Practica 6

Sistemas eléctricos

Práctica 6: El motor de inducción

Alumno/s: Daniel Romà Fernàndez Ismael Sánchez Córdoba Profesor: Raúl Santiago Muñoz Aguilar Grupo: 4

Subgrupo: 3

Grado ingeniería Electrónica y Automática

Fecha de entrega: 08/01/2012 08/01/2012

Introducción al laboratorio En esta práctica se asimilarán conceptos de funcionamiento sobre el motor de inducción. Se aprenderá a interpretar los datos de la placa de características de un motor de inducción trifásico, a identificar las t ensiones y corrientes nominales en conexión estrella y triángulo, a medir la resistencia óhmica de los devanados del estator , a realizar el ensayo de vacío con el rotor libre, el cual permite determinar las pérdidas mecánicas a una velocidad próxima al sincronismo, además, se verá el ensayo de cortocircuito con el rotor bloqueado y se calcularán los parámetros del modelo gamma del motor de inducción trifásico para una de sus fases en conexión estrella real o transfigurada. Todo esto, ayudará a mejorar el conocimiento sobre los diferentes tipos de potencias: activa, reactiva, aparente e instantánea. Para llevar a cabo la práctica se dispondrá de multímetros, cables de conexionado, fuentes de alimentación DC ajustables, autotransformador trifásico con tensión de salida ajustable, medidor de potencia HM-8115-2, osciloscopio y de un motor de inducción trifásico de 380/220 V y 180 W.

Procedimiento realizado explicado en palabras de los estudiantes Primero se prepara la mesa con todo lo necesario, seguidamente se comprueba que no se obstaculiza el paso para la salida. Para empezar la práctica, se ha de coger el motor de inducción trifásico, los aparatos de medición y el cableado necesario. Al coger el cableado, es importante comprobar que sea un conexionado que se fije bien (si se suelta podría estropear los instrumentos). Los equipos necesarios para esta práctica ya han sido usados anteriormente, por lo t anto no se explicaran. El primer paso será apuntar las características del motor de inducción trifásico y rellenar la tabla que presenta la práctica. Una vez apuntados los datos, se medirá la resistencia de los devanados. Se hará con tensión continua, porque elimina el efecto de las reactancias. Se conectará un amperímetro en serie con la fuente y un voltímetro en paralelo. Se aumentará progresivamente la tensión de la fuente (partiendo de 0), hasta alcanzar 0,5 A. En ese punto, se anotará tensión y corriente, y mediante la ley de ohm se obtendrá la resistencia de los devanados. Este proceso se realizará una vez por fase, es decir, 3 veces y se calculará la resistencia media. El segundo circuito consiste en conectar el motor de inducción en estrella equivalente. Una vez hechas dichas conexiones (mostradas en la práctica), se usará el autotransformador trifásico regulable y el medidor de potencia, conectándolos también como muestra el esquema de la práctica. Además conectaremos el osciloscopio a través del medidor. Una vez todo esté conectado, partiendo de una tensión 0, se irá aumentando la tensión hasta alcanzar 127 V. Se irán apuntando los valores de las tablas y reduciendo la tensión como marquen dichas tablas. Recordar dibujar la gráfica de la potencia a 127 V. Una vez acabado el apartado anterior, se realizará el último montaje. Las conexiones son las mismas que las del circuito anterior, con la diferencia que desde el principio se debe bloquear el rotor con la herramienta adecuada. Con la tensión a 0, se irá aumentando hasta alcanzar 1,3 A, se anotarán los valores y se dibujará la gráfica con el osciloscopio.

Todo esto se llevará a cabo bajo la supervisión del profesor. Siempre se ha de tener especial cuidado con los montajes más complicados y con las observaciones que aporta la práctica para no dañar el material. Para acabar se calculará el modelo gamma para una fase del motor de inducción trifásico. Una vez terminada y con todos los valores apuntados, se recogerá todo el material.

Tablas de datos Apartado 1

Fabricante

 ABB

Código del motor Grado de protección Frecuencia Potencia nominal Velocidad nominal Números de polos Tensiones nominales Corrientes nominales cos (ϕ)

MU63B11-4 HK 129014-S IP55 50 Hz 0,18 W 1330 r.p.m. 4 380/220 V 0,75/1,3 A 0,69

Apartado 2

U1_DC

I1_DC

Rdevanado

Devanado U1 - U2

25,3 V

0,5 A

50,6 Ω

Devanado V1 - V2

25,1 V

0,5 A

50,2 Ω

Devanado W1 - W2

25,1 V ---------

0,5 A ---------

50,2 Ω 50,3 Ω

Valor medio

Apartado 3

Tensión de fase U1_fase   [V] 100%

Corriente de línea Potencia de una fase I0 [A] P0_fase  [W]

Velocidad n [r.p.m.]

127 V

1,07

26,1

1497 r.p.m.

80%

101,6 V

0,76

14,6

1495 r.p.m.

60% 40% 20%

76,2 V 50,8 V 25,4 V

0,54 0,35 0,18

7,7 3,6 1,5

1493 r.p.m. 1490 r.p.m. 1462 r.p.m.

Apartado 4

Tensión de fase Ucc_fase [V]

Corriente de línea Potencia de una fase Icc [A] Pcc_fase [W]

88

1,3

73,8

Velocidad n [r.p.m.] 0 r.p.m.

Apartado 5

Medida Nº 5 4 3 2

Porcent. % 20% 40% 60% 80%

Ufase [V] 25,4 50,8 76,2 101,6

I0 [A] 0,18 0,35 0,54 0,76

P0_fase [W] 1,5 3,6 7,7 14,6

P0 [W] 4,5 10,8 23,1 43,8

n R1 [Ω] [r.p.m] 1462 16,77 1490 16,77 1493 16,77 1495 16,77 1497 16,77

1

100%

127

1,07

26,1

78,3

pmec 2W

pFe 18,7 W

pcu1_vacío [W] 1,63 6,16 14,67 29,06

pFe+ pmec [W] 2,87 4,64 8,43 14,74

57,6

20,7

RFe 2587,54 Ω

Xµ 95,79 Ω

Rcc 43,67 Ω

Xcc 51,72 Ω

R1 16,77 Ω

R2' 26,9 Ω

X1 20,69 Ω

X2' 31,03 Ω

Cálculo de los parámetros del modelo gamma para una de las fases del IM Apartado 1

     Ω            Ω             Ω           Ω  Ω  Ω  Ω          Ω  Ω      

Apartado 5.1

     Medida 5

Medida 4

Medida 3

Medida 2

Medida 1

                                           Apartado 5.2

       

Medida 5

Medida 4

 

 

    

    



Medida 3

        



Medida 2

       



Medida 1

        



Apartado 5.3

(  )      

Medida 5

Medida 4

Medida 3

(  )  (  )  ( )  (  )    (  )    (  )    Medida 2

Medida 1

(  )  (  )  (  )    (  )    Apartado 5.4

  (  )         Apartado 5.5

              Ω   Ω

Apartado 5.6

             Ω       Apartado 5.7

       Ω  Ω  Ω Apartado 5.8

   Ω                  Ω Apartado 5.9

   Ω  Ω     Ω  Ω Apartado 5.10

   Ω                       Ω                 Ω           Ω  Ω  Ω 



Gráficas obtenidas en laboratorio Potencia instantánea de una fase en ensayo de vacío p0(t) para U1_fase = 127 V

Potencia instantánea de una fase en el ensayo de cortocircuito pcc(t)

Gráfica de perdidas mecánicas + perdidas del hierro

Análisis de resultados Circuito 1 Realizando este montaje se obtienen tensiones de los devanados del motor (U, V y W) para una corriente continua de 0,5A. La finalidad de este apartado trata de encontrar el valor de las resistencias de los devanados del estator, es decir, medir la resistencia de cada una de las fases. Para realizar el circuito equivalente por fase se supondrá que el motor esta conectado en estrella – estrella, real o equivalente. Se trata de un circuito en serie con corriente DC, por lo tanto, la ley de Ohm:

   Se ha aplicado la formula para las tensiones obtenidas en cada uno de los tres devanados (en los tres casos con una DC de 0,5A). Una vez obtenidas las resistencias se ha calculado la media de las resistencias de las tres fases. Si el estator esta conectado en triangulo, hay que pasarlo a una estrella equivalente:

   Circuito 2 Este apartado de la práctica consiste en realizar el ensayo de vacio con rotor libre del motor de inducción. En este proceso se evalúan las perdidas mecánicas y las perdidas en el hierro. Aplicando una tensión nominal de 220V de línea en el estator (conexión triangulo) y 127V eficaces de fase. Dado que el vatímetro es monofásico las potencias medidas son de una de las fases, por lo tanto, las pérdidas del motor trifásico se obtendrían multiplicando por tres las lecturas. Se irán tomando lecturas disminuyendo la tensión eficaz en un 20% cada vez, tomando 127V como el 100% y terminando la práctica en un 20% (25,4V). Mirando los resultados obtenidos en la tabla se aprecia que la corriente de línea y la potencia de fase sufren una disminución lineal en cada escalón, pero sin embargo, la velocidad del motor se mantiene constante. Esto es debido a que las pérdidas mecánicas dependen de la velocidad, que se mantiene constante al no variar la frecuencia durante el ensayo. Las perdidas en el hierro dependen del cuadrado de la tensión de alimentación:

 

 

Por lo tanto al disminuir la tensión durante el ensayo las perdidas también disminuyen. Los datos de las tablas son los esperados respecto a la teoría y por lo tanto el ensayo se ha realizado correctamente. Circuito 3 Este apartado de la práctica consiste en realizar el ensayo de cortocircuito con el rotor bloqueado. Se trata de evaluar las pérdidas en el cobre de los devanados del estator y del rotor cuando son recorridos por sus respectivas corrientes nominales. Para empezar, se bloquea el rotor y se va aumentando poco a poco la tensión de fase hasta que la corriente de línea del estator conectado en triángulo alcance su valor nominal, es decir, I1n = 1,30 A. En este momento se anotan los valores de la tensión de fase, corriente de línea y potencia activa por fase. En este ensayo la velocidad del rotor al estar bloqueado es cero. La potencia Pcc comprende las perdidas por efecto Joule en el cobre del estator y del rotor. Esto es así porque las perdidas en el hierro a tensión reducida son pequeñas y se desprecian.

Dicho esto, la potencia obtenida con el medidor HM-8115-2 y la onda visualizada en el canal 1 del osciloscopio de la potencia instantánea ya es directamente el valor correcto de las pérdidas en el cobre. En el apartado de cálculos teóricos se puede observar detalladamente el valor de todos los parámetros del modelo gamma. Además, se detalla el procedimiento que se ha seguido para obtenerlos teóricamente mediante los valores prácticos obtenidos.

Solución del cuestionario ¿Por qué se utiliza una tensión continua para calcular el valor de R1? Se utiliza tensión continua para eliminar el efecto de la reactancia de las bobinas y únicamente medir la resistencia óhmica del cobre. ¿Cuándo se dice que el modelo gamma se corresponde con una de las fases del motor en conexión estrella transfigurada? Cuando (en conexión estrella): Ζreal =

Ζequivalente =

 

 √ 

¿Por qué no son despreciables las pérdidas en el cobre de los devanados del estator durante el ensayo de vacío con el rotor li bre? No son despreciables porque la intensidad I 0  que circula por la resistencia R 1  no es extremadamente pequeña, y por tanto, al elevarla al cuadrado se reduce un poco, pero no es una intensidad despreciable. Si se despreciara habría errores importantes de cálculos, ya que los valores que no son extremadamente pequeños.

       

En anteriores practicas se podían despreciar algunas perdidas por la baja intensidad que circulaba, pero este no ha sido el caso. ¿Por qué se mantiene casi constante la velocidad del motor durante el ensayo de vacío aún disminuyendo la tensión aplicada hasta un 20%? Cuando aumentamos la tensión hasta la nominal hacemos que la velocidad sea muy cercana a la de sincronismo, y el deslizamiento pequeño. Además, la corriente y la carga son bajas. A medida que reducimos la tensión, el deslizamiento, la intensidad y la carga aumentan.  A partir de la tensión nominal conseguimos que haiga un pequeño deslizamiento, una baja intensidad y una baja carga. Además, se consigue una aceleración del rotor, pero al ir reduciendo la tensión, el deslizamiento y la intensidad aumentan. Al llegar al 20%, el deslizamiento, la corriente y la carga son muy elevados y esto genera que la velocidad deje de ser constante.

Eso es por el par de arranque, ya que la intensidad es muy alta y al rotor le cuesta mucho moverse. A partir del 20%, aproximadamente y subiendo pasamos al par normal. Probablemente, al venir el rotor con una aceleración se consigue que la velocidad sea constante durante un poco mas de t iempo.

A la vista de la gráficas de la potencia instantánea p 0(t) y pcc(t), ¿Cuál presenta un factor de potencia más bajo y porqué? En el ensayo de cortocircuito con rotor bloqueado la gráfica pcc tiene un factor de potencia mas bajo que la gráfica de potencia del ensayo de vacio con rotor libre p0. Esto es debido, a que si el f.d.p. está cercano a la unidad, se dirá que es un circuito fuertemente resistivo por lo que su f.d.p. es alto, mientras que si está cercano a cero, que es fuertemente reactivo y su f.d.p. es bajo. La gráfica pcc muestra un comportamiento reactivo.

¿Por qué son mayores las tensiones nominales indicadas en la placa de características del motor cuando se alimenta a 60 Hz? Porque si no el motor de inducción se puede saturar. Al aumentar o disminuir la frecuencia debes aumentar o reducir la tensión en proporción. Eso es debido a que: ==> Flujo máximo = tensión / frecuencia. ¿Por qué es mayor la potencia nominal indicada en la placa de características del motor cuando se alimenta a 60 Hz? Mayor Frecuencia (Hz) = Mayor Velocidad (rpm) = Mayor Potencia (Kw) Un motor puede producir una mayor potencia de salida si su velocidad de rotación se aumenta. Para conseguir que el motor gire más rápidamente, el campo magnético debe también girar más rápidamente y esto se consigue incrementando la frecuencia de la corriente. Un motor puede producir un cierto par de potencia a una velocidad y esto depende principalmente del número de polos del motor y de la frecuencia con la que gira.

Observaciones La placa de identificación del motor es de principal importancia.

Conclusiones Los fundamentos aprendidos en la teoría del motor de inducción se corresponden con los datos obtenidos en la práctica. La realización de los montajes ha servido para saber como utilizar y conectar el motor de inducción trifásico y para comprender mejor sus características. Realizar el informe ha ayudado a acabar de perfilar conceptos teóricos del motor de inducción.

Bibliografía   

Tema 7 de sistemas eléctricos www.wikipedia.org Curso Moderno de Maquinas Eléctricas Rotativas (Tomo III). Maquinas de Corriente Alterna Asíncronas. Manuel Cortes Cherta. Editorial Reverte. ISBN: 84-7146-136-6 270 páginas.