los valores de

carga de 1.2, 1.0, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2 y 0 Nm. Nota: el par de 0 Nm. Sería obtenido si el motor y el

dinamómetro se desacopla.

10. Modificar el circuito como se indica en la figura 1.5, manteniendo el motor acoplado al

dinamómetro.

Figura 1.5

En la ventana de medición de la computadora, establecer los siguientes medidores: E1 (CA), I1 (CA), I2 (DC), potencia aparente S1 entre E1 e I1 [VA]. También configurar dos medidores adicionales: A – para medir potencia real AC P1 entre E1 e I1 en [W] y B - para medir el factor de potencia entre E1 y I1.


11. Cierre el interruptor S. Ajuste la perilla de control del dinamómetro sin carga (máxima en sentido

anti horario a las agujas del reloj). Ajuste la excitación c-d a cero. Encienda la fuente. Mida y registre en una nueva tabla de datos de los valores de E1: tensión del estator, I1: corriente del estator, I2: corriente del rotor, (debe ser aproximadamente cero), potencia real y aparente, y el factor de potencia. Repetir las mismas medidas para los valores de la corriente del rotor desde 0,1 hasta 0,9 A con un paso de 0.1 A.

12. Aumentar la carga del motor a 0.8 Nm y repetir las mismas medidas que en la Parte 11 para el

mismo rango de valores de excitación de corriente continua. Registre estos valores de carga máxima en su tabla de datos.

En su Reporte:

1. Utilizando Excel y los datos registrados en la Parte 6, graficar la dependencia de la corriente del estator con la carga del motor para las cargas desde 0 hasta 1,4 Nm. ¿Es esta dependencia lineal? Calcular el potencia desarrollada por el motor bajo la carga normal de 1,0 Nm. ¿La velocidad del motor síncrono varía con la carga? Explique.

2. Describir y explicar lo que ha observado en la Parte 7. Para los datos que ha registrado, grafique la

corriente del estator como una función del voltaje de excitación del rotor Er.

3. Utilizando Excel y los datos registrados en las partes 8 y 9, grafique la dependencia de la tensión inducida en la bobina del rotor E2 para todos los valores de par que utilizó en el experimento. Explique por qué un voltaje de corriente alterna grande fue inducida en la bobina del rotor y por que disminuyó a medida que aumentó la velocidad del rotor.

4. Utilizando Excel y los datos registrados en las parte 11, grafique la corriente del estator como función de la corriente del rotor. En ejes por separado, grafique la dependencia del factor de potencia con la corriente del rotor. Explique estas dos curvas sin carga.

5. Utilizando Excel y los datos registrados en las parte 12, grafique la corriente del estator como función de la corriente del rotor. En ejes por separado, grafique la dependencia del factor de potencia con la corriente del rotor. Explique estas dos curvas con carga.

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