ESTUDIO DE LAS MÁQUINAS GENERALIZADAS …tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12653/1/ESTUDIO DE...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“ESTUDIO DE LAS MÁQUINAS GENERALIZADAS MODELOS MAWDSLEY Y AEI FUNCIONANDO COMO

MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO EN ESTADO PERMANENTE”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

EMMANUEL FRANCISCO BAUTISTA RAMOS CARLOS ALBERTO HERNÁNDEZ MARTÍNEZ

ASESORES:

M. EN C. TOMAS IGNACIO ASIAÍN OLIVARES DR. DANIEL RUÍZ VEGA

MÉXICO, D.F. 2013

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL E S e lJ E L j S lJ PE R 1 () II f) E I N (; E Nl E Il í A. 1\'1 E e A N I C' A 'i E J; F (' l' H. 1(: ;\

11 N IDA 1.> P l () F'E S llN /\ L A D () L F () L () PEZ :\'1 A't' E () S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN

DEBERA (N) DESARROLLAR

INGENIERO ELECTRICISTA

TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

C. EMMANUEL FRANCISCO BAUTISTA RAMOS C. CARLOS ALBERTO HERNÁNDEZ MARTÍNEZ

"ESTUDIO DE LAS MÁQUINAS GENERALIZADAS MODELOS MA WDSLEY y AEI FUNCIONANDO COMO MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO EN ESTADO PERMANENTE"

ESTUDIO DE LAS MÁQUINAS GENERALIZADAS FUNCIONANDO COMO MOTOR DE INDUCCIÓN TRlF ÁSICOS EN CONEXIÓN DELTA Y ESTRELLA CON ARRANQUES, UTILIZANDO REOSTATO y A PLENA TENSIÓN OPERANDO EN ESTADO PERMANENTE.

M.E

• INTRODUCCIÓN GENERAL • MAQUINAS GENERALIZADAS MA WDSLEY y AEI • DIAGRAMAS Y PRUEBAS ELÉCTRICAS PROPORCIONADAS DE LAS MÁQUINAS

GENERALIZADAS MA WDSLEY • VARlABLES ELECTRICAS OBTENIDAS DE LAS MAQUINA S GENERALIZADAS

MAWDSLEY CONEXIÓN DELTA Y AE! CONEXIÓN ESTRELLA • PRUEBAS ELECTRICAS PROPUESTAS EN LA MÁQUINA GENERALIZADA MA WDSLEY

OPERANDO COMO MOTOR DE INDUCCION EN CONEXIÓN ESTRELLA • CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

MÉXICO D.F. A 26 DE NOVIEMBRE DE 2013

A S E S O R E S

2

Resumen

En este trabajo de tesis se presentan las pruebas eléctricas de dos

máquinas generalizadas Mawdsley y AEI operando como motores de

inducción trifásicos en estado permanente, así como los resultados y

su respectivo análisis de las variables eléctricas medidas.

Las pruebas se realizaron mediante la norma vigente de motores la

115-IEEE/ANSI, así como de la información de los manuales

existentes, artículos y tesis.

Se presentan resultados de pruebas eléctricas de la máquina

generalizada Mawdsley de la operación en conexión eléctrica en delta

en el estator, operando como motor de inducción de dos polos

También se presentan pruebas y resultados esta máquina

funcionando con conexión eléctrica tipo estrella, con sus bobinas de

estator en conexión paralelo con neutros no aterrizados o común con

o sin conexión a tierra y también estrella con sus bobinas en conexión

serie. Así como de la AEI operando como motor de inducción de

cuatro polos. Para la realización de la medición en estas pruebas se

utilizó un medidor digital de potencia eléctrica trifásico “Power PAD”.

Se presentan los resultados de las pruebas realizadas, contenidas en

los manuales se información técnica, así como las propuestas

mediante tablas y curvas de sus variables de tensión, corriente y

potencia. También se presentan resultados de la fuerza electromotriz

inducida en las bobinas de búsqueda del estator y rotor para ambas

máquinas mediante el medidor digital de potencia eléctrica.

Adicionalmente se presentan las mediciones de armónicas durante

todas las pruebas.

3

Indice

Capítulo 1.-Introducción General ...................................................................................................... 13

1.1. Planteamiento del problema. ................................................................................................ 13

1.2. Antecedentes. ........................................................................................................................ 14

1.3. Objetivos generales. ............................................................................................................... 15

1.4. Objetivos específicos .............................................................................................................. 15

1.5. Justificación ............................................................................................................................ 16

1.6. Límites y alcances ................................................................................................................... 16

1.7. Aportaciones .......................................................................................................................... 16

1.8. Estructura de la tesis .............................................................................................................. 17

Capítulo 2.-Máquinas Generalizadas Mawdsley y AEI. ..................................................................... 19

2.1. Máquinas convencionales rotatorias de corriente alterna .................................................... 19

2.1.1 Construcción del motor de inducción .............................................................................. 20

2.1.2. Circuito eléctrico equivalente de un motor de inducción ............................................... 21

2.1.3 Circuito equivalente final del motor de inducción ........................................................... 22

2.2. Introducción a las máquinas generalizadas ........................................................................... 23

2.3. Máquina generalizada Mawdsley .......................................................................................... 24

2.3.1. Descripción de la máquina generalizada Mawdsley ...................................................... 25

2.3.2. La máquina de C.C. .......................................................................................................... 29

2.3.3. Unidad de medición de par ............................................................................................. 29

2.4. Máquina generalizada AEI ...................................................................................................... 30

2.4.1. Descripción de la máquina generalizada AEI. ................................................................. 31

2.5. Especificaciones y características de las maquinas generalizadas Mawdsley y AEI............... 37

Capítulo 3.- Diagramas y Pruebas Eléctricas Proporcionadas de las Máquinas Generalizadas

Mawdsley y AEI ................................................................................................................................. 39

3.1. Diagrama y resultados especificados de las pruebas realizadas en la máquina Mawdsley

como motor de inducción de 2 polos con conexión doble delta con bobinas en paralelo .......... 39

3.2. Diagrama y resultados especificados de la prueba de la máquina Mawdsley como motor de

inducción de 4 polos, conexión doble delta con bobinas en paralelo .......................................... 44

3.3. Diagramas y resultados especificados de la máquina Mawdsley como motor de 6, 10, 12 y

14 polos, conexión doble delta con bobinas en serie ................................................................... 48

4

3.4. Diagrama distribuido de la prueba de doble delta para la conexión de las bobinas en

paralelo, 2 polos, Máquina Mawdsley. ......................................................................................... 55

3.5. Diagramas utilizados para las pruebas en la máquina generalizada AEI como motor de

inducción ....................................................................................................................................... 59

Capítulo 4.-Variables eléctricas obtenidas de las máquinas generalizadas Mawdsley conexión delta

y AEI conexión estrella. ..................................................................................................................... 61

4.1. Pruebas en la máquina generalizada Mawdsley como motor de inducción......................... 62

4.1.1. Resultados para la configuración en 2 polos ................................................................... 62



4.1.4. Resultados para la configuración en 10 polos ................................................................. 87

4.1.5. Resultados para la configuración en 12 polos ................................................................. 91

4.1.6. Resultados para la configuración en 2 polos con bobinas de búsqueda en el estator. .. 98

4.1.7. Análisis de resultados de la máquina generalizada Mawdsley ..................................... 100

4.2. Pruebas en la máquina generalizada AEI como motor de inducción ................................... 101

4.2.1. Resultados para la configuración en 4 polos como motor de inducción de rotor

devanado con bobinas en cuadratura en estado permanente. .............................................. 101

4.2.2. Análisis de resultados de la máquina AEI ...................................................................... 113

Capítulo 5.-Pruebas eléctricas propuestas en la, máquina generalizada Mawdsley, operando como

motor de inducción en conexión estrella. ....................................................................................... 115

5.1. Diagramas utilizados en las prácticas propuestas ................................................................ 115

5.1.1. Diagrama distribuido de la prueba de doble estrella con neutros aislados para la

conexión de las bobinas en paralelo ....................................................................................... 119

5.2. Experimentos realizados ...................................................................................................... 122

5.2.1. Pruebas de rotor bloqueado y en vacío, máquina generalizada Mawdsley de 2 polos,

conexión doble estrella con bobinas en paralelo y neutros aislados. .................................... 122

5.2.2. Prueba en vacío, máquina generalizada Mawdsley de 2 polos, conexión doble estrella

con bobinas en paralelo y neutros aislados, funcionando como motor de inducción semi-jaula

de ardilla en estado permanente. ........................................................................................... 124

5.2.3. Prueba con carga de 16 A, máquina generalizada Mawdsley de 2 polos, conexión doble

estrella con bobinas en paralelo y neutros aislados, funcionando como motor de inducción

semi-jaula de ardilla en estado permanente. ......................................................................... 127

5.2.4. Prueba en vacío, máquina generalizada Mawdsley, de 2 polos, conexión doble estrella

con bobinas en paralelo con neutro común, funcionando como motor de inducción semi-jaula

de ardilla en estado permanente. ........................................................................................... 131

5

5.2.5. Prueba con carga de 16 A, máquina generalizada Mawdsley de 2 polos, conexión doble

estrella con bobinas en paralelo con neutro común, funcionando como motor de inducción

semi-jaula de ardilla en estado permanente. ......................................................................... 134

5.2.6. Prueba en vacío, máquina generalizada Mawdsley de 2 polos, conexión doble estrella

con bobinas en serie, funcionando como motor de inducción semi-jaula de ardilla en estado

permanente, ............................................................................................................................ 138

5.2.7 Prueba con carga de 4 A. máquina generalizada Mawdsley de 2 polos, conexión doble

estrella con bobinas en serie, funcionando como motor de inducción semi-jaula de ardilla en

estado permanente. ................................................................................................................ 141

Capítulo 6.-Conclusiones y Recomendaciones ................................................................................ 145

Conclusiones Máquina Mawdsley Conexiones Deltas en paralelo ..................................... 145

Conclusiones Máquina AEI .................................................................................................. 146

Conclusiones Máquina Mawdsley Conexiones Estrellas Paralelo y Serie. .......................... 147

Recomendaciones ....................................................................................................................... 148

Recomendaciones Generales .......................................................................................... 148

Recomendaciones Técnicas Específicas .......................................................................... 149

Recomendaciones para trabajos posteriores .................................................................. 149

Apéndice A ...................................................................................................................................... 151

Resultados de la prueba de Resistencia Óhmica en anillos rozantes de la máquina generalizada

Mawdsley y reóstato de arranque. ............................................................................................. 151

Apéndice B ...................................................................................................................................... 153

Características y placa de datos de las máquinas generalizadas Mawdsley y AEI ...................... 153

Apéndice C....................................................................................................................................... 157

Aparatos utilizados en la investigación y experimentación de las máquinas generalizadas

Mawdsley y AEI. .......................................................................................................................... 157

Referencias .................................................................................................................................. 159

6

Listado de figuras

Figura 2.1. Estator de máquina síncrona........................................................................................... 20

Figura 2.2. Rotor devanado (A) y rotor tipo jaula de ardilla (B). ....................................................... 21

Figura 2.3.Modelado de un motor de inducción con estator y rotor, equivalente a un

transformador ideal con relación de transformación de 1. .............................................................. 22

Figura 2.4. Circuito equivalente por fase en un motor de inducción ................................................ 23

Figura 2.5. Muestra la disposición de la máquina experimental Mawdsleyel diseño del panel con

terminales especiales. ....................................................................................................................... 25

Figura 2.6. Diagrama descriptivo de la configuración del devanado de doble capa. ....................... 26

Figura 2.7.Esquema descriptivo de la máquina generalizada Mawdsley e interconexión de la

terminales en al panel de control frontal......................................................................................... 27

Figura 2.8. Máquina generalizada AEI ............................................................................................... 30

Figura 2.9. Diagrama eléctrico, devanados y disposición de la máquina AEI ................................... 31

Figura 2.10. Arreglos para el funcionamiento de la maquina generalizada AEI. .............................. 34

Figura 2.10´.Arreglos para el funcionamiento de la maquina generalizada AEI. .............................. 35

Figura 2.11. Arreglos para maquinas generalizadas AEI y Mawdsley (síncronas y asíncronas) ........ 36

Figura 3.1. Diagrama para conexión del arrancador para la máquina Mawdsley modo motor de

inducción de 2 y 4 polos ................................................................................................................... 41

Figura 3.2. Diagrama de conexión en el tablero para motor de 2 polos ........................................ 43

Figura 3.4. Diagrama de conexión en el tablero para motor de 4 polos .......................................... 47

Figura 3.5. Diagrama de conexión en el tablero para motor de 6 polos .......................................... 51



Figura 3.8. Diagrama de conexión en el tablero para motor 14 polos ............................................. 54

Figura 3.9. Diagrama de distribución para la conexión de doble delta con bobinas en paralelo, 2

polos, máquina Mawdsley. ............................................................................................................... 55

Figura 3.10. Analogía de la formación de polos, de un motor monofásico de fase partida de 4

polos. ................................................................................................................................................. 56

Figura 3.11 Diagrama sintetizado para la conexión de doble delta con bobinas en paralelo, 2 polos,

máquina Mawdsley. .......................................................................................................................... 57

Figura 3.12. Diagrama distribuido del diagrama sintetizado conexión de doble delta con bobinas en

paralelo, 2 polos, máquina Mawdsley. ............................................................................................. 57

Figura 3.13.Analogíade la figura 3.12. ............................................................................................... 58

Figura 3.14. Diagrama de conexión para el motor de inducción AEI de rotor devanado con bobinas

en cuadratura. ................................................................................................................................... 59

Figura 3.15. Diagrama de conexión para motor de inducción AEI .................................................... 60

Figura 4.1. Resultados de la prueba con rotor bloqueado, máquina generalizada Mawdsley, 2 polos

........................................................................................................................................................... 63

Figura 4.2. Resultados operando en vacío máquina generalizada Mawdsley, 2 polos ..................... 64

Figura 4.3. Formas de onda, de voltaje por fase pico a pico, armónicas y diagrama fasorial trifásico.

........................................................................................................................................................... 65

7

Figura 4.4. Formas de onda, de voltaje de línea pico a pico, armónicas y diagrama fasorial trifásico.

........................................................................................................................................................... 66

Figura 4.5. Formas de onda, de corriente de línea pico a pico, armónicas y diagrama fasorial

trifásico. ............................................................................................................................................. 67


........................................................................................................................................................... 68


........................................................................................................................................................... 69


trifásico. ............................................................................................................................................. 70


........................................................................................................................................................... 72

Figura 4.10. Formas de onda, de voltaje de línea pico a pico, armónicas y diagrama fasorial

trifásico. ............................................................................................................................................. 73


trifásico. ............................................................................................................................................. 74

Figura 4.12. Formas de onda, de voltaje por fase pico a pico, armónicas y diagrama fasorial

trifásico. ............................................................................................................................................. 75


trifásico. ............................................................................................................................................. 76


trifásico. ............................................................................................................................................. 77


trifásico. ............................................................................................................................................. 80


trifásico. ............................................................................................................................................. 81


trifásico. ............................................................................................................................................. 82


trifásico. ............................................................................................................................................. 83


trifásico. ............................................................................................................................................. 84


trifásico. ............................................................................................................................................. 85


trifásico. ............................................................................................................................................. 87


trifásico. ............................................................................................................................................. 88


trifásico. ............................................................................................................................................. 89


trifásico. ............................................................................................................................................. 91

8


trifásico. ............................................................................................................................................. 92


trifásico. ............................................................................................................................................. 93


trifásico. ............................................................................................................................................. 94


trifásico. ............................................................................................................................................. 95


trifásico. ............................................................................................................................................. 96


monofásico. ....................................................................................................................................... 98


monofásico. ....................................................................................................................................... 99


trifásico. ........................................................................................................................................... 105


trifásico. ........................................................................................................................................... 106


trifásico. ........................................................................................................................................... 107


trifásico. ........................................................................................................................................... 108


trifásico. ........................................................................................................................................... 109


trifásico. ........................................................................................................................................... 110


monofásico. ..................................................................................................................................... 112

Figura 5.1. Conexión de dos estrella en paralelo, con neutros aislados. ........................................ 116

Figura 5.2. Conexión de dos estrellas en paralelo con neutro común. ........................................... 117

Figura 5.3. Conexión de una estrella en serie ................................................................................. 118

Figura 5.4. Diagrama de conexión distribuido, doble estrella con bobinas en paralelo y neutros

aislados, 2 polos, máquina Mawdsley. ............................................................................................ 119

Figura 5.5. Diagrama sintetizado del diagrama desplegado, en el cual se aprecia de una manera

más fácil la conexión de doble estrella. .......................................................................................... 120

Figura 5.6.Estrellas en paralelo ....................................................................................................... 120

Figura 5.7. Se muestra la configuración del estator en un diagrama clásico de dos estrellas en

paralelo con neutros aislados. ........................................................................................................ 121

Figura 5.8. Prueba de operación con rotor bloqueado máquina Mawdsley. ................................. 122

Figura 5.9.Prueba de operación en vacío máquina Mawdsley ....................................................... 123


trifásico. ........................................................................................................................................... 124

9


trifásico. ........................................................................................................................................... 125


trifásico. ........................................................................................................................................... 126


trifásico. ........................................................................................................................................... 127


trifásico. ........................................................................................................................................... 128


trifásico. ........................................................................................................................................... 129


trifásico. ........................................................................................................................................... 131


trifásico. ........................................................................................................................................... 132

Figura 5.18. Formas de onda, de Corriente de línea pico a pico, armónicas y diagrama fasorial

trifásico. ........................................................................................................................................... 133


trifásico. ........................................................................................................................................... 134


trifásico. ........................................................................................................................................... 135


trifásico. ........................................................................................................................................... 136


trifásico. ........................................................................................................................................... 138


trifásico. ........................................................................................................................................... 139


trifásico. ........................................................................................................................................... 140


trifásico. ........................................................................................................................................... 141


trifásico. ........................................................................................................................................... 142


trifásico. ........................................................................................................................................... 143

Figura B-1. Máquina generalizada Mawdsley ................................................................................. 153

Figura B-2.Máquina generalizada AEI ............................................................................................. 155

Figura C-1. “Power PAD” (AEMC) Modelo 3945 ............................................................................. 157

Figura C-2. Tacómetro contador (Extech) ....................................................................................... 157

Figura C-3.MultimetroFluke ............................................................................................................ 157

Figura C-4. Mutimetro de gancho (Extech) .................................................................................... 157

Figura C-6. Fuente regulada de C.C. ................................................................................................ 158

Figura C-5. Banco de resistencias trifásico ...................................................................................... 158

10

Figura C-7. Arrancador Trifásico resistivo ...................................................................................... 158

11

Listado de tablas Tabla 2.1. Características y especificaciones de las máquinas generalizadas AEI, Mawdsley .......... 37

Tabla 3.1. Resultados especificados de las pruebas de la máquina Mawdsley de 2 polos de rotor

devanado y semi-jaula de ardilla....................................................................................................... 42

Tabla 3.2. Resultados especificados de las pruebas de la máquina Mawdsley de 4 polos de rotor

devanado y semi-jaula de ardilla....................................................................................................... 46

Tabla 3.3. Resultados especificados de las pruebas de la máquina Mawdsley de 6, 10, 12 y 14

polos semi-jaula de ardilla ................................................................................................................ 50

Tabla 4.1. Prueba de rotor bloqueado, máquina Mawdsley, 2 polos ............................................... 62

Tabla 4.2. Prueba operando en vacío, máquina Mawdsley, 2 polos ................................................ 63

Tabla 4.3. Resultados de la prueba de vacío hasta una carga máxima de 8 A, 2 polos de rotor

devanado. .......................................................................................................................................... 71

Tabla 4.4. Resultados de la prueba de vacío hasta carga máxima de 4A, rotor devanado 4 polos. . 78

Tabla 4.5. Resultados de la prueba de vacío hasta carga máxima de 4A, semi-jaula de ardilla 4

polos. ................................................................................................................................................. 79

Tabla 4.6. Resultados de la prueba de vacío hasta una carga máxima de 10 A, semi-jaula de ardilla,

6 polos. .............................................................................................................................................. 86

Tabla 4.7. Resultados de la prueba en vacío, semi-jaula de ardilla, de 10 polos .............................. 90

Tabla 4.8. Resultados de la prueba en vacío hasta una carga máxima de 18 A semi-jaula de ardilla

de 12 polos. ....................................................................................................................................... 97

Tabla 4.9. Prueba en vacío máquina AEI ......................................................................................... 101

Tabla 4.10. Prueba de rotor bloqueado máquina AEI ..................................................................... 102

Tabla 4.11. Resultados de la prueba al vacío en la máquina AEI de 4 polos midiendo voltaje y

corriente de entrada ....................................................................................................................... 103

Tabla 4.12. Resultados de la prueba al vacío en la máquina AEI de 4 polos midiendo voltaje y

corriente en el rotor ........................................................................................................................ 104

Tabla 4.13. Resultados de la prueba en vacío hasta una carga máxima de 19 A en la máquina AEI

semi-jaula de ardilla de 4 polos....................................................................................................... 111

Tabla 5.1. Prueba de rotor bloqueado máquina Mawdsley............................................................ 122

Tabla 5.2. Prueba de operación en vacío máquina Mawdsley ........................................................ 123

Tabla 5.3. Resultados de las prueba en vacío hasta una carga máxima de 16 A, conexión doble

estrella con bobinas en paralelo con neutros aislados de 2 polos.................................................. 130

Tabla 5.4. Resultados de las pruebas en vacío hasta una carga máxima de 16 A, conexión doble

estrella con bobinas en paralelo con neutro común, 2 polos ......................................................... 137

Tabla 5.5. Resultados de las pruebas en vacío hasta una carga máxima de 4 A, conexión doble

estrella con bobinas en serie, 2 polos ............................................................................................. 144

Tabla A-1. Esta tabla muestra las lecturas obtenidas en los anillos rozantes de la máquina

generalizada Mawdsley ................................................................................................................... 151

Tabla A-2. Esta tabla muestra las lecturas obtenidas en los bornes de un reóstato de arranque

trifásico ............................................................................................................................................ 151

Tabla B-1. Placa de datos de la máquina de C.A. Mawdsley ........................................................... 153

Tabla B-2.Placa de datos de la máquina de C.C. Mawdsley ............................................................ 153

12

Tabla B-3. Placa de datos de la máquina de C.C. carriage (o primo-motor) Mawdsley .................. 154

Tabla B-4. Placa de datos del tacogenerador Mawdsley ................................................................ 154

Tabla B-5. Placa de datos de la máquina de C.C. AEI ...................................................................... 155

Tabla B-6. Placa de datos del tacogenerador AEI............................................................................ 156

13

Capítulo 1.-Introducción General

En este capítulo se describe brevemente una justificación general

sobre el tema a desarrollaren la presente tesis, por lo cual a

continuación se muestra el planteamiento del problema, los objetivos,

antecedentes, justificación, límites y alcances que permiten desarrollar

de manera eficiente la estructura del trabajo, tanto teórico como

práctico.

Asimismo, se da a entender de una manera más especifica el tema

desarrollado, así como los alcances del mismo, no obstante el estudio

de las máquinas generalizadas es tan amplio que prácticamente

abarca todas las máquinas eléctricas estáticas y rotatorias en corriente

continua(C.C) y corriente alterna(C.A). Por lo que este trabajo se

enfocara en el funcionamiento de las máquinas generalizadas como

motor de inducción en estado permanente en CA.

1.1. Planteamiento del problema.

Las máquinas generalizadas instaladas en el Laboratorio Pesado II de

la ESIME Zacatenco. Son máquinas diseñadas específicamente para

la docencia y experimentación en las universidades con planes de

estudio de Ingeniería Eléctrica.

Las máquinas generalizadas, son máquinas construidas para el

estudio y experimentación del comportamiento de las máquinas de

corriente alterna C.A. y corriente continua C.C. mediante el alcance

que permiten sus diseños y construcción, respecto a los artículos y

manuales técnicos existentes en la ESIME Zacatenco [2].

En el Laboratorio Pesados II de Ingeniería Eléctrica se encuentran

estas máquinas que han sido utilizadas como motores de inducción

trifásicos y generadores síncronos las cuales forman parte de los

arreglos de máquinas rotatorias de corriente alterna C.A.

14

En este trabajo de tesis se muestra la utilización de las máquinas

generalizadas en operación en estado permanente, funcionando como

motor de inducción de rotor devanado y motor de inducción semi-jaula

de ardilla (diseño especial de la máquina generalizada Madwsley). El

diseño y la construcción delas máquinas generalizadas es tan amplio

que prácticamente abarca todas las máquinas rotatorias conocidas.

Por lo que este trabajo se enfocara en el funcionamiento de las

máquinas como motor de inducción trifásico en estado permanente.

1.2. Antecedentes.

Las máquinas generalizadas, son máquinas construidas para el

estudio de los fenómenos, parámetros y variables específicas, de las

máquinas rotatorias. Estas han sido utilizadas principalmente para la

docencia e investigación de nivel licenciatura y posgrado en las

escuelas de ingeniería eléctrica que las posean, y para el avance

científico y tecnológico en los aspectos de diseño y construcción de las

máquinas convencionales eléctricas rotatorias.

En el mundo solo las empresas Mawdsley Inc., AEI, BKB y

Westinghouse construyeron máquinas generalizadas[7].De las cuales

en los Laboratorios Pesados II de Ingeniería Eléctrica de la ESIME

Zacatenco, en el área de graduados, se encuentran dos máquinas

generalizadas, específicamente la Mawdsley y AEI.

La máquina eléctrica generalizada Mawdsley aparece por primera vez

en marzo de 1961 [8] una de sus características principales era que

cada bobina del devanado del estator se conectaba a las 96

terminales en un panel frontal, formado de cuatro círculos

concéntricos.

La máquina eléctrica generalizada AEI fue planeada en 1959 y

diseñada a principios de 1960 [8] especialmente para un nuevo curso

de introducción a la conversión de energía electromecánica, el cual

tenían y tienen como propósito principal el facilitar las prácticas y

llegarlas a realizar en un promedio de dos y media a tres horas.

15

Actualmente la compañía “Hampden Engineering Corporation”, ésta

construyendo y lanzando al mercado una variedad de módulos de

estudio de máquinas rotatorias, llamadas “Maquinas Universales” que,

de igual manera se utilizan para la docencia y estudio de máquinas

rotatorias en universidades.

Las máquinas universales, cuentan con diversos módulos de

laboratorio, pero al igual que las máquinas generalizadas, están

limitadas por la naturaleza de sus propios diseños.

En las máquinas universales se pueden trabajar, máquinas de

corriente alterna C.A. como por ejemplo: motor de inducción de rotor

devanado, jaula de ardilla y maquina síncrona. Asimismo también se

puede trabajar con máquinas de corriente continua, y en este caso

trabajar con los ejes directo y de cuadratura d-q [6].

1.3. Objetivos generales.

• Se estudió y analizó el diseño, construcción y operación de los

motores trifásicos de inducción de rotor devanado y semi-jaula de

ardilla utilizando las máquinas generalizadas Madwsley y AEI.

• Realizar las pruebas eléctricas en estado permanente conforme

a los manuales existentes [4], normas e información técnica, tanto en

vacío, rotor bloqueado y carga de las dos máquinas generalizadas.

1.4. Objetivos específicos

• Obtención de resultados específicos de las variables

fundamentales de las máquinas generalizadas operando como

motores de inducción como son la corriente, tensión, potencia eléctrica

real, reactiva, aparente y adicionalmente las armónicas, frecuencia y

factor de potencia.

16

• Realización de las pruebas de los arreglos de estator de la

máquina generalizada Madwsley en conexión delta y el propuesto en

conexión estrella.

• En caso de la AEI la realización de pruebas operando en

estado permanente conforme a los alcances permisibles por su

diseño y construcción.

1.5. Justificación

Por el gran uso que actualmente los motores eléctricos tienen en las

diferentes actividades con la industria, como es el caso del transporte

masivo y la industria metal- mecánica se tiene la gran necesidad del

estudio de los parámetros y variables específicas de estas máquinas

como son los motores eléctricos trifásicos de inducción y esto a

conducido a la realización de pruebas eléctricas cada vez con mayor

interés así como su funcionamiento, además de medir la presencia de

las variables específicas como son los armónicos de corriente como

de tensión, así como la frecuencia eléctrica, corriente eléctrica,

tensión y potencias eléctricas en su operación en estado permanente.

1.6. Límites y alcances

Los alcances especificados para estas máquinas en las pruebas

eléctricas, son conforme a sus diseños y construcción específicos,

principalmente para rotor devanado donde varían por el tipo de

construcción de cada máquina generalizada; además de ser máquinas

limitadas por sus potencias eléctricas de diseño y por consiguiente de

sus variables de corriente y tensión eléctrica.

1.7. Aportaciones

Este trabajo de tesis, aporta fundamentalmente el análisis y

conocimiento del funcionamiento de la máquina generalizada

17

Madwsley operando como motor de inducción en conexión en estrella

con rotor devano y semi-jaula, así como su funcionamiento con

conexión en delta en estator especificado en su manual [4].En el caso

de la máquina generalizada AEI su análisis y conocimiento operando

como motor de inducción con la característica de estator en conexión

en estrella y rotor estático conformado por dos devanados diseñados

en cuadratura (90° eléctricos).

Así como la verificación de la utilización de las bobinas de búsqueda

que se encuentran en estator y rotor para los dos tipos de máquinas

generalizadas. Ya que las bobinas o “alambres de búsqueda”,

permiten observar mediante un analizador de potencia trifásico como

el “Power PAD” u osciloscopio las formas de onda fundamentales de la

fuerza electromotriz (fem) inducida tanto en estator como en el rotor de

las dos máquinas durante su operación, y de esta manera obtener

otros parámetros y variables eléctricos intrínsecos directamente

relacionados con su diseño y construcción, como son los armónicos.

1.8. Estructura de la tesis

El capítulo1.- En este capítulo se describe brevemente una

justificación general sobre el tema a desarrollar en la presente tesis el

cual es sobre la utilidad de dos máquinas generalizadas Madwsley y

AEI, y se muestra el planteamiento del problema, los objetivos,

antecedentes, justificación, limites, alcances y capitulado de la tesis.

El capítulo 2.- En este capítulo se aborda la teoría de máquinas

rotatorias convencionales y máquina rotatorias generalizadas,

asimismo se señalan algunas características de las máquinas

universales, las cuales son arreglos de máquinas rotatorias de C.D. y

C.A. vigentes, semejantes a las máquinas generalizadas, que de igual

manera sirven para la experimentación y la docencia en las escuelas

de ingeniería eléctrica.

El capítulo 3.- Este capítulo muestra los diagramas sobre los cuales

se realizaron las pruebas de las máquinas generalizadas Mawdsley y

18

AEI, así como los resultados esperados conforme a manuales e

información existente. Se muestran tablas donde se exponen los

parámetros de vacío y rotor bloqueado, así como los alcances de las

máquinas generalizada Mawdsley y AEI.

El capítulo 4.- En este capítulo se presenta los resultados de las

pruebas realizadas en las máquinas generalizadas Mawdsley y AEI.

Primeramente se observan las curvas obtenidas seguidas

inmediatamente por su tabla de resultados, donde se exponen de

manera desplegada los resultados obtenidos por los equipos de

medición utilizados.

El capítulo 5.- Este capítulo expone las pruebas propuestas para la

máquina generalizada Mawdsley operando como motor de inducción

con conexión en estrella en el estator, así como los diagramas de

conexión, curvas y tablas de resultados.

El capítulo 6.- En este capítulo se muestra las conclusiones finales de

manera general por cada tipo de máquina generalizada, seguida de

recomendaciones.

19

Capítulo 2.-Máquinas Generalizadas Mawdsley y

AEI.

En este capítulo se da una descripción general de las máquinas de

inducción convencionales (motor de inducción), su principio de

funcionamiento, construcción, diseño y utilización. También se

describen con más detalle los dos conjuntos de máquinas

generalizadas utilizadas en la presente tesis.

2.1. Máquinas convencionales rotatorias de corriente alterna

Las máquinas de corriente alterna (C.A.) como generadores síncronos

que transforman la energía mecánica en energía eléctrica y los

motores de inducción que transforman la energía eléctrica a energía

mecánica. Los principios fundamentales delas máquinas de C.A. no

presentan complejidad, no es así en la construcción de las máquinas

rotatorias reales.

Existen dos tipos principales de máquinas de C.A.: las máquinas

síncronas (generador y motor) y las máquinas asíncronas (motores de

inducción). Las máquinas síncronas son motores y generadores tienen

una corriente de campo que produce campo magnético, la cual es

suministrada por una fuente separada de tensión directa al devanado

de campo. A las máquinas de inducción se les suministra una tensión

alterna externa dando origen a la corriente de estator que genera un

campo magnético principal rotatorio dándose la inducción magnética

en los devanados del rotor devanado o jaula de ardilla.

Se tiene que los circuitos de campo de la mayoría de las máquinas

síncronas están en el rotor y en el motor de inducción están

localizados en el estator.

En este apartado se enfocar a principalmente al estudio de la máquina

de inducción la cual se puede utilizar como una máquina de inducción

como motor o generador. En este caso en particular las máquinas de

20

inducción se refieren a los motores de inducción de rotor devanado o

jaula de ardilla.

2.1.1 Construcción del motor de inducción

Un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator de una

máquina síncrona [5], pero la construcción del rotor es diferente. Un

estator típico se muestra en la figura 2.1. Hay dos tipos de rotor

dispuestos dentro de una máquina de inducción, el llamado rotor jaula

de ardilla y el rotor devanado.

Figura 2.1. Estator de máquina síncrona

La figura 2.2, muestra dos tipos de rotores, el primero ubicado en la

parte superior de la imagen es un rotor devanado el cual se utiliza en

el motor de inducción, y en la parte inferior de la misma imagen se

encuentra el rotor tipo jaula de ardilla, los cuales a nivel industrial son

los más utilizados con más del 80% respecto a otras máquinas

eléctricas.

21

Figura 2.2. Rotor devanado (A) y rotor tipo jaula de ardilla (B).

Las fases de los devanados del rotor (rotor devanado), generalmente

están conectados en estrella (Y), y los extremos de los tres alambres o

bobinas de búsqueda, están dispuestos en contacto con tres anillos

(anillos rozantes) colocados en el eje del rotor, en estos motores las

corrientes de rotor, son accesibles desde los anillos rozantes, esta

característica, permite modificar la característica par-velocidad.

En el rotor tipo jaula de ardilla, los devanados, son sustituidos por

barras cortocircuitadas en ambos extremos, por anillos que

generalmente tanto barras como anillos están hechos de fundición de

aluminio.

2.1.2. Circuito eléctrico equivalente de un motor de inducción

El circuito equivalente de un motor de inducción es muy similar al de

un transformador, debido a la acción de transformación que ocurre al

inducirse corrientes en el rotor, desde el estator.

En la figura 2.3., se muestra un circuito equivalente transformador, por

fase, y es el mismo que el de un motor de inducción, la resistencia del

estator es R1 y la reactancia de dispersión es X1. E1 es el voltaje

primario del estator, acoplado, al secundario ER mediante un

transformador ideal con relación de vueltas aeff. El voltaje ER producido

en el rotor ocasiona un flujo de corriente en el rotor. RC es el

componente de pérdidas en el núcleo y jXM se refiere a la reactancia

22

de magnetización, RR y jXR son las impedancias del rotor. Por lo tanto,

I1 constituye a la corriente de línea, IM a la corriente de

magnetización.IR es el flujo de corriente en el rotor e I2 es la corriente

de rotor. [5]

Figura 2.3.Modelado de un motor de inducción con estator y rotor, equivalente a un transformador ideal con relación de transformación de 1.

2.1.3 Circuito equivalente final del motor de inducción

Para obtener el circuito equivalente por fase es necesario referir en el

estator, el modelo rotor. Si la relación de vueltas de un motor de

inducción es aeff el voltaje transformado es:

Y las corrientes de impedancia de rotor son:

Y se define:

Se obtiene finalmente el circuito equivalente por fase en la figura 2.4.

23

Figura 2.4. Circuito equivalente por fase en un motor de inducción

2.2. Introducción a las máquinas generalizadas

En el mundo han existido cuatro fabricantes de máquinas

generalizadas, los cuales son: Mawdsley, AEI, BKB y Westinghouse

[7]. En la presente tesis se enfoca en las dos primeras que, son las

que están en existencia en el Laboratorio Pesados II de la ESIME

Zacatenco de la Carrera de Ingeniería Eléctrica.

Estas máquinas fueron diseñadas y fabricadas, con el propósito de

utilizarlas en la docencia e investigación, ya que son diseños

especiales que permiten la revisión de partes, arreglos y experimentos

que, en máquinas convencionales no se pueden realizar.

La composición general de cualquiera de estas máquinas, conlleva por

su naturaleza intrínseca, a la investigación de los fenómenos en las

máquinas eléctricas rotatorias.

Por regla general, las máquinas generalizadas tienen un panel de

conexión frontal, el cual tiene expuesto las bobinas de los devanados,

tanto del estator como del rotor, para que de esta manera la

versatilidad de la máquina, sea máxima respecto a su diseño

particular. La máquina generalizada esta acoplada a una máquina de

24

corriente continua (C.C) de carro o primo motor y a otra máquina de

C.C de menor capacidad que la de carro o primo motor, que puede

funcionar como motor o generador de C.C., similar a una máquina de

C.C. convencional. En el caso de la máquina de carro o primo motor

se puede investigar y experimentar con arreglos de eje directo y eje de

cuadratura d-q. Algunos de los equipos auxiliares son: tacogenerador,

medidor de par, voltmetros, ampermetros y algunos interruptores

termomagnéticos. Estos equipos pueden variar en capacidad

conforme su diseño. En el caso de las máquinas generalizadas

existentes en el laboratorio de la ESIME Zacatenco, los modelos no

cuentan con algunos de estos instrumentos.

2.3. Máquina generalizada Mawdsley

El conjunto completo de la máquina generalizada consiste en una

máquina que tiene en su parte rotatoria en sus extremos anillos

rozantes y un colector de corriente continua y una unidad de medición

de par que en este caso no cuenta con dicho equipo [4]. Además tiene

un tacómetro de corriente alterna, incorporado para la medición de la

velocidad del rotor y su medición es dada en revoluciones por minuto

(R.P.M.). El conjunto de la máquina está diseñado y construido de

manera que ofrece la máxima accesibilidad para fines de

demostración y mantenimiento.

La máquina generalizada y las máquinas de C.C. son acopladas

mecánicamente entre sí y montadas sobre un banco de acero. La

unidad de medición de par es una unidad completamente separada,

que implica que no hay conexiones eléctricas hacia el eje de rotación.

25

Figura 2.5. Muestra la disposición de la máquina experimental Mawdsleyel diseño del panel con terminales especiales.

2.3.1. Descripción de la máquina generalizada Mawdsley

El estator de C.A. de la máquina generalizada tiene un diseño

convencionalmente para 4 polos y 48 bobinas colocadas en 48

ranuras en dos capas [3][4]. Los extremos de todas las 48 bobinas son

llevados a 96 terminales dispuestas simétricamente en cuatro círculos

concéntricos en el panel frontal de conexiones. Así, los devanados del

estator pueden estar conectados, ya sea en forma de 2 fases o 3

fases, también se puede configurar con una interconexión adecuada

de las bobinas, para obtener diferentes números de polos.

La relación física entre la posición de los lados de la bobina y la

disposición de las terminales se ilustra en la figura 2.6. Los 48 lados

de la bobina de color rojo están en las ranuras que se muestran y los

finales o extremos de estas bobinas están conectados a las terminales

de color rojo; los lados de la bobina de color verde se conectan a las

48 terminales de color verde. La posición de la ranura N º 1 está

claramente marcada en el exterior del estator para fines de referencia.

26

Las bobinas individuales de búsqueda son proporcionadas, las cuales

están instaladas en el estator en las ranuras l, 7, 9, 12 y 13. Con este

arreglo en las bobinas se puede medir el campo producido. Estas

tienen un fusible en serie por cada bobina de 1 ampere.

El rotor de la máquina generalizada fue diseñado como una maquina

convencional de 4 polos con un bobinado en las 36 ranuras, aunque

también puede funcionar como una máquina de dos polos a 3600

revoluciones por minuto (R.P.M). Este bobinado cuenta con conjuntos

de seis y cuatro terminales de conexión simétricas, dos de las

terminales son comunes a los dos conjuntos. Para conectar estas

terminales, se encuentra un selector circular colocado en el rotor y se

une a través de una conexión del rotor mediante tornillos entre los

anillos y el devanado, por consiguiente para cuatro anillos rozantes

hay cuatro terminales de cuadratura, o para tres anillos rozantes con

un devanado de 3 fases 2 polos hay tres terminales, o como en un

devanado de 3 fases 4 polos habrá tres. También se pueden realizar

diversas conexiones asimétricas.

Figura 2.6. Diagrama descriptivo de la configuración del devanado de doble capa.

27

Figura 2.7.Esquema descriptivo de la máquina generalizada Mawdsley e interconexión de la terminales en al panel de control frontal.

Las bobinas de giro simples del rotor pueden ser conectadas a otros

dos anillos colectores a través del selector de conexión del rotor de

manera que dan una opción de búsqueda de paso bobina, en las

ranuras 1, 4, 6 y 9. Se encuentra un fusible en la conexión externa a

uno de estos anillos rozantes.

El colector, que tiene 144 segmentos, está equipado con dos

conjuntos de engranajes de escobillas para diverso fines de

investigación de eje directo y eje de cuadratura d-q además cuenta

con un par de escobillas de búsqueda.

28

El conjunto de doce escobillas es similar al conjunto de escobillas de

balanceo de un motor Schrage. Las conexiones a las doce escobillas

se llevan al panel terminal. Una placa graduada se proporciona como

referencia para la medición del desplazamiento entre pares de

escobillas, dicha graduación puede ser convertida a una unidad, con el

fin de indicar la posición del conjunto de escobillas.

Un segundo conjunto de cuatro escobillas de cuadratura, puede ser

accionado alrededor del conmutador a velocidades de hasta 1500 rpm

por medio de un motor del carro radial. Las escobillas pueden ser

bloqueadas alternativamente, en cualquier posición deseada, esta

posición se indica mediante una escala de segundos. Las conexiones

de las terminales de estas escobillas son conectadas en el panel a

través de los anillos colectores.

Un soporte de escobillas, con un par de escobillas de búsqueda,

puede ser sustituido por cualquier par de escobillas rotativo. Las

escobillas de búsqueda tienen un paso variable de 0-5 segmentos

conmutando y se puede utilizar para medir el voltaje entre los

segmentos en todos los puntos alrededor de la periferia del colector. Si

las escobillas son accionados a una velocidad lenta, se puede

conseguir registros oscilo-gráficos.

Para una mayor escala de medición del ángulo de carga se une el

selector a la conexión del rotor, lo que permite que la posición angular

del rotor se determine por medio de un estroboscopio ordinario. Todas

las escalas se calibran en grados en lugar de grados eléctricos. Desde

el devanado del estator se puede conectar un número de polos

diferente.

Se ha colocado para poner en cortocircuito a todas las delgas del

colector un anillo diseñado especialmente. Esto produce un devanado

semi-jaula de ardilla, que responde a los diferentes números de polos

que pueden ser producidos por el devanado del estator.

La potencia nominal de la máquina generalizada en configuración 3

fases 4 polos, 50 c/s en el motor de inducción es de 4 H.P. a 240 V por

29

fase y 1450 rpm. La máquina sin embargo podrá soportar sobrecargas

severas del tipo que tienen lugar en laboratorios de enseñanza y el

aislamiento ha sido tratado de la forma que una temperatura máxima

de 110°C no lo pueda dañar, estas lecturas fueron tomadas a una

bobina medida por un termopar localizado en el estator y la factibilidad

de un termómetro de mercurio localizado en forma externa

2.3.2. La máquina de C.C.

La máquina de C.C. puede ser o bien una máquina estándar o de

balance de dinamómetro tal como se utiliza en varios otros conjuntos

de máquinas educacionales Mawdsley. El marco del dinamómetro

lleva el sistema de campo y está montado en los cojinetes del muñón

de pedestal. Un brazo de torsión con un enlace sencillo está

conectado a un radio de 0,25 metros y a una balanza de resorte

calibrada en Newton. El movimiento del bastidor basculante está

limitado por topes por encima y por debajo del brazo de torsión.

Los cojinetes de muñón pedestal y equipos asociados, que permitan a

la máquina estándar convertirse en forma de dinamómetro se puede

aplicar en cualquier momento.

2.3.3. Unidad de medición de par

La unidad de medición par, es una versión especialmente desarrollada

del anillo de parpara la medición y patentado por ASEA [3], que

permite la medición precisa tanto de régimen permanente y pares

transitorios que se presenten en las diferentes pruebas. El

funcionamiento del anillo par depende del hecho de que en un eje

sometido a esfuerzos de torsión produce cambios en la permeabilidad

del eje en planos de un ángulo de 45° con respecto al eje del árbol. A

diferencia de otros dispositivos de medición de par que utilizan el

mismo efecto que el anillo de par no requiere anillos colectores y por lo

tanto un factor que a menudo puede causar efectos indeseados se

elimina.

30

2.4. Máquina generalizada AEI

El conjunto de la máquina eléctrica generalizada AEI fue planeado en

1959 y diseñado a principios de 1960 sobre todo para nuevos cursos

educativos, brindándote las características que tiene la máquina con el

propósito principal de facilitar una serie de experimentos, realizados en

un tiempo promedio de dos horas y media a tres horas. Con los cuales

podrás comprender el proceso de conversión de energía

electromecánica. El diagrama del panel grabado bajo-relieve es un

acompañamiento casi imprescindible. El panel es también de gran

valor para un trabajo más avanzado. Como se puede ver en la figura

2.8.

Figura 2.8. Máquina generalizada AEI

Todos los devanados de las máquinas que integran el equipo se

muestra en la figura 2.8, que es para la simplicidad, y comodidad con

la convención habitual, dibujada como si la máquina generalizada

tuviera dos polos, mientras que en realidad tiene cuatro.

31

2.4.1. Descripción de la máquina generalizada AEI.

El rotor lleva en las mismas ranuras un devanado cerrado

(conmutador) y uno de 3 fases separadas en forma de red y bobinas

de tensión conectadas en estrella. El devanado cerrado tiene cuatro

tomas a 90 ° y tres en 120 ° (siendo una toma común) las tomas de 90

° o de 120 °, o la bobina conectada en estrella, pueden estar unidas a

los anillos colectores en un extremo de la máquina mediante el

establecimiento de una 3ra posición del disco en la conexión del rotor.

El Conmutador lleva dos conjuntos de escobillas, teniendo cada

conjunto cuatro escobillas en 90 °. Uno gira continuamente, ya que

está conectado a cuatro anillos colectores en el otro extremo a través

de un fusible pequeño extraíble, montando clips en el disco de rotor-

conexión.

Figura 2.9. Diagrama eléctrico, devanados y disposición de la máquina AEI [4]

32

El estator tiene dos devanados distribuidos en cuadratura y espacio.

Cada bobinado es de deslizamiento, en cuatro secciones idénticas

para la conexión en serie, paralelo-serie, o en paralelo. Con tales

conexiones cuando se lleva la misma corriente que el inducido, el

devanado del estator produce 200, 100 o 50% de la f.m.m. del

inducido, el estator también lleva cinco bobinas de búsqueda que van

de extremo a extremo de las ranuras espaciadas de un campo de

ranura a lo largo de un paso polar aparte. Así, con una sola vuelta de

bobina, se puede conseguir una amplia gama de resultados según la

configuración de la máquina.

El rotor de la máquina generalizada está acoplado a motor de carga de

C.C. a través del nuevo diseño transitorio de torqui-metros. El par del

eje del motor de carga de la máquina generalizada se transmite a lo

largo de un tubo de acero que está magnetizado circunferencialmente

por un devanado toroidal, alimentado a partir de anillos deslizante

sobre 1000c/s. El efecto de torsión sobre las propiedades magnéticas

del tubo es para que el flujo que esté pasando previamente en círculos

concéntricos alrededor del eje de rotación, el cual toma un recorrido en

espiral, sea así el componente que aparece en el espacio alrededor

del tubo. Una bobina estacionaria rodea el tubo giratorio inducido en

ella una tensión estrechamente proporcional al par. Los aparatos

asociados dan una lectura directa del par de torsión, que también

puede ser registrado, bajo condiciones estables y transitorias, con un

registrador de pluma, o con una combinación de osciloscopio y

cámara. (Una cámara instantánea capaz de desarrollo propio film es

útil.) La frecuencia de excitación elegida es tal, que de la duración

esperada de transitorios pueden ser grabados con una precisión

razonable. La ausencia de anillos deslizantes "en el circuito C.C. evita

problemas de ruido. El medidor de par se calibra fácilmente mediante

la inserción de una barra de bloqueo y una barra de torsión en los

pernos de los acoplamientos y mediante el uso de una balanza de

resorte.

Cuando la máquina generalizada está en funcionamiento como

máquina síncrona de C.A. El ángulo de la carga es observado por un

33

estroboscopio: una lámpara, la escala y cuatro flechas de rotación de

un disco fijado al rotor, están disponibles en el extremo de la máquina

generalizada acoplada al medidor de par y a la máquina de carga.

El rotor de la máquina generalizada puede ser fijado en diferentes

posiciones, al gira una rueda de mano de manera que los devanados

del rotor se encentren en cualquier ángulo deseado para los

devanados del estator. El ángulo se indica en la escala del

estroboscopio por una de las flechas (marcadas). Esta actividad es útil

en estudios relacionados con la inductancia mutua, respecto al ángulo

de los devanados, y el torque del ángulo entre devanados excitados.

La máquina de C.C. que se utiliza para la conducción o la carga de la

máquina generalizada, es de diseño convencional. Un devanado de

serie reversible está incluido y es a menudo útil para mejorar la

estabilidad, cuando la carga de una máquina generalizada está

conectada. Es útil para obtener un registro continuo del ángulo de

carga durante el funcionamiento sincrónico de la máquina

generalizada, incluyendo los períodos de pérdida de sincronismo y el

volver a sincronizar. Un pequeño motor de corriente continua con

reductor derivado acciona el engranaje continuamente giratorio de

escobillas, la velocidad se indica mediante un generador de tacómetro

de C.C.

El propósito principal de la máquina educativa generalizada es el de

estudiar los fundamentos de conversión de la energía electromecánica

y en segundo lugar, es para ilustrar los fundamentos básicos al

funcionar en varios modos, como los diferentes tipos de máquinas

eléctricas. Sin embargo, sí su rendimiento debe ser característico es

una ventaja evidente, en particular para un trabajo más avanzado en

sus varias configuraciones, tal vez utilizando los recursos

proporcionados para el estudio de la operación en condiciones

transitorias.

Los arreglos de máquinas rotatorias que se pueden realizar con las

maquinas generalizadas son diversos tanto en C.C. como para C.A.

34

En la figura 2.10. Se muestran los diversos arreglos que se pueden

obtener con la máquina generalizada AEI. [9]

Figura 2.10. Arreglos para el funcionamiento de la maquina generalizada AEI. [9]

35

Figura 2.10´.Arreglos para el funcionamiento de la maquina generalizada AEI.

36

Los siguientes cuatro arreglos se pueden hacer con las dos máquinas

generalizadas (AEI y Mawdsley) para cuatro y dos polos

respectivamente [9].

Figura 2.11. Arreglos para maquinas generalizadas AEI y Mawdsley (síncronas y asíncronas)

37

2.5. Especificaciones y características de las maquinas

generalizadas Mawdsley y AEI.

Como es de esperarse, también en las máquinas generalizadas nos

encontramos con limitaciones en su utilidad ya que cuentan con una

construcción y diseño especifico.

A continuación en la siguiente tabla mostramos las características y

especificaciones con las que cuenta cada una de ellas. [9]

Tabla 2.1. Características y especificaciones de las máquinas generalizadas AEI, Mawdsley Maquinas Generalizadas

Devanados

Estator Rotor

AEI Mawdsley AEI Mawdsley N° de polos 4 2 y 4 4 2 y 4

Tipo 2 fases /2ejes,

distribuido

Doble capa 48 bobinas

separadas con 96

terminales 2-3Ø

3 fases

estrella

Ondulado

cerrado

Imbricado cerrado

N° de ranuras 32 48 24 36

Paso de

bobina

75% 100% 83.3% 100% 100%

N° de

circuitos en

paralelo

1,2,4 Seleccionar 1 2 2,4

Resistencia

ohmica en frio

0.21Ω(4 secciones en

serie)

0.47Ω/fase 0.10Ω

Inductancia

total

0.027H (4 secciones en

serie)

33 Henries por eje 0.10H/fase 0.0054H 0.058H (Taps a 180

eléctricos)

Corriente

continua

27 amperes/sección 14A 45A 18 A

Voltaje en

C.C.

60v-1500

RPM

90v-2500 RPM

Voltaje a 50

c/s

21 volts/sección 220/250 volts fase (3

fases en delta)

220V 40V

Devanados

auxiliares

No cuenta No cuenta No cuenta No cuenta

Bobinas

exploratorias

5 conductores

exploratorios

espaciados desde un

paso de ranura, hasta

un paso polar.

Conductores

exploratorios en la parte

superior de las ranuras 1,

7, 9, 12 y 13

constituyendo varias

bobinas de paso variable.

Conductor exploratorio Conductores

exploratorios

formando bobinas de

paso variable en las

ranuras 1, 2, 7, 11.

39

Capítulo 3.- Diagramas y Pruebas Eléctricas

Proporcionadas de las Máquinas Generalizadas

Mawdsley y AEI

Este capítulo muestra los diagramas eléctricos y esquemáticos, así

como los resultados esperados, límites y recomendaciones por parte

del fabricante para realizar de manera segura las pruebas en la

máquina generalizada Mawdsley.

Claro está que estos límites están diseñados para una alimentación de

50 Hz. Por lo que los resultados de las pruebas diferirán en proporción

a nuestro sistema de generación eléctrica de 60 Hz.

En los siguientes sub-capítulos, se muestran las características de

cada prueba, así como los resultados especificados, diagramas y

esquemas de conexión, por lo que el fabricante sugiere la forma de

cómo realizar las pruebas, tomando sus límites y alcances.

3.1. Diagrama y resultados especificados de las pruebas

realizadas en la máquina Mawdsley como motor de inducción de 2

polos con conexión doble delta con bobinas en paralelo

- Datos específicos para la práctica [4]

Suministros

3-P fases. 200-240 V, 30 A, 50-60 c.p.s. Valores de línea.

*Para la máquina de trabajo en corriente continua ver la página 14 del

manual del estudiante [3].

Equipo a utilizar

Regulador de tensión 3-P fases. 0-200, 240V, 8A., como se muestra

en la figura 3.1.

Resistencia del rotor como se muestra en la figura 3.1.

40

Para la operación Semi-jaula de ardilla.

Atornillar firmemente el anillo de contra las delgas del conmutador del

rotor de la máquina generalizada Mawdsley. El arranque a plena

tensión es permisible. La velocidad de la máquina se puede controlar

en cualquier valor si la máquina de trabajo de C.C.es auxiliado por un

conjunto Ward Leonard. Un conjunto Ward Leonard, es un banco que

cuenta con máquinas fraccionales, guarda-motores que conjuntamente

sirven para el arranque y control de velocidad de máquinas de C.C. y

C.A. En el Laboratorio Pesado II de la ESIME Zacatenco se cuenta

con varios conjuntos en el laboratorio de máquinas fraccionales, pero,

específicamente en laboratorio de la sección de graduados (donde se

encuentran las máquinas generalizadas), no se cuenta con éste

conjunto, por lo que la velocidad de la máquina de C.C. se tendrá que

controlar por otros medios, como, variación de velocidad por excitación

separada.

- Experimentos:

Características de carga (Ver resultados en la tabla 3.1).

El efecto de variar la resistencia del circuito del rotor en el arranque,

así como su aceleración, se verán reflejados como aceleración en el

desempeño dinámico de frenado del estator y rotor, los efectos varían

de frecuencia-inducción según sus conexiones.

Instrucciones especiales: Consulte instrucciones generales página14

del manual del estudiante [3].

• Conectar el circuito interno como se muestra en la figura 3.3.

• Conectar circuito externo, como se muestra en la figura 3.4.

• Para una operación semi- jaula de ardilla véase más adelante.

Límites recomendados: La corriente nominal del estator a plena carga

de línea es de 8 A. Este valor puede excederse por periodos cortos de

tiempo.

41

Notas: La operación del rotor. El inicio a plena tensión con rotor en

corto circuito se debe evitar, ya sea de una resistencia de rotor simple,

similar a la especificada en la figura 3.1. O la tensión de alimentación

debe reducirse a 25% del valor nominal.

Figura 3.1. Diagrama para conexión del arrancador para la máquina Mawdsley modo motor de inducción de 2 y 4 polos [4]

42

La tabla 3.1. Muestra los resultados esperados recomendados por el

fabricante, para la prueba del motor de 2 polos de rotor devanado y

semi-jaula de ardilla.

Tabla 3.1. Resultados especificados de las pruebas de la máquina Mawdsley de 2 polos de rotor devanado y semi-jaula de ardilla [4].

Voltaje

de

línea

VL [V]

Corriente

de línea

IL [A]

Potencia

de

entrada

[W]

Factor

de

potencia

Velocidad

R.P.M

Torque

[N/m]

Potencia

[HP]

Eficiencia

[%]

Rotor

devanado

Sin carga 240 2.9 560 .47 2970 0 0 0

Carga

máxima 240 7.7 2920 .91 2860 7.6 3.0 76.6

Rotor

bloqueado 47 7.7 420 .67 0 - 0 0

Semi-

jaula de

ardilla

Sin carga 240 2.35 480 .49 2980 0 0 0

Carga

máxima 240 7.82 3110 .95 2880 7.5 3.03 72.6

Rotor

bloqueado 31 7.82 240 .57 0 - 0 0

Los resultados mostrados en la tabla, fueron concebidos realizando las

pruebas a una frecuencia de 50 Hz.

43

Figura 3.2. Diagrama de conexión en el tablero para motor de 2 polos [4]

44

3.2. Diagrama y resultados especificados de la prueba de la

máquina Mawdsley como motor de inducción de 4 polos,

conexión doble delta con bobinas en paralelo


Suministros




Equipo a utilizar


en la figura 3.3.


Para la operación Semi- jaula de ardilla.

Atornillar firmemente el anillo de cortocircuito al conmutador contra el

colector. El arranque a plena tensión es permisible. La velocidad de la

máquina se puede controlar en cualquier valor si la máquina de trabajo

de C.C. es auxiliada con un conjunto Ward Leonard.

- Experimentos

Características de carga (Ver resultados más adelante).





45

Instrucciones especiales: Consulte Instrucciones Generales pagina14


• Conectar el circuito interno como se muestra en la figura 3.3.

• Conectar circuito externo, como se muestra en la figura 3.4.

• Para una operación semi- jaula de ardilla véase más adelante.

Límites recomendados: La corriente nominal del estator a plena carga

de línea es de 11 A. Este valor puede excederse por periodos cortos

de tiempo.

Notas: La operación del rotor. El inicio a plena tensión con rotor en

cortocircuito se debe evitar, ya sea de una resistencia de rotor simple,

similar a la especificada en la figura 3.1. La tensión de alimentación

debe reducirse al 25% del valor nominal.

La tabla 3.2. Muestra los resultados especificados de la prueba del

motor de 4 polos, recomendados por el fabricante, tanto para motor

rotor devanado y semi-jaula de ardilla.

46

Tabla 3.2. Resultados especificados de las pruebas de la máquina Mawdsley de 4 polos de rotor devanado y semi-jaula de ardilla [4]

Voltaje

de

línea

VL [V]

Corriente

de línea

IL [A]

Potencia

de

entrada

W!+W2

[W]

Factor

de

potencia

Velocidad

R.P.M

Torque

[N/m]

Potencia

[HP]

Eficiencia

[%]

Rotor

devanado

Sin carga 240 4.2 340 .195 1494 0 0 0

Carga

máxima 240 8.2 2600 .765 1380 15 2.9 83

Rotor

bloqueado 53.5 8.2 400 .53 0 2 0 0

Semi-

jaula de

ardilla

Sin carga 240 4.1 375 .22 1495 0 0 0

Carga

máxima 240 10.3 3500 .82 1435 20 4.03 85.9

Rotor

bloqueado 53.5 10.3 420 .44 0 1 0 0

*Los resultados mostrados en la tabla, fueron realizados bajo pruebas

a una frecuencia de 50 Hz.

47


48

3.3. Diagramas y resultados especificados de la máquina

Mawdsley como motor de 6, 10, 12 y 14 polos, conexión doble

delta con bobinas en serie


Suministros




Equipo a utilizar


en la figura 3.5.


Para la operación Semi-jaula de ardilla.

Atornillar firmemente el anillo de cortocircuito al conmutador contra el

colector. El arranque a plena tensión es permisible. La velocidad de la

máquina se puede controlar en cualquier valor si la máquina de trabajo

de C.C. se suministra con un conjunto Ward Leonard.

- Experimentos

Características de carga (ver resultados más adelante).





Límites recomendados

En los modos que implican un alto número de polos, se debe prestar

especial atención a la temperatura de funcionamiento de la máquina.

49

La temperatura de los devanados del estator no debe exceder los

110º C, medido por el termopar.

Instrucciones especiales: Consulte Instrucciones Generales página14


Conectar el circuito interno como se muestra en la figura 3.5., 3.6.,

3.7., y 3.8., para 6, 10 12 y 14 polos respectivamente.

Conectar circuito externo como se muestra en la figura 3.5.Atornillar

firmemente el anillo cortacircuitos al conmutador.

Notas: Directo en la línea de salida se permite en cada caso. La

velocidad del conjunto se puede realizar en cualquier valor, si la

máquina de trabajo de C.C.es suministra desde un conjunto Ward-

Leonard. Estos números de polos funcionales por polo y por fase de

disposición de bobinado, y las agrupaciones de bobina que se

muestran en los diagramas de conexión internos han sido elegidos

para dar una buena distribución de f.m.m. Otras disposiciones se

pueden idear pero en cada caso el diagrama debe obtenerse antes de

la conexión de la máquina.

La tabla 3.3., muestra los resultados especificados de la pruebas de,

los motores de 6, 10, 12 y 14 polos recomendados por el fabricante

para motores semi-jaula de ardilla.

50

Tabla 3.3. Resultados especificados de las pruebas de la máquina Mawdsley de 6, 10, 12 y 14 polos semi-jaula de ardilla [4]

Voltaje

de

línea

VL [V]

Corriente

de línea IL

[A]

Potencia

de

entrada

W1+W2

[W]

Factor

de

potencia

Velocidad

R.P.M

Torque

[N/m]

Potencia

[HP]

Eficiencia

[%]

6 polos

Sin

carga 240 4.6 350 .18 995 0 0 0

Carga

máxima 240 5.2 1095 .51 965 7.4 1 68

10

Polos

Sin

carga 180 10.2 1000 .32 596 0 0 0

Carga

máxima 180 10 1600 .51 513 13.9 1 47

12

Polos

Sin

carga 240 11.8 1300 .27 497 0 0 0

Carga

máxima 240 11.4 2050 .43 465 14.3 .93 34

14

Polos

Sin

carga 140 11.5 1200 .43 423 0 0 0

Carga

máxima 140 11.3 1450 .53 333 10.7 .50 26

*Los resultados mostrados en la tabla, fueron realizados bajo

pruebas a una frecuencia de 50 Hz.

51


52


53


54

Figura 3.8. Diagrama de conexión en el tablero para motor 14 polos [4]

55

3.4. Diagrama distribuido de la prueba de doble delta para la

conexión de las bobinas en paralelo, 2 polos, Máquina Mawdsley.

A continuación se específica la configuración del devanado del estator

de la prueba de doble delta con bobinas en paralelo, 2 polos, máquina

generalizada Mawdsley. También se explica la conexión y se

proporciona el esquema para su fácil entendimiento.

Figura 3.9. Diagrama de distribución para la conexión de doble delta con bobinas en paralelo, 2 polos, máquina Mawdsley.

56

Figura 3.10. Analogía de la formación de polos, de un motor monofásico de fase partida de 4 polos.

En la figura 3.10.Se observa cómo es que se forman los polos en una

máquina monofásica, de tal manera que se tiene en la primer bobina

de izquierda a derecha, y suponiendo que todos los arrollamiento son

hacia el mismo sentido, en este caso sentido horario“ ”, la corriente ”,

entra por inicio formando de esta manera un polo norte “N”, mientras

que en la segunda bobina la corriente “ ”entra por final y sale por

inicio, formando un polo sur “S” y así sucesivamente. En este ejemplo,

vemos que es un arrollamiento para 4 polos.

Conociendo esto, se puede entender la configuración de las deltas en

paralelo, serie y de cualquier máquina, ya que esto es fundamental

para el adecuado funcionamiento de cualquier máquina rotatoria.

Como demostración del cumplimiento de lo anterior, se observa en la

figura 3.13. para la fase 1 “F1” que, teniendo en cuenta que los bornes

marcados con los números 1 y 25 son los inicios de bobina y los

bornes marcados con los números 20 y 44 son los finales de bobina,

para sus respectivas bobinas. Se observa que la corriente entra para

la bobina superior en el borne “1” formando así un polo norte, mientras

que en la bobina inferior la corriente entra por el borne “44” formando

así un polo sur cumpliendo con el apartado anterior y de esta manera

alternando el campo magnético giratorio.

57

Figura 3.11 Diagrama sintetizado para la conexión de doble delta con bobinas en paralelo, 2 polos, máquina Mawdsley.

La figura3.12. Es un diagrama sintetizado de la figura 3.11., y se

puede observar mejor la conexión de las deltas.

Figura 3.12. Diagrama distribuido del diagrama sintetizado conexión de doble delta con bobinas en paralelo, 2 polos, máquina Mawdsley.

58

La figura, 3.13., muestra de manera horizontal la conexión para la

doble delta con bobinas en paralelo. 2 polos, de esta manera se

aprecian de manera adecuada la alimentación y la conexión.

Figura 3.13.Analogíade la figura 3.12.

También, de manera convencional, se muestra en la figura 3.13., la

representación de la doble delta con el arreglo de bobinas en paralelo.

59

3.5. Diagramas utilizados para las pruebas en la máquina

generalizada AEI como motor de inducción

La figura siguiente, muestra la conexión de la máquina AEI para la

prueba con carga con los devanados en ejes directo y cuadratura

cerrados.

Figura 3.14. Diagrama de conexión para el motor de inducción AEI de rotor devanado con bobinas en cuadratura.

60

La figura siguiente, muestra la conexión de la máquina AEI para la

prueba con carga con uno de los devanados en eje abierto para la

medición de voltaje y el otro cerrado para la medición corriente

Figura 3.15. Diagrama de conexión para motor de inducción AEI

61

Capítulo 4.-Variables eléctricas obtenidas de las

máquinas generalizadas Mawdsley conexión delta

y AEI conexión estrella.

En este capítulo se expondrán los resultados de las prueba realizadas

en la máquina generalizada Mawdsley y AEI, funcionando como motor

de inducción de rotor devanado y semi-jaula de ardilla para la máquina

Mawdsley, para la máquina AEI funcionando como motor de inducción

de rotor devanado con bobinas en cuadratura. Se expondrán solo

unas cuantas curvas extraídas del analizador de potencia trifásico

“Power PAD” como ilustración de las pruebas, sus consecuentes

resultados de las pruebas se vaciaran en tablas para el mejor manejo

de la información.

Estas pruebas, se realizaron de la siguiente manera:

1. Prueba en vacío; en estos experimento se arrancó la máquina

como rotor devanado y después como semi-jaula de ardilla, de

acuerdo a la configuración recomendada en el manual de la máquina

[3 y 4], asimismo se tomaron las lecturas arrojadas para compararlas

con los resultados esperados según el manual [3 y 4]. Las pruebas de

rotor devanado y semi-jaula de ardilla solo se realizaron en la prueba 4

polos, y en la prueba de 2 polos se trabajó únicamente como rotor

devanado, las pruebas de 6, 10 y 12 polos se trabajaron únicamente

como semi-jaula de ardilla.

2. Prueba con carga; en estos experimentos, una vez terminada la

prueba de vacío o carga mínima, en cada prueba según su número de

polos, se le fue agregando carga, basándose en el manual de la

máquina, para de esta manera no dañar la máquina [3 y 4].

62

4.1. Pruebas en la máquina generalizada Mawdsley como motor

de inducción

4.1.1. Resultados para la configuración en 2 polos

4.1.1.1 Pruebas de rotor bloqueado y en vacío, máquina generalizada Mawdsley, 2

polos con conexión doble delta con bobinas en paralelo.

Las siguientes tablas muestran los resultados de las pruebas de rotor

bloqueado y operación en vacío respectivamente

Tabla 4.1. Prueba de rotor bloqueado, máquina Mawdsley, 2 polos Posición Tensión L-L

[V]

Corriente

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Frecuencia

[Hz]

[F.P.]

1 10.218 2.857 24 43 51 60 0

2 15.870 4.445 57 107 123 60 0

3 22.041 6.370 11 211 240 60 0

4 27.979 8.276 185 353 401 60 0

5 28.850 8.540 193 368 418 60 0

Los datos de ésta tabla muestran los valores de una fase, ya que es

un sistema balanceado, en caso de encontrarse alguna discrepancia o

situación se anotara y denotara para su análisis.

63

Figura 4.1. Resultados de la prueba con rotor bloqueado, máquina generalizada Mawdsley, 2 polos

Tabla 4.2. Prueba operando en vacío, máquina Mawdsley, 2 polos Posición Tensión L-L

[V]

Corriente

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Frecuencia

[Hz]

[F.P.]

1 20.616 5.952 99 187 214 60 .435

2 56.764 17.176 391 150 419 60 .592

3 96.908 2.722 395 192 440 60 .898

4 137.613 2.386 426 344 549 60 .777

5 178.135 2.302 466 568 736 60 .632

6 216.949 2.643 510 874 1013 60 .507

7 240.956 2.812 537 1084 1213 60 .447




0

5

10

15

20

25

30

35

2.857 4.445 6.37 8.276 8.54

Vo

lts

Tensión vs Corriente

A

64

Figura 4.2. Resultados operando en vacío máquina generalizada Mawdsley, 2 polos

0

50

100

150

200

250

300

5.952 17.176 2.722 2.386 2.302 2.643 2.812

Vo

lts


A

65

4.1.1.2. Prueba de vacío de la máquina generalizada Mawdsley, funcionando como

motor de inducción de rotor devanado de 2 polos, conexión doble delta con

bobinas en paralelo, en estado permanente.

La figura 4.3., muestra las formas de onda de tensión de fase, así

como las curvas de armónicas y el diagrama fasorial de

desplazamiento de ángulo trifásico.


66

La figura 4.4., muestra las formas de onda de tensión de línea, así




67

La figura 4.5., muestra las formas de onda de corriente de línea, así



Figura 4.5. Formas de onda, de corriente de línea pico a pico, armónicas y diagrama fasorial trifásico.

68

4.1.1.3. Prueba con carga máxima de la máquina generalizada Mawdsley,

conexión doble delta con bobinas en paralelo funcionando en estado permanente,

2 polos.





69





70





71

La siguiente tabla, muestra los resultados obtenidos en el estator de la

máquina generalizada Mawdsley, de la prueba desde el vacío hasta

una carga máxima, dos polos en estado permanente.

Tabla 4.3. Resultados de la prueba de vacío hasta una carga máxima de 8 A, 2 polos de rotor devanado.

Lecturas de estator de la máquina Lecturas

máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V] Iarm [A]

Vacio 128.55 220.54 2.85 463 931.6 1041 3560 .444 0 0

Carga 1 A 128.50 221.96 3.15 684 935.9 1161 3520 .589 214.7 0.64

Carga 3 A 128.20 221.30 4.1 1086 969 1457 3500 .746 213.7 2.15

Carga 6 A 127.45 219.60 5.17 1742 1064 2042 3450 .853 211.9 4.34

Carga 7 A 127.60 220.03 6.1 2030 1122 2320 3410 .875 218.4 5.29

Carga 8 A 127.50 219.54 6.79 2303 1187 2590 3390 .889 220.6 6.07

72


4.1.2.1. Prueba al vacío en la máquina generalizada Mawdsley conexión doble

delta con bobinas en paralelo, funcionando como motor de inducción de rotor

devanado en estado permanente, de 4 polos.





73





74

La figura 4.11., muestra las formas de onda de corriente de fase, así




75

4.1.2.2. Prueba con carga 4 A en la máquina generalizada Mawdsley conexión

doble delta con bobinas en paralelo, funcionando como motor de inducción semi-

jaula de ardilla en estado permanente, 4 polos.

La figura 4.12, muestra las formas de onda de tensión de fase, así




76





77





78

En la tabla 4.4.muestra los resultados obtenidos en el estator de la


carga máxima de cuatro polos en estado permanente, de rotor

devanado. Mientras que la tabla 4.5., muestra los resultados pero

como semi-jaula de ardilla.

Tabla 4.4. Resultados de la prueba de vacío hasta carga máxima de 4A, rotor devanado 4 polos.


máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 129.18 223.04 4.75 268.6 1850 1869 1760 .143 15.07 .19

Carga 2 A 129.51 223.65 5.23 678.9 1859 1979 1720 .343 211.4 1.40

Carga 4 A 128.65 222.01 5.83 1078 2148 2403 1600 .448 211.3 2.85

79

Tabla 4.5. Resultados de la prueba de vacío hasta carga máxima de 4A, semi-jaula de ardilla 4 polos.


máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 129.18 222.4 4.83 262.8 1833 1853 1780 .141 13.9 .17

Carga 2 A 128.79 221.91 5.13 668.3 1825 1945 1780 .344 209.9 1.38

Carga 4 A 128.87 221.96 5.52 1090 1861 2157 1780 .505 215.9 2.91

Carga 6 A 128.44 221.40 6.21 1515 1894 2426 1780 .624 215.6 4.43

Carga 8 A 127.8 220.61 7.44 1961 1961 2773 1780 .707 216.6 5.93

Carga 10 A 127.74 220.46 8.61 2393 2029 3137 1720 .762 215.1 7.41

Carga 12 A 126.97 219.32 9.34 2892 2142 3599 1710 .804 215.8 8.93

80


4.1.3.1. Prueba en vacío de la máquina generalizada Mawdsley conexión doble

delta con bobinas en serie funcionando como motor de inducción semi-jaula de

ardilla en estado permanente, de 6 polos.





81





82





83

4.1.3.2. Prueba con carga de 10 A en la máquina generalizada Mawdsley conexión

doble delta con bobinas en serie funcionando como motor de inducción semi-jaula

de ardilla en estado permanente, 6 polos.





84





85





86

En la tabla 4.6., muestra los resultados obtenidos en el estator de la

máquina generalizada Mawdsley, de la prueba desde el vacio hasta

carga máxima de 6 polos en estado permanente, semi-jaula de ardilla.

Asimismo, se acentúa que la prueba fue realizada con una tensión de

armadura de 110 V, ya que la fuente existente en el laboratorio, no

tenía el alcance suficiente para excitar el campo de la máquina de

C.C. y obtener 220 V.

Tabla 4.6. Resultados de la prueba de vacío hasta una carga máxima de 10 A, semi-jaula de ardilla, 6 polos.


máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 125.90 218.49 4.85 267.5 1856 1876 1250 .142 7.42 0.21

Carga 2 A 125.81 218.36 5.01 384.4 1858 1898 1175 .202 107.43 0.93

Carga 4 A 125.89 218.47 4.92 481.3 1846 1908 1175 .252 107.4 1.71

Carga 6 A 125.71 218.30 5.23 593.8 1844 1937 1160 .306 108.8 2.44

Carga 8 A 126.16 218.80 5.29 707.8 1847 1979 1160 .357 108.7 3.20

Carga 10 A 126.31 219.22 5.39 817.7 1856 2028 1150 .403 107.8 3.91

*En esta prueba, la máquina de carga en sus bornes de armadura se

trabajó con 110 V, ya que la fuente de regulación no alcanzaba para

excitar lo suficiente el campo de la máquina de C.C. por lo que los

resultados podrán parecer incongruentes respecto a los resultados

esperados propuestos por el fabricante.

87


4.1.4.1. Prueba en vacío, de la máquina generalizada Mawdsley, conexión doble

delta con bobinas en serie, funcionando como motor de inducción semi-jaula de

ardilla en estado permanente, 10 polos.





88





89





90

La tabla 4.7., muestra los resultados obtenidos en el estator de la

máquina generalizada Mawdsley, de la prueba en vacío en estado

permanente, 10 polos, ya que la corriente de arranque era demasiado

alta como para trabajarla en estado permanente.

Tabla 4.7. Resultados de la prueba en vacío, semi-jaula de ardilla, de 10 polos Lecturas de estator de la máquina Lecturas

máquina

de carga de

C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 125.24 217.30 20.39 2417 7196 7591 710 .318 13.5 0.17

*Únicamente se realizó la prueba de vacío, ya que la corriente es

demasiada alta como para someterla a esfuerzos de carga por

relativamente largos periodos de tiempo.

91


4.1.5.1. Prueba en vacío en la máquina generalizada Mawdsley, conexión doble

delta con bobinas en serie, funcionando como motor de inducción semi-jaula de

ardilla en estado permanente, de 12 polos.





92





93





94

4.1.5.2. Prueba con carga de 18 A en la máquina generalizada Mawdsley, conexión

doble delta con bobinas en serie, funcionando como motor de inducción semi-

jaula de ardilla en estado permanente, de 12 polos.





95





96





97

En la tabla 4.8., muestra los resultados obtenidos en el estator de la


carga máxima en estado permanente semi-jaula de ardilla de 12 polos.

Asimismo, se acentúa que la prueba fue realizada con una tensión de

armadura de 50 V, ya que la fuente existente en el laboratorio, no

tenía el alcance suficiente para excitar el campo de la máquina de

C.C. y obtener 220 V.

Tabla 4.8. Resultados de la prueba en vacío hasta una carga máxima de 18 A semi-jaula de ardilla de 12 polos.


máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 125.14 217.00 12.24 865.4 4496 4578 600 .189 6.63 0.19

Carga 4 A 124.96 216.73 12.11 956.9 4446 4548 600 .210 47.49 0.81

Carga 8 A 125.35 217.39 12.19 1009 4443 4556 580 .221 48.51 1.50

Carga 12 A 124.91 216.73 11.98 1060 4393 4519 575 .234 48.50 2.16

Carga 18 A 125.43 217.60 11.92 1143 4400 4546 575 .251 48.12 3.19

*Estas pruebas se realizaron con una tensión de armadura de 50 V. La

prueba de 14 polos no se realizo ya que utilizaba mucha corriente en

el arranque a su velocidad nominal.

98

4.1.6. Resultados para la configuración en 2 polos con bobinas de

búsqueda en el estator.

4.1.6.1 Prueba en vacío de la máquina generalizada Mawdsley, conexión doble

delta con bobinas en paralelo, funcionando como motor de inducción semi-jaula


Prueba realizada en las bobinas de búsqueda del estator, con

conexión serie de las bobinas, ranuras 1-13.

La figura 4.30., muestra la curva de tensión y armónicas monofásico.

Figura 4.30. Formas de onda, de voltaje por fase pico a pico, armónicas y diagrama fasorial monofásico.

99

4.1.6.2. Prueba en vacío de la máquina generalizada Mawdsley, conexión doble

delta con bobinas en paralelo, funcionando como motor de inducción semi-jaula


Prueba realizada en las bobinas de búsqueda del estator, con

conexión paralelo de las bobinas, ranuras 1-13.

La figura 4.31., muestra la curva de tensión y armónicas monofásico.


100

4.1.7. Análisis de resultados de la máquina generalizada

Mawdsley

La máquina generalizada Mawdsley, es una herramienta importante

para el entendimiento, estudio y experimentación de las máquinas

rotatorias. Además de su versatilidad, la máquina Mawdsley posee un

diseño que permite un entendimiento intuitivo debido a su completa

exposición de terminales de conexión.

En las pruebas anteriormente realizadas, los resultados son

consistentes, asimismo se puede observar que, por su diseño robusto,

soporta corrientes relativamente grandes por mayor tiempo que las

máquinas convencionales.

En cuanto armónicas; observando las lecturas del analizador de

potencia trifásico (PowerPAD), se puede comprobar lo que los

diferentes libros de diseño y estudio de las máquinas arrojan en

cuanto a la respuesta y funcionabilidad de la máquina, la cual

responde ante estas.

La potencia; Como se observa en el apéndice B de las características

de la máquina, puede dar un poco más del diseño, por su diseño

robusto mencionado anteriormente.

En las figuras 4.30., y 4.31., se muestra la forma de onda de las

bobinas de búsqueda conectados en serie y luego en paralelo

respectivamente. Por lo que observamos que la forma de onda en la

conexión serie, se asemeja más a una curva sinusoidal. Mientras que

en paralelo parece más una curva cuadrada. En cuanto a las

armónicas, la conexión serie tiene menos comparadas en magnitud y

cantidad, lo que hace concluir que la distribución se hace uniforme en

todo el estator.

101

4.2. Pruebas en la máquina generalizada AEI como motor de

inducción

4.2.1. Resultados para la configuración en 4 polos como motor de

inducción de rotor devanado con bobinas en cuadratura en

estado permanente.

4.2.1.1. Resultados de las pruebas de rotor bloqueado y en vacío, conexión serie

de las bobinas H y J en cuadratura, funcionando

En la tabla 4.9 y 4.10 muestran los valores obtenidos en la prueba al

vacío y con rotor bloqueado [9]

Tabla 4.9. Prueba en vacío máquina AEI A1

Amps

A2

Amps

A3

Amps

A4

Amps

A5

Amps

W1

Watts

W2

Watts

V

Volts

T periodo

m seg.

S desplazamiento

R.P.M.

3.4 3.3 3.4 1.7 1.7 200 480 220 33.5 1791.00

3.1 2.9 3.0 1.9 1.9 160 400 200 33.55 1788.37

2.7 2.6 2.75 2.1 2.1 120 320 180 33.60 1785.71

2.4 2.3 2.45 2.1 2.2 90 280 160 33.65 1783.06

2.1 2.1 2.20 2.1 2.1 40 220 140 33.75 1777.77

1.95 1.9 2.00 2.1 2.15 0 200 120 33.85 1772.52

1.9 1.75 1.8 2.4 2.4 40 180 100 33.95 1767.30

1.8 1.7 1.75 2.8 2.8 80 184 80 34.35 1746.72

1.85 1.9 1.90 3.7 3.7 120 200 60 35.30 1699.71

2.85 2.95 3.00 6.6 6.6 140 220 40 39.50 1515.15

Los datos de esta tabla muestran los valores para trazar las curvas de

vacío.

102

Tabla 4.10. Prueba de rotor bloqueado máquina AEI [9]

Estator Rotor

Varm

L-L

Varm

calc

A1 A2 A3 Afcalc ω1 ω2 ωf calc A4 A5 Af calc Temp

°C

10 5.77 1.60 1.6 1.6 1.60 0 10 3.33 3.60 4.00 3.80 20.5

20 11.54 3.00 3.20 3.3 3.16 0 50 16.66 7.20 7.60 7.40 20.5

30 17.32 4.80 5.00 5.0 4.93 0 120 40.00 10.80 11.60 11.20 20.5

40 23.09 6.42 6.60 6.7 6.53 0 220 73.33 14.44 14.84 14.64 20.5

50 28.86 8.00 8.38 8.4 8.26 0 360 120.00 18.40 18.80 18.60 20.5

60 34.64 9.90 10.00 10.2 10.03 0 520 173.33 22.40 22.76 22.58 20.5

66 38.10 10.70 11.00 11.2 10.96 0 630 210.00 24.00 25.00 24.50 20.5

70 40.10 11.40 11.60 11.8 11.60 0 700 233.33 26.00 26.40 26.20 20.5

Los datos de esta tabla muestran los valores para trazar las curvas de

rotor bloqueado

103

4.2.1.2. Resultado de la prueba en vacío con conexión de las bobinas “J” en serie,

midiendo tensión en las terminales de “H” y corriente en “J”.

En la tabla 4.11., muestra los resultados en el lado de la alimentación

de la máquina AEI, mientras que en la 4.12., se muestran las

mediciones de tensión y corriente en el rotor, que en la máquina AEI

supone una ventaja respecto a la máquina Mawdsley, ya que en la

máquina Mawdsely se prestó especial atención en el estator y en la

máquina AEI en el rotor.

De la misma manera en las tablas 4.11., y 4.12., se aprecian las

curvas de tensión y corriente, pero nos llama la atención el

comportamiento de las armónicas en el rotor, ya que para la tensión se

aprecian más los pares y para la corriente se observa más actividad

en las impares

Tabla 4.11. Resultados de la prueba al vacío en la máquina AEI de 4 polos midiendo voltaje y corriente de entrada


máquina

de carga

de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 127.05 217.86 8.79 412.91 3089 3118 909 .132 0 0

104

Tabla 4.12. Resultados de la prueba al vacío en la máquina AEI de 4 polos midiendo voltaje y corriente en el rotor

Lecturas de rotor de la máquina Lecturas

máquina

de carga

de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 64.63 - 17.94 1269 207.3 1285 900.8 .987 0 0

* midiendo tensión en los bornes de “H” y corriente en “J”.

105

4.2.1.3. Resultado de la prueba en vacío con conexión de las bobinas “J” y “H” en

serie cada arreglo.





106





107





108

4.2.1.4. Resultado de la prueba con carga de 19 A, con conexión de las bobinas “J” y

“H” en serie.





109





110





111

En la tabla 4.13., se aprecian los resultados de la prueba en vacío

hasta una carga máxima en la máquina AEI de 4 polos, pero cabe

señalar que en las curvas obtenidas, mientras se le suministra más

carga, las curvas se van componiendo, queriendo decir que hay

menos efecto de las armónicas.

Tabla 4.13. Resultados de la prueba en vacío hasta una carga máxima de 19 A en la máquina AEI semi-jaula de ardilla de 4 polos.


máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 127.21 218.12 3.27 338.1 1198 1245 1789 .271 0 0

Carga 2 A 127.03 217.61 3.89 804.5 1223 1464 1778 .549 214.2 1.21

Carga 6 A 127.08 217.84 5.32 1502 1301 1988 1753 .755 203.5 3.87

Carga 10 A 125.94 215.97 7.56 2384 1512 2823 1717 .844 200.5 6.46

Carga 14 A 125.19 214.68 11.44 3658 2049 4193 1660 .872 203.1 9.36

Carga 19 A 124 212.36 16.46 5143 3067 5989 1570 .858 197.3 12.37

112

4.2.1.5. Resultado de la prueba en vacío con conexión de las bobinas “J” y “H” en

serie. Midiendo en la bobina de búsqueda 1 del estator.


como las curvas de armónicas monofásico.


113

4.2.2. Análisis de resultados de la máquina AEI

En la máquina generalizada AEI se tomó mayor importancia al estudio

de los efectos en el rotor, ya que por su construcción, es diferente a

una máquina convencional, ya que en las máquinas convencionales el

estator se encuentra fijo y el rotor móvil, en la máquina AEI es caso

contrario, el estator es el que gira y el rotor es fijo, ésta característica

es esencial de esta máquina, ya que otros diseños se concentran en el

caso convencional.

Los resultados arrojados, muestran que la capacidad de carga de la

máquina AEI, es mayor que la máquina generalizada Mawdsley,

aunque también el índice de armónicas es mayor en la AEI, por lo

tanto, se observa que la forma de onda se deforma más, ya que se

visualiza una onda deformada y cuadrada en las bobinas de

búsqueda. No obstante su operación, es adecuada en estado

permanente.

Ésta máquina permite observar las variables de corriente y frecuencia

en el rotor durante su operación por su diseño y construcción

115

Capítulo 5.-Pruebas eléctricas propuestas en la,

máquina generalizada Mawdsley, operando como

motor de inducción en conexión estrella.

En este capítulo se puede observar una serie de prácticas realizadas,

con un arreglo de configuración en estrella especialmente para la

maquina generalizada Mawdsley operando como motor de inducción.

5.1. Diagramas utilizados en las prácticas propuestas

En los siguientes diagramas, se muestra las conexiones realizadas en

la máquina generalizada Mawdsley, también se mostraran los

resultados obtenidos. De tal manera que se puedan analizar y

compararlos con máquinas convencionales.

Se muestran de la siguiente manera. En la figura 5.1., se muestra la

conexión de dos estrellas en paralelo, sin neutro aislado que, para

este caso en la prueba fue conectado al caimán de la terminal neutro

“N” del analizador de potencia trifásico eléctricas “Power PAD” en la

terminal 9 de la estrella exterior, para medir armónicas, voltajes y

posibles transitorios.

En la figura 5.2., se muestra la conexión de dos estrellas en paralelo,

similar a la anterior, solo que en este caso, las estrellas comparten un

punto común. Y en la última figura 5.3., se muestra una estrella en

serie. De igual manera que las pruebas anteriores, se mostraran

algunas curvas demostrativas y los demás resultados se mostraran en

tablas, para el mejor manejo de la información.

116

Figura 5.1. Conexión de dos estrella en paralelo, con neutros aislados.

117

Figura 5.2. Conexión de dos estrellas en paralelo con neutro común.

118

Figura 5.3. Conexión de una estrella en serie

119

5.1.1. Diagrama distribuido de la prueba de doble estrella con

neutros aislados para la conexión de las bobinas en paralelo.

Figura 5.4. Diagrama de conexión distribuido, doble estrella con bobinas en paralelo y neutros aislados, 2 polos, máquina Mawdsley.

120

Figura 5.5. Diagrama sintetizado del diagrama desplegado, en el cual se aprecia de una manera más fácil la conexión de doble estrella.

Figura 5.6.Estrellas en paralelo

En la figura 5.6., se muestra de manera horizontal y en orden, la

configuración de la doble estrella con neutros aislados, y aunque

aparece el símbolo de “tierra”, no va aterrizado, se usan para medir

mediante el analizador de potencia trifásico “Power PAD”[10] los

parámetros de neutro, al igual que en todas las pruebas de estrella.

121

Figura 5.7. Se muestra la configuración del estator en un diagrama clásico de dos estrellas en paralelo con neutros aislados.

122

5.2. Experimentos realizados

5.2.1. Pruebas de rotor bloqueado y en vacío, máquina

generalizada Mawdsley de 2 polos, conexión doble estrella con

bobinas en paralelo y neutros aislados.

Las siguientes tablas muestran los resultados de las pruebas de rotor

bloqueado y operación en vacío respectivamente

Tabla 5.1. Prueba de rotor bloqueado máquina Mawdsley Posición Tensión L-L

[V]

Corriente

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Frecuencia

[Hz]

[F.P.]

1 12.040 1.149 12 20 25 60 0

2 33.423 3.213 89 162 186 60 0

3 53.639 5.436 237 440 500 60 0

4 64.392 6.656 352 640 731 60 0

5 84.640 8.918 640 1115 1286 60 0




Figura 5.8. Prueba de operación con rotor bloqueado máquina Mawdsley.

0

20

40

60

80

100

1.149 3.213 5.436 6.656 8.918

Vo

lts

Tensión vs corriente

(A)

123

Tabla 5.2. Prueba de operación en vacío máquina Mawdsley Posición Tensión L-L

[V]

Corriente

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Frecuencia

[Hz]

[F.P.]

1 26.013 2.403 54 94 109 60 .503

2 61.510 6.161 322 578 663 60 .493

3 108.878 1.840 335 121 356 60 .940

4 141.390 1.540 340 145 370 60 .919

5 178.197 1.334 356 203 411 60 .867

6 217.514 1.255 374 287 473 60 .793

7 238.910 1.259 383 342 515 60 .740



situación, se anotara y denotara para su análisis.

Figura 5.9.Prueba de operación en vacío máquina Mawdsley

0

1

2

3

4

5

6

7

26.013 61.51 108.878 141.39 178.197 217.514 238.91

Am

pe

res


(V)

124

5.2.2. Prueba en vacío, máquina generalizada Mawdsley de 2

polos, conexión doble estrella con bobinas en paralelo y neutros

aislados, funcionando como motor de inducción semi-jaula de

ardilla en estado permanente.





125

La figura 5.11., muestra las formas de onda de tensión de línea así




126





127

5.2.3. Prueba con carga de 16 A, máquina generalizada Mawdsley

de 2 polos, conexión doble estrella con bobinas en paralelo y

neutros aislados, funcionando como motor de inducción semi-

jaula de ardilla en estado permanente.





128





129





130

La tabla 5.3., muestra los resultados de la prueba en vacío hasta una

carga máxima, conexión doble estrella con bobinas en paralelo con

neutros aislados de 2 polos, cabe recalcar que de las tres pruebas

propuestas, ésta es la de mejor desempeño, con un mínimo de

armónicas y gran respuesta a la carga en estado permanente.

Tabla 5.3. Resultados de las prueba en vacío hasta una carga máxima de 16 A, conexión doble estrella con bobinas en paralelo con neutros aislados de 2 polos


máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase [V] Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

INeutro

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 128.22 229.79 1.257 .087 378.7 298.4 482.1 3550 .785 20.13 .14

Carga 2 A 127.30 221.26 2.314 .088 786.7 347.7 860.2 3500 .914 212 1.66

Carga 4 A 127.55 221.79 3.466 .084 1230 444.9 1308 3460 .940 216 3.15

Carga 8 A 127.42 221.74 5.881 .073 2072 737.1 2199 3350 .942 207.7 5.84

Carga 16 A 125.52 218.73 12.43 .079 4104 2353 4731 2970 .867 184.9 10.28

*La I de neutro se midió en la terminal 9 de la estrella del anillo

exterior.

131

5.2.4. Prueba en vacío, máquina generalizada Mawdsley, de 2

polos, conexión doble estrella con bobinas en paralelo con neutro

común, funcionando como motor de inducción semi-jaula de

ardilla en estado permanente.





132





133




Figura 5.18. Formas de onda, de Corriente de línea pico a pico, armónicas y diagrama fasorial trifásico.

134

5.2.5. Prueba con carga de 16 A, máquina generalizada Mawdsley

de 2 polos, conexión doble estrella con bobinas en paralelo con

neutro común, funcionando como motor de inducción semi-jaula

de ardilla en estado permanente.





135





136





137

La tabla, 5.4., muestra los resultados de la prueba en vacío hasta una

carga máxima, conexión doble estrella con bobinas en paralelo y

neutro común de 2 polos, en esta prueba, a pesar de que se supone

que la tierra debe de ir aterrizada, no es recomendable hacerlo y mejor

medir los parámetros de neutro.

Tabla 5.4. Resultados de las pruebas en vacío hasta una carga máxima de 16 A, conexión doble estrella con bobinas en paralelo con neutro común, 2 polos

Lecturas de estator de la máquina

Lecturas

máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

INeutro

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 127.50 221.19 1.288 .086 396.8 300.7 498 3525 .797 29.91 .17

Carga 2 A 127.54 221.85 2.384 .085 811.5 354.4 885.6 3500 .916 210.4 1.64

Carga 4 A 126.92 220.52 3.485 .082 1233 444.8 1310 3475 .940 213.9 3.11

Carga 8 A 127.02 220.70 6.099 .070 2131 768.5 2266 3450 .941 208.9 5.95

Carga 16 A 125.89 218.30 12.452 .078 4039 2279 4638 2990 .871 185.4 10.42

138

5.2.6. Prueba en vacío, máquina generalizada Mawdsley de 2

polos, conexión doble estrella con bobinas en serie, funcionando

como motor de inducción semi-jaula de ardilla en estado

permanente,





139





140





141

5.2.7 Prueba con carga de 4 A. máquina generalizada Mawdsley

de 2 polos, conexión doble estrella con bobinas en serie,

funcionando como motor de inducción semi-jaula de ardilla en

estado permanente.





142





143





144

La tabla, 5.5., muestra los resultados de la prueba en vacío hasta una

carga máxima, conexión doble estrella con bobinas en serie de 2

polos, ésta conexión se comporta de manera errática con carga, en el

arranque se comporta de manera suave, pero, con carga, no puede

compensar el aumento de esta, ya que se empieza a frenar e intentar

compensar el aumento de carga con el aumento de corriente, lo cual

es una mala señal del comportamiento de esta conexión en estado

permanente.

Tabla 5.5. Resultados de las pruebas en vacío hasta una carga máxima de 4 A, conexión doble estrella con bobinas en serie, 2 polos


máquina de

carga de C.C.

Prueba Vfase

[V]

Vlinea

[V]

Ilinea

[A]

INeutro

[A]

Potencia

[W]

Potencia

[VAR]

Potencia

[VA]

Velocidad

[RPM] F.P.

Varm

[V]

Iarm

[A]

Vacio 128.57 223.24 .940 .087 336 124 358.2 3425 .938 21.14 .15

Carga 2 A 127.72 221.27 2.327 .089 809.1 385.6 896.3 3175 .902 199.2 1.58

Carga 3 A 127.87 220.66 4.460 .071 1239 1150 1691 2300 .733 167 .87

Carga 4 A 128.51 22.45 5.799 .072 1170 1882 2216 640 .528 49.19 1.93

145

Capítulo 6.-Conclusiones y Recomendaciones

Conclusiones Máquina Mawdsley Conexiones Deltas en

paralelo

Se observa que en las pruebas de la máquina Mawdsley, con

conexiones en deltas paralelo para dos, cuatros, seis, diez, doce y

catorce polos, se tienen tablas de resultados especificados por el

fabricante, en este caso se encuentran en los manuales técnicos y de

operación, así como los diagramas de conexión tanto para rotor

devanado como para semi-jaula de ardilla. Teniendo esto en cuenta, y

haciendo una comparación de los resultados obtenidos y los

resultados especificados, la proporción coincide en las diversas

variables eléctricas, como son la tensión, corriente, y potencia.

Teniendo en cuenta que los resultados proporcionados, fueron

realizados a una frecuencia de 50 Hz y los resultados obtenidos

fueron realizados a una frecuencia de 60 Hz.

También, se concluye que, la proporción se cumple en las variables

eléctricas como son la corriente y tensión fundamentales.

Respecto a otras variables como, las armónicas y la potencia eléctrica,

son variables que se obtuvieron mediante un analizador de potencia

trifásico, de tal manera que se tienen mediciones que no existía en los

manuales de la máquina generalizada Mawdsley que se puede usar

para trabajos futuros.

En cuanto armónicas, se observa que la variable de corriente de

línea, en todas las pruebas de la máquina Mawdsley (2, 4, 6, 10, 12 y

14 polos), es donde se percibe de una manera más clara este

fenómeno, siendo las armónicas primas las que más afectan el

funcionamiento de la máquina, las más recurrentes son las

armónicas de 5, 7, 9, y 13º orden. Sin embargo también se presenten

pero menor recurrencia las armónicas pares como la de 12 y 14º

orden.

146

Un caso especial, es la prueba a las bobinas de búsqueda de la

máquina Mawdsley en el estator, ya que se observa en la figura 4.29

las armónicas de tensión para la prueba en paralelo de las bobinas, en

este caso se observa que las armónicas 3, 5 y 16 orden son las más

notorias pero asimismo en este caso se observa el efecto de las

armónicas hasta el 49º orden.

Conclusiones Máquina AEI

Respecto a las pruebas realizadas con la máquina AEI, al no tener un

manual como tal en existencia, se refirió a trabajos previos realizados.

Las pruebas realizadas en la máquina AEI, pueden tomarse como

pruebas eléctricas propias ya que una de las características de esta

máquina es su diseño de construcción y operación, donde el rotor

que convencionalmente se encontraría en la parte móvil o giratoria, se

encuentra en la parte estática y estator en la parte móvil. De tal

manera que se analizó técnicamente los efectos en el rotor, siendo

poco común ya que se trabajó como rotor devanado y

convencionalmente el rotor en la jaula de ardilla son barras de

aluminio cortocircuitadas por lo que normalmente no se analiza esta

parte.

En cuanto a su funcionamiento, los resultados obtenidos hacen

comprender lo que sucede en una jaula de ardilla (rotor) como son la

corriente inducida, la tensión y la potencia generada en el rotor de la

máquina.

En el caso de las armónicas, las pruebas proporcionan valores

similares a una máquina convencional.

Un caso especial, es la prueba en las bobinas de búsqueda, en los

cuales se observa el efecto de las armónicas, las cuales se aprecian

en la figura 4.36.

147

Conclusiones Máquina Mawdsley Conexiones Estrellas

Paralelo y Serie.

En la primera prueba, la conexión de dos estrellas en paralelo con

neutros aislados, los resultados exponen que es la conexión más

estable de los tres casos (Estrellas en paralelo con neutros aislados,

Estrellas en paralelo con neutro común y Estrellas Serie), también es

la conexión que soporta más carga electrica y conforme aumenta la

carga, la forma de onda se asemeja más a una curva sinusoidal, lo

que demuestra que la conexión estrella en paralelo con neutros

aislados responde mejor a la saturación, sobrecarga y al esfuerzo

eléctrico. De igual manera, ésta conexión mostro menos incidencia de

armónicas de tensión y de corriente, por lo que la deformación de las

ondas de tensión y corriente son mínimas. En cuanto al factor de

potencia, tiene una tendencia de aumento con carga media (8 A),

hasta que con carga máxima (16 A) empieza su saturación con .04 de

factor de potencia respecto al .90 indicado por norma, quedando así

con carga máxima a .86 de factor de potencia, lo que indica una

saturación en el acero, armónicas y pérdidas, llegando así a su límite

de diseño y trabajando a la frecuencia de 60 Hz. No obstante, esta

conexión responde adecuadamente en estado permanente, llegando a

soportar una carga considerable, con calentamiento menor al de

diseño y un buen factor de potencia, indicando así la buena capacidad

de ésta máquina con esta conexión respecto a las otras conexiones de

configuración estrella mencionadas anteriormente.

El segundo caso, la conexión de estrellas en paralelo con neutro

común, muestra una relativa estabilidad, con una marcada tendencia

de las armónicas en magnitud y presencia desde vacío y conforme

aumenta la carga, la curva de corriente mejora, por lo que esta

conexión, tiene una buena respuesta. Esta es una configuración

buena para soportar una carga máxima de 16 A. En cuanto armónicas,

éstas le afectaron más respecto en comparación con la configuración

de dos estrellas en paralelo con neutros aislados, ya que la forma de

onda se deformo más. En cuanto a factor de potencia tuvo un

comportamiento similar a la conexión de dos estrellas en paralelo con

148

neutros aislados, por lo que en su operación en estado permanente

es adecuada.

En la prueba conexión estrella con bobinas en serie, esta funcionó

mal al aumento de carga, ya que prácticamente con 3 A, comenzó a

perder velocidad mientras aumentaba la corriente de carga, ya que

responde muy sensiblemente al aumento de esta, por lo cual esta

conexión no es apta para el funcionamiento en estado permanente.

Ésta configuración es muy sensible, pero el tiempo de arranque es

menor al de estrellas en paralelo, pero esta configuración no es apta

para sobrecarga por lo que no es apta para estudios en estado

permanente.

Recomendaciones

Recomendaciones Generales

• A pesar de ser máquinas semi- cerradas, se recomienda trabajar

con precaución.

• Verificar en el caso de la máquina Mawdsley que, no tenga

colocado el seguro de rotor sí se planea arrancar a plena tensión o

con arrancador.

• En la máquina Mawdsley, el anillo cortacircuito , debe de

moverse golpeando con un martillo de goma y un pequeño cincel, de

sugerencia no metálico, el anillo destinado para este propósito,

golpeando con suavidad y firmeza, para ir rotando el anillo tanto para

apretar como para aflojar.

• En la máquina AEI, no quitar las protecciones del medidor de par

si no se utiliza.

• Verificar en la máquina AEI que no tenga colocado el seguro de

rotor si se planea arrancar a plena tensión o con arrancador.

149

Recomendaciones Técnicas Específicas

Máquina Generalizada Mawdsley

Trabajar bajo normas de seguridad

En las pruebas con estrellas, se recomienda no aterrizar los neutros y

medir los parámetros de neutro.

Verificar el apriete del anillo cortacircuitos, sí se utiliza la máquina por

más de diez minutos, ya que por calentamiento, el anillo se dilata,

provocando falsos contactos o aflojamiento.

Máquina generalizada AEI

Trabajar bajo normas de seguridad

Aterrizar la máquina para la medición de parámetros en las bobinas de

búsqueda.

Recomendaciones para trabajos posteriores

Las máquinas generalizadas, son máquinas que por su diseño,

permiten trabajar prácticamente todos los tipos de máquinas rotatorias

existentes, por lo que su versatilidad solo se ve disminuida por las

características intrínsecas de su diseño y construcción. No obstante,

debido a que la máquina generalizada AEI es de generaciones

anteriores a la máquina generalizada Mawdsley, La máquina AEI se ve

limitada por la versatilidad de esta última, ya que al ser de diseño más

reciente, la máquina Mawdsley permite trabajar con mayor

complejidad, repercutiendo esto en las pruebas realizadas o

propuestas.

Se recomienda realizar las pruebas de C.A. máquina síncrona y

máquinas monofásicas, asimismo con las máquinas de C.C. ejes

directo y cuadratura d-q. Para que de esta manera se tengan en claro

los parámetros fundamentales de las máquinas y poder proponer

experimentos y discernir los efectos eléctricos de las mismas. Así se

150

Se recomienda un trabajo en la máquina Mawdsely de arranque y

operación con doble excitación.

Se recomienda un trabajo en la máquina Mawdsley como generador

de inducción utilizando máquina de inducción trifásica.

151

Apéndice A

Resultados de la prueba de Resistencia Óhmica en anillos

rozantes de la máquina generalizada Mawdsley y reóstato de

arranque.

Tabla A-1. Esta tabla muestra las lecturas obtenidas en los anillos rozantes de la máquina generalizada Mawdsley

Anillos de prueba Puntos de referencia Lectura sin

corrección de

temperatura

[Ω]

Lectura con

corrección de

temperatura

[Ω]

# anillo # anillo Punto 1 Punto 2

Prueba 1 2 5 G1 G1´ 1.2464 1.2930

Prueba 2 2 4 G1, G1´ G2 .6483 .6390

Prueba 3 4 2 G2 G1 .7555 .6660

Prueba 4 2 4 G1´ G2 .7517 .6893

Tabla A-2. Esta tabla muestra las lecturas obtenidas en los bornes de un reóstato de arranque trifásico

Posición

Lectura sin corrección de

temperatura[Ω]

Lectura con corrección de

temperatura[Ω]

Prueba 1 Máxima resistencia 4.242 4.153

Prueba 2 Mínima Resistencia .006 .006

153

Apéndice B

Características y placa de datos de las máquinas generalizadas

Mawdsley y AEI

Figura B-1. Máquina generalizada Mawdsley

Tabla B-1. Placa de datos de la máquina de C.A. Mawdsley Máquina Eléctrica Generaliza

Mcn N°50GM Volts(V) Velocidad máxima(RPM)

284 230 4000

Tabla B-2.Placa de datos de la máquina de C.C. Mawdsley Motor de C.C.

Armadura Campo Velocidad máxima(RPM)

Volts (V) Amperes (A) Volts (V) Amperes (A) 4000

220/240 11.4 .4

154

Tabla B-3. Placa de datos de la máquina de C.C. carriage (o primo-motor) Mawdsley

Motor de C.C. del porta escobillas

Armadura Campo Velocidad máxima(RPM)

Volts (V) Amperes (A) Volts (V) Amperes (A) 1500

220/240 2.5 .23

Tabla B-4. Placa de datos del tacogenerador Mawdsley Tacogenerador

Volts /1000 RPM Amperes Max.

22.1 .35

155

Figura B-2.Máquina generalizada AEI

Tabla B-5. Placa de datos de la máquina de C.C. AEI

Motor de C.C.

Tipo BD.2508.B

Volts 220

Amperes 1.5

RPM 2000

B.S.170 ½ HR

Devanado Derivado

clase A

HP 0 . 3

156

Tabla B-6. Placa de datos del tacogenerador AEI

Tacogenerador

Tipo 3A

N° de serie 2L13559A

78 volts a 3000 RPM

157

Apéndice C

Aparatos utilizados en la investigación y experimentación de las

máquinas generalizadas Mawdsley y AEI.

Figura C-1. “Power PAD” (AEMC) Modelo 3945

Figura C-2. Tacómetro contador (Extech)

Figura C-3.MultimetroFluke Figura C-4. Mutimetro de gancho (Extech)

158

Figura C-5. Banco de resistencias trifásico

Figura C-6. Fuente regulada de C.C.

Figura C-7. Arrancador Trifásico resistivo

159

Referencias

[1] Norma 115-IEEE/ANSI 1995_R2002 Pruebas a motores de

inducción.

[2] Articulo71-T-42 Mawdsley; The Generalized Electrical Machine Set

for Universities and Technical Colleges, año 1962

[3] Manual del estudiante Mawdsley. 1964

[4] Manual Máquina Generalizada Mawdsley. 1962

[5] Chapman Stephen J. -Máquinas Eléctricas1ª Edición 1987-,pp.

481-489.

[6] Artículo folleto; Rotatin Machines - Hampden Engineerin

Corporation

[7] Ing. Luis A. Lazar – Ingeniería Eléctrica Industrial 1973 -pp.240-

243.

[8] A.J. Ellison – Generalized Electric Machines 1967- pp119-128.

[9] Tesis de grado M. en C.- Utilización de las máquinas generalizadas

en determinación experimental de parámetros en máquinas síncronas

y de inducción.- Tomas Ignacio Asiain Olivares. 1991

[10] Manual de usuario de Power Pad, modelo 3945.

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