Preparatorio

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELECTRICA LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS PRACTICAS DE MAQUINAS ELECTRICAS NOMBRE: OÑA ALEX

PRACTICA No 6 1. TITULO: LA MÁQUINA DE C.C. COMO MOTOR. 2. OBJETIVO: Analizar el arranque, inversión inversión de giro, frenado frenado y control de velocidad 3. EQUIPO: 1 Máquina de c.c. 1 Interruptor bipolar 2 amperímetros de c.c. 1 voltímetro de c.c. 1 medidor de velocidad. 2 juegos de reóstatos. 1 óhmetro. 4. INFORMACION: 4.1. El arrancador pone en marcha y acelera un motor. La corriente de arranque de un motor de corriente continua es alta, por lo que es necesario limitarla a un valor no mayor a dos veces la corriente nominal. El alto valor de la corriente de arranque se debe a que la fuerza contraelectromotriz inducida es cero (Ea = 0) en el momento del arranque. arranque.  Ia 

Vt    Ec  Ra

La corriente de arranque está limitada únicamente por la resistencia propia del devanado de armadura. Para limitar esta corriente se conecta en serie con el circuito de armadura una resistencia exterior. Para que el motor tenga un buen par de arranque es necesario que el flujo sea máximo, por esta razón la posición del reóstato exterior en serie con el circuito de campo shunt debe ser de mínima resistencia. 4.2. La dirección de rotación de un motor de corriente continua depende de la polaridad relativa entre la armadura y el campo magnético, por consiguiente se logra invertir el giro cambiando la polaridad del circuito de armadura o del circuito de campo, pero no ambos a la vez. 4.3. Para frenar a los motores de corriente continua se puede aplicar uno de los siguientes métodos: Frenado por inversión: Si se invierte la polaridad del voltaje aplicado al inducido, se tiene un par inverso al inicial provocando el frenado de la máquina. Es importante limitar la corriente de la armadura que es mayor que en el arranque. Frenado Dinámico: Al desconectar el inducido de la fuente de energía, el rotor continúa girando durante un cierto tiempo, mismo que depende, entre otras cosas, de:

  

Inercia del rotor De la carga De las pérdidas mecánicas.

Si se mantiene la excitación la máquina actúa como generador de excitación independiente. Conectando una carga a los terminales del inducido se crea un par opuesto al par de inercia que detiene inmediatamente la marcha del rotor. Para efectos de limitar la corriente en el inducido y controlar el tiempo de frenado como carga, se coloca una resistencia variable. 4.4 La velocidad del motor de corriente continua está dada por: w

Vt    IaRa k 

Esta ecuación conduce a los siguientes métodos para controlar la velocidad:   

Variar el voltaje aplicado a la armadura. Controlar el flujo mediante la corriente de excitación. Variar la resistencia del circuito de armadura.

5. TRABAJO PREPARATORIO: 5.1 Consultar acerca de los métodos empleados para arrancar un motor de c.c con conexión en derivación. Dibujar el circuito necesario. Indicar la disposición de los equipos de medida.

ARRANQUE POR REÓSTATOS Los reóstatos se conectan en serie con el inducido, de manera de producir una caida que disminuya la tensión efectivamente aplicada sobre el mismo. En el caso del motor derivación, se deduce que conservando constantes el flujo y la tensión total, la pendiente de la característica velocidad / par es proporcional a la resistencia del circuito de inducido. Aumentando esta resistencia, la característica cortará al eje de velocidad cero en un punto de menor par (y corriente) de arranque. Por su parte en el caso del motor serie el efecto de la resistencia adicional es semejante, obteniéndose un determinado par de arranque con una sobrecorriente menor que en el motor derivación, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de tracción.

ARRANQUE POR DISPOSITIVOS ELECTRONICOS En estos arrancadores el equipo electrónico, generalmente de tiristores, recibe un suministro de corriente alterna monofásica o trifásica y lo convierte en un suministro de tensión continua variable, que permiten el arranque con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. En general se pueden hacer consideraciones análogas a las realizadas en el apartado 1.2.3. Finalmente digamos que muchas veces el criterio de selección entre el uso de los distintos sistemas de arranque pasa fundamentalmente por una consideración de tipo técnico-económica.

MÉTODO CORRIENTE A TERMINALES Se aplica una tensión Vta a los bornes del inducido a fin de dar la rotación del motor, el inducido del motor no produce ninguna fuerza electromotriz ya que la velocidad es nula.  Así solamente la resistencia de armadura, como el voltaje en las escobillas limitan la corriente, por lo general pequeñas. La sobrecarga equivale a muchas veces la corriente nominal de inducido. Así la corriente de arranque se limita mediante un arrancador. Una vez iniciada la rotación se establece una fuerza contraelectromotriz proporcional a la velocidad. Así se necesita de un dispositivo de tomas de resistencias variables, o tomas cuya finalidad es la de limitar la corriente durante el período de arranque, y cuya resistencia pueda reducirse gradualmente conforme el motor adquiera velocidad. Se puede reformular la corriente de armadura para obtenerla con Rs (resistencia de  Ia 





Vta   Ea  Vescob  Ra   Rs

arranque). La corriente del inducido será:

(1) El valor de Rs a velocidad nula o a un determinado momento del período de arranque

puede calcularse con la fórmula anterior. A continuación se presenta un diagrama del arrancador con los respectivos instrumentos de medida: 5.2 Consultar acerca de los métodos empleados para el frenado por inversión de giro y frenado dinámico para un motor de c.c con conexión en derivación. Calcular el valor adecuado de la resistencia para limitar la corriente de armadura, para el frenado por inversión de giro. Dibujar el circuito necesario. Indicar la disposición de los equipos de medida.

FRENADO POR INVERSIÓN DE GIRO Detener o invertir la dirección de un motor de cc con la sencilla inversión de las conexiones de suministro en las terminales de la armadura se conoce como bloqueo o frenado por contracorriente. Las conexiones del devanado del campo para los motores shunt permanecen sin alteración. Este método se emplea para controlar los motores de

cc en ascensores, trenes de laminación, prensas para imprimir y maquinas-herramientas, por citar solamente algunos ejemplos. Justo antes del bloqueo, la fuerza contraelectromotriz en el motor se opone al voltaje aplicado por la fuente. puesto que la resistencia de la armadura generalmente es muy pequeña, la fuerza contraelectromotriz es casi igual y opuesta al voltaje aplicado. En el instante en que se bloquea el motor, la fuerza contraelectromotriz y el voltaje aplicado están en la misma dirección. Por tanto, el voltaje total en el circuito de la armadura es casi el doble del voltaje aplicado. Para proteger el motor de un aumento súbito en la corriente de la armadura debe agregarse una resistencia externa en serie con el circuito de armadura. En la figura se ilustra las conexiones para el motor shunt.

 A medida que la corriente en el devanado de la armadura invierte su dirección, produce una fuerza que tiende a hacer girar la armadura en dirección opuesta a su rotación inicial. Esto ocasiona que el motor disminuya su velocidad, se detenga y luego adquiera velocidad en la dirección opuesta. Por tanto, el bloqueo permite invertir la dirección de giro de un motor. Esta técnica también puede utilizarse para detener el motor con la simple desconexión de la energía que recibe el motor cuando alcanza el estado de reposo. Para mayor seguridad, puede aplicarse frenado mecánico cuando el motor se acerca al estado de reposo. En cualquier momento durante la acción del bloqueo la corriente es:

Por tanto, el par de frenado es:

Donde:

Para el motor serie, el flujo tambien depende de la corriente de la armadura, la cual depende a su vez de la velocidad del motor. Puesto que el flujo en un motor shunt es constante, la ecuación anterior se convierte en la siguiente:

Donde:

De la ecuación anterior, resulta evidente que aun cuando el motor shunt se acerque a una velocidad de cero, existirá cierto par de frenado, Tb=K3. Si no se desconecta el suministro de voltaje en el momento en que el motor alcanza velocidad cero, acelerara en la dirección inversa.

FRENADO DINAMICO Si el devanado de la armadura de un motor de cc se desconecta repentinamente de la fuente, continuara girando con libertad hasta detenerse. El tiempo que toma al motor quedar en reposo depende de la energía cinética almacenada en el sistema rotatorio. Por el contrario, el frenado dinámico emplea la fuerza contraelectromotriz en el motor con objeto de detenerlo con rapidez. Si después de haberse desconectado la fuente, el devanado de la armadura es conectado a través de una resistencia variable R, la fuerza contraelectromotriz producirá una corriente en la dirección opuesta. Una corriente en la dirección opuesta en el devanado de la armadura ocasiona un par que se opone la rotación y obliga al motor a detenerse. El efecto de frenado dinámico se controla variando R. Al aplicar el freno dinámico, se selecciona R para limitar la entrada de corriente en la armadura a 150%, aproximadamente, de su valor especificado. Al tiempo que la velocidad del motor se abate, también lo hace la fem inducida y la corriente a través de R. Así, la acción de frenado dinámica es máxima al principio y disminuye hasta cero cuando el motor se detiene. En la figura se muestran circuitos simples que ilustran el principio del frenado dinámico para un motor shunt. En cualquier momento del proceso de frenado dinámico la corriente de la armadura es:

y el par de frenado es:

Por otro lado, el par de frenado para un motor shunt es:

5.3 Consultar acerca de los métodos empleados para controlar la velocidad en vacío de un motor de c.c con conexión en derivación. Dibujar el circuito necesario. Indicar la disposición de los equipos de medida.

CONTROL DE LA RESITENCIA DE ARMADURA Con este método, el control de la velocidad se logra insertando una resistencia Rc en el circuito de la armadura de un motor shunt, serie o compund, como se ilustra en la figura.

En un motor shun o compound, el devanado del campo se conecta directamente al voltaje pleno de línea. La resistencia adicional en el circuito de la armadura reduce la fuerza contraelectromotriz en el motor para cualquier corriente de la armadura que se requiera. Puesto que el flujo en el motor es constante y el par depende de la corriente de la armadura, la disminución en la fuerza contraelectromotriz da lugar a una caída en ña velocidad del motor.

La velocidad de un motor de cc puede expresarse en términos de la corriente de su armadura, como:

Donde:

para un motor serie o uno compound o para un motor shunt:

De la expresión anterior resulta claro que cualquier incremento en el valor de la resistencia de control Rc disminuye la velocidad del motor. Este método resulta apropiado para operar al motor a velocidad más baja que la especificada, al tiempo que se mantiene el par desarrollado. Las desventajas de este método son las siguientes: - Pérdida de potencia considerable en la resistencia de control Rc. - Disminución en la eficiencia del motor. - Deficiente regulación de la velocidad de los motores shunt y compound. En esencia, este método se basa en la reducción del voltaje aplicado a las terminales de la armadura de un motor de cc.

METODO DE CONTROL DE CAMPO Otro procedimiento para controlar la velocidad de un motor de cc implica el control de la corriente de campo, que a su vez controla el flujo en el motor. La corriente en el campo en un motor shunt puede controlarse introduciendo una resistencia externa en serio con el devanado de campo. Debido a que la corriente del campo es una fracción muy pequeña de la corriente total que consume un motor shunt, la potencia que disipa la resistencia externa es relativamente pequeña. Por tanto, el método de control de flujo es mejor desde el punto de vista económico que el control de la resistencia de armadura. Para controlar el flujo en un motor serie, se conecta una resistencia desviadora para el campo, en paralelo con el devanado del campo en serie. Si todas las boninas de un devanado de campo en serie están conectadas en serie, también puede cambiarse el flujo de un motor serie si se conectan en paralelo. La adición de una resistencia en serie con el devanado del campo shunt o en paralelo con el devanado del campo en serie ocasiona la disminución de la corriente en el campo y, con ella, la reducción del flujo del motor. Como la velocidad de un motor es inversamente proporcional a su flujo, una disminución de este produce un incremento en su velocidad. En consecuencia, el método de control del flujo permite que un motor opere a una velocidad mas alta que la especificada. Como el par desarrollado por un motor shunt es proporcional al producto de la corriente de la armadura y el flujo por polo, una disminución del flujo debe acompañarse por el aumento correspondiente en la corriente de la armadura para que el motor entregue el mismo par. Por consiguiente, este método de control de la velocidad resulta insatisfactorio para motores compound, ya que cualquier disminución del flujo producido por el devanado del campo shunt se contrarresta por un aumento del flujo producido por el devanado del campo en serie originado por el aumento en la corriente de la armadura.

6. BIBLIOGRAFIA. - Apuntes Ing. Mario Barba - Apuntes Ing. Luis Tapia - Maquinas Electricas y Transformadores, Bhag s. Guru, Huseyin R. Hiziroglu, Tercera edición.