Labo Generador de Corriente Continua

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA

Generador de corriente continúa

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS PROFESOR: Ing. Huamán INTEGRANTES:

FECHA DE PRESENTACIÓN

:

09/11/2014

Lima – Perú

2014-II

I.

INTRODUCCION

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FIM – 2013 I

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.

FIM – 2013 I

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 laboratorio 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 funcionamiento específicas de los GCC.



Evaluación de las mediciones realizadas y registradas.



Presentación del protocolo de pruebas según normas IEC, NEMA y IEEE.

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III.

FIM – 2013 I

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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

FIM – 2013 I

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.

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

FIM – 2013 I

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.

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

FIM – 2013 I

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.

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

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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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FIM – 2013 I

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.

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IV.

FIM – 2013 I

GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 

CIRCUITO EQUIVALENTE

RA : Resistencia del devanado del rotor. RI : Resistencia de los interpolos RC : Resistencia del devanado de compensación RS : Resistencia del devanado de campo serie Ra = RA + RI + RC + RS



ECUACIONES DEL GENERADOR

Del circuito : E = Vt + Ia Ra Vf = If Rf

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

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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



GENERADOR SERIE

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

GENERADOR COMPOUND EN DERIVACION LARGA



GENERADOR COMPOUND EN DERIVACION CORTA



GENERADOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

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V.

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CARACTERÍSTICAS INTERNA Y EXTERNA GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 

DE

LOS

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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

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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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

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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.

FIM – 2013 I

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

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ITEM

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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.

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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

+

+

-

-

If Ia Wm

_

GCC

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

DESCRIPCION DEL CIRCUITO

BORNES

ARROLLAMIENTO DE ARMADURA

A1 ( + ) A2 ( - ) B1 ( + ) B2 ( - ) D1 ( + ) D2 ( - ) E1 ( + ) E2 ( - ) F1 ( + ) F2 ( - )

ARROLLAMIENTO DE CONMUTACION ARROLLAMIENTO DE COMPENSACION ARROLLAMIENTO EXCITACION DERIVACION ARROLLAMIENTO EXCITACION INDEPENCIENTE

INICIO FIN INICIO FIN INICIO FIN INICIO FIN INICIO FIN

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.

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ESQUEMAS DE CONEXIÓN GCC EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

Esquema de conexión GCCindependiente excitación shunt Esquema de conexión del GCC del excitación Regulación por variación de tensión Regulación por variación de tensión Esquema de conexión del GCC excitación independiente Curva característica de carga

ESQUEMAS DE CONEXIÓN GCC EXCITACIÓN SHUNT

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

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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

2.3.- Medición de la Ra y La del circuito de armadura

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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 excitación independiente Esquema de montaje del GCC en derivación de excitación Regulación por variación de tensión externa Regulación por variación de tensión Página 22

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Esquema de montaje del GCC excitación shunt Sentido de giro y polaridad

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

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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. 6.- Como verificaría si el sistema de escobillas está calibrado correctamente haqa un

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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

RESISTENCIA ( M)

INTRUMENTOS

TERMINALES CAMPO

E1 - E2

270

Especificar marca

CONMUTACIÓN

S1 - S2

No existe

Tipo, clase, etc.

COMPENSACIÓN

D1 - D2

270

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ARMADURA

A1 - A2

240

TABLA N° 2.- MEDIDA DE LA RESISTENCIA OHMICA

CIRCUITO MEDIDO

TERMINAL

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Tamb : ..........° C

RESIST.*

TENSION DC

CORRIENTE

RESISTENCIA

OHMIOS

VOLTIOS

AMPERIOS

OHMIOS **

83.4

0.001

XXXX

XXX

CAMPO

E1 - E2

CONMUTACION

S1 - S2

COMPENSACION

D1 - D2

0

0

ARMADURA

A1 - A2

91.5

0.208

XXX

XXX

* Utilizando puente Weasthone. ** Utilizando método amperímetro – voltímetro.

TABLA N° 3 .- PRUEBA DE VACIO

V ( bornes )

If

Vf

VELOCID.

VOLTIOS

AMPERIOS

VOLTIOS

RPM

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

OBSERVACIONES

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FIM – 2013 I

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°

Psalida VATIOS

V

Ia

Vf

If

VELOC.

EF

OBSERV.

VOLT.

AMP.

VOLT.

AMP.

RPM

1

81.8

0

82

0.83

1280

70.57

Mantener

2

84

“

90.9

0.76

1360

71.93

Ia = Cte

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

%

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