Laboratorio de Maquinas Electricas II FIME

Universidad Autónoma De Nuevo León    FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA  LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS II 

 

Laboratorio de Máquinas Eléctricas II                                                              Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME ‐ UANL    

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Reglas del Laboratorio •

Leer este manual antes de tomar la practica

•

Seguir las instrucciones de su maestro

•

Entrar al laboratorio con la vestimenta adecuada

•

No energizar hasta que su maestro le indique

•

No introducir al laboratorio Alimentos, ni bebidas

Este Manual fue Elaborado por: M.C. Edgar Alejandro Pérez Olivo M.C. Rafael Cervantes Vega M.C. Agustín Guadiana Coronado M.C. Jorge Gutierrez Espinoza M.A. Claudia Alonso Rodriguez M.C. Noé Ponce Meraz M.C. Jesús Castañeda Marroquín M.C. Jose Luis Cerda Juárez

Revisado por: M.C. Enrique López Guerrero M.C. Adolfo López Escamilla

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INDICE

• Práctica # 1 “El Transformador” • Práctica # 2 “Prueba de Polaridad en los Transformadores” • Práctica # 3 “Conexiones de Transformadores” • Práctica # 4 “Calculo de Parámetros del Circuito Equivalente del Transformador” • Práctica # 5 “Transformador con Carga” • Practica #6 “Motor de Inducción” • Practica #7 “Identificación Terminales Motor de Inducción” • Practica #8 “Conexiones Motor de Inducción” • Práctica # 9 “Obtención de Parámetros del Circuito Equivalente del Motor de Inducción Trifásico” • Practica #10 “Motor de Inducción con Carga”

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS II

Práctica # 1

“El Transformador”

Objetivo:

Esta práctica tiene como objetivo lo siguiente: •

Dar a conocer el principio de funcionamiento de los Transformadores.

•

Discutir la construcción de un Transformador de Distribución.

•

Calcular la relación de Transformación.

•

Estudiar la placa de Características de un Transformador.

Material: •

Transformador Monofásico

•

Voltímetro

•

Terminales

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Conceptos Teóricos:

Hoy en día en que se requiere transportar grandes cantidades de fluido eléctrico desde las fuentes de generación hasta los centros de consumo, no sería concebible sin el desarrollo de ciertos equipos eléctricos como es el caso característico de los transformadores. Conforme la demanda eléctrica iba en aumento, la industria eléctrica, también fue teniendo un mayor crecimiento; luego entonces, la dificultad de trasladar este tipo de energía de un lugar a otro, fue haciéndose más evidente, pues en sus principios, se generaba corriente directa a baja tensión para alimentar los circuitos de alumbrado y de fuerza motriz; esto, hacia sumamente ineficiente la transmisión de grandes bloques de energía. Se vio entonces la necesidad de elevar la tensión en los centros de generación para llevar a cabo la transmisión de energía y reducirla al llegar a los centros de carga o de consumo. El dispositivo ideal para llevar a cabo este proceso de transformación es el transformador, cambiándose con ello, el uso de la corriente directa a corriente alterna, dado que el transformador funciona solo con corriente alterna.

Figura 1. Esquema representativo de un sistema eléctrico de potencia.

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Existen además, los transformadores especiales y los transformadores para instrumento que son empleados como auxiliares para conectar los aparatos para la medición, la protección y el control de los circuitos eléctricos de potencia. Como podemos ver, los transformadores son una parte fundamental en los sistemas eléctricos en general. Pero, particularmente, los transformadores de distribución tienen una gran demanda comercial por la pequeña capacidad y la gran cantidad de transformadores instalados. A manera de comparación podemos decir que, para un transformador de potencia de 300 MVA requeriríamos aproximadamente de cuatro mil transformadores de 75 kVA. Partes principales de un transformador

Las partes que componen un transformador son clasificadas en cuatro grandes grupos, los cuales comprenden: 1. 2. 3. 4. 1.

Circuito magnético (núcleo) Circuito eléctrico (bobinas) Sistema de aislamiento Tanque herrajes y accesorios. El circuito magnético (Núcleo)

El circuito magnético es la parte componente del transformador que servirá para conducir el flujo magnético generado, el cual concatenará magnéticamente los circuitos eléctricos del transformador. El circuito magnético se conoce comúnmente como núcleo. Este núcleo se encuentra formado por láminas de acero al silicio de grano orientado de bajas pérdidas y una alta permeabilidad magnética. Todas las laminas están aisladas en ambas caras por medio de un aislante inorgánico llamado “Carlite” que consiste de una capa especial aislante aplicada en el proceso final de planchado y recocido. Básicamente se tiene cuatro tipos de lámina de grano orientado, cuyas características se encuentran mencionadas en la siguiente tabla.

Tabla 1 Pérdidas unitarias en acero al silicio a 60 y 50 Hz

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Las pérdidas en la lámina a 50 Hz comparadas con las pérdidas a 60 Hz tienen la siguiente equivalencia:

Pérdidas a 50 Hz = 0.76 x pérdidas a 60 Hz El tipo de lámina más usual en la fabricación de núcleos para transformadores es la especificación “M4”, cuyas características de watts por libra o watts por kilogramo contra la densidad de flujo (B) a 50 y 60 Hz, están dadas en la misma tabla.

2. El circuito eléctrico (bobinas)

Las bobinas son la parte que componen los circuitos eléctricos del transformador (bobinas primarias y secundarias). Las bobinas se fabrican en diferentes tipos y formas dependiendo de las necesidades del diseño y de los materiales que se utilicen: básicamente hablaremos del cobre y del aluminio. La función de las bobinas primarias, es crear un flujo magnético para inducir en las bobinas secundarias una fuerza electromotriz y transferir potencia eléctrica del primario al secundario mediante el principio de inducción electromagnética; este proceso se desarrolla con una pérdida de energía muy pequeña. Aun cuando el cobre tiene una baja resistencia específica su mayor costo comparado con el aluminio dio lugar al incremento del uso del aluminio (usado por primera vez en 1952), especialmente en transformadores de distribución y pequeña potencia, ya sea sumergidos en liquido aislante o del tipo seco. Durante la II guerra mundial cuando el cobre estuvo escaso, fueron usados conductores de plata en un considerable número de transformadores para plantas de gobierno de los estados unidos en la época de la guerra. Sin embargo, después de la guerra estos devanados fueron recobrados. El diseñador debe considerar varias características particulares de ambos materiales Las ventajas de las bobinas de cobre son: • •

Resistencia mecánica Conductividad eléctrica buena (bobina más pequeña).

Las ventajas de la bobina de aluminio son: • • •

Estabilidad en el costo por suministro Eficiente disipación de Calor (capacidades muy pequeñas) únicamente para devanados en banda (no para devanados en alambre); uso de hoja de aluminio (foil de aluminio), Considerable reducción de peso.

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Los devanados de aluminio en la baja tensión son construidos solamente en banda; en cambio los devanados de cobre pueden ser construidos con solera o conductores redondos, forrados con papel o esmaltados, o la combinación de ambos aislamientos dependiendo del tipo (seco o sumergido en líquido aislante), tensión o potencia del transformador. 3.

El sistema de aislamiento

Los transformadores poseen una serie de materiales aislantes, los cuales, juntos forman el sistema de aislamiento. Este sistema incluye materiales como: • • • • • • • • • • • • • • •

Cartón prensado (pressboard) Papel kraft normal o tratado (insuldur) Papel Manila y corrugado Cartón prensado de alta densidad Collares de cartón prensado y aislamientos finales Partes de cartón prensado laminados Esmaltes y barnices Recubrimientos orgánicos e inorgánicos para la laminación del núcleo Porcelanas (boquillas) Recubrimientos de polvo epoxico Madera de Maple o machiche para armados Fibra vulcanizada Algodón (Hilos, cintas) Plásticos y cementos, telas y cintas adhesivas, cintas de fibra de vidrio, etc. Fluido liquido dieléctrico (excepto equipos aislados en aire o gas) que puede ser aceite mineral, aceite de silicona o R-Temp., y más recientemente aceite vegetal.

El sistema de aislamiento aísla los devanados del transformador entre ellos y a tierra, así como las partes cercanas al núcleo y a las partes de acero que forman la estructura. Por lo tanto, el aislamiento es mucho más que “solamente un medio mecánico para conservar los alambres apartados”. Concepto que así fue visualizado en el desarrollo de los primeros equipos. Los primeros catorce materiales forman el sistema de aislamiento sólido que debe de cumplir con cuatro importantes funciones: 1. 2. 3. 4.

Calidad para soportar las tensiones relativamente altas, sucedidas en servicio normal (esfuerzos dieléctricos). Esto incluye ondas de impulso y transitorios. Cualidad para soportar esfuerzos mecánicos y térmicos (calor) los cuales, generalmente acompañan a un cortocircuito. Cualidad para prevenir excesivas acumulaciones de calor (permitir la transmisión del calor) Cualidad para mantener las características deseadas para un período de vida de servicio aceptable dando un adecuado mantenimiento.

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El último material es el sistema aislante líquido que baña las bobinas, el núcleo y los materiales aislantes sólidos. Este fluido sirve para tres propósitos primordiales. 1. 2. 3.

Provee una rigidez dieléctrica Proporciona un enfriamiento eficiente Protege al demás sistema aislante.

El fluido puede ser aceite mineral para transformador, silicona o R-Temp., y de estos tres, el aceite mineral es usado en el llenado del 95% de los transformadores. Desarrollos más recientes son los aceites dieléctricos vegetales hechos de semillas comestibles, uno de estos es el Envirotemp FR3 de Cooper Power Systems, que es no toxico y biodegradable. Es evidente que cualquier debilitamiento en el aislamiento puede conducir a una falla en el transformador. El aislamiento esta deteriorado cuando ha perdido una parte significativa de su propiedad dieléctrica original, característica mecánica o resistencia al impulso. La continuidad en el proceso de deterioro terminará en lo inevitable. Una falla mecánica y como consecuencia la falla eléctrica. 4.

Tanque y accesorios

Los transformadores deben estar contenidos en un tanque hermético, con objeto de preservar el aceite – ya que este tiene la función de dieléctrico y también de refrigerante -, del conjunto núcleo-bobinas. El transformador debe permanecer perfectamente sellado desde una temperatura de -5º C a un máximo de 105º C en la parte superior del liquido aislante. La siguiente imagen muestra en conjunto al transformador contenido en su tanque.

Figura 2. Tanque con radiadores tubulares.

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Entre los accesorios más importantes del transformador de distribución están: a) b) c) d)

boquillas de porcelana de A.T y B.T. Cambiador de derivaciones (“Tap’s”). Terminales de cobre para A.T. y B.T. Válvula de muestreo de aceite.

Para los transformadores de potencia habrá que incluir los siguientes: a) b) c) d)

Termómetros con contacto y sin contacto de alarma. Niveles de aceite con contacto y sin contacto de alarma. Relevador Buchholtz Ventiladores, etc.

A todo lo anterior habrá que agregar el bastidor y los herrajes solicitados por la norma oficial mexicana (NMX-J—116-ANCE).

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Parámetros Eléctricos empleados en la Placa de Datos

Al hablar de transformadores, nos encontramos términos técnicos que conviene manejar adecuadamente. A continuación se mencionan algunos conceptos de los parámetros eléctricos más comúnmente empleados: a) Tensión: Es la fuerza que origina el flujo de corriente y se expresa: V: Tensión o diferencia de tensión (volts) kV: volts x 1000 (kilo volts) b) Corriente Partículas eléctricas (electrones) libres que se mueven en un cierto sentido dentro del conductor del devanado, se expresa: I: Corriente eléctrica (amperes) c) Capacidad (Potencia) Potencia eléctrica necesario para mantener un cierto flujo de corriente demandado por una carga. Se expresa como: P = kV x A = kVA = kilo – volts amperes. d) Flujo magnético Líneas de fuerza invisibles que viajan por el núcleo proporcionando el campo magnético necesario para realizar la inducción. Se expresa: Φ: Flujo magnético (webers) e) Pérdidas en vacío Potencia eléctrica consumida por el núcleo del transformador al estar la bobina primaria conectada a la fuente y la bobina secundaria sin carga (en vacío). Se expresa: Wfe: Pérdidas en el hierro (watts) f) Corriente de excitación o de vacío Corriente que circula por el bobinado primario al aplicarle su tensión nominal con el bobinado secundario sin carga. Es la corriente necesaria para producir el flujo magnético y se expresa en por ciento de la corriente nominal como: Io o Iexc. = % In g) Pérdidas con carga Potencia eléctrica consumida por los bobinados al tener en el bobinado secundario una carga, demandando la corriente nominal en este. Se expresa como: Wcu: Pérdidas en el cobre (watts)

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h) Impedancia (Tensión de Impedancia) Tensión aplicada al primario, capaz de producir la corriente nominal en el secundario, estando las terminales de este ultimo en cortocircuito. Se expresa en por ciento de la tensión nominal del primario y representa la oposición del transformador a la corriente durante un cortocircuito. Por ciento de impedancia: %Z o %Vn i) Nivel básico de aislamiento al impulso (BIL) Es el nivel básico de aislamiento al impulso (NBI) y representa la capacidad en un transformador de soportar una “sobretensión” producida por una descarga atmosférica o por apertura – cierre del circuito de alimentación del transformador. Indica la tensión máxima de la sobretensión que debe soportar el equipo. BIL: Nivel básico de aislamiento (kV) j) Eficiencia Relación entre la potencia útil de salida y potencia de entrada % η= Ps / Pe x 100 Donde: Ps: Potencia de salida útil Pe: Potencia de entrada k) Regulación de Voltaje Variación de la tensión en el secundario, expresada en % de la tensión nominal del mismo, que se produce al conectar una carga y mantenimiento constante la tensión aplicada al primario, luego entonces. %Reg = (V02 – V2)/V2 x 100 Donde: V02: Tensión secundaria sin carga V2: Tensión secundaria nominal bajo carga plena.

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Principios de operación del transformador monofásico

El transformador basa su operación en la acción mutua entre fenómenos eléctricos y magnéticos, y no contienen partes móviles o movibles (a excepción hecha de los mecanismos para cambio de derivaciones y la impulsión de ventiladores o bombas de enfriamiento utilizados en los grandes transformadores de potencia). La transferencia de la energía eléctrica por inducción electromagnética de un arrollamiento a otro, dispuesta en el mismo circuito magnético. Se realiza con excelente rendimiento. Las fuerzas electromotrices (f.e.m.) se inducen por la variación del flujo magnético. Las espiras y el circuito magnético están en reposo uno con respecto al otro y las f.e.m. se inducen por la variación de la magnitud del flujo con el tiempo. La figura 3 permite aclarar este concepto.

Figura 3. Transformador monofásico con el secundario en circuito abierto. La f.e.m. inducida en un transformador es proporcional a tres factores: la frecuencia f, e número de espiras N

y el flujo instantáneo máximo Φm. La ecuación de la f.e.m. inducida, suponiendo que el flujo varía según una ley senoidal, puede deducirse por la siguiente figura:

Figura 4. Variación senoidal del flujo con el tiempo

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La ecuación (2) puede deducirse más rigurosamente de la manera siguiente: Si Φ = Φm sen (ωt), Luego entonces, de acuerdo a la ley de Faraday se tiene: dΦ E=N

(10-8 ) = N Φm ω cos (ωt) (10-8) volts;

dt Cuyo valor máximo es: Em = N Φm ω (10-8 ) = 2 π ƒ N Φm (10-8 ) volts Y el valor eficaz queda como: 2π Erms =

√2

f N Φm (10-8 ) = 4,44 ƒ N Φm (10-8 ) volts.

Si se emplea el sistema m.k.s. y, Φ y Φm se expresan en Weber, entonces la ecuación se transforma en: El flujo máximo es Φm = Bm A, si Bm es la densidad de flujo máxima y A la sección transversal del núcleo, entonces la ecuación puede escribirse: Erms = 4,44 ƒ N Bm A (10-8 ) volts, Esta forma suele ser más conveniente para el cálculo, ya que los núcleos de los transformadores se proyectan partiendo de la densidad de flujo admisible. La expresión anterior se le suele llamar, con toda razón la ecuación general del transformador. Si nos referimos al arrollamiento del lado primario, la tensión inducida es: E1 = 4,44 ƒ N1 Bm A (10-8) volts, De la misma forma; para el arrollamiento del lado secundario: E2 = 4,44 ƒ N2 Bm A (10-8) volts, Relación de tensiones y corrientes en un transformador Refiriéndonos a las educaciones anteriores, está claro que los volts por vuelta es exactamente la misma para los devanados primario y secundario por que se rigen con la misma ecuación E = 4,44ƒNBmA 10-8 volts. Esto significa que, en cualquier transformados, las tensiones inducidas en el primario y secundario están relacionadas una de la otra por la relación del número de vueltas del primario y del secundario, así que: E1 N1 = E2 N2

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Los transformadores estáticos son extremadamente eficientes por que las únicas pérdidas son aquellas que se producen en el cobre de los devanados (RI2) y en el hierro (Histéresis y Corrientes de Eddy); de aquí que no hay pérdidas como resultado de la rotación, como están presentes en las maquinas rotatorias, siendo V1 entrada de tensión del primario y si asumimos que la potencia de entrada al transformador es igual a la potencia de salida del transformador (eficiencia = 100%) y considerando que las caídas de tensión son insignificantes, entonces: V1 x I1 x FP1 = E2 x I2 x FP2 Esto es, generalmente cierto, si el factor de potencia (FP2) de la carga del secundario es prácticamente igual al FP1 del primario. Por esa razón: E1 x I1 = E2 x I2 Lo cual muestra que, E1

I2

N1

E2

I2 =

= I1

N2

I1

Donde se concluye que la relación de tensiones E1: E2 y la relación de vueltas N1:N2 son ambas proporcionales a la relación inversa de las Corrientes I2:I1.

Relación de transformación

La relación de vueltas del primario y el secundario N1:N2 las cuales equivalen a la relación de f.e.m. del primario y del secundario E1:E2, ecuación que indica la magnitud de la f.e.m. del primario es bajado o subido. La relación de vueltas, o la relación de tensiones inducidas, es llamada la relación de transformación y es representada por el símbolo a, así que: N1 a=

E1 =

N2

E2

Porque la entrada de tensión del primario V1 y la tensión de carga del secundario V2 son casi iguales a sus tensiones inducidas respectivamente, la relación de las tensiones terminales V1:V2 es frecuentemente llamado la relación de transformación. La verdadera relación de transformación, es constante mientras que la relación V1:V2 cerca del 1 al 8% dependiendo de la carga y del factor de potencia.

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Figura 5. Placa de características de un transformador de distribución trifásico.

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Reporte: 1. Definir conceptualmente ¿Qué es un transformador? 2. Representar esquemáticamente el circuito electromagnético de un transformador monofásico, e indicar y definir sus partes. 3. Deducir matemáticamente como se llega a la ecuación general del transformador 4. Definir ¿qué es la relación de transformación y como se representa matemáticamente? 5. ¿Cuáles son los datos principales que debe contener la placa de datos del transformador? 6. ¿Cuáles son dos de las características que distinguen a un transformador práctico de un transformador ideal? 7. ¿Por qué la densidad máxima de flujo magnético no debe estar muy alejada de la porción lineal de curva de BH del material – acero eléctrico – del núcleo? 8. Determine la relación de transformación de los transformadores del laboratorio indicados por su instructor.

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Práctica # 2

“Prueba de Polaridad en los Transformadores”

Objetivo:

Esta práctica tiene Como objetivo lo siguiente: • Aplicar el procedimiento para la determinación de la Polaridad en Transformadores. • Marcado de Terminales de las bobinas de un transformador según su Polaridad Relativa Instantánea. • Discutir las conexiones sustractiva y aditiva para Transformadores.

Material: • Transformador Monofásico 220 / 110 Volts • Voltímetro • Terminales

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Conceptos Teóricos: Los devanados de los transformadores cuentan con marcas en sus terminales para indicar la polaridad. Considere los devanados mostrado en la figura (a).

Terminales 1 y 3 son idénticas, porque la corriente entra por estas y producen un flujo en a misma dirección en el núcleo formando un camino magnético en común. Por esta misma razón, las terminales 2 y 4 son idénticas. Si estos 2 devanados son ligados por un flujo en común que varía en el tiempo, aparecerán voltajes inducidos en cada devanado del transformador. La Terminal 1 es positiva respecto a la Terminal 2, por lo tanto al mismo instante el potencial de la Terminal 2 será positivo respecto al de la Terminal 4. En otras palabras, voltaje inducido e12 y e34 están en fase. Terminales 1-3 o 2-4 son marcadas con un punto (.) o (+/-) como se muestra en la figura B.

A estas marcas se le llama “Marca de polaridad”, estas marcas indican como están enrollados los devanados del transformador.

Si se lograran ver los devanados del transformador, las polaridades de estos podrían ser determinadas. Usualmente solo las terminales de los devanados son traídas fuera del transformador. Sin embargo, es posible determinar las polaridades de los devanados de forma experimental. Este sencillo método es ilustrado en la figura C, en el cual terminales 2 y 4 son conectadas juntas y las terminales 1-2 a la fuente de la bobina primaria.

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Los voltajes 1-2, 3-4 y 1-3 son medidos con un voltímetro. Estos voltajes los llamaremos V12, V34 y V13 respectivamente. Si el voltaje medido V13 es la suma de los voltajes V12 y V34, esto significa que en cualquier instante que la Terminal 1 es positiva con respecto a la Terminal 2, el potencial de la Terminal 4 es positiva con respecto a la Terminal 3. Los voltajes inducidos e12 y e43 están en fase como en la figura C, por lo tanto e13 = e12+e43. A esta polaridad se le conoce como polaridad aditiva. Consecutivamente, Terminal 1 y 4 son idénticas (la misma polaridad). Si la lectura del voltímetro V13 es la diferencia de las lecturas V12 y V34, la Terminal 1 y 3 son terminales de la misma polaridad (polaridad sustractiva)

Las polaridades de los devanados del transformador deberán conocerse si los transformadores son conectados en paralelo para compartir una carga en común. Figura 1.2 a Muestra la conexión en paralelo de 2 transformadores monofásicos. Esta es la conexión correcta debido a que los voltajes secundarios e21 y e22 se oponen entre ellos internamente.

Figura 1.2 A

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La imagen mostrada en la figura 1.2B, nos muestra la conexión incorrecta, porque e21 y e22 se suman internamente y una gran corriente circulará en el devanado provocando serios daños en los transformadores.

Figura 1.2 B

Desarrollo: 1. Armar el siguiente Circuito

2. Alimente un V12 conocido. Éste será el valor de referencia V12 = ____ Volts

3. Observaciones: Si V13 > V12
Polaridad Aditiva Si V13 < V12
Polaridad Sustractiva

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REPORTE: 1.

¿Qué entiende por Polaridad Relativa?

2.

Comente la importancia de conocer la polaridad de un transformador

3.

¿Qué pasará si el puente utilizado en el punto No.1 se invierte de terminal en el secundario?

4.

¿Podrá existir el caso en que el voltaje medido por el voltmetro sea igual a cero?

5.

Determine la polaridad relativa de diferentes transformadores en el laboratorio.

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Práctica # 3

Conexiones de Transformadores

Objetivo: Los objetivos a cubrir en este experimento son los siguientes: • • • •

Conectar tres transformadores monofásicos para formar un banco trifásico. Conectar los devanados del transformador para formar una configuración estrella. Conectar los devanados del transformador para formar una configuración Delta. Se observará las características de las diferentes conexiones trifásicas entre transformadores para poder tomar decisiones a la hora de elegir alguna configuración según convenga en el proyecto.

Material: • • • •

Banco de transformadores Monofásicos de 220/220 V de 1 KVA. 1 Voltímetro Terminales Banco de focos de 220 volts.

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Conceptos Teóricos: En la actualidad, la gran mayoría de los sistemas de distribución y generación de energía son sistemas trifásicos de CA.

La mayoría de las redes de distribución son trifásicas y también un buen número de usuarios de tipo comercial e industrial hacen uso de sistemas de alimentación trifásicos, esto hace que sea necesario considerar la importancia que tienen los sistemas trifásicos en las instalaciones eléctricas y en consecuencia los transformadores trifásicos en estas.

La energía de un sistemas trifásico se puede transformar, ya sea por medio de tres transformadores monofásicos (formando un banco trifásico) o bien mediante el uso de un transformador trifásico. Por razones de tipo económico, de espacio en las instalaciones y confiabilidad en los equipos, se puede decir, que en general, es preferida la solución del uso de transformadores trifásicos en las instalaciones eléctricas que requieren de este tipo de alimentación. En los sistemas de distribución contamos con transformadores monofásicos y trifásicos debemos de conocer las conexiones básicas de estos: a) Conexión en transformadores Monofásicos. b) Conexiones en transformadores Trifásicos, teniendo 4 posibles conexiones: 1. Estrella – Estrella (Y – Y) 2. Delta – Estrella (∆ – Y) 3. Delta – Delta (∆ – ∆) 4. Estrella – Delta (Y - ∆) 5. Delta Abierta

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Procedimiento:

a) Sistema Monofásico

1) Alimente el lado de alta del transformador con 220 volts y la terminal X0 conéctela sólidamente a tierra. Tome las siguientes mediciones:

VH1-H2 =_______________volts

VX1-X0 = _______________volts V X2-X0 =_______________volts VX1 –X2 =_______________volts

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2) Alimente el lado de alta del transformador con 220 volts y la terminal X0 desconéctela de tierra tal y como se muestra en el dibujo. Tome las siguientes mediciones:

VH1-H2 =_______________volts

VX1-X0 = _______________volts V X2-X0 =_______________volts VX1 –X2 =_______________volts

¿Que observa?

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b) Sistema Trifásico Conexión Estrella:

Conexión Delta:

Conexión Estrella – Estrella (Y – Y) 1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

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2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador con el Neutro del lado de alta conectado sólidamente a tierra tal como se muestra en el dibujo, haga las siguientes mediciones:

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

3.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador con el Neutro del lado de alta conectado sólidamente a tierra tal como se muestra en el dibujo, haga las siguientes mediciones:

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

Nota: No olvide conectar el conductor de retorno en el lado de baja, esto se hace uniendo X0 con el punto neutro de la carga.

4.-Desconecte el neutro del lado de alta del transformador, tal como se muestra en el siguiente diagrama:

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5.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador con el Neutro Flotante en el lado de alta, tal como se muestra en el dibujo, haga las siguientes mediciones:

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

6.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador con el Neutro Flotante en el lado de alta, tal como se muestra en el dibujo, haga las siguientes mediciones:

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

¿Qué observa?

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Conexión Delta – Estrella (∆ – Y): 1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

3.-Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

¿Qué observa?

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Conexión Delta – Delta (∆ – ∆): 1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

3.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

Nota: Como el transformador esta en conexión ∆ en el lado de la carga y la carga esta en conexión Y, el conductor de retorno debe de ser retirado. ¿Qué observa?

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Conexión Estrella – Delta (Y – ∆): 1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

3.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

Nota: Como el transformador esta en conexión ∆ en el lado de la carga y la carga esta en conexión Y, el conductor de retorno debe de ser retirado.

¿Qué observa?

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Conexión Delta Abierta Esta surge cuando en una conexión ∆ – ∆ deja de funcionar uno de los transformadores. • La capacidad del sistema en ∆ abierta es menos que la del sistema en ∆ – ∆, además existe un desbalance entre las tensiones del secundario al aplicar la carga. • Las corrientes en línea no son balanceadas. • Como desventaja tiene que no se aprovecha la capacidad total de los transformadores solo un 86% de la capacidad instalada y la potencia disponible que sale del grupo en delta-abierta es solo el 57.7% de la potencia nominal del grupo original. 1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Alimente 220 volts al lado de alta y haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

¿Qué observa?

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3.- Conecte una carga Trifásicas conexión estrella Balanceada y haga las siguientes mediciones: V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

4.- Conecte una carga Trifásica conexión en estrella Desbalanceada y haga las siguientes mediciones: V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

5.- Ahora conecte una carga monofásica en las terminales X1 - X0 y haga las siguientes mediciones: V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

¿Qué observa?

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REPORTE 1. Consiste en la ejecución de esta práctica y contestando todas las observaciones. 2. Investigue las características principales de cada conexión vista en la práctica. 3. Investigue acerca de la aplicación de las conexiones Scott y Zig-Zag. 4. Se puede conectar 2 transformadores de los llamados unicornios entre si y alimentar una carga trifásica? Si la respuesta es afirmativa, explique.

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Práctica # 4

Cálculo de Parámetros del Circuito Equivalente del Transformador

Objetivo: Este experimento tiene como objetivo lo siguiente: • El alumno conocerá las pruebas necesarias para calcular los parámetros del circuito equivalente del transformador. • Obtendrá los parámetros del transformador y analizará el funcionamiento del transformador.

Material: • • • • • •

Transformador Monofásico 3kVA en tensiones de 220/110 Volts 1 Voltímetro 1 Amperímetro 1 Wattmetro Monofásico con escala de 25 Amp. Autotransformador 120 Volts Terminales

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Conceptos Teóricos: Los parámetros del circuito equivalente de un transformador pueden determinarse si se efectúan dos pruebas no destructivas: 1. La prueba de Vacío ( Circuito Abierto ) 2. La prueba de Corto Circuito

Prueba de Vacío: El objetivo de la prueba de vacío es obtener los valores de los elementos del circuito eléctrico de la rama de excitación.

Procedimiento: 1. Se aplica voltaje V0 a uno de los devanados, con las terminales del otro devanado en circuito abierto. 2. Se mide la corriente I0 que demanda el devanado alimentado. 3. Se mide la potencia P0 que demanda el devanado alimentado.

Se recomienda que el voltaje V0 sea igual al voltaje nominal del devanado, por lo que es preferible que la prueba se realice por el lado de menor tensión, de acuerdo a la siguiente figura:

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En esta condición de vacío, se calculan los parámetros de la rama de excitación, Gc y –jBm, que modelan el núcleo de material ferromagnético.

Obtención de los Parámetros: Calculamos la Admitancia Y0 = | I0 / V0 |

De la ecuación de la potencia P0 = V0 I0 Fp0 se calcula: FP0 = P0 / V0 I0

Obteniendo el Angulo theta θ0 = cos-1 FP0

Tenemos que la admitancia en forma polar es Y0 = | I0 / V0 | < -θ0 Siemens

Y en forma rectangular Y0 = Gc –jBm Siemens

Tómese en cuenta que los parámetros estarían calculados en el lado de baja tensión, pero con las relaciones de voltajes y corrientes obtenidas, se podrán referir los parámetros al lado de alta tensión.

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Prueba de Corto Circuito: El objetivo de la prueba de Corto Circuito es obtener los parámetros que modelan los devanados del transformador:

Procedimiento: 1. Se alimenta a uno de los devanados con un voltaje, que es una porción del nominal, Vcc con el otro devanado en corto circuito. 2. Se mide la corriente Icc que demanda el devanado alimentado, teniendo que Icc = Inominal 3. Se mide la potencia Pcc que demanda el devanado alimentado. Se recomienda poner el corto circuito en el devanado de baja tensión. Aplicar el voltaje Vcc en lado de alta tensión, esto es aplicarlos en forma reducida con la ayuda del autotransformador hasta alcanzar la corriente nominal, de acuerdo al siguiente esquema:

En la condición de corto circuito, prácticamente, los elementos del circuito eléctrico del secundario, se verían reflejados al lado del transformador donde se aplica el voltaje:

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Obtención de los Parámetros: De la figura anterior observamos lo siguiente: Req11 = R1 + R´2

jXeq11 = jXl1 +jXl2 Zeq112 = Req112 + Xeq112

De donde: Zeq11 = | Vcc / Icc |

FPcc = Pcc / Vcc Icc θcc = cos-1 FPcc

Zeq11 = | Vcc / Icc | < θcc Ω y en forma rectangular: Zeq11 = Req11 +jXeq11 Ω R1 = Req11 / 2 = R´2 Ω

y

R2 = R´2 / a2 Ω

jX11 = jXeq11 / 2 = jXl´2 Ω

y

jXl2 = jXl´2 / a2 Ω

De esta manera quedarían calculados: R1, R2, jXl1, jXl2, Gc y –jBm Todos los parámetros estarían dados en Ω

Procedimiento: Datos del Transformador a prueba:

kVA :_____________kVA VH : ____________Volts

IH : _____________Amp

VX : ____________Volts

IX : _____________Amp

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Prueba de Vacío:

1. Arme el siguiente Circuito:

2. Alimente el voltaje nominal en forma reducida a través del autotransformador y registre los valores de Vo, Io y Po. Vo =_____________Volts Io = _____________ Amp Po=_____________ Watts

3. Transforme las mediciones tomadas en %, esto es dividiendo la cantidad medida entre el valor nominal del parámetro a evaluar. Vo = ____________% Io = _____________ % Po=_____________ %

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Prueba de Corto Circuito 1. Arme el siguiente circuito:

2. Alimente un Vcc, al lado de alta del transformador a través del autotransformador haciendo que circule la corriente nominal del circuito de alta, cuando circule la corriente Nominal en el devanado alimentado, mida y registre los valores de Vcc, Icc y Pcc. Vcc =_____________Volts Icc = _____________ Amp Pcc=_____________ Watts 3. Transforme las mediciones tomadas en %, esto es dividiendo la cantidad medida entre el valor nominal del parámetro a evaluar. Vcc = ____________% Icc = _____________ % Pcc=_____________ %

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Reporte: 1. Calcule los parámetros del Circuito Equivalente R1, R2, jXl1, jXl2, Gc y –jBm. 2. Calcule él % de Impedancia del transformador sometido a la pruebas 3. Calcule las corrientes de corto circuito de lado de alta y baja tensión del transformador sometido a la pruebas 4. Cual es lado de mayor impedancia?

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Práctica # 5

Transformador con Carga

Objetivo: Esta práctica tiene como objetivo lo siguiente: • • • •

Observar el comportamiento del Transformador con Carga. Calcular el Porciento de Regulación de Voltaje. Obtener la Eficiencia del Transformador a los distintos valores de Carga. Discutir la corriente de Excitación de un Transformador.

Material: • • • • • • • •

Transformador Monofásico 3kVA, 220 / 110 Volts 2 Voltímetro 2 Amperímetro 2 Wattmetros 2 Factorimetros Banco de Focos como Carga Resistiva Banco de Inductancia como Carga en Atraso Terminales

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Conceptos Teóricos: Corriente de vacío y corriente de carga Corriente de Vacío La figura 1, representa un transformador con sus arrollamientos primario y secundario. Las direcciones del flujo, de las tensiones y de las corrientes están indicadas en la figura para el instante en que la Terminal conductor superior primaria es positiva y la intensidad de la corriente aumenta. Supongamos primero que el secundario no tiene carga alguna. En este caso circula una corriente muy pequeña I0 en el primario, que suele ser del 1 al 3% de la corriente nominal del primario (I1) La corriente de vacío (I0) del transformador conocida también como corriente de excitación, genera la f.m.m. que produce el flujo mutuo Φ y compensa también las pérdidas del núcleo o pérdidas en vacío. I0 puede descomponerse en dos: Im en fase con el flujo Φ, que genera la f.m.m. que produce Φ; y la otra Ip2*, en cuadratura con Im, que corresponde a la corriente de pérdidas. Puesto que las pérdidas son pequeñas y el primario es muy inductivo, I0 tiene un retardo de casi 90º con respecto a la tensión V1 en las terminales. También se tiene que, para todas las cargas ordinarias, la f.e.m. E1 inducida en el primario por el flujo Φ es casi igual en magnitud a la tensión en terminales del primario V1, y difiere de ella solo ligeramente, debido a la pequeña impedancia del primario.

Figura 1. Transformador monofásico con carga en el secundario. Luego, como el valor de V1 en RMS es constante, la diferencia entre la f.e.m. inducida E1 y V1 debe ser casi nula. De las expresiones (2) o (2a) se deduce que, puesto que E1 es casi constante, el flujo Φ también es aproximadamente para todas las cargas nominales y, por lo tanto la f.m.m. que lo produce; lo mismo que las pérdidas en el hierro, deben ser prácticamente normales del transformador. Como hemos referido en el primer párrafo I0 es pequeña. La f.e.m. inducida en el primario, E1, es una f.c.e.m. que se opone a la corriente que entra en el primario y es análoga a la f.c.e.m. de un motor. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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La corriente de magnetización Im produce el flujo Φ en el núcleo, siendo su dirección, en el instante que se considera, la indicada en la figura (regla del sacacorchos). El valor de este flujo debe ser tal que la f.e.m. inducida en el primario sea prácticamente igual a la tensión en sus terminales. La figura 2 representa el diagrama vectorial en vacío del transformador.

Figura 2. Diagrama vectorial del transformador en vacío Corriente de Carga Si se aplica una carga al secundario (Fig. 1) se tendrá una corriente I2, en este, cuya magnitud y desfasamiento respecto a la tensión en las terminales de dicho secundario quedará determinada por las características de la carga. Sin embargo, en cada instante, la dirección de la corriente en el secundario debe ser tal que se oponga a las variaciones del flujo, de acuerdo con la ley de Lenz, que establece que una corriente inducida tiene siempre una dirección que se opone a la causa que lo produce. En la figura de referencia se supone que la dirección del flujo es la de las agujas del reloj y que aumenta. Si la corriente en el secundario I2 generase el flujo Φ, según la regla del sacacorchos, penetraría por la Terminal superior (Fig. 1) como I2 se opone al flujo Φ, debe realmente salir por dicho Terminal. La corriente en el secundario I2 tiende, entonces, a reducir el valor del flujo común en el núcleo del transformador. Si el flujo se reduce, la f.c.e.m. del primario se reduce también, lo que permite que circule mas corriente por él, suministrando la energía requerida por el aumento de potencia debida a la carga aplicada al secundario y haciendo que el flujo adquiera de nuevo un valor cercano al inicial. Esta es la sucesión de reacciones que se producen después de aplicar la carga al secundario, que permite al primario absorber de la línea de alimentación la energía requerida por el incremento de potencia exigida por el secundario. La variación de la f.c.e.m. en el primario al pasar de operación en vacío a operación en plena carga es aproximadamente de 1 o 2%. Como la f.c.e.m. es proporcional al flujo común Φ, el valor de Φ varia solo ligeramente dentro de los límites del trabajo del transformador y, por lo tanto, los amperes-vuelta netos que actúan en el núcleo permanecen esencialmente invariables. El aumento de amperes-vueltas debidos a la carga del secundario debe equilibrarse, pues, con los amperes-vuelta debidos al aumento de intensidad de corriente en el primario. Como el flujo se mantiene prácticamente constante, la corriente de excitación debe conservarse esencialmente constante. El efecto de un aumento cualquiera de los amperes-vuelta del primario, si no los equilibran igual número de amputes-vuelta del secundario, seria aumentar el flujo, lo que equivale a un aumento de la f.c.e.m. y una Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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tendencia del primario a alimentar la línea, lo que atenta contra la ley de la conservación de la energía. Si los amperes-vuelta del primario superan los de excitación deben, por consiguiente, equilibrarse con igual número de amperes-vuelta en oposición del secundario. La corriente de excitación es de pequeña intensidad y generalmente su desfasamiento es considerable con respecto a la corriente total del primario. Suele, pues, despreciarse I0 en comparación con la intensidad de la corriente total del primario. Si se desprecia, los amperes-vuelta del primario y del secundario son iguales y opuestos, y N1 I1 = N2 I2

Por tanto I1

N2 =

I2

N1

Es decir, las intensidades de corriente en el primario y en el secundario son inversamente proporcionales a sus respectivos números de espiras. La relación anterior puede deducirse también de la ley de conservación de la energía. Si las pérdidas en el transformador se desprecian y se supone que el factor de potencia es uno, V1 I1 = V2 I2 Por lo tanto I1

V2 =

I2

N2 =

V1

N1

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Procedimiento 1.

Datos nominales del transformador

kVA: __________

VH: __________volts

VX: __________A

IH: __________A

IX:__________A

2.

Arma el siguiente circuito.

3.

Energice el transformador en vacio y registre las condiciones iniciales Primario

4.

Secundario

V1 =

V2 =

I1 =

I2 =

W1 =

W2=

FP1 =

FP2 =

Aplique carga resistiva, inductiva y capacitivas, combínelas según le indique su instructor.

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Formulas:

Psal % Eficiencia

=

X100 Pent

V2vacio- V2carga %Reg

=[

]X100 V2carga

Transformador: 1φ, KVA = 1000xVxI 3φ, KVA = 1000x√3xVxI

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Reporte: 1. Complete la tabla 2. Grafique todos los datos de la tabla contra la corriente de Carga, I2 3. Con los parámetros del circuito equivalente de la practica anterior, calcule él % de Eficiencia y él % de Regulación a un valor de carga de la tabla y verifique sus resultados

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Práctica # 6

El Motor de Inducción Trifásico

Objetivo: Esta práctica tiene como objetivo lo siguiente: • Dar a conocer el Principio de Funcionamiento de los Motores de Inducción Trifásicos. • Discutir la construcción de los Motores de Inducción de Jaula de Ardilla y Rotor Devanado. • Observar la puesta en Marcha de los Motores de Inducción de Jaula de Ardilla y Rotor Devanado. • Estudiar la placa de Características de un Motor de Inducción.

Material: • • • • • •

Motor de Inducción de Jaula de Ardilla Motor de Inducción de Rotor Devanado Voltímetro Amperímetro Terminales Arrancador a Tensión Plena de 220 Volts

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Introducción: El principio de funcionamiento de las maquinas asíncronas se basa en el concepto de campo magnético giratorio. El descubrimiento original fue publicado en 1888 por el profesor Galileo Ferraris en Italia y por Nicola Tesla en los EE.UU. ambos diseños de motores asíncronos se basaban en la producción de campos magnéticos giratorios con sistema bifásicos, es decir, utilizando dos bobinas a 90º alimentadas con corrientes en cuadratura. Desgraciadamente, el motor bifásico de Ferraris tenía un circuito magnético abierto y un rotor en forma de disco de cobre, por lo que desarrollaba una potencia muy baja y no tenía interés comercial. Sin embargo, Tesla, que dio a conocer su motor dos meses mas tarde que Ferraris, utilizó devanados concentrados tanto en el estator como en el rotor, logrando con ello un motor mas practico y de ahí que se considere a Tesla el inventor de este tipo de maquinas las patentes de Tesla fueron adquiridas por G. Westinghouse, quien construyó en sus fábricas motores bifásicos que puso en el mercado alrededor de 1890. En este mismo año el ingeniero de la AEG Dolivo Dobrowolsky invento el motor asíncrono trifásico, empleando un rotor en forma de jaula de ardilla y utilizando un devanado distribuido en el estator en el año de 1891 Dobrowolsky presentó en la exposición de electricidad de Frankfurt un motor asíncrono con rotor devanado que disponía de un reóstato de arranque a base de resistencias liquidas. En el año 1983 Dobrowolsky había desarrollado también motores asíncronos con doble jaula de ardilla, que poseían mejores cualidades de arranque que el motor en cortocircuito convencional (sin embargo, fue el francés P. Boucherot quien mas investigó con este tipo de rotor). A principios de siglo XX se impulso el sistema trifásico europeo frente al bifásico americano, por lo que las maquinas asíncronas empezaron a ser (y son) trifásicas. La diferencia de la maquina asíncrona con los demás tipos de maquinas se debe a que no existe corriente conducida a uno de los arrollamientos. La corriente que circula por uno de los devanados (generalmente el situado en el rotor) se debe a la f.e.m. inducida por la acción del flujo del otro, y por esta razón se denominan maquinas de inducción. También reciben el nombre de maquinas asíncronas debido a que la velocidad de giro del rotor no es la de sincronismo impuesta por la frecuencia de la red. La importancia de los motores asíncronos se debe a su construcción simple y robusta, sobre todo en el caso del rotor en forma de jaula, que les hace trabajar en las circunstancias mas adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento. Hoy en día se puede decir que más de 80 por 100 de los motores eléctricos industriales emplean este tipo de máquina, trabajando con una frecuencia de alimentación constante. Sin embargo, históricamente su inconveniente mas grave ha sido la limitación para regular su velocidad y de ahí que cuando esto era necesario, en diversas aplicaciones como la tracción eléctrica, trenes de laminación, etc., eran sustituidos por motores de c.c., que eran mas idóneos para este servicio.

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Desde finales del siglo XX y con el desarrollo tan espectacular de la electrónica industrial, con accionamientos electrónicos como inversores u onduladores y ciclo convertidores, que permiten obtener una frecuencia variable a partir de la frecuencia constante de la red, y con la introducción del microprocesador en la electrónica de potencia, se han realizado grandes cambios, y los motores asíncronos se están imponiendo poco a poco en los accionamientos eléctricos de velocidad variable.

Conceptos Teóricos: La máquina asíncrona Las máquinas de corriente alterna de tipo asíncrono se caracterizan por el hecho de que la. Velocidad de giro de su rotor es siempre distinta de la velocidad sincronía. Esto quiere decir que sea cual sea su modo de funcionamiento, nunca pueden desarrollar la velocidad síncrona. Este tipo de máquinas recibe también el nombre de «máquinas de inducción». Esta denominación se debe al hecho de que, a diferencia de otros tipos de máquinas (como, por ejemplo, las síncronas), no es necesario un sistema de excitación externo (ya que esta corriente se genera como consecuencia de la f.e.m. inducida por la acción del inductor sobre el inducido). 6.1.1 El sistema eléctrico de potencia A continuación se definen una serie de conceptos asociados al análisis de las máquinas asíncronas o máquinas de inducción. Frecuencia estatórica (ƒe) Es la frecuencia de la red a la que se conecta el bobinado del estator y, por tanto, la frecuencia de las corrientes que recorren los bobinados del estator. Su valor define, junto al número de pares de polos de la máquina, el valor de la velocidad de sincronismo. Velocidad de sincronismo ( n S ) Es la velocidad del campo rotativo creado por el inductor. Se calcula mediante una de las siguientes expresiones:

Velocidad de giro ( n R ) Es la velocidad desarrollada por el rotor. En las máquinas asíncronas se cumple siempre que: nR ≠ nS Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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Por convenio se asigna signo positivo a la velocidad síncrona. Por esta razón, si el rotor gira en el mismo sentido que el campo rotativo, su velocidad es positiva, y si gira en sentido contrario, su velocidad es negativa.

Deslizamiento (s) Es la velocidad relativa entre el campo rotativo y la velocidad de giro del rotor, expresada en valor «por unidad» respecto a la velocidad síncrona.

Donde a nDESLIZAMIENTO = nS - nR se la denomina velocidad de deslizamiento. Frecuencia rotó rica (ƒr) Es la frecuencia de las tensiones e intensidades que se inducen en los bobinados del rotor. Su valor depende de la velocidad relativa entre el campo rotativo y el rotor,

Donde si nS, nR y nDESLIZAMIENTO se expresan en rps la frecuencia se obtiene en Hz. Por tanto, se cumple que:

6.1.2. Clasificación de las máquinas asíncronas Dejando a un lado las diferentes aplicaciones para las que pueden ser empleadas, las máquinas asíncronas pueden clasificarse en función de los siguientes aspectos: Por el número de fases El número de fases hace siempre referencia al bobinado del estator, es decir, al número de fases de la red que se conecta a su estator. En función de este aspecto se clasifican en: − Monofásicas. − Polifásicas (siendo las máquinas trifásicas las más empleadas).

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Por el tipo de rotor En función de las características constructivas de su rotor, las máquinas asíncronas pueden ser: − De rotor bobinado. − De jaula de ardilla. En el caso del rotor bobinado, el circuito eléctrico se construye devanando los conductores sobre las ranuras (abiertas o semiabiertas) distribuidas a lo largo de la periferia exterior del cilindro de chapas magnéticas que constituyen dicho rotor (Figura 7.1). Por lo general, se trata de un circuito trifásico conectado en estrella cuyos terminales están conectados a unos anillos rozantes, aislados entre sí, colocados sobre el eje. Estos anillos permiten que, mediante unas escobillas fijas que hacen contacto sobre ellos, se tenga acceso al circuito rotó rico para, por ejemplo, modificar sus características mediante la adición de resistencias con los fines que serán expuestos en posteriores apartados de este capítulo.

FIGURA 6.1. Rotor bobinado

El circuito eléctrico del tipo jaula de ardilla se construye mediante barras conductoras (de aluminio o cobre) ubicadas en las ranuras (generalmente cerradas) distribuidas a lo largo de la periferia del paquete magnético que constituye el rotor. Todas las barras se cortocircuitan entre sí por sus extremos mediante dos anillos, uno para cada extremo de las barras. Este tipo de rotor es mucho más robusto que el rotor bobinado pero, sin embargo, presenta el gran inconveniente de no permitir el acceso al circuito eléctrico rotó rico y, en consecuencia, imposibilita cualquier tipo de actuación sobre él.

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FIGURA 6.2. Rotor devanado

FIGURA 6.3. Rotores jaula de ardilla. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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La Figura 6.4 representa un rotor del tipo jaula de ardilla en el que se ha practicado un corte de 90° en sus chapas magnéticas y eje con el fin de poder apreciar la jaula (circuito eléctrico) que se ubica en su interior.

FIGURA 6.4. Rotor de jaula de ardilla. 6.1.3. Partes constitutivas y su función Al igual que todas las máquinas rotativas, las máquinas asíncronas constan fundamentalmente de estator, rotor y entrehierro de separación. Prescindiendo de casos particulares que no son objeto del presente capítulo, la función que desarrolla cada una de estas partes es la indicada a continuación: Estator El bobinado del estator realiza la función de inductor. Con independencia del tipo de rotor que se ubique en su interior, el estator está constituido por un paquete de chapas magnéticas ranuradas en su contorno cilíndrico interior (el más cercano al rotor). Los conductores eléctricos que constituyen el bobinado estatórico se distribuyen en las ranuras.

FIGURA 6.5. Estator . Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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Rotor El bobinado del rotor es el inducido. Se construye del tipo rotor bobinado o jaula de ardilla con las características indicadas en el apartado anterior.

FIGURA 6.6. Rotor bobinado

FIGURA 6.7. Rotor de jaula de ardilla El rotor bobinado debe ser construido para el mismo número de polos que el estator. En e. caso de rotor de jaula de ardilla, la influencia del campo creado por el estator hace que en e. rotor surja espontáneamente el mismo número de polos que en el estator. Entrehierro El entrehierro sirve de separación mecánica entre el estator y el rotor. Constituye, junto a los paquetes magnéticos de estator y rotor, el circuito magnético de la máquina. Por otra parte, como elementos auxiliares más importantes pueden citarse el sistema de refrigeración y la carcasa. Sistema de refrigeración Para evacuar el calor producido por las pérdidas en el interior de la máquina, el sistema de refrigeración aprovecha el propio giro del eje para, mediante ventiladores calados en él. Forzar la circulación del aire. La evacuación del calor se favorece en ocasiones mediante canales de ventilación radiales y axiales practicados en el estator y en el rotor. Carcasa La carcasa proporciona protección mecánica a los diferentes elementos que constituyen la máquina frente a la agresión de agentes externos a ella y sirve, además, como elemento de seguridad para las personas al impedir el contacto con elementos potencialmente peligrosos (por estar en tensión o ser giratorios a alta velocidad). Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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FIGURA 6.8. Carcasa

6.2.1. Funcionamiento del motor asíncrono En las ranuras del estator se encuentran alojadas las espiras. El bobinado de cada una de las fases del estator está formado por un grupo de estas espiras. En consecuencia, en el estator del motor asíncrono trifásico se encuentran los bobinados correspondientes a tres fases. Estos bobinados se pueden conectar en estrella o en triángulo. Cuando a las tres fases del estator se las alimenta con un sistema trifásico equilibrado de tensiones, por sus bobinados circulará un sistema de intensidades trifásicas equilibradas i1(t), i2(t), í3(t) que, según el teorema de Ferraris, van a provocar la aparición de un campo rotativo que gira a velocidad constante.

FIGURA 6.9. Principio de funcionamiento del motor asíncrono trifásico. Debido a este campo rotativo, se van a inducir unas fuerzas electromotrices en los devanados del rotor. Como estos bobinados están cortocircuitados (mediante los anillos en la jaula de ardilla o uniendo los principios entre sí y finales entre sí en el rotor bobinado), van a circular por ellos unas intensidades que, como se encuentran dentro de un campo magnético, provocarán según la ley de Laplace la aparición de Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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fuerzas y pares que hacen girar al rotor a una velocidad nR de igual sentido que la velocidad nS. Del propio principio de funcionamiento se deduce que la velocidad final del rotor nR nunca podrá llegar a ser igual a nS (ya que la ley de Faraday exige que exista velocidad relativa entre el campo magnético y el conductor), aunque, tal y como se justificará más adelante, va a ser muy próxima. Cuando el rotor gira a nR, la velocidad relativa entre el rotor y el campo rotativo del estator es la velocidad de deslizamiento (nDESPLAZAMIENTO), lo que provoca que la frecuencia de las fuerzas electromotrices y corrientes del rotor sea:

En la situación de vacío, esto es, sin carga acoplada al eje del rotor, la velocidad del rotor es próxima a la del campo magnético, es decir, nDESPLAZAMIENTO es próxima a cero. En las situaciones de carga esta velocidad será algo mayor, pero también cercana a cero. Por tanto, la frecuencia de las corrientes del rotor es baja, lo que dará lugar a bajas pérdidas del hierro en el rotor de la máquina. Por ello la chapa utilizada en la construcción del rotor es de peor calidad que la utilizada en la construcción del estator.

6.3. Placa de datos

FIGURA 6.10. Fotografía de Placa de Datos

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6.3.1 Información de placa de datos El NEC y el NEMA establecen la información que debe contener una placa de datos en un motor de inducción El NEC establece que la placa de datos de un motor debe mostrar la siguiente información: • Voltaje nominal • Corriente nominal para cada valor de voltaje • Frecuencia • Fases • Velocidad a plena carga • Clase de aislamiento • Temperatura ambiente máxima • Hp • Tiempo de operación • Letra de código • Fabricante • Información complementaria. Armazón Diseño Factor de servicio Eficiencia Factor de potencia El NEMA establece que la placa de datos de un motor debe mostrar la siguiente información: * MOTOR JAULA DE ARDILLA • Fabricante • Hp • Tiempo de operación • Temperatura ambiente máxima • Clase de aislamiento • Velocidad a plena carga • Frecuencia • Fases • Voltaje • Corriente a plena carga para cada valor de voltaje • Letra de código • Diseño Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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• • • • •

Eficiencia Factor de servicio Amperes a factor de servicio cuando el FS excede 1.15 Para motores equipados con protectores térmicos deben de aparecer las palabras “thermally protected” Para motores arriba de 1 Hp equipados con protectores de calentamiento deben de aparecer las siguientes palabras “OVER TEMP PROT”

*MOTOR DE ROTOR DEVANADO • Fabricante • Hp • Tiempo de servicio • Temperatura ambiente máxima • Clase de aislamiento • Velocidad a plena carga • Frecuencia • Fases • Corriente a plena carga • Voltaje

6.3.2 Descripción de parámetros en placa de datos A continuación se describirá cada parámetro mostrado en la placa de datos VOLTS El NEMA establece lo siguiente: a) Motores universales – 115 y 230 Volts b) Motores monofásicos 1.60 Hertz – 115,200 y 230 Volts 2.50 Hertz – 110 y 220 Volts c) Motores polifásicos 1.- 60 Hertz – 115*, 200, 230, 460, 575, 2300, 4,000, 4,600 y 6600 Volts 2.- Trifásicos, 50 Hertz- 220 y 380 Volts * Aplica sólo en motores menores de 15 Hp

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FRECUENCIA a) 50 Hertz b) 60 Hertz Los motores son diseñados con un +/- 5% de tolerancia permitiendo un buen funcionamiento del mismo. FASES MONOFÁSICO (Hasta 20 Hp en motores de doble capacitor) TRIFÁSICO (1 a 4000 Hp) RPM Es la velocidad a la cual el motor debe operar bajo condiciones de plena carga cuando se aplica el voltaje y frecuencia nominales.

CLASE DE AISLAMIENTO ( SISTEMA DE AISLAMIENTO ) NEMA define a un Sistema de Aislamiento como un ensamble de materiales aislantes asociados con los conductores y las partes estructurales de soporte. Todos los componentes descritos a continuación que están asociados con el embobinado estacionario constituyen un Sistema de Aislamiento y todos los componentes que están asociados con el embobinado rotatorio constituyen otro sistema de aislamiento AISLAMIENTO DE LA BOBINA CON SUS ACCESORIOS Comprende todos los materiales aislantes que envuelven y separan a los conductores que conducen corriente entre ellos y la estructura de la maquina; incluyendo las capas de alambre, barniz, aislamiento de ranura, cintas, aislamiento de fase.

CONEXIÓN Y AISLAMIENTO DE SOPORTE DEL EMBOBINADO Incluye todos los materiales de aislamiento que envuelven las conexiones que conducen corriente de bobina a bobina y de las terminales de las bobinas estacionarias o rotatorias a los puntos de conexión del circuito externo; y el aislamiento de cualquier soporte metálico para el embobinado. CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO Se dividen en clases de acuerdo con la resistencia térmica del sistema para propósitos de la asignación de temperatura. Se utilizan cuatro clases de sistemas de aislamiento en motores y generadores, llamadas Clase A, B, F y H. Estas clases se establecen de acuerdo con el IEEE Std 1. Los materiales aislantes previenen el contacto entre metal y metal o bien el conocido cortó entre fases.

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La clasificación está dada como sigue: CLASE

ºC ( 20,000 Hrs. Vida )

A

105

B

130

F

155

H

180

TEMPERATURA AMBIENTE MAXIMA Es la temperatura máxima del medio refrigerante circundante que entra en contacto con las partes calientes del motor. La temperatura ambiente normalmente se conoce como “temperatura del cuarto” en relación con motor enfriado con aire no proporcionado con ventilación artificial. La temperatura ambiente máxima utilizadas son 40 y 50 o C a una altitud de 3300 pies. TIEMPO DE SERVICIO Es el tiempo de operación del motor, el propósito general de los motores de inducción debe de ser para un servicio continuo. Los tiempos de operación estándar son de 5 min, 15 min, 30 min, 60 min y uso continuo. HP Es la potencia de salida nominal del motor cuando el motor está cargado con el par nominal y a la velocidad nominal. NEMA ha establecido el rango de HP.

1 1.5 2 3 5 7.5 10 15 20 25

30 40 50 60 75 100 125 150 200 250

Rangos de HP De 1HP a 4000HP 300 350 400 450 500 600 700 800 900 1000

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1250 1500 1750 2000 2250 2500 3000 3500 4000

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LETRA DE CODIGO Cuando los motores de inducción son arrancados a voltaje pleno demandan una corriente mayor comparada con la de plena carga, por ejemplo en un motor estándar consumiría de 6 a 7 veces su corriente nominal al momento del arranque. La magnitud de esta corriente de arranque es función de los HP y las características de diseño del motor. Para poder determinar este valor de corriente NEMA a designado una Letra de Código para los KVA a rotor bloqueado por HP medidos a voltaje y frecuencia nominal. Con esta información podremos escoger adecuadamente el tamaño del arrancador que usaremos en nuestra instalación. Enseguida se mostrara la tabla con las designaciones de Letra de Código: LETRA DE CODIGO

KVA / HP

VALOR MEDIO

A B C D E F G H J K L M N P R

0.00 - 3.14 3.15 - 3.54 3.55 - 3.99 4.00 - 4.49 4.50 - 4.99 5.00 - 5.59 5.60 - 6.29 6.30 - 7.09 7.10 - 7.99 8.00 - 8.99 9.00 - 9.99 10.00 - 11.99 11.20 - 12.49 12.50 - 13.99 14.00 - 15.99

1.6 3.3 3.8 4.3 4.7 5.3 5.9 6.7 7.5 8.5 9.5 10.6 11.8 13.2 15.0

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Con las siguientes formulas simplificadas podremos obtener resultados muy aproximados: LRA a 200 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 2.9 LRA a 230 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 2.5 LRA a 460 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 1.25 Ejemplo, Motor de Inducción Jaula de Ardilla de 100 HP, 4 polos, 460 volts con Letra de Código F, Calcular la corriente de arranque. Como el motor tiene una alimentación de 460 volts: LRA a 460 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 1.25 De tabla, obtenemos los KVA / HP para una letra de código F: Valor medio para una letra de código F: 5.3 KVA / HP Sustituyendo: LRA a 460 volts = (5.3 KVA/HP) * (100 HP) * 1.25 LRA a 460 volts = 662.5 Amperes ENCLAUSTRAMIENTO El enclaustramiento de un motor debe de proteger al embobinado, a los baleros y otras partes mecánicas de la humedad, de químicos y de daños mecánicos. Los tipos de enclaustramiento más comunes son los siguientes: • Motores Abiertos • Motores Totalmente Cerrados • Motores a Prueba de Explosión FACTOR DE SERVICIO NEMA define al factor de servicio como un multiplicador, indicando los HP permisibles donde el motor seguirá trabajando en condiciones estables. Los Factores de Servicio estándares son: F.S. 1.0, F.S. 1.15 y F.S. 1.25. NEMA nos agrega las siguientes precauciones que se deben de tener en cuenta al usar el F.S. • El funcionamiento a factor de servicio usualmente reduce la velocidad del motor, la vida y la eficiencia del mismo. • El factor de servicio es establecido para funcionamiento a voltaje y frecuencia nominales, a una determinada temperatura máxima y a una altitud determinada sobre el nivel del mar (por lo general 3300 pies).

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EFICIENCIA NOMINAL La eficiencia es definida como el cociente de la potencia de salida entre la potencia de entrada. Las pérdidas de los motores son en forma de calor y incluyen las pérdidas de estator, perdidas de rotor, perdidas de núcleo (Histeresis y Eddy Current), fricción y ventilación y pérdidas extrañas (llamadas también pérdidas indeterminadas). NEMA establece los valores de eficiencia nominales y nos proporciona la eficiencia mínima asociada del motor, nosotros podemos obtener este parámetro consultando la tabla del NEMA conociendo la potencia nominal (HP) y el número de Polos o bien en la misma placa de datos del motor. La eficiencia del motor no debe ser menor a la eficiencia mínima asociada cuando opera a valores nominales. TAMAÑO DE ARMAZON Las dimensiones de los motores han sido estandarizadas con una numeración llamada tamaño de armazón. Este sistema fue desarrollado por el NEMA y especifica los tamaños de armazón que han sido asignadas a los motores estándar basados en el enclaustramiento, HP y velocidad. Actualmente las armazones estandarizadas para motores de inducción son de la 143T a la 445T. Estos estándares cubren motores de 1 HP a 200 HP. Los primeros dos dígitos del numero de la armazón son iguales a cuatro veces la altura de la flecha en pulgadas, cuando el producto no es un numero entero, los primeros dos dígitos de la armazón deberán de ser el siguiente numero entero mayor. El tercer digito se obtiene de una tabla que el NEMA proporciona en sus estándares y se entra con la distancia que hay entre los agujeros de las bases.

LETRAS EN LA ARMAZON Deben de seguir al número de la armazón para denotar las variaciones de la siguiente manera: T - Dimensiones normales (uso general). TS – Flecha corta normal para conexión directa. TC – Frente de montaje tipo C sobre el extremo de la transmisión. JM y JP – Motores de bomba de acoplamiento inmediato con frente de montaje Tipo C. VP – Motores Verticales de flecha solida con brida de montaje tipo P. DISEÑO Los cambios en el diseño en el embobinado y el rotor alterara el funcionamiento de las características de los motores de inducción. Los motores son diseñados con ciertas características de par – velocidad para cumplir con los requerimientos de la carga. Para obtener alguna uniformidad en la aplicación, NEMA ha creado diseños específicos de propósito general basados con las características de par de arranque, par máximo, deslizamiento y corriente de arranque. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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FIGURA 6.11. Diagrama de Diseño Los diseños que NEMA establece son los siguientes: • Diseño A.- tienen un par de arranque normal (200% del ppc) y alta corriente de deslizamiento a plena carga menor del 5%.

arranque tienen un

• Diseño B.- tienen un par de arranque normal (150% del ppc) y baja corriente de arranque, este es el diseño mas adecuado para satisfacer las necesidades de las aplicaciones en la industria, tienen un deslizamiento plena carga menor del 5%. • Diseño C.- tiene un alto par de arranque (225 % del ppc) y baja corriente de arranque, estos motores tienen un alto par de arranque y un alto deslizamiento a plena carga, tienen un deslizamiento a plena carga menor del 5%. • Diseño D.- tienen alto par de arranque y baja corriente de arranque, sin embargo tienen alto deslizamiento, estos motores en vacio tienen un deslizamiento pequeño pero cuando se carga el deslizamiento se incrementa apreciablemente, tienen un deslizamiento a plena carga del 5% o más. TIPO Este parámetro es proporcionado por el fabricante dependiendo de las características de construcción o nivel de eficiencia, por citar algunas: el tipo de material de la armazón, si cuenta con base de montaje o si opera en forma vertical, y/o por el nivel de eficiencia que maneja (si es una eficiencia estándar, eficiencia Premium). BALANCE Es el valor máximo permisible de vibración impuesto por el fabricante, por lo general se expresa pulgadas por segundo. Los valores estándar que manejan los fabricantes serían: • Balance Estándar 0.08 IPS • Balance de precisión 0.05 IPS

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BALEROS Se proporciona el número de los baleros del motor del lado de carga y del lado contrario a la carga, esta información nos sirve para poder conseguir el repuesto de que exista alguna falla. PESO Es el peso neto del motor generalmente expresado en libras. MODELO Y CATÁLOGO Esta es información proporcionada por el fabricante, ya que por estos el fabricante identificará el tipo de motor y sus características principales, además, para proporcionar si se cuenta con stock.

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Reporte: I.

Contesta lo siguiente: 1. Explique con sus palabras el funcionamiento del motor de inducción trifásico. 2. Mencione las partes principales del motor de inducción.

II. Contesta las siguientes preguntas indicando si cada enunciado es verdadero o falso. Justifica tu respuesta. 1. Sea una maquina asíncrona conectada a una red de tensión y frecuencia constante. Mientras se encuentra funcionando como motor. ¿El factor de potencia que presenta respecto a la red es siempre inductivo? 2. En los motores asíncronos de rotor de jaula de ardilla, ¿el número de pares de polos del estator y rotor coincide? 3. En los motores asíncronos de rotor de jaula de ardilla, ¿las intensidades que circulan por la jaula de ardilla son de corriente continua. 4. Un motor asíncrono trifásico funciona, conectado a una red de 60 Hz, a una velocidad de rotor de 850 rpm. Para un observador situado en el estator, ¿la velocidad de giro del campo rotativo creado por el rotor es de 10 revoluciones por segundo? 5. Un motor asíncrono trifásico funciona, conectado a una red de 60 Hz, a una velocidad de rotor de 850 rpm. Para un observador situado en el rotor, ¿la velocidad de giro del campo rotativo creado por el estator es de 50 rpm. 6. ¿La velocidad de giro de un motor asíncrono de 60 Hz cambia de sentido cuando se permutan dos fases de la alimentación del motor? 7. ¿La velocidad de giro de un motor asíncrono de 60 Hz es mayor cuanto mayor es la frecuencia de las corrientes del rotor? 8. En un motor asíncrono trifásico de rotor bobinado, ¿los anillos rozantes tienen la misión de permitir introducir la corriente continua al rotor? 9. En un motor asíncrono trifásico de rotor bobinado, ¿el número de pares de polos para el que se bobina el rotor debe coincidir con el número de pares de polos del estator? 10. Sean dos motores asíncronos trifásicos M1 y M2 -M1 funciona acoplado a una red de 440V y 60Hz, moviendo una carga a 850 rpm. -M2 funciona acoplado a una red de 220V y 60Hz, moviendo una carga a 820 rpm. ¿Los campos rotativos de M1 y M2 giran a la misma velocidad absoluta?

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III. Obtenga la información que se solicita de la siguiente placa de Datos.

a) El par Nominal del Motor. b) El deslizamiento a plena carga. c) Los watts que consume el motor a plena carga. d) El ángulo de desfasamiento entre voltaje y corriente e) la corriente de arranque si el valor medio del código G es 5.9 KVA/HP. f) Que características representa la letra de diseño de este Motor g) Los KVA nominales del motor.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS II

Práctica # 7

Identificación de Terminales al Motor de Inducción Trifásico

Objetivo: Esta práctica tiene como objetivo lo siguiente: • El alumno conocerá la identificación de Terminales según NEMA para los Motores Trifásicos de Inducción. • Aplicara el procedimiento para la re-identificación de Terminales de un Motor de Jaula de Ardilla con 9 Terminales en conexión Estrella. • Conocerá el procedimiento para la re-identificación de terminales de un motor de jaula de ardilla con 9 terminales en conexión Delta.

Material: • Motor de Inducción de Jaula de Ardilla 220/440 Volts, 9 Terminales en Conexión Estrella • Voltímetro • Amperímetro • Autotransformador Variable de 220 Volts • Terminales • Cinta “Masking Tape” Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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Conceptos Teóricos: Identificación del NEMA para motores de inducción y generadores síncronos.

Manera de identificar los nueve terminales (sin designación) de un motor trifásico para doble tensión de servicio. Para efectuar las pruebas pertinentes es preciso disponer del siguiente equipo: Un voltímetro para corriente alterna, con escala hasta unos 460 V. Una fuente de alimentación trifásica a 220 ó 230 V. La primera operación consiste en averiguar si el motor en cuestión está conectado en estrella o en triángulo. Para ello se efectúa una prueba de continuidad entre cada uno de los nueve terminales y todos los demás. Esta prueba, que se lleva a cabo fácilmente con Óhmetro, tiene por objeto determinar el número de circuitos interiores que componen el arrollamiento primario. Si se encuentra cuatro circuitos independientes —tres de dos terminales y uno de tres terminales— el motor estará conectado en estrella; si sólo se encuentran tres circuitos de tres terminales cada uno, el motor estará conectado en triángulo. Supongamos ahora que nos hallamos en el primer caso, puesto que la prueba acaba de acusar la presencia de cuatro circuitos. Evidentemente, el circuito con tres terminales será el que forma el centro de la estrella, y los otros tres circuitos de dos terminales constituirán los extremos de la misma. Se procederá de acuerdo con las etapas siguientes.

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1. Márquense los cuatro circuitos. El de tres terminales llevará la designación definitiva T7, T8, T9; los de dos terminales llevarán las designaciones provisionales T1 - T4, T2 - T5 y T3 - T6, puesto que no se sabe todavía si cada uno está provisto de la designación que le corresponde. 2. Suponiendo el motor de 230/460 V y en buenas condiciones, conéctense sus terminales T7, T8, T9 (circuito central) a una red de alimentación trifásica a 230 V. Los demás terminales deben permanecer libres. El motor —al cual no tiene que aplicarse carga alguna— se pondrá en marcha. 3. Mídase por medio del voltímetro la tensión existente entre los terminales de cada uno de los tres circuitos restantes (fig. 7.1). La tensión leída debe ser, en este caso, de 230 / √3 = 130 V aproximadamente.

Fig. 7.1.— Se conecta el circuito central (terminales T7, Tg y T9) a una red de alimentación trifásica a 230 V, y se mide con un voltimetro la tensión que aparece entre los terminales de cada circuito anteriorr.

4. Conéctense entre sí los terminales provisionalmente señalados como T6 y T9 y mídanse con el voltímetro las tensiones existentes entre T3 y T7 y entre T3 y T8 (fig. 7.1). Si ambas tensiones tienen idéntico valor, 340 V aproximadamente, la conexión de T6 a T9 es correcta y la designación provisional de los terminales T3, T6 y T9 pasa a ser la definitiva. Si las dos lecturas también son iguales, pero sólo de 130 V, es preciso permutar las designaciones provisionales de T3 y T6. Si ambas tensiones son diferentes, conéctese T9 con un terminal cualquiera de los dos circuitos exteriores restantes, y repítanse las operaciones anteriores hasta hallar dos lecturas iguales de 340 V.

5. Identifíquense por el mismo procedimiento los seis terminales restantes, es decir, conectando T5 a T8 y midiendo las tensiones T2 - T7 y T2 - T9, o bien conectando T4 a T7 y midiendo las tensiones T1 - T8 y T,-T9.

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6. Compruébese el resultado final conectando el motor para funcionar a la tensión menor (como indica el esquema que figura en la placa de características) y alimentando el mismo con una red trifásica a dicha tensión. Si las conexiones entre terminales son correctas, el motor será capaz de arrastrar una carga normal, y sus tres fases absorberán una corriente igual y poco distinta del valor nominal especificado.

Supóngase ahora que la prueba inicial ha revelado la presencia de tres circuitos de tres terminales (fig. 7.2), lo cual permite establecer que el motor en cuestión se halla conectado en triángulo. El proceso a seguir es el siguiente:

Fig. 7.2. A. — Prueba de continuidad entre los nueve terminales de un motor trifásico para doble tensión de servicio. La lámpara ha demostrado la existencia de 3 circuitos independientes de tres terminales cada uno; se trata, pues, de una conexión en triángulo 1. Márquense los tres circuitos con las designaciones provisionales respectivas A, B y C; las correspondientes designaciones de los terminales de cada circuito son las que muestra la figura 7.2 2. Identifíquese el terminal central del circuito A midiendo con el ohmímetro las resistencias entre uno cualquiera de sus terminales y los otros dos (fig. 7.3). Si las dos lecturas del instrumento son distintas, los dos terminales entre los cuales se haya medido mayor resistencia serán los extremos, y se designarán provisionalmente como T4 y T9; el terminal restante es el central, y queda identificado definitivamente con la designación TV Si las dos lecturas son iguales, el terminal común en ambas será el terminal central. Obsérvese que la resistencia entre T4 y T9 es doble de la existente entre Tt y T4 o Tt y T9.

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Fig.7.3 — Identificación del terminal central en uno de los circuitos (A) del diagrama esquemático anterior. Por medio de un ohmetro se miden las resistencias entre un terminal y los otros dos. Si el terminal elegido es, por ejemplo, T9, se encontrará que la resistencia entre T9 y T4 es el doble de la resistencia entre T9 y T1

3. Repítanse las mismas mediciones con los circuitos B y C, al objeto de identificar los terminales centrales T2 y T3.

4. Conéctese el circuito “A” en una red trifásica de alimentación a 230 V. El motor —que se habrá dejado sin carga— se pondrá en marcha, a pesar de faltarle una fase (fig. 7.4).

Fig.7.4 — Se conecta el circuito “A” en una red trifásica de alimentación a 230 V (izquierda) y se une uno de sus extremos a otro extremo cualquiera del circuito B. Midiendo con un voltímetro la tensión entre Tx y T2 (derecha), los terminales unidos serán o no respectivamente T4 y T7 según que la lectura del instrumento sea V o 390 V 5. Únase el terminal que suponemos ser T4 con uno de los extremos del circuito B. 6. Mídase con el voltímetro de tensión existente entre Ti y T2. Si la lectura es de unos 460 V, los terminales que se han unido pueden marcarse definitivamente con las designaciones T4, el del circuito A, y T7, el del circuito B. Con ello habrán quedado identificados simultáneamente T9 y T5. 7. Si la indicación del voltímetro es aproximadamente de 390 V, la unión efectuada es errónea, es decir, se trata de T4 - T5, T9 - T7 ó T9 - T5. En tal caso será preciso ir probando las combinaciones restantes, hasta que el instrumento señale los 460 V; entonces se habrán identificado finalmente T4 y T7. 8. Repítase el mismo procedimiento con el circuito C, para identificar T6 y T8. Al efectuar cada permutación de terminales se tendrá cuidado de desconectar previamente el motor de la red.

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Procedimiento: Motor de 9 terminales, conexión en estrella.

1. Encontrar continuidad entre terminales.

Estrella Interna 2. Una vez encontrada la estrella interna, identificar según su diagrama

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3. Armar el circuito, alimentar la estrella interna con un Voltaje de Referencia.

4. Traer un par de terminales donde se halló continuidad y una de estas terminales conéctela en 7.

5. Energice y mida los voltajes V1 y V2 6. Analizar mediciones Si V1 = V2>VR

Tenemos:

T7
T4 T8
T5 T9
T6

Si V1 = V2