INGENIERIA ELECTRICA

Laboratorio de accionamientos eléctricos

Se hace la presentación de unas Prjctlcas de Laboratoriopara el curso de Accionamientos Eléctricos con el siguienteordenamiento: primero se Justifica la Incorporación de lasprácticas en el Plan de Estudios, luego se hacen algunasanotaciones de carácter general, finalmente se planteanlos obJe.tlvosy se hacen comentarlos sobre el tratamientometodológico. y clentlflco-técnlco de cada una de lasprácticas.

LUIS SUAREZ FLOREZIngeniero electricistaM. Sc. Potencia eléctrica

Pág. 61-64Ingeniería e InvestigaciónVolumen 4 NI! 1Trimestre 1 - 1986

La asignatura Accionamientos Eléctricos dividesu contenido en dos temas. que si bien secomplementan son perfectamente diferentes en-tre sí. Por un lado el grueso del curso. un 70%. seenfoca a estudiar la operación de los motoreseléctricos: arranque. frenado. variación de velo-cidad y las condiciones de carga. La otra parte delcurso. estudia los elementos de control. manio-bra y protección necesarias para operar el motor.Sobre los contenidos de este curso es que seplantea la necesidad y también la viabilidad derealizar un trabajo de Laboratorio. Las prácticaspropuestas se han evaluado durante cuatro (4)años. tiempo durante el cual el autor las harealizado en el curso Teoría de AccionamientosEléctricos; la evaluación ha sido exitosa pese a lasprecarias condiciones en que han sido realizadas.Para que las prácticas propuestas se integren enel Plan de Estudios. sólo es necesario contar conla parte institucional: esto es dedicar el tiempo. elequipo y el espacio físico para su correctarealización.

JUSTIFICACIONEn la justificación sólo se enuncian las razonesque atañen directamente al caso de los Acciona-mientos. de esta forma y como una atención a labrevedad. se omiten razones de tipo general.1. El estudio del estado transitorio de los moto-

res elétricos es de un alto nivel de conceptua-lización. con las prácticas se busca establecerel necesario vínculo entre el análisis matemá-tico y el proceso físico que se lleva a cabo.

2. Los regímenes de trabajo transitorio delmotor: arranques y frenados. son junto con elrégimen de sobrecarga. los estados donde esmás crítico y vulnerable el trabajo de lamáquina. Es por lo tanto en estos temasdonde se debe acentuar la formación de losingenieros. lo que amerita el utilizar el recursode las Prácticas de Laboratorio.

3. Paradójicamente con el estado transitorio delmotor. el caso de los elementos de control:reles. contactores. interruptores y proteccio-

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nes. adolece de un nivel de conceptualizaciónmuy elemental. No existen modelos matemá-ticos para describir estos elementos. su estu-dio por lo tanto debe ser experimental.

4. Los elementos de control no solo los utiliza elingeniero que trabaja con motores. es difícilencontrar un área de trabajo donde el inge-niero electricista no tenga que ver con estoselementos. sin embargo el currículum de lacarrera solo los contempla como una peque-ña parte del curso de Accionamientos. Es poresto que su estudio debe apoyarse medianteprácticas de laboratorio.

LAS PRACTICAS:PROCEDIMIENTOS y ANOTACIONES GENERALESLas prácticas se diseñaron pensando que debie-ran ser realizadas a lo largo del curso teórico. estamodalidad comparada con la modalidad clásicade ver primero la teoría y luego sí el laboratorio.permite que la teoría y la práctica se realimentenmutuamente con ganancia en el interés y eldinamismo tanto para la una como para la otra.Como contraparte hay una gran exigencia paralograr coordinar las prácticas con el avance de lateoría. y existe dificultad para asignar horarios a larealización de las prácticas. Buscando neutralizarestas desventajas. se trató de que las prácticasfueran muy flexibles en cuanto a tiempo. equipopara realizarlas y dirección académica. En esteorden de ideas se buscó utilizar los montajes mássencillos y se procuró dar la mayor informaciónacerca de ellos en las guías de las Prácticas.Además en las guías se proponen un buennúmero de preguntas. que tratan de ampliar y dedirigir la imaginación del estudiante frente aldesarrollo de la experiencia. Con lo anterior seconsigue que la práctica dos y buena parte de laprimera y tercera. las pueda adelantar el estudian-te sin la directa asesoría docente. trabajando enforma personalizada e independiente.

PRACTICA PRIMERA:"ELEMENTOS DE CONTROL Y FUERZA"

Sus objetivos son:1. Identificar y aprender las partes de cada uno

de los siguientes elementos: relé electromag-nético. contactar. pulsador. interruptor límite.interruptor de levas. y relevo térmico.

2. Aprender a energizar los elementos arribamencionados. estudiando sus valores devoltaje y corriente. tanto en operación normalcomo en operación límite.

En buena parte esta práctica se puede adelantaren forma personalizada. además para su realiza-ción se pueden programar varios grupos enforma simultánea. lo que facilita el trabajo docen-te y la asignación de horario.62 Ingeniería e Investigación

PRACTICA SEGUNDA:"CIRCUITOS DE CONTROL Y FUERZA"

Sus objetivos son:1. Diseñar un circuito de control. fuerza y

señalización. escogiendo y especificando elequipo correspondiente.

2. Aprender a realizar los planos necesarios parael montaje y mantenimiento de los circuitosde control. fuerza y señalización.

3. Realizar el cableado correspondiente.Esta práctica se puede llevar a cabo en formapersonalizada. la acción del docente que dirige lapráctica. se limita a especificar el problema decontrol a ser resuelto y a la evaluación final. Lapráctica tampoco depende del espacio físico dellaboratorio. ya que el estudiante recibe el equipoque necesita y puede trabajar con plena libertaden cuanto a lugar y tiempo.El hecho de que sea el docente director de lapráctica. quien especifica el problema de controla resolver. evita caer en los problemas clásicosque se vuelven repetitivos. y que dicho sea depaso están resueltos en todos los manuales defabricantes de equipo. tales como el arranque.y - ~ el arranque por autotransformador o laconexión Dahalander.

PRACTICA TERCERA:"EL MOVIMIENTO TRANSITORIO"

Sus objetivos son:1. Estudiar el movimiento transitorio de los

motores eléctricos.2. Hallar la característica mecánica para moto-

res de continua y para motores de inducción.3. Medir el módulo de inercia de algunos

dispositivos mediante procedimientos diver-sos.

4. Analizar y cuantificar la influencia del módulode inercia y de la sumatoria de pares. en laduración de un proceso transitorio.

FIGURA 1. Arranque de un motor de Inducción. (Tomada de l.referencia 2). Velocidad vs. Tiempo.

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Dinamotacométrica

FIGURA 2. Montajepara la obtenciónde la característicamecánica.

Los fenómenos que tienen ocurrencia en unmotor eléctrico durante el proceso transitorio deacelerar o frenar. se han estudiado normalmentesolo bajo el punto de vista teórico. habiéndosedescuidado el estudio en laboratorio. Esto debidoa lo fugaz del fenómeno que solo alcanza a durardécimas o cuando más algunos pocos segundos.En esta práctica se visualizan algunas caracterís-ticas de estos procesos transitorios. mediante eluso de un osciloscopio con memoria. se obtienenlos siguientes trazos:Velocidad en función de tiempo.

Par en función de la velocidad

La señal de velocidad está dada por la salida devoltaje de un generador de excitación separadaOC. en la figura 1. se muestra el oscilogramalogrado para el arranque de un motor de induc-ción. Repitiendo esta figura para diferentes con-diciones de par y para diferentes valores delmódulo de inercia. se puede analizar cómoinfluyen estas variables en el proceso transitorio.La visualización del par motor. magnitud ésta quetradicionalmente sólo era observable en estadoestacionario. se hace en función de la velocidadcon el fin de obtener la característica mecánica.Se consigue llevando a un canal del osciloscopiola señal de velocidad (Voltaje del generador). yalotro canal la señal de corriente (voltaje sobre unaresistencia). en la figura 2 se muestra el esquemadel montaje utilizado. Este método indirecto deobtener el par. tiene validez en los motores OC deexcitación separada. donde el par y la corrienteson proporcionales.

PRACTICA CUARTA:"EL PROCESO DE ARRANQUE"

Sus objetivos son:1. Estudiar el arranque a pleno voltaje. a voltaje

reducido y mediante resistencias. en motoresde continua y en motores de inducción.

2. Analizar y cuantificar las características prin-cipales del proceso de arranque: corriente dearranque. par de arranque y duración delproceso.

3. Demostrar la simplicidad o complejidad y losaspectos económicos. para los arranquesestudiados.

4. Clarificar las ventajas y desventajas de losarranques estudiados.

Se hace hincapié en el análisis de las característi-cas operacionales básicas del arranque: corrientey par. en contraposición con las prácticas con-vencionales que ponen el acento en el circurto(Y - /).. autotransformador. etc.). El hacer hin-capié en la corriente y el par de arranque facilitaun tratamiento más universal al problema. y dauna base para comparar entre sí los diferentesmétodos de arranque. La corriente se puedemedir y visualizar en forma muy sencilla utilizandoun osciloscopio con memoria. En las Figuras 3 y 4se muestran los oscilogramas obtenidos para unarranque directo y un arranque con resistenciasen rotor. el motor y las condiciones de trabajo sonlas mismas para ambos casos.La medida del par es bastante más difícil que laanterior. en forma directa se mide el par paravelocidad cero. mediante un torcómetro. Paravelocidades diferentes de cero se obtiene unamedida indirecta leyendo la corriente. y utilizandolas relaciones de par en función de corriente.La duración del arranque se puede analizar ycuantificar con los trazos obtenidos del oscilos-

FIGURA 3. Arranque directo. Corriente vs. Tiempo.

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FIGURA 4. Arranque con resistencias en rotor. Corriente va.tiempo.

copio. Mediante estos trazos se puede relacionarel tiempo de duración del proceso con el par dearranque.En los motores de inducción se trabaja solo con elmotor trifásico. se deja de lado el motor monofási-co por creer que su importancia es prácticamentenula.

PRACTICA QUINTA:"EL PROCESO DE FRENADO"

Sus objetivos son:1. Estudiar los frenados de contracorriente.

regenerativo y dinámico en motores de in-ducción.

2. Analizar y cuantificar las características prin-cipales de los frenados: par de frenado.control del par de frenado. corrientes resul-tantes y duración del proceso.

3. Clarificar las ventajas y desventajas de losfrenados estudiados.

La práctica de frenados se enfoca hacia losmotores de inducción y no hacia los motores decontinua. por creer que en AC el fenómeno es demás abstración y de más difícil entendimiento. Deotro lado. con algunas variantes los frenados demotores de continua se corresponden con los de

alterna. por lo tanto estudiando éstos se puedenadelantar conclusiones respecto a aquellos.El osciloscopio se vuelve a utilizar en estapráctica. para visualizar el amperaje en el frenadopor contracorriente y para obtener las curvas develocidad contra tiempo. Con estas curvas. ysabiendo de prácticas anteriores el valor delmomento de inercia del motor y el par de pérdidasmecánicas. es posible obtener una medida indi-recta del par de frenado.En la figura 5 se aprecia el montaje realizado parala práctica de frenado regenerativo. Este es elmontaje más complicado de todos los que senecesitan en esta serie de prácticas. se muestracon el fin de dar idea de hasta dónde se llegó en elafán de hacer sencillos los montajes. Las medidaspara analizar son las de potencia. que muestran lainyección de energía a la red. la de corriente ACdonde se lee la corriente reactiva que consume elmotor y la de velocidad. Las medidas en continuase usan solamente como control.

PRACTICA SEXTA:"CALENTAMIENTO"

Sus objetivos son:1. Aprender a determinar la carga admisible

por limitaciones térmicas de una máquinaeléctrica. teniendo en cuenta el ciclo y lascondiciones de trabajo.

2. Confirmar lo acertado en las hipótesis simpli-ficadoras con las que se aborda el estudio delproceso de calentamiento.

3. Estudiar la influencia de los transitorios dearranque y frenado en el proceso de calenta-miento de un motor eléctrico.

Esta es una práctica indispensable en un plan deprácticas que tengan que ver con máquinaseléctricas. esto en razón a que el calentamientodecide el dato de placa más importante de unamáquina eléctrica: la potencia nominal. y de otrolado a que las disciplinas donde se sustenta elestudio del calentamiento son ajenas a la forma-ción básica del ingeniero electricista. luego debe apo-yarse este estudio mediante trabajos de laboratorio.

MedidaPotencia

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FIGURA 5. Montaje para el frenado regeneratlvo.

BIBLlOGRAFIA1. CHILlKIN. M. Electrical Orives. Editorial MIR. 1970.

2. RODRIGUEZ. F. Proyecto de Grado. Prácticas de Accionamien-tos. 1985. Director LUIS Suárez.

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3. BROWN. BOVERI & CIE. Protection of Low-voltaje Three-phasernotors. DIciembre 1970.