informemaquinasasincronas

8/3/2019 InformeMaquinasAsincronas

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Universidad de Chile

Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas

Departamento de Ingeniera Elctrica

EL56A - Laboratorio de Conversin Electromecnica de la Energa

Informe n4:

Mquina de Induccin

Nombre : Manuel Palm L.Profesor : Lorenzo Reyes C.

Auxiliar : Miguel Neicn S.

Ayudantes : Juan Pablo Kindermann B.

Manuel Gatica D.

Fecha de Entrega : Martes, 12 de Octubre de 2010

Santiago, Chile.


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ndice

1. Introduccin ................................................................................................................................ 1

2. Objetivos ...................................... ............................................................................................... 1

3. Marco Terico ............................................................................................................................. 2

3.1. Mquina de induccin ......................................................................................................... 2

3.1.1. Introduccin a la mquina de induccin ..................................................................... 2

3.1.2. Caractersticas constructivas ....................................................................................... 2

3.1.3. Modelo circuital .......................................................................................................... 3

3.1.4. Ecuaciones caractersticas ........................................................................................... 4

3.1.5. Curva de torque vs velocidad ...................................................................................... 5

3.1.6. Mtodos de partida ..................................................................................................... 63.1.7. Mtodos de control de velocidad ............................................................................... 6

3.2. Partidor suave ..................................................................................................................... 7

3.3. Variador de frecuencia .......................................................................... .............................. 7

4. Trabajo de Laboratorio ................................................................................................................ 8

4.1. Equipo de laboratorio ......................................................................................................... 8

4.2. Identificacin de la mquina ............................................................................................... 9

4.3. Partida con resistencias en el rotor ................................................................................... 12

4.4. Partida con partidor suave ................................................................................................ 13

4.5. Obtencin de parmetros para el circuito equivalente .................................................... 14

4.5.1. Prueba de vaco ......................................................................................................... 15

4.5.2. Prueba de rotor bloqueado ....................................................................................... 16

4.6. Caractersticas con carga del motor de induccin ............................................................ 18

4.7. Generador de induccin conectado a la red ....................................................... .............. 20

4.8. Operacin con variador de frecuencia .............................................................................. 23

5. Anlisis de Resultados ............................................................................................................... 265.1. Valores de la mquina ....................................................................................................... 26

5.2. Mtodos de partida ........................................................................................................... 27

5.2.1. Comparacin entre restatos en el rotor y partidor suave ...................................... 27

5.3. Parmetros de la mquina ................................................................................................ 29

5.4. Variables del circuito en funcin del deslizamiento ......................................................... 31


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5.5. Generador conectado a la red .......................................................................................... 36

5.6. Anlisis de control electrnico de velocidad ..................................................................... 38

6. Conclusiones ............................................................................................................................. 41

7. Referencias ................................................................................................................................ 43


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1. IntroduccinLas mquinas de induccin trifsicas o asincrnicas son las mquinas elctricas de mayor

aplicacin industrial. Debido a su tamao reducido, su robustez, bajos requerimientos demanutencin, bajo costo relativo y capacidad de trabajar sin operadores, es una alternativa muy

conveniente para la mayora de las aplicaciones industriales que requieren de velocidad constante,

ms an, con el desarrollo de la electrnica de potencia han ido ganando aplicaciones que antes

eran propias del motor de corriente continua.

En su operacin ms usual esta mquina se emplea como motor, los generadores de este tipo

son empleados en centrales elicas o hidroelctricas pequeas. En principio, no existen grandes

diferencias en cuanto a caractersticas constructivas y rangos de operacin como motor o

generador, pero los sistemas de control y proteccin son ms complejos en un generador.

El presente informe presenta un detalle del trabajo experimental y los resultados obtenidos de

este, luego un anlisis de resultados y, finalmente, las conclusiones obtenidas a partir de los

resultados.

Las experiencias a realizar incluyen: identificacin de partes de la mquina, estudio de

mtodos de partida, obtencin de parmetros, caractersticas de las variables ante carga como

motor y como generador conectado a la red, y operacin por intermedio de un variador de

frecuencia.

2. Objetivos Conocer las caractersticas constructivas y estructura fsica de la mquina de induccin. Conocer caractersticas no elctricas de la mquina de induccin. Adquirir conocimiento prctico de la mquina de induccin, as como de su operacin. Conocer las aplicaciones caractersticas de esta mquina. Observar parmetros de este tipo de mquinas. Observar curvas caractersticas de la mquina de induccin, operando como motor y

como generador.

Analizar los modelos tericos en base a los experimentos a realizar, verificar rangos devalidez y comportamiento.

Obtener familiaridad con los rangos tpicos de operacin de estas mquinas. Estudiar distintos sistemas de partida reconociendo las caractersticas de cada uno.


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3. Marco Terico3.1. Mquina de induccin3.1.1. Introduccin a la mquina de induccin1El principio de funcionamiento bsico de esta mquina consiste en alimentar el enrollado

trifsico del estator desde una fuente trifsica para producir un campo magntico rotatorio, este

campo induce corrientes en el enrollado cortocircuitado del rotor (que no posee alimentacin

externa), producindose as un torque motriz en el eje.

Cuando la velocidad angular del rotor es menor que la velocidad sincrnica la mquina

operar como motor, si la velocidad del rotor es menor actuar comogenerador, y, si se invierte

el sentido de rotacin operar como freno.

3.1.2. Caractersticas constructivas2Estator: Consiste en un ncleo de acero laminado,

con sus lminas aisladas entre s, con el objeto de

reducir prdidas. Sus enrollados se alojan en ranuras

axiales en el ncleo, agrupados en tres fases y

alimentados externamente. Una de las configuraciones

ms usadas para disponer los enrollados es el

denominado imbricado.

Los extremos de las bobinas del estator se

encuentran conectados a una placa de terminales

ubicada en la carcaza de la mquina para quedardisponibles y permitir la conexin de los enrollados.

Rotor: El ncleo del rotor tambin se compone de acero laminado. Sus enrollados pueden ser

bobinados o de jaula de ardilla, siendo este ltimo el ms ampliamente extendido.

El rotor embobinado est formado por enrollados de forma similar al estator, los terminales

van conectados a un sistema de anillos rozantes y escobillas que permiten la conexin a la placa de

terminales, este sistema permite agregar resistencias a los enrollados para mejorar la partida o

controlar la potencia.

El rotor jaula de ardilla consiste en una serie de barras conductoras en las ranuras del rotorcortocircuitadas entre s por anillos conductores. Su simplicidad en la construccin y la ausencia de

piezas complejas le hacen una excelente alternativa en cuanto a su precio y seguridad de servicio.

1Publicacin n39. P. 1.

2Publicacin n39. Pp. 1-3.

Figura 3.1: Principales partes de un motor de

induccin.


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3.1.3. Modelo circuital3Los efectos fsicos que se presentan en la mquina de induccin pueden ser modelados como

componentes elctricos, un circuito para esta mquina se muestra a continuacin:

Figura 3.2: Modelo circuital de la mquina de induccin (circuito equivalente aproximado).

Como se observa, el modelo circuital es muy similar al del transformador, siendo losparmetros muy similares en cuanto a disposicin y a significado (tambin las tres fases en

condiciones ideales son caracterizadas por los mismos parmetros):

: Prdidas por histresis y corrientes de Foucault en los ncleos, as como todas las otrasprdidas en vaco que puedan existir.

: Reactancia de magnetizacin., : Resistencia efectiva y reactancia de fuga, por fase, del estator., : Resistencia efectiva y reactancia de fuga, por fase, del rotor.1

: Resistencia ficticia que representa la carga mecnica acoplada en el eje.

Cabe notar que s es el denominado deslizamiento, que cuantifica las diferencias entre las

frecuencias de rotor y estator, su magnitud esta dada por:

Donde es la velocidad sincrnica y es la velocidad de giro del rotor.Al igual que en el transformador, existen dos pruebas tiles para determinar

experimentalmente la magnitud de los parmetros de la mquina, estos se detallan a

continuacin.

Prueba de rotor bloqueado4:

Esta prueba se hace a voltaje reducido, corriente nominal y frecuencia nominal. Anloga a la

prueba de cortocircuito del transformador, permite encontrar los parmetros de la rama serie del

circuito equivalente.




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La prueba consiste en impedir que el rotor de la mquina gire y aumentar lentamente el

voltaje de entrada desde un valor cercano a cero hasta que se obtenga corriente nominal en el

motor. Se mide la potencia activa, corriente por fase y tensin fase-neutro, obtenindose los

parmetros de las frmulas:

con:

La resistencia de estator puede ser medida, por lo que se puede distinguir entre y , para el

caso de las reactancias, se asume .Prueba de vaco5:

Esta prueba se realiza a voltaje, frecuencia y velocidad nominales, se miden la corriente , elvoltaje y la potencia absorbida .

La prueba consiste en que la nica corriente circulante ser , esto se consigue llevando a lamquina a velocidad sincrnica mediante medios externos. As, el deslizamiento ser nulo y la

carga mecnica por consiguiente, infinita.

Los parmetros se obtienen mediante las siguientes ecuaciones:

con:

3.1.4. Ecuaciones caractersticas6Para caracterizar el comportamiento de la mquina de induccin, existen ciertas relaciones

caractersticas, si bien algunas ya han sido presentadas, se detallan a continuacin:

: Velocidad sincrnica de la mquina, como se aprecia, depende de lafrecuencia de entrada de la fuente externa y del nmero de polos de la mquina.




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: Deslizamiento, relaciona la velocidad de giro del rotor con la velocidad sincrnica dela mquina.

Del circuito equivalente:

|| || : Corriente por la rama serie del modelo (rotor).

3 ||: Potencia entregada al eje. : Torque en el eje.3.1.5. Curva de torque vs velocidad7La curva que caracteriza el funcionamiento de esta mquina es la variacin del torque en

funcin de la velocidad, siendo esta ltima determinante en el modo de funcionamiento de la

mquina.

El torque se puede calcular como la potencia mecnica sobre el eje sobre la velocidad angular,

ligando las ecuaciones previamente vistas, depende de la corriente de rotor (que a su vez depende

del voltaje en el estator) y el deslizamiento. Por supuesto, suponiendo que no se hacen cambios

sobre la mquina que alteren sus parmetros.

La curva caracterstica de torque vs velocidad angular se presenta en la siguiente figura:

Figura 3.3: Curva torque vs. velocidad, medida en porcentaje de la velocidad sncrona. Bajo el eje se relaciona eldeslizamiento y los distintos modos de operacin de la mquina sncrona.



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3.1.6. Mtodos de partida8Para la partida de motores de induccin se ocupan mtodos que reduzcan las altas corrientes

de partida. Los principales mtodos consisten en: aumentar la resistencia en el rotor (slo para

motor de rotor embobinado) o reducir el voltaje de partida. Estos mtodos se detallan enseguida:

Resistencias adicionales en el rotor: En motores de rotor embobinado, se puede partir conresistencias adicionales en el circuito del rotor. Estas se reducen continuamente mientras al motor

acelera, logrando as un torque alto para todo el rango de velocidades.

Autotransformador de partida: Mediante un transformador variable se puede variar la tensin

de entrada al estator, si bien es un mtodo simple y que cumple con reducir el valor de la

corriente, el torque se ve reducido por relacionarse con el voltaje al cuadrado.

Partida con resistencias en serie con el estator: Se conectan resistencias en serie para cada

fase con el fin de obtener voltaje reducido. Es anlogo en cuanto a funcionamiento al agregar

resistencias adicionales en el rotor, pero se reduce el torque como costo adicional.

Partida estrella-delta: En motores que disponen de 6 contactos en el estator se pueden hacer

conexiones con interruptores tal que se tenga disposicin de ambos tipos de conexin. Al emplear

conexin estrella en la partida y en delta durante el funcionamiento, se consigue reducir el voltaje

de partida en un factor 1/3.3.1.7. Mtodos de control de velocidad9La mquina de induccin funciona esencialmente a velocidad constante, sin embargo, tiene

aplicaciones en que se requiere la capacidad de operacin a valores distintos o variaciones

continas de velocidad. Por ende, existen varios mtodos para el control de la velocidad que

funcionan segn distintos principios los cuales se enuncian a continuacin:

Cambio en el n de polos: Una forma de variar la velocidad de la mquina variando su velocidad

sncrona, consiste en cambiar las conexiones de los enrollados, para variar el nmero de polos en

proporcin de 2:1, de esta manera se tienen dos velocidades para elegir. En caso de un rotor jaula

de ardilla slo debe modificarse el enrollado de estator, con rotor bobinado deben modificarse

rotor y estator de la misma forma.

Variacin del voltaje de lnea: De las ecuaciones vistas en 3.1.4., se vislumbra que el torque

interno de la mquina es proporcional a la tensin aplicada. Luego, variar el punto de operacin

del sistema, modificndose el deslizamiento y la velocidad.

Variacin de la resistencia en el rotor: Aplicable para mquinas de rotor bobinado, al variar la

resistencia de rotor se desplaza la caracterstica de torque de la mquina, modificando con esto el

deslizamiento y la velocidad. Este mtodo es poco eficiente por la incorporacin de prdidas, baja

eficiencia a baja velocidad y mala regulacin ante fluctuaciones en la carga.


9Publicacin n39. P. 29-31.


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Variacin en la frecuencia de alimentacin: La velocidad sncrona de una mquina de

induccin puede controlarse mediante la variacin en la frecuencia de su alimentacin, para

mantener la densidad de flujo constante, debe variarse tambin la magnitud del voltaje aplicado.

3.2. Partidor suave10Es un dispositivo electrnico generalmente basado en tiristores con el que se puede controlar

la tensin del motor, de forma que aumente gradualmente durante la puesta en marcha, con esto

se limita la corriente de partida y, naturalmente, se reducen los esfuerzos elctricos y mecnicos.

El partidor, puede entregar funciones complementarias de seguridad (proteccin contra fallas

de fase, sobrecorrientes, sobrecalentamiento, etc.), y adems, permite una detencin suave. Todo

esto configurado de forma sencilla desde la cara frontal del instrumento.

3.3. Variador de frecuencia11Es un dispositivo electrnico que regula la frecuencia del voltaje de alimentacin para motores

de corriente alterna. Opera bajo el principio de que la velocidad sncrona del motor est dada por

la expresin:

120

De esta expresin, al variar la frecuencia, cambia la velocidad sincrnica y, por ende, la

velocidad de operacin el motor.

El variador funciona rectificando la onda de alimentacin, que luego se invierte a la frecuencia

deseada. Usualmente, los variadores se disean de manera tal que al ajustar la frecuencia,

automticamente se modifica la magnitud del voltaje de modo que V/f =constante, para mantener

una densidad de flujo constante, para evitar la saturacin del ncleo.

10http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=134&rank=1

11http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_frecuencia


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4. Trabajo de LaboratorioEn la presente seccin se presentan los detalles concernientes a la ejecucin del trabajo del

laboratorio como tal (elementos, objetivos, conexiones y otros) y se deja registro de los resultados

obtenidos.

4.1. Equipo de laboratorio1. Mquina de Induccin:

Mquina de corriente alterna, fabricada en el Atelier de Construction Oerlikon.

2. Mquina de Corriente Continua:Mquina multipropsito, fabricada en el Atelier de Construction Oerlikon.

3. Tablero porttil AC-DC:Se conecta al tablero de distribucin fijo, tiene la capacidad para entregar:

Corriente alterna (entre fases): 220[V] 380[V]

Corriente continua: 110[V] 220[V] 440[V]Cuenta con ms de una salida por fase, conexin a tierra y un botn de

emergencia.

4. Multmetros de tenaza:Se emplean 2 tenazas de distintas caractersticas:

Una de modelo ms antiguo, con la capacidad de medir peaks de corriente

y capturarlos, adems de la medicin de corriente en rgimen

permanente.

Otra empleada en experiencias anteriores capaz de medir tensiones y

potencias, adems de la corriente.

5. Cargas resistivas variables:Estacin con varias resistencias que se activan mediante interruptores, pudiendo

conectarse en paralelo entre s o de forma independiente.

6. Transformador variable (variac):Transformador con razn de transformacin variable por medio del giro de una

perilla.

7. Partidor suave:Dispositivo electrnico que alimenta al motor de forma diferenciada en la partida.

8. Variador de frecuencia:Dispositivo electrnico que vara la frecuencia de la alimentacin as como su

tensin.9. Osciloscopio10.Restatos11. Interruptor12.Tacmetro13.Multimetros digitales14.Cables banana


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4.2. Identificacin de la mquinaEl objetivo de esta seccin es reconocer los valores que caracterizan a estas mquinas en una

placa, y reconocer empricamente las partes exteriores para realizar las conexiones de forma

correcta.

La mquina a ser utilizada como mquina de induccin se presenta en la siguiente figura:

Figura 4.1: Mquina de induccin, vista de los bornes de la mquina.

Se aprecian dos placas de bornes. La de la izquierda corresponde a la placa de bornes del

rotor, deducindose de esto que se trata de una mquina de induccin con rotor embobinado. La

placa de la derecha en cambio corresponde a la placa de bornes del estator, que como se aprecia,tiene seis bornes aunque tres de ellos estn cortocircuitados formando el neutro de una conexin

en estrella.

Como se observa, el rotor est en conexin Y, por lo que internamente debiese tener sus

terminales unidos.

Figura 4.2: Esquemas circuitales de a) Rotor; b) Estator.


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En el diagrama de la figura 4.2., los bornes cortocircuitados del estator no se muestran en el

mismo orden que en la mquina para simplificar el diagrama. Adems, al estar conectados entre

s, es irrelevante su orden para la conexin (se emplea como neutro de la conexin Y). El rotor

tampoco es necesario de identificar, por simetra, internamente sus enrollados debiesen estar

cortocircuitados para formar otra conexin en Y.

La placa de la mquina contiene informacin para varas condiciones de operacin como

motor y generador. Aquellas que se emplearn en esta experiencia se detallan a continuacin:

Tabla 1: Valores de placa de inters para motor y generador trifsico de induccin.

Fabricante Ateliers de Construction Oerlikon

Clase de aislacin E

Operacin de la maquina Motor trifsico deinduccin

Generador trifsico

de induccin

Modelo S 151 c4 T 151 c4 - D

Tipo de conexin de enrollado Y Y/Velocidad nominal ns 1470 [rpm] 1500 [rpm]

Potencia nominal Pout 6 [ch] 4 [kVA]

Voltaje entre fases nominal V1ff 380 [V] 380/220 [V]

Corriente nominal I1 12 [A] 6.1/10.5 [A]

Factor de potencia nominal cos - 0-1-0

Frecuencia nominal f 50 [Hz] 50 [Hz]

Tensin nominal de excitacin (rotor) - 110 [V]

Corriente nominal del rotor - 4.5 [A]

Respecto a los valores de placa sera destacable notar que la potencia nominal para el motor

est dada en caballos (ch), una unidad francesa para la potencia de automviles. La equivalencia

en kilowatt es, aproximadamente, 1 735.5. Por lo tanto, la potencia nominal del motortrifsico de induccin es:

6 4.413En el anlisis, se harn las deducciones acerca de las dimensiones del motor y se estimarn los

valores nominales que le caracterizan.

La mquina a emplear como mquina de corriente continua presenta 6 placas para distintosmodos de operacin, los datos de inters se presentan en la siguiente tabla:


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Tabla 2: Valores de placa de inters para mquina de corriente continua.

Fabricante Ateliers de Construction Oerlikon

Modelo U 151 c4

Clase de aislacin E

Operacin de la maquina Motor de corrientecontinua Generador decorriente continua

Velocidad nominal 1500 [rpm] 1500 [rpm]

Potencia nominal 5.5 [ch] 4 [kW]

Voltaje nominal 220 [V] 220 [V]

Corriente nominal 22.3 [A] 17.9 [A]

Corriente nominal de excitacion 1.05 [A] 1.44 [A]

A modo de simplificacin para el tablero porttil, en los diagramas se emplear una nica

fuente con conexin trifsica como se muestra en seguida:

Figura 4.3: Equivalencia para la fuente en diagramas del informe.

Otro detalle que se omitir es que, naturalmente, entre cada prueba y durante la realizacin

de las conexiones se mantendr el sistema desenergizado (a excepcin de los interruptores de la

instrumentacin de servicio).


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4.3. Partida con resistencias en el rotorEl objetivo de esta prueba es conocer la efectividad de este mtodo de partida caracterstico

de las mquinas de induccin de rotor embobinado, debido a su fcil acceso a los terminales de

rotor.

En los terminales del rotor se conecta un juego de resistencias variables en conexin estrella.Por el otro lado, se conecta desde el tablero porttil a los bornes del rotor en los terminales

correspondientes alimentando con 380[V] entre fases.

Figura 4.4: Modelo circuital completo para la conexin del motor de induccin.

Como se aprecia en la figura 4.3., se pone un ampermetro (especficamente una tenaza)

midiendo en una fase suponiendo que, por simetra, las otras fases se comportarn de igual

manera.

El procedimiento para esta prueba es como sigue:

1. Se pone una resistencia idntica en cada resistencia variable y se energiza.2. El ampermetro registra el peak de corriente de partida, se espera a que el motorse estabilice y se cambia el modo de medicin para medir corriente rms de

rgimen permanente.

3. Se desenergiza el sistema, y se espera que se detenga la rotacin del eje delmotor.

4. Se vuelve al paso 1, modificando la resistencia.Finalmente, se realiza una medicin con los terminales del secundario en cortocircuito, esto

quiere decir, que slo se contar con la resistencia intrnseca a los enrollados del rotor.


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Los resultados de la prueba se muestran a continuacin:

Tabla 3: Corriente peak y de rgimen permanente para distintos valores de resistencia en el rotor.

[#]

[A]

[A]

1 45.1 6.452 48.8 6.56

3 53.9 6.52

4 57.5 6.48

5 62.6 6.48

6 65.7 6.43

7 69.0 6.48

77.0 6.50

4.4.

Partida con partidor suaveEl objetivo es mostrar un mtodo de partida alternativo mediante un dispositivo electrnicode uso frecuente en la industria como es el partidor suave.

La conexin del dispositivo se muestra en la siguiente figura:

Figura 4.5: Conexin para la partida empleando partidor suave.

Como se observa, para la representacin del partidor se emplea el smbolo correspondiente

para el diagrama unilineal (slo con fines de comodidad). Se deja un switch como parte del circuito

interno, porque en teora el partidor no debiese actuar una vez terminado el proceso de partida,

pese a que esto no es necesariamente as (como se detalla en el marco terico, puede tenerdiferentes aplicaciones durante el funcionamiento de la mquina).

La conexin es como sigue:

1. Se cortocircuitan los terminales del rotor.2. Se conectan las fases de 380[V] entre fases del tablero porttil a los terminales de

entrada del partidor suave.


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3. Se conecta el partidor suave a la red (necesita conectarse a un enchufe de serviciopara control, tomando como precaucin conectar primero el partidor y luego cerrar el

circuito).

4. Desde los terminales de salida del partidor, se alimenta al estator.Antes de energizar, se procede a configurar las condiciones de partida en el partidor suave. A

partir de lo instruido por el ayudante y el manual de instrucciones del partidor, se modifican los

parmetros ACC y Tq, el primero indica el tiempo entre la partida y el final de la rampa de la

alimentacin y el segundo el porcentaje del torque total para la partida (el que, como se puede

observar en las ecuaciones, se relaciona con la tensin de entrada al cuadrado). La detencin de la

mquina puede ser controlada desde el mismo partidor suave.

Como ajustes, se decidi dejar el parmetro Tq fijo en 30%, y variar el tiempo de

estabilizacin. Los resultados de estas pruebas se muestran a continuacin:

Tabla 4: Resultados de corrientes peak y de rgimen permanente en la mquina usando partidor suave

Parmetros partidor Tenaza Partidor

[s] [%] [A] [A] [A]

1 30 49.9 - 6.3

10 30 33.1 30.4 6.3

20 30 30.0 27.8 6.3

30 30 28.7 26.6 6.3

40 30 27.7 25.8 6.3

50 30 27.5 25.7 6.3

60 30 - 25.5 6.3

Se observan valores similares a los obtenidos en la prueba previa, aunque un rgimen

permanente ms estable desde un principio.

4.5. Obtencin de parmetros para el circuito equivalenteEl objetivo de esta prueba consiste en encontrar los valores para los parmetros del modelo

circuital, lo que permite formular una representacin til para simplificar clculos y tomar

medidas.


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4.5.1. Prueba de vacoEsta prueba tiene por objeto encontrar los parmetros de la rama shunt (de magnetizacin)

del modelo circuital.

La prueba consiste en operar la mquina de induccin como motor sin carga. Bajo estas

condiciones la mquina opera a velocidad sincrnica, es decir, con deslizamiento nulo lo que haceque la resistencia que representa la carga mecnica en el eje se haga infinita.

La conexin se muestra a continuacin:

Figura 4.6: Conexin trifsica para la prueba de vaco.

La conexin se detalla a continuacin:

Figura 4.7: Detalle de conexin para la prueba de vaco en una fase e instrumentos de medida usados.

Para la prueba se requiere voltaje nominal, frecuencia nominal y velocidad de giro de rotor

sncrona. Para alcanzar la velocidad de giro, como se menciona previamente, simplemente se deja

el rotor libre de carga, y, para el voltaje y frecuencia se asumir que son los provistos por la red

(ciertamente, es ms seguro emplear el variac y ajustar el voltaje, pero estaba siendo ocupado por

otro grupo por lo que se privilegi avanzar).


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Las conexiones para las otras fases son anlogas sin incluir los instrumentos de medida. Los

terminales del rotor, como se mencion previamente, permanecen cortocircuitados.

Para la medicin se emplea una tenaza midiendo: voltaje fase-neutro, potencia monofsica y

corriente de lnea; en la posicin detallada en la figura 4.5. Adems, se tiene un tacmetro para

medir la velocidad de rotacin del eje.

Los resultados obtenidos para la prueba se presentan a continuacin:

Tabla 5: Resultados de la prueba de vaco.

V

[V]

I

[A]

P

[kW]

n

[rpm]

228.2 6.5 1.416 1498

A priori, se notan resultados elevados en lo que a potencia se refiere (de hecho, el auxiliar lo

menciona durante la experiencia). Sin embargo, las conexiones fueron revisadas y no seencontraron anormalidades, al ser los otros datos consecuentes con los anteriormente tomados,

se consideran correctos, una posible causal de error se detallar en el clculo de los parmetros.

4.5.2. Prueba de rotor bloqueadoEsta prueba tiene como objetivo obtener los parmetros serie de la mquina.

Figura 4.8: Diagrama circuital de la prueba de rotor bloqueado.


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Figura 4.9: Detalle de la conexin del estator en una fase e instrumentos de medida empleados.

Las condiciones para esta prueba son voltaje reducido, corriente nominal y frecuencianominal. La conexin a realizar es idntica a la anterior, salvo por la conexin del variac entre el

tablero porttil y el estator.

Se ajusta el variac para no permitir el paso de corriente mientras se bloquea el rotor mediante

una palanca realizada sobre el rotor utilizando un trozo de madera. Se energiza el sistema y se

comienza a ajustar el variac hasta obtener corriente nominal.

Debido al flujo pequeo, las prdidas en el fierro se asumen pequeas. Luego, la potencia

disipada puede suponerse es totalmente debida a los enrollados.

Los resultados obtenidos fueron:

Tabla 6: Resultados de prueba de rotor bloqueado.

V

[V]

I

[A]

P

[kW]

39.6 11.97 0.203


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4.6. Caractersticas con carga del motor de induccinEsta prueba tiene como objetivo el anlisis del comportamiento de un motor de induccin al

variar la carga mecnica a la que est sometido.

Como carga mecnica, al eje del motor se acopla un generador de corriente continua el cual a

su vez alimentaba una carga resistiva variable. Un diagrama muy simplificado para la conexin es:

Figura 4.10: Grupo motor de induccin-generador CC para la prueba de carga.

Como se aprecia en la figura, el motor de induccin y la mquina empleada como generador

de corriente continua se acoplan en el eje, funcionando esta ltima como carga mecnica para el

consumo de la resistencia R.

Un detalle a los instrumentos de medida y las conexiones realizadas al sistema completo se

muestran a continuacin:

Figura 4.11: Conexin del estator a la red (motor de induccin).

Ntese que la conexin del tablero al estator es directa, el wattmetro y el voltmetro se

sobreponen y el ampermetro es de tenaza, por lo que se une directamente el tablero a cada fase

del estator. Mientras el rotor permanece cortocircuitado por lo que no se adjunta el detalle.


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19

Figura 4.12: Conexin del generador CC.

Las conexiones en la mquina de induccin son las siguientes:

1. Se conecta en el orden de las fases respectivas del tablero a los bornes del estator (y serealiza la conexin a neutro del tablero).

2. Se conecta la tenaza para medir voltaje y potencia entre fase y neutro de una misma fase,mientras la tenaza se pone alrededor de la misma fase.

Las conexiones en el generador de corriente continua son:

1. Se alimenta desde el tablero porttil a 220[V] de corriente continua, desde el positivo seconecta un restato (como restato de campo) y se mide con una tenaza, desde el otro

terminal del restato se conecta al terminal C de la mquina de corriente continua, desde

el terminal D de la mquina se cierra el circuito conectando al negativo del tablero

porttil.

2. A los terminales de armadura (A-H) se conecta una resistencia variable tipo jaula y unvoltmetro para medir la diferencia de potencial. Tambin se incluye, entre el terminal A yla resistencia un multmetro para actuar como ampermetro y medir la corriente de

armadura.

3. Se posiciona el tacmetro frente al eje para registrar la velocidad de giro de este.Para empezar, se revisa que el sentido de giro de ambas mquinas sea el mismo, para ello se

les hace partir separadamente y se chequea la direccin de giro. Hecho esto se puede realizar la

experiencia.

Primero, se energiza el motor de induccin (380[V] entre fases), y, al alcanzar este el rgimen

permanente se procede a energizar el generador de corriente continua (220[V] DC). Los resultados

se muestran a continuacin:


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20

Tabla 7: Mediciones en el motor de induccin y el generador CC, para distintas cargas resistivas en el generador.

Motor Induccin Generador CC

0.284 229.0 6.62 1.83 0.0 262.8 14960.392 229.0 6.59 1.794 1.23 258.1 1493

0.496 229.0 6.74 1.793 2.44 257.0 1493

0.59 228.4 6.89 1.771 3.59 254.4 1491

0.694 228.7 7.11 1.761 4.76 252.3 1489

0.794 228.1 7.25 1.745 5.96 250.4 1489

0.895 228.6 7.46 1.738 7.13 251.0 1485

1.231 227.7 8.34 1.748 10.75 245.5 1483

En la tabla se observan cargas resistivas decrecientes, se parte desde el generador CC abierto y

se reducen las cargas resistivas procurando no exceder las corrientes nominales de las mquinas.

4.7. Generador de induccin conectado a la redEn este ensayo se conocer el comportamiento de la mquina de induccin funcionando como

generador, si bien es menos usado, tiene utilizacin. En particular, se usa bastante en la

generacin con energa elica.

Para la operacin como generador se debe lograr una velocidad del giro del eje de la mquina

de induccin superior a la velocidad sncrona, para esto, se usar la mquina de corriente continuacomo motor que impulse el eje. Tambin, debe mantenerse la conexin del estator a la red, pues

la potencia reactiva requerida para la conformacin de los campos electromagnticos es tomada

desde el sistema.

El sistema general es como se muestra en la figura:

Figura 4.13: Sistema red-generador de induccin- motor CC.


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21

Como se aprecia, nuevamente la mquina de induccin y la de corriente continua estn

acoplados por el eje como unin entre los sistemas.

La conexin del generador de induccin:

Figura 4.14: Conexin generador de induccin.

Las conexiones del generador de induccin permanecen exactamente iguales a las realizadas

para la parte anterior, lo que distingue la operacin de la mquina no es su conexionado sino que

la velocidad de giro del eje.

Los instrumentos de medida, se mantienen mostrando los datos anteriores como sistema de

control, pero slo se emplearn los datos obtenidos de la potencia monofsica en el generador y


Para el motor shunt, las conexiones son:

Figura 4.15: Conexiones motor shunt.

La alimentacin se extrae de los terminales positivo y negativo de la salida en 220[V] en

corriente continua del tablero porttil, del positivo sale un restato para el control de velocidad

del motor cuyo otro terminal se conecta al borne C de la mquina. Mientras una resistencia

variable tipo jaula se conecta entre la fuente y el terminal A de la mquina. De los terminales C y H


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slo se cierra el circuito por el negativo del tablero porttil. Los instrumentos de medicin se dejan

en la posicin mostrada en el diagrama, pero slo con fines de control.

Los datos necesarios para obtener la caracterstica potencia generada vs. deslizamiento son:

Tabla 8: Potencia y velocidad del generador de induccin conectado a la red.

11 1500

117 1501

153 1503

247 1505

370 1506

490 1507

588 1509

690 1510

Es necesario mencionar tambin que para este experimento y el anterior, los generadores se

energizan primero para no verse superados por la velocidad de rotacin del eje. En el caso de

retirar la alimentacin, en el caso anterior era mejor desconectar la mquina continua, pero en

este es irrelevante, pues al desenergizar la operacin pasar a ser de motor por no poder sostener



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23

4.8. Operacin con variador de frecuenciaEsta prueba tiene por objetivo observar los efectos de variar la frecuencia para el control de

velocidad y conocer el uso del variador de frecuencia, as como los resultados de su operacin.

Las conexiones en esta prueba son muy simples como se ve en la figura:

Figura 4.16: Esquema de la conexin del circuito para la operacin con variador de frecuencia.

Como se ve, desde la salida de 380[V] entre fases del tablero porttil se conecta el variador de

frecuencia, desde la salida de este se conecta a los terminales correspondientes del estator

(procurando seguir el orden que se detalla en la seccin 4.2.).

La tenaza para las medidiones habituales de la potencia monofsica, voltaje fase-neutro y

corriente de lnea se sitan aguas abajo del variador como se muestra en la figura 4.17:

Figura 4.17: Instrumentos de medida para la operacin mediante variador de frecuencia.

Adems, se mantendr medida la velocidad del eje mediante un tacmetro.

La forma de onda de la corriente fue capturada mediante el uso del osciloscopio. Se levant la

conexin a tierra de proteccin del osciloscopio (no usando el terminal central del enchufe), y

mediante una resistencia shunt se obtuvo la seal de la corriente a travs de la lnea.


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24

Los resultados de la medicin de corriente que sale del variador se muestran enseguida:

Figura 4.18: Corriente entregada por el variador para a)10[Hz] b)20[Hz] c)30[Hz] d)40[Hz] e)50[Hz].


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25

Los resultados obtenidos por los otros instrumentos se detallan a continuacin:

Tabla 9: Valores de las variables ante variaciones en la frecuencia.

10 83 84 5,89 29820 137 153 6,5 59830 192 190 6,56 898

40 317 216 6,7 1198

50 432 275 6,93 1498


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5.Anlisis de ResultadosEn la presente unidad se analizan los resultados detallados en la seccin anterior y se realizan

los anlisis solicitados en la gua de trabajo.

5.1. Valores de la mquinaA continuacin se detallan valores no incluidos en la placa de la mquina de induccin, pero

que le caracterizan.

De la velocidad que aparece como nominal para generador y la cercana al valor nominal de la

velocidad para el motor, se puede deducir que la velocidad sncrona de esta mquina es

1500[rpm].

A partir de esto y el valor nominal para la velocidad como motor se obtiene:

150014701500 0.02

De acuerdo al om Lfke, el deslizamiento se mantiene regularmente en un rango entre el 3 y

el 7%. Luego, el deslizamiento nominal, se mantiene bajo el rango de operacin usual.

Lo anterior, implica que la velocidad nominal de giro del rotor debiese ser:

1 49Partiendo de la ecuacin que relaciona la frecuencia de entradas, el nmero de polos y la

velocidad angular, se tiene:

120 12050

1500 4

Por lo tanto, la mquina es de cuatro polos.

El torque nominal del motor:

4413

1470 260 28.6674

De los bornes expuestos, se obtiene que como motor puede conectarse tanto en delta comoen estrella, esto tambin puede observarse de las placas.

El resto de los datos pertenecientes a las placas est detallado en la seccin 4.2. (Tabla 1).


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5.2. Mtodos de partidaPara empezar es importante destacar que el mtodo de partida estrella-delta no se aplic por

varias razones, como que no se contaba con interruptores que permitieran el cambio de conexin

y que no tiene mucho sentido realizarla, pues la operacin a lo largo de la experiencia se realiza en

conexin estrella, y el mtodo ocupa la conexin estrella para la partida y delta para el

funcionamiento.

Un buen punto de partida se podra obtener comparando las corrientes de ambos mtodos y

la corriente nominal.

5.2.1. Comparacin entre restatos en el rotor y partidor suaveLos resultados obtenidos para ambas pruebas se pueden resumir en la siguiente tabla:

Tabla 10: Comparacin entre tablas de datos, mtodo de restatos en el rotor y partidor suave.

Como se puede apreciar de las tablas, para el mtodo de resistencias del rotor se alcanzan

corrientes de partida entre 3 y 7 veces la corriente nominal de la mquina, mientras para el

partidor suave slo hay corrientes entre 2 y 4 veces la corriente nominal, bajo este precepto es

superior el mtodo del partidor suave.

Por otro lado, una mquina con gran inercia rotacional no podr funcionar con partidor suave

debido a la limitacin en el par motor, por lo que hay que ser especficos con la mquina en la que

queremos aplicar el mtodo. En el caso particular de la mquina del laboratorio, ambos mtodos

consiguen funcionar sin problemas.

Con el partidor suave se alcanza siempre un torque mximo, para cada valor de resistencia ypor lo tanto, para cada velocidad, mientras con el partidor suave esto es imposible de conseguir

por la reduccin de la tensin de entrada al estator.

Econmicamente, es claro que es ms fcil de conseguir y ms econmico contar con un juego

de restatos que con un equipo electrnico como el partidor suave. Por otro lado, el mtodo de

los restatos en el rotor es slo posible de realizarse en mquinas con rotor bobinado, las cuales

son de uso menos frecuente que las de jaula de ardilla, mientras el partidor suave puede ser

[#]

[A]

[A]

1 45.1 6.45 3.7583

2 48.8 6.56 4.0667

3 53.9 6.52 4.4917

4 57.5 6.48 4.7917

5 62.6 6.48 5.2167

6 65.7 6.43 5.475

7 69.0 6.48 5.75

77.0 6.50 6.4167

[s]

[A]

[A] 1 49.9 6.3 4.1583

10 33.1 6.3 2.7583

20 30.0 6.3 2.5

30 28.7 6.3 2.3917

40 27.7 6.3 2.3083

50 27.5 6.3 2.2917

60 25.5 6.3 2.125


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empleado con cualquier mquina, sin mencionar que sus funciones adicionales como dispositivo

de partida, detencin, seguridad y control, lo hacen una alternativa conveniente.

Los argumentos antes contrastados entregan criterios tiles para determinar la superioridad

de un mtodo de partida ante el otro. Sin embargo, de acuerdo a la publicacin sobre mquinas

de induccin (C5), una mquina de menos de 7.5[HP] se puede conectar directamente a plenovoltaje.

En la experiencia por comodidad, reducir el nmero de conexiones y ocupar de mejor forma el

espacio disponible, no se ocuparn mtodos de partida por ser innecesarios.

Si se debe elegir, a partir de los criterios anteriores, se escoge en general el partidor suave. A

excepcin del caso en que la aplicacin requiera un alto torque desde el principio, en tal caso y de

contar con una mquina de rotor embobinado, se emplear el mtodo de restatos en el rotor.


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29

5.3. Parmetros de la mquinaEstos parmetros se calculan de los resultados detallados en las tablas 5 y 6, a partir de las

ecuaciones de los mtodos se obtiene:

36.7763

117.8901

1.4168

2.9895

Notando que en ambos casos se tiene Q, que es resultado de: .Como los resultados son para la operacin como motor, a partir de la potencia y voltaje

nominal de la operacin como motor de la mquina debe obtenerse la impedancia base:

380

4413 32.7215Con esto, los valores antes calculados quedan:

1.1239 3.6028

0.0433 0.0914Para la medicin de la resistencia de estator debiese hacerse una medicin independiente de

la resistencia de estator (acorde a la publicacin C5), pues el valor para la resistencia de estator y

rotor no tiene porque ser igual, al existir en la literatura disponible distintos valores, se opta por

hacer caso al apunte del curso EL42C y al om Lfke que suponen que son de magnitud

comparable y pueden ser aproximados como iguales.

El hacer una medicin de de forma independiente acarrea problemas adicionales al modelo(pese a poder obtener una resistencia ms precisa). El valor en primer lugar ser necesariamente

distinto al de operacin, si se hace una medicin esttica no se tiene la temperatura de operacin

y si se hace una medida con corriente continua no se obtiene un valor satisfactorio debido a los

efectos de la frecuencia sobre la circulacin de la corriente (en general, aumentan la resistencia

por el conductor).

Entre los valores obtenidos, como se mencion en la seccin 4.5., existen dudas respecto al

valor de la potencia reafirmados con lo que se sostiene en el Mquinas Elctricas de Kostenko y


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30

Piotrovsky, que afirma que el factor de potencia para la prueba de vaco es muy bajo, en el orden

de 0.1 y 0.3.

Una posibilidad para este error, es la medida de la corriente de una fase distinta a la que se

mide la tensin, de esta forma el desfase angular es distinto al que debiese obtenerse para una

misma fase y la potencia obtenida es mayor sin alterar los otros parmetros que fueronconsecuentes a los previamente obtenidos, el cruce de un cable tambin es factible que pueda

haber aumentado la corriente circulante y podra haber sido pasado por alto tanto por el grupo,

como por el auxiliar y el encargado de laboratorio.

Para recalcular los parmetros fueron pedidos los datos al otro grupo que realiz la

experiencia, los datos pueden ser igualmente considerados por la similitud en los datos de las

mquinas por lo que el uso en modelos posteriores puede determinar la validez de los resultados

obtenidos por cada grupo.

Los datos obtenidos por el otro grupo fueron:

Tabla 11: Datos de las pruebas de parmetros para comparacin.

[V]

[A]

[W]

[V]

[A]

[W]

227.6 6.91 222 38.7 12.06 242

Con esto los valores obtenidos son:

233.3413 7.1311

33.2709 1.0168 1.6639 0.0509 2.7439 0.0839

De acuerdo a om Lfke, el valor de est en el orden de 3 a 4 [pu], con el valor obtenidooriginalmente se alcanza esta condicin, pero en los otros se alcanzan valores superiores. Sin

embargo, otras referencias indican que el orden de las resistencias de estator y rotor se

encuentran en el rango de 0.1 y 0.7 [pu], las reactancias entre 0.5 y 0.9 [pu] (estas se cumplen

para ambas experiencias), mientras se encuentra entre 1 y 10 [pu], y finalmente, est en elorden de 10 veces el valor de .

De la relacin que debe existir entre y en general, se concluye que son ms confiables losresultados obtenidos por el otro grupo. La prueba de vaco es la nica diferencia, los otros valores

se encuentran en un mismo rango, por lo que ambas mediciones de rotor bloqueado debiesen

tener validez.


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31

5.4. Variables del circuito en funcin del deslizamientoPara las pruebas de partida efectuadas se puede obtener una relacin que entregue la

corriente de estator esperada en funcin de los parmetros circuitales, y del deslizamiento:

//

A partir de esto pueden verificarse los resultados obtenidos y la teora, adems, se sabe que la

corriente de partida a plena tensin inicial puede alcanzar valores superiores a 6 7 veces la

corriente nominal.

Grfico 1: Corriente de estator vs. velocidad de giro (terico).

Figura 5.1: Corriente de partida en funcin de la velocidad rotrica (convertido desde el deslizamiento).

Como se observa en el grfico obtenido, la curva de corriente en la partida (si los parmetros

son precisos) alcanzara muy cerca de los 77[A] obtenidos para partida directa (con rotor

cortocircuitado), de lo que se deduce que los parmetros a emplear para la experiencia (del otro

grupo), estn bien.

Considerando los valores obtenidos para la corriente en un rango de velocidad cercano a la

velocidad sncrona se observa:

0

10

20

30

40

50

60

7080

90

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

CorrienteestatorIe[A]

Velocidad de giro n[rpm]


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32

Grfico 2: Comparacin corriente de estator terica con resultados del experimento.

Lo que se puede observar es que, si bien tienen la misma tendencia (una pendiente que se va

aplanando en la medida que se acerca a la velocidad sncrona), existe un desplazamiento de al

menos 6 amperes respecto a lo esperado.

Este error puede justificarse por la influencia en la frmula de la rama de magnetizacin, la

reduccin de la corriente para flujos muy pequeos por esta rama no puede ser aproximada por

una funcin lineal como la empleada para obtener los valores en el rango de trabajo de la

mquina.

Grfico 3: Factor de potencia vs. velocidad de giro.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1465 1470 1475 1480 1485 1490 1495 1500 1505

CorrientedeestatorIe[A]


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1482 1484 1486 1488 1490 1492 1494 1496 1498

Factordepotencia



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33

En el grfico, se sobreponen el factor de potencia terico (en azul), con potencia de valor fijo

de tensin de entrada (220[V]) y la corriente calculada con la formula de corriente de estator,

mientras el factor de potencia prctico (en rojo), corresponde a las medidas de voltaje y corriente

obtenidas en la experiencia, la potencia activa ser para ambos la experimental. As, la diferencia

en este caso slo estar dada por la potencia aparente. Ambos se ven de pendiente similar.

La corriente inducida en el rotor puede ser calculada a partir de los parmetros circuitales y la

tensin de entrada:

Esta corriente sigue exactamente la misma tendencia que la corriente de estator, pero la cada

es recta y no presenta el sobresalto cerca de la velocidad sincrnica. Luego, puede usarse esta

funcin para calcular la potencia mecnica terica, como se muestra a continuacin.

Grfico 4: Potencia mecnica terica vs. velocidad de giro.

Como se ve, para una velocidad menor hay mucha potencia mecnica producida, el grfico es

de acuerdo a lo esperado y decae en la medida que se acerca a la velocidad sincrnica.

Por otro lado para calcular la potencia mecnica experimental se requiere calcular la potencia

en la resistencia de carga del generador y el rendimiento del generador de corriente continua.

El grfico queda como se muestra en la siguiente figura:

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Pote

nciamecnicaPmec[W]

Velocidad de giro del eje n[rpm]


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Grfico 5: Potencia vs. velocidad de giro

Como se observa, el prctico en azul, alcanz valores muy importantes. Probablemente sea un

error en el concepto al calcular, pero la intromisin de muchas fuentes distintas de entrada

complejiza el clculo ms que slo hablar de la potencia consumida por la resistencia; adems, se

aprecia en el grfico terico ampliado (grfico 4), que no se alcanza la mxima potencia para el

motor sino para una velocidad de giro mucho menor.

El grfico obtenido para el torque terico es:

Grfico 6: Torque vs. velocidad de giro.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1475 1480 1485 1490 1495 1500 1505

PotenciamecnicaPmec[W]


-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

TorqueT[Nm]



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35

Como se aprecia la figura es exactamente igual a la esperada, al menos en forma. Es de

esperar, dada la forma del torque mecnico que se cumpla con una curva similar en tendencia,

aunque quizs mayor en magnitud.

Grfico 7: Torque vs. velocidad de giro.

Como se observa, para el rango cercano al eje el torque es casi lineal y de magnitud mayor a la

esperada (al parecer la mquina tiene una pendiente ms pronunciada en su curva caracterstica,

que no puede ser imitada con el modelo circuital).

Este clculo terico se hizo empleando la corriente de estator real y aplicndole las relaciones

vistas en el marco terico (no se emplea la potencia mecnica experimental por haber sidoconsiderada poco confiable debido a los mltiples factores que inciden sobre ella).

0

2

4

6

8

10

12

14

1482 1484 1486 1488 1490 1492 1494 1496 1498

TorqueT[Nm]



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36

5.5. Generador conectado a la redA partir de los datos obtenidos para esta parte se puede mostrar este grfico de tendencia:

Grfico 8: Potencia entregada a la red vs. velocidad de giro del eje.

Como se aprecia hay una subida muy rpida en cuanto a la potencia entregada con poca

variacin en la velocidad de giro. Las limitaciones para modificar la velocidad con el restato

conectado a la mquina de corriente continua hicieron imposible cubrir un mayor rango de

velocidades.

Es claro que el grfico para potencia versus velocidad de giro es equivalente al grfico potencia

versus deslizamiento, pues se relacionan por constantes ( 1 ). De todas formas semuestra el grfico vs. deslizamiento a continuacin:Grfico 9: Potencia entregada vs. deslizamiento.

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1498 1500 1502 1504 1506 1508 1510 1512

PotenciaentregadaP[W]

Velocidad de giro del eje n[rpm]

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

-0,008 -0,006 -0,004 -0,002 0 0,002

Potencia

entregadaP[W]

Deslizamiento s


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37

En particular para los primeros valores se observ una importante oscilacin en los valores,

que es razonable si se piensa que se est cerca de un punto de inestabilidad.

Es importante destacar que la conexin a la red en el estator es fundamental debido a que

est mquina no cuenta con un campo separado, no es capaz de producir su propia potencia

reactiva, por lo que esta debe ser extrada de la red, con esto la mquina mantiene su campo en elestator y con la misma red, la mquina equilibra la tensin entre sus terminales.

Naturalmente, la potencia reactiva crecer en menor medida que la potencia activa. Sin

embargo, deben considerarse las limitaciones de la mquina como generador y evitar superar en

gran medida las velocidades obtenidas para no generar dao elctrico ni mecnico a la mquina.


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5.6. Anlisis de control electrnico de velocidadPara esta prueba la mquina funcion en vaco, por lo tanto su inductancia puede ser

calculada para las distintas condiciones a la que la mquina fue expuesta, una recopilacin de los

datos usados se muestra a continuacin:

Tabla 12: Datos para el clculo de la inductancia para el motor representado como reactancia.

f S Q L[Hz] [W] [V] [A] [VA] [Var] [H]

10 83 84 5,89 494,76 487,748355 0,230241121

20 137 153 6,5 994,5 985,018401 0,189116166

30 192 190 6,56 1246,4 1231,52302 0,15551187

40 317 216 6,7 1447,2 1412,05483 0,131466797

50 432 275 6,93 1905,75 1856,14091 0,129689427

Promedio: 0,167205076

Para obtener la impedancia se emple la ecuacin:

2

Despejando Q de la potencia, la tensin y la corriente de lnea. Primero se evalu realizar el

clculo directo de la inductancia de la relacin2, mas esto no inclua la alteracin en lamagnitud del voltaje en el variador de frecuencia, por lo que haber realizado esto habra sido un

error. De este mismo modo se hizo evidente notar que la razn / no es constante en loabsoluto, como se puede apreciar en la siguiente tabla:

Tabla 13: Relacin de la frecuencia con el voltaje.

F V/f[Hz] [V] [V/Hz]

10 84 8,4

20 153 7,65

30 190 6,33333333

40 216 5,4

50 275 5,5

Haciendo una regresin, se llega a una funcin de segundo orden (con un componente de

segundo grado mucho de magnitud 0.022), pero predominantemente lineal ms constante para

las magnitudes de las frecuencias a evaluar.

Volviendo a L, empleando este trmino se puede calcular una corriente terica como sigue:

2


42/46

39

A partir de esta ecuacin se obtiene la siguiente comparacin:

Tabla 14: Resultados de corriente terica y corriente obtenida de lnea a la salida del variador.

[A] [A]

8,0054 5,897,2906 6,5

6,0358 6,56

5,1463 6,7

5,2416 6,93

Claramente, si bien se acercan en magnitud, los valores tiene pendientes distintas en signo y

en magnitud, mientras la teora predice un decrecimiento en las corrientes, en la prctica existe un

aumento de pendiente ligeramente menor.

Esto quiere decir, que o existi un error sistmico para el clculo de L o que el aumento de

tensin de entrada genera un aumento de corriente mayor al que la variacin de la corriente

puede atenuar.

Las velocidades esperadas y obtenidas para cada frecuencia:

Tabla 15: Comparacin de velocidad terica y prctica para cada frecuencia.

f

[Hz]

[rpm]

[rpm]

10 300 29820 600 59830 900 898

40 1200 119850 1500 1498

Notar que la relacin terica viene por tratarse de una mquina de 4 polos, por lo tanto:

120 30

Como se puede observar, el control de velocidad acta casi a la perfeccin. Se ajusta a cada

frecuencia slo con una rotacin 2 ciclos por minuto menor (es decir el aumento proporcional es

exacto, solo hay un desfase lineal en el nmero de rotaciones).

Claramente, la mquina esta ajustada para el control de velocidad, al ser equipo electrnico

permite modificar un gran nmero de variables de operacin, y la especializacin del dispositivo

variador de frecuencia se centra en el control de velocidades.

Finalmente, sobre las observaciones sobre la forma de onda, se encontr que como deba ser,

la corriente de salida desde el variador de frecuencia tiene forma sinusoidal, pero con mucho


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ruido a nivel de parecer una especie de densidad de corriente cuya concentracin mxima es

sinusoidal.

Los peligros que puede traer una forma de onda con distorsiones como la del variador son

principalmente sobrecalentamientos (al aumentar la frecuencia, aumentan prdidas como calor),

distorsiones mayores en el fierro (que pueden invalidar los modelos o alterar trabajos querequieran condiciones muy especificas, incluso un caso extremo es la saturacin del ncleo) o, en

caso de existir equipos de proteccin, pueden dispararse por sobrecorriente o por el ya

mencionado sobrecalentamiento. Todos los factores mencionados restan vida til al equipo.


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6. ConclusionesSe concluye la experiencia con la mayora de los objetivos logrados y conociendo ms en gran

parte de los tpicos que se esperaba, hubo ciertos datos que falt obtener y algunos instrumentos

de medida que debieron ser reemplazados, pero en general, fue una experiencia bastantecompleta en el sentido de conocer todos los aspectos involucrados a la mquina (partes,

operacin, modelamiento). Se pudo realizar un anlisis de los modelos estudiados a nivel terico

en cursos previos.

Se reconoci satisfactoriamente la mquina, la utilidad de sus datos de placa y conexiones. De

forma elemental se pudo observar sus partes internas y distinguir elementos particulares de la

mquina en uso. Adems, requiri de investigacin ms profunda el conocer las aplicaciones en

particular de la mquina de rotor bobinado que si bien tiene menos difusin que la de rotor jaula

de ardilla, tiene un campo de aplicacin sumamente especfico.

Para las pruebas de partida se experiment con dos mtodos: poner restatos en el rotor y

mediante un partidor suave. Se hicieron comparaciones tcnicas y econmicas que llevaron a

reconocer criterios para la eleccin de uno u otro mtodo. En particular, se prefiere el partidor

suave por su menor corriente peak, pero existen casos particulares en que no se puede sacrificar

el torque inicial para minimizar la corriente de partida y ah se hace necesario el mtodo de los

restatos. Se plantearon adems, un par de usos adicionales para el partidor suave que le hicieron

un instrumento ms atractivo.

Se obtuvo un modelo del circuito equivalente de la mquina, este permiti la relacin de

variables como la potencia de la mquina en el eje, torque y corriente, con las variables elctricas

de entrada. El modelo presenta varias dificultades para su ejecucin, en primer lugar se asume elcomportamiento como similar al de un transformador en que la relacin de vueltas queda dictada

por el deslizamiento, pese a que este factor slo aparece en la resistencia de rotor. Se distinguen

diferencias en cuanto a magnitudes con el modelo del transformador, en particular, los valores de

la rama de magnetizacin que son mucho menores debido al aumento en las corrientes para

superar el entrehierro de la mquina.

Pese a encontrar valores para el modelo equivalente cercanos a lo que dictaba la bibliografa,

las pruebas, en particular la de vaco, son de condiciones difciles de obtener. No se puede alcanzar

la condicin de vaco librndose de toda carga por ser el eje mismo una carga, la mejor manera de

obtener velocidad sncrona sera mediante otra mquina, pero eso dificultara el mtodo (quebusca simplificar el modelo). Por otro lado, la condicin de vaco exige el trabajo con

deslizamientos pequeos, lo que hace que sea fcil cometer errores en cuanto a la resistencia de

rotor que incluye el factor del deslizamiento.

Otros cuestionamientos sobre el modelo son las medidas para el valor de la resistencia de

rotor, se investig y no se lleg a ninguna medida concluyente sobre la asignacin del valor de esta


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resistencia, sumado a las dificultades para encontrar un valor realista que se discuten en la misma

seccin.

Los grficos obtenidos si bien en general tienen cierto parecido a los que se esperara obtener,

tiene valores mucho ms altos (lo que se explica por las irregularidades que hacen no lineal al

sistema), los valores obtenidos reflejan que el modelo obtenido tiene un punto de operacin cuyascondiciones ptimas de trabajo se encuentran a una velocidad de operacin mucho menor. En

particular, se puede deducir que en cuanto a comportamiento real los valores que pueden

obtenerse nunca se alejan mucho de la velocidad sncrona, lo que hace de esta mquina no tan

efectiva por si sola en aplicaciones que requieran velocidades especificas distintas a la sincrnica.

Sobre la operacin como generador de la mquina se observ la pronunciada pendiente y la

elevada generacin obtenida con cambios sutiles en la velocidad. Se investig sobre el tema

encontrando diversas limitaciones, lamentablemente no se obtuvo datos que permitieran

profundizar sobre la potencia reactiva que requiere absorber esta mquina para dicha condicin

de operacin.

Como comentario sobre el mtodo de control de velocidad con variador de frecuencia, se

puede decir que permite el control de velocidades en un muy amplio rango, y muy importante, de

forma continua, lo que ofrece mayor libertad de accin que otros mtodos de control de velocidad

para este tipo de mquina como la variacin por nmero de polos y ms lineal que la variacin

directa de tensin o la variacin de restatos (pues estos generan variacin cuadrtica con la

tensin). Ciertamente, su mayor desventaja es el alto costo del sistema, por lo que se

recomendara su adquisicin slo en caso que la aplicacin lo requiera. Por lo dems, si se compra

dicho dispositivo se recomienda incorporar un filtro de armnicas para limpiar la seal.

Como sugerencias al laboratorio:

Contar con resistencias de rango ms amplio para la operacin como generacin, as se podr

desarrollar la curva de torque ms completa.

Considerando que esta mquina tiene mltiples aplicaciones en la industria sera bueno hacer

estudios de fallas (desbalances, sobrecorrientes, etc.), pues puede ser til para el reconocimiento

de anormalidades en el funcionamiento y pueden servir como referencia al ver errores de una

mquina de este tipo.

Actualizar las referencias: Es necesario contar con una bibliografa ms actualizada y confiable.


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7. Referencias[1] Morales, Nelson; Romo, Jorge; Valdenegro, Ariel. C5: Mquinas Elctricas (Publicacin n39).

Santiago: Universidad de Chile. Departamento de Ingeniera Elctrica, 1991. 48 p.

[2] del Valle, Yamille; Romo, Jorge; Vargas, Lus. Apuntes EL42C Conversin Electromecnica de

la Energa. Santiago: Universidad de Chile. Departamento de Ingeniera Elctrica, 2003.

[3] Brokering, Walter; Palma, Rodrigo; Vargas, Lus. om Lfke: Los Sistemas Elctricos de Potencia

(Primera edicin). Mxico: Prentice Hall, 2008.

[4] Kostenko, M; Piotrovski, L. Mquinas Elctricas. Tomo II (Traducido por Lus Garcia Rodriguez).

Mosc: Editorial MIR, 1976.

[5] http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=134&rank=1

[6] http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_frecuencia

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