Labo Generador de Corriente Continua

Generador de corriente continúa

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS

ROTATIVAS

2014-II

Página 2 La corriente continua es muy importante ya que presenta grandes ventajas, entre las cuales está su capacidad para ser almacenada de una forma relativamente sencilla. Esto, junto a una serie de características peculiares de los motores de corriente continua, y de otras aplicaciones, hace que existen diversas instalaciones que trabajan basándose en la corriente continua.

Los generadores de corriente continua son las mismas máquinas que transforman la energía mecánica en eléctrica. No existe diferencia real entre un generador y un motor, a excepción del sentido de flujo de potencia. Los generadores se clasifican de acuerdo con la forma en que se provee el flujo de campo, y éstos son de excitación independiente, derivación, serie, excitación compuesta acumulativa y compuesta diferencial, y además difieren de sus características terminales (voltaje, corriente) y por lo tanto en el tipo de utilización.

Si bien el precio de una maquina de corriente continua es considerablemente mayor a la de un motor de ca de igual potencia, existe una gran tendencia a emplear motores de corriente continua en aplicaciones especiales.

Esto debido a su gran variedad de velocidad y su fácil control, han hecho que en los últimos años se empleen cada vez mas maquinas de corriente continua.

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II.

OBJETIVOS DEL LABORATORIO

Los objetivos del presente trabajo son:

 Hacer conocer la constitución electromecánica de los GCC.

 Familiarizarse con la simbología y conexionado de los GCC de nuestro labora-torio en los ensayos según las normas IEC y NEMA.

 Conexión y puesta en servicio del GCC.

 Inversión de la polaridad de dos formas.

 Determinar sus pérdidas, eficiencia en función de la corriente de campo.

 A partir de los ensayos realizados obtener el modelo de la máquina.

 Registro de los valores característicos y curvas características de funciona-miento específicas de los GCC.

 Evaluación de las mediciones realizadas y registradas.

Página 4 III. FUNDAMENTO TEORICO

CONSTITUCIÓN DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

La estructura física de la máquina de corriente continua (DC) consta de dos partes: El Estator o parte estacionaria de la máquina y el Rotor o parte giratoria.

 EL ESTATOR

Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio.

Está formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o armazón o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por tornillos a la culata.

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 POLOS DE UNA MÁQUINA DC

Están fabricados de acero silicio laminado. Las láminas de polo no están aisladas entre sí, debido a que el flujo no varía con el tiempo.

 Bobinas de Campo

Están arrolladas sobre sobre los polos y el material empleado es el cobre, ya que entre los materiales relativamente baratos el Cobre (Cu), es el que posee la menor resistividad; y, por lo tanto, menores pérdidas por efecto Joule.

 Interpolos

(Solo para máquinas grandes 700, 800, 1000 HP).

Están hechos de láminas de acero silicio y llevan un arrollamiento de alambre grueso. La finalidad de los interpolos es evitar la producción de chispas en el colector que pueden producirse cuando las bobinas del inducido son cortocircuitadas por las escobillas sobre el colector.

Página 6  Escobillas y Porta escobillas

Todas las máquinas de corriente continua requieren de por lo menos 2 escobillas.Estas escobillas están constituidas de carbón o de cobre grafito y van alojados en los porta escobillas que están sujetos a un anillo que esta atornillado al yugo.

 EL ROTOR

Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina.

Página 7  Núcleo de la Armadura

Constituido de láminas de acero silicio de sección circular.La circunferencia es ranurada para que puedan alojarse los conductores del arrollamiento de armadura.

 Conmutador y el Colector

Confeccionado por un gran número de segmentos de cobre o delgas, aisladas entre sí.La finalidad del colector es hacer que la máquina funcione, con respecto a un circuito externo, como si produjese una tensión constante.

Página 8  EL INDUCTOR

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA DC

Haciendo girar una espira en un campo magnético se produce una f.e.m. inducida en sus conductores. La tensión obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter senoidal.

Conectando los extremos de la espira a unos semianillos conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido que

presenta una determinada polaridad.

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Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.

El inducido suele tener muchas más espiras y el anillo colector está dividido en un mayor número de partes o delgas, aisladas entre sí, formando lo que se denomina el colector.

Las escobillas son de grafito o carbón puro montado sobre portaescobillas que mediante un resorte aseguran un buen contacto.

Al aumentar el número de delgas, la tensión obtenida tiene menor ondulación acercándose más a la tensión continua que se desea obtener.

Página 10 IV. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

 CIRCUITO EQUIVALENTE

R

: Resistencia del devanado del rotor.

R

: Resistencia de los interpolos

R

: Resistencia del devanado de compensación

R

: Resistencia del devanado de campo serie

R

= R

+ R

+ R

+ R

 ECUACIONES DEL GENERADOR

Del circuito :

E = V

+ I

R

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 TIPOS DE GENERADORES DC

Los tipos de generadores son:

* Shunt o derivación o en paralelo

* Serie

* Compound o compuesto

* Excitación independiente

Las diferencias entre estos tipos derivan de la forma en que se produce la

excitación de los devanados de corriente continua del campo del estator.

 GENERADOR SHUNT

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 GENERADOR COMPOUND EN DERIVACION LARGA

 GENERADOR COMPOUND EN DERIVACION CORTA

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V.

CARACTERÍSTICAS

INTERNA

Y

EXTERNA

DE

LOS

GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

 CARACTERÍSTICA INTERNA

Llamada también característica de vacío o curva de magnetización.

El circuito que se utiliza comúnmente en laboratorios para estudiar, tanto la característica interna como externa de los generadores Shunt, es :

Circuito utilizado en laboratorios para determinar las características interna y externa de los generadores de corriente continúa:

 PROCEDIMIENTO PARA OBTENER LA CURVA DE MAGNETIZACIÓN

Para obtener la curva de magnetización procédase de la siguiente manera:

Con la máquina a velocidad nominal (w0) constante, se excita el inductor desde una fuente externa. Regúlese su intensidad mediante un potenciómetro y contrólese mediante un amperímetro.

Tómese nota de las distintas intensidades leídas en el amperímetro al actuar sobre el potenciómetro, así como de las tensiones en bornes de la máquina que correspondan a cada intensidad del inductor, variando esta intensidad hasta observar los efectos de la saturación.

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 GRÁFICA DE LA CARACTERÍSTICA DE MAGNETIZACIÓN

Sabemos que:

E = KA fd w

y en el amperímetro, w= cte, tendremos: E = K’ fd

Pero : fd ≈ f(If)

Luego, tendremos que la Curva de magnetización de la máquina es bien parecida a la Curva B-H del circuito magnético.

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 CARACTERÍSTICA DE MAGNETIZACIÓN

Tramo Lineal.- Esto es debido a la presencia del entrehierro.

Tramo Curvo.- Es producido por la progresiva saturación del material magnético que disminuye en forma no lineal su permeancia.

Punto de Trabajo de la Máquina.- Normalmente el punto de trabajo de la máquina es en la zona curva (punto P en el gráfico).

Er = Tensión remanente (debido al magnetismo remanente que posee el circuito magnético del estator).

Para cada velocidad w, se tendrá una curva, pero para calcular una tensión a otra velocidad se puede usar:

 CARACTERÍSTICA EXTERNA

Relaciona la tensión en bornes de la máquina (Vt) con la corriente de armadura (Ia) o con la potencia que entrega a la carga.

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VI.

EQUIPOS Y MAQUINAS ELECTRICAS A UTILIZAR

BANCO ACTIVO DE PRUEBAS

GENERADOR CORRIENTE CONTINUA

N° de pedido SO3636 – 6U N°

Tensión Nominal 230 Voltios Tensión armadura 220 Voltios Corriente Nominal 3 Amperios. Corriente armadura 1 Amperio Corriente Arranque 9 Amperios Conexión Independiente Torque Máximo 10 N – m Conexión Shunt./Comp. Potencia Aparente 800 VA Potencia nominal 0.2 KW Régimen de servicio S1 Tensión 220 Voltios

RPM max. 4000 Corriente de campo 100 mA.

Grado de protección IP20 Régimen de servicio S1

AMPLIFICADOR INTERGRADO RPM 2000

Tensión de pico 600 Voltios Grado de protección IP54

Tensión RMS 400 Voltios Norma VDE 0530

Corriente pico 10 Amperios Termostato 120° C Corriente RMS 7 Amperios GCC/MCC LUCAS NULLE

Página 17 ITEM DESCRIPCION GENERAL DE LAS MAQUINAS Y EQUIPOS CANT.

1 Manguito de acoplamiento 01

2 Cubierta de acoplamiento 01

3 Carga universal para máquinas de 300 vatios 01 4 Arrancador para máquina de corriente continua de 300 vatios 01 5 Regulador de campo para máquina de corriente continua 01 6 Fuente de alimentación de corriente continua 01

7 Multímetro digital FLUKE 01

8 Resistencia de carga para experimentos en GCC 01

9 Conectores de seguridad 04

10 Juego de cables de 4 mm² 25

11 Multímetro analógico/digital – medidor de potencias y F.P. 02

El presente laboratorio debe facilitar los conocimientos orientados a la práctica de los generadores de corriente continua. El contenido se centra en el análisis experimental de las máquinas excitadas en derivación, compuesta e independiente.

Al concluir el presente laboratorio Ud habrá aprendido el modo de funcionamiento, operación y respuesta de las características de operación en estado permanente y transitorio.

Así mismo se demostrará las prácticas del control de tensión, polaridad y curvas características de los GCC.

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VII.

ENSAYOS NORMALIZADOS (IEC 34 - 2)

1.- CONEXIÓN DEL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA SENTIDO DE ROTACION NORMALIZADA IEC 34 - 8

En los arrollamientos de excitación la corriente fluye del número característico 1 hacia el 2. En el esquema F1 esta conectado al ( + ) y F2 esta conectado al ( - ). El sentido de rotación es directa ( horaria ) donde siempre A1 será positivo ( + ).

A1 F1 F2 A2 + + - -GCC

_{_}

OPERACION COMO GENERADOR

La corriente del circuito de armadura fluye de A1 ( + ) hacia A2 ( - ).

ARROLLAMIENTO DE ARMADURA A1 ( + ) INICIO A2 ( - ) FIN ARROLLAMIENTO DE CONMUTACION B1 ( + ) INICIO

B2 ( - ) FIN ARROLLAMIENTO DE COMPENSACION D1 ( + ) INICIO

D2 ( - ) FIN ARROLLAMIENTO EXCITACION DERIVACION E1 ( + ) INICIO

E2 ( - ) FIN ARROLLAMIENTO EXCITACION INDEPENCIENTE F1 ( + ) INICIO

F2 ( - ) FIN

DESCRIPCION DEL CIRCUITO BORNES

INVERSION DE LA POLARIDAD EN BORNES ARMADURA

1.- Para lograr la inversión de la polaridad de la tensión en bornes se logrará cambiando el sentido de rotacion ó cambiar la poalridad de F1 y F2.

2.- Tener mucho cuidado cuando se realiza el cambio de polaridad directa en el circuito de armadura, pues el circuito de conmutación depende de la polaridad de la armadura.

Página 19 Esquema de conexión del GCC excitación shunt

Regulación por variación de tensión

Esquema de conexión del GCC excitación independiente Regulación por variación de tensión

Esquema de conexión del GCC excitación independiente Curva característica de carga

ESQUEMAS DE CONEXIÓN GCC EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

Esquema de conexión del GCC excitación shunt autoexcitado - Sentido de giro y polaridad

Esquema de conexión del GCC excitación shunt autoexcitado - Curva característica de carga

Página 20 2.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) Esta medición se realiza aplicando los siguientes métodos:

 Voltio – amperimétrico en CC y CA.

 Ohmímetro de precisión.

 Puente de medición para resistencias pequeñas. 2.1.- Medición de la Rf y Lf del circuito de campo.

2.2.- Medición de la RD y LD del circuito de compensación

Página 21 Corrección por temperatura

Rf dc = Vdc / Idc Ohmios Rf = R1 dc { 1 +  ( Ttrabajo - Tambiente ) } Ohmios

3.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) e (IEEE – 43 / 1991)

Realizar las medidas tal como se contemplan en las normas de la IEEE, ya descritas en los ensayos del motor tipo jaula de ardilla.

4.- MEDIDA DE INDUCTANCIA ROTACIONAL( Gaf)

Se trata de hallar el valor de la inductancia rotacional, Gaf, del generador de corriente continua para lo cual se tendrá que hacer el montaje del esquema que a continuación presento.

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Esquema de montaje del GCC en derivación de excitación

externa Regulación por variación de tensión

Esquema de montaje del GCC excitación independiente

Regulación por variación de tensión

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Esquema de montaje del GCC excitación shunt

Sentido de giro y polaridad

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 PRUEBA EN VACIO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.6)

Se trata de obtener los diferentes valores de la f.e.m. inducida en un generador de excitación independiente para diferentes valores de la corriente de excitación estando el GCC en vacío. Esta característica es necesario realizarla en forma ascendente y descendente.

 PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2 )

Para la prueba con carga se tendrá que conectar el freno dinámico LN como motor primo y seleccionado en control de velocidad. Seguir las indicaciones del profesor.

P útil = T (N-m) x RPM (pi/30)

EF = P útil / P ingreso

10.- CUESTIONARIO

1.- Enumere y defina las características de funcionamiento nominales del GCC Tome los datos de placa del motor primo y del generador de C.C. utilizados en sus ensayos.

2.- De los ensayos de vacío graficar Ua vs If, en cada tipo de excitación. 3.- Del ensayo con carga graficar las siguientes curvas.

Pot, RPM, EF vs RPM, Pot(VL.IL), P(RaIa²), Ua vs Ia,

4.- De las pruebas con carga determine el rango de regulación de velocidad ( zona de trabajo estable) del GCC.

5.- Que sucede en el GCC cuando se invierte el sentido de giro de su motor primo. Demuestre analíticamente los cambios encontrados.

Página 25 esquema. En caso de no estar bien calibrado, este efecto, como afectaría en el

trabajo normal del GCC? Explique detalladamente sus respuestas. 7.- Elabore su propio formato de pruebas realizadas en el laboratorio. 8.- Recomendaciones y conclusiones.

VI .- REALIZACION DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO

PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA GCC

TABLA N° 1.- MEDIDA DEL AISLAMIENTO DEL CIRCUITO DE :

CIRCUITO MEDIDO

TERMINALES RESISTENCIA ( M

) INTRUMENTOS

CAMPO E1 - E2 270 Especificar marca

Tipo, clase, etc. CONMUTACIÓN S1 - S2 No existe

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ARMADURA A1 - A2 240

TABLA N° 2.- MEDIDA DE LA RESISTENCIA OHMICA Tamb : ...° C

CIRCUITO MEDIDO TERMINAL RESIST.* OHMIOS TENSION DC VOLTIOS CORRIENTE AMPERIOS RESISTENCIA OHMIOS ** CAMPO E1 - E2 83.4 0.001 CONMUTACION S1 - S2 XXX XXXX XXX XXX COMPENSACION D1 - D2 0 0 ARMADURA A1 - A2 91.5 0.208

* Utilizando puente Weasthone.

** Utilizando método amperímetro – voltímetro.

TABLA N° 3 .- PRUEBA DE VACIO

V ( bornes ) VOLTIOS If AMPERIOS Vf VOLTIOS VELOCID. RPM OBSERVACIONES 1 59.4 0.01 59.1 1280 2 60.4 0.35 60.2 1300 3 65.4 0.33 64.6 1340 4 74.3 0.3 73 1390 5 84.4 0.28 83.5 1450 6 93.1 0.26 92.5 1490

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7 104.4 0.24 104.3 1550

8 116.7 0.23 114.9 1600

9 127.0 0.22 125.7 1650

10 145.4 0.21 143.7 1750

TABLA N° 4 .- PRUEBA CON CARGA

N° V VOLT. Ia AMP. Vf VOLT. If AMP. VELOC. RPM Psalida VATIOS EF % OBSERV. 1 81.8 0 82 0.83 1280 70.57 Mantener Ia = Cte 2 84 “ 90.9 0.76 1360 71.93 3 101.6 “ 102.3 0.7 1450 74.64 4 104.2 “ 111.2 0.66 1500 76.36 5 117.3 “ 119.4 0.63 1550 79.22 6 125.4 “ 126 0.61 1660 78.3 7 133 “ 135.4 0.58 1670 78.5 8 145 “ 145.2 0.5 1780 76.27