Prac3_4RREE_2014

UNIVERSIDAD DEUNIVERSIDAD DEUNIVERSIDAD DEUNIVERSIDAD DE

CASTILLA CASTILLA CASTILLA CASTILLA ---- LA MANCHALA MANCHALA MANCHALA MANCHA

Escuela de Ingeniería Minera e Industrial de Almadén

PRÁCTICAS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS Grado en Recursos Energéticos - Curso: 4º

PRÁCTICA 3

Estudio de la máquina asíncrona.

Profesor: Jacinto Gallego Calvo DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA Y COMUNICACIONES.

(Área de Ingeniería Eléctrica)

- Jacinto Gallego Calvo -

Escuela de Minas e Industriales DE ALMADÉN (Ciudad Real)

PRÁCTICAS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (4º de Grado en Recursos Energéticos)

PRÁCTICA 3 Curso 2013-14

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Contenido

1. Objetivos de la práctica. .................................................................................................. 3 2. Fundamento teórico. ........................................................................................................ 3 3. Material necesario para la realización de la práctica. ...................................................... 7 4. Utilización del software l@bsoft para la realización de experimentos. .......................... 9

5. Experimentos del curso máquinas asíncronas. .............................................................. 10 6. Experimentos del curso motor con condensador ........................................................... 20

7. Experimentos del curso transformador giratorio ........................................................... 23 8. Presentación de resultados ............................................................................................ 28





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1. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. Con esta práctica se pretenden alcanzar los siguientes objetivos:

Conocer el comportamiento de un devanado de estator bajo diferentes frecuencias. Determinar los componentes del circuito equivalente. Analizar la diferencia entre la conexión triángulo y la conexión estrella del devanado

del estator de una máquina asíncrona. Analizar como varían la tensión y la corriente del estator cuando se alimenta éste

desde un variador de frecuencia. Realizar la inversión de giro en un motor asíncrono trifásico. Estudiar el motor asíncrono trifásico con conexión Steinmetz. Comprobar cómo la tensión secundaria del rotor bobinado de un motor asíncrono

depende de la posición del rotor cuando se alimenta el estator con una tensión monofásica.

Demostrar que si se aplica corriente trifásica al estator de un motor asíncrono, se genera un campo magnético giratorio de amplitud constante y que, por lo tanto, también la tensión secundaria inducida es constante, independientemente de la posición de giro del rotor.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO. Antecedentes y constitución de las máquinas asíncronas. El invento de la máquina asíncrona se realizó en 1885. Los inventores fueron el italiano Galileo Ferraris y el yugoslavo Nikola Tesla. Michael V. Dolivo-Dobrowolski construyó, en 1889, el primer motor trifásico asíncrono, para el que utilizó el sistema que él mismo llamó de corriente trifásica. Ya a inicios de la década de los 90 del siglo XIX, se construyeron motores con anillos colectores al igual que rotores de cortocircuito. Los rotores de las máquinas asíncronas pueden presentar un diseño como rotor de anillos colectores o rotor en cortocircuito basándose ambos en el mismo principio de funcionamiento. La máquina asíncrona, con rotor de cortocircuito, es la máquina eléctrica de mayor uso al ser más sencilla, robusta y barata que el motor de anillos colectores. No obstante, este último ofrece la ventaja de que se puede influir en su comportamiento de servicio por medio de los devanados de rotor, accesibles desde el exterior. Debido al buen comportamiento de arranque que se obtiene con la inserción de resistencias de arranque, el motor de anillos colectores se utiliza para accionamientos de gran envergadura como por ejemplo: accionamientos de cintas transportadoras y de excavadoras; accionamientos de máquinas trituradoras y plantas de cemento, los cuales, en ciertas circunstancias, deben ponerse en marcha soportando altas cargas (arranque pesado).Por otra





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parte en los motores de anillos colectores, la velocidad de giro se puede ajustar de manera continua en cierto rango por medio de resistencias de circuito de rotor. Características del rotor de jaula de ardilla. Estos rotores constan de un número de conductores (barras del rotor) cortocircuitados en sus extremos mediante un anillo conductor. En las barras del rotor, la corriente positiva se ha marcado con rojo, la negativa con azul, mientras que el color gris indica la ausencia de corriente. El campo magnético gira con velocidad constante. El rotor no gira sincrónicamente con respecto a la velocidad de rotación del campo magnético, sino que lo hace más lentamente. Sólo gracias al movimiento relativo de los conductores, a través del campo magnético giratorio, se inducen tensiones en las barras, que generan una corriente a través de las conexiones en cortocircuito. Los conductores, por los que fluye corriente, generan fuerzas magnéticas que se suman entre sí. El rotor en cortocircuito consta, básicamente, de tres componentes o materiales:

Un paquete de chapas de un material ferromagnético, aisladas entre sí, con cavidades preparadas (22 en este caso, ver Figura 2.2) para el alojamiento de las barras del rotor.

Aluminio, material con el que se construyen las barras del rotor y los anillos de cortocircuito

Eje. En la Figura 2.2-b, en el rotor aún no acabado, se reconocen los 22 extremos de las barras de aluminio. Éstas se insertan en las ranuras utilizando aluminio fundido. A

Figura 2.1.- Giro de un rotor de jaula de ardilla como consecuencia del campo magnético giratorio del estator.





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continuación, en la parte superior e inferior de los anillos de cortocircuito, e igualmente de aluminio fundido, se coloca el eje y se tornea el rotor hasta la medida deseada. En la Figura 2.2-b se puede observar un rotor en cortocircuito completo. Se reconocen tanto las barras conductoras de aluminio así como los anillos de cortocircuito del mismo material. Características del rotor bobinado o rotor de anillos. El rotor con anillos colectores, al igual que el estator, presenta un devanado de corriente trifásica, el cual, en los diseños trifásicos convencionales, se encuentra conectado en estrella. Estos devanados se han representado aquí, cada uno con una espira y tres colores diferentes. Los terminales del devanado de corriente trifásica del rotor, en el que se genera un segundo campo giratorio que se suma al del estator, están conectados a tres anillos colectores, sobre los que se encuentran las escobillas de carbón, con las que se puede sacar la corriente generada en el rotor hacia el exterior. Las conexiones de las escobillas de carbón se llevan a la caja de bornes. De esta manera, en la caja de bornes se dispone, para una conexión posterior, de los terminales de devanado así como los terminales de devanado del estator. De acuerdo con la configuración de la conexión, se puede influir en el comportamiento de servicio.

Figura 2.2.- (a) Rotor de jaula de ardilla de 22 barras. (b) Sección del rotor de jaula en el que se aprecian las 22 barras de que consta.

Figura 2.3.- Rotor bobinado o de anillos.





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De manera usual, el devanado del rotor se cortocircuita por completo, a través de resistencias, una vez que se ha realizado la puesta en marcha. Conexión estrella. Esta conexión se realiza conectando entre sí los tres principios o los tres finales del devanado y los otros tres extremos que quedan libres a la red trifásica. El punto común donde se conectan los tres terminales es el neutro. La tensión entre cada uno de los tres terminales que quedan libres y el neutro se denomina “tensión de fase” y las tensiones entre dos fases se llaman “tensión de línea” y su valor no corresponden a la tensión de una fase sino que es 1,73 veces mayor: UL= 1,73 Uf Las corrientes que circulan por la línea “corrientes de línea” tienen el mismo valor que las que circulan por las fases “corriente de fase”, es decir: IL= I f En el caso de los equipos consumidores de corriente trifásica, de acuerdo con las normas, los orígenes de fase se designan con U1, V1, W1 y los terminales con U2, V2, W2. En la conexión estrella, los terminales de los devanados se conectan entre sí y luego al neutro. Dado que, en el caso de las máquinas trifásicas, se tienen cargas simétricas, no es necesaria la conexión de los terminales al neutro. Conexión triángulo. Esta conexión se realiza uniendo los terminales de cada fase con el origen de la siguiente. Las tensiones entre dos fases (tensión de línea) coinciden con la tensión de la red:

Figura 2.4.- Conexión estrella.





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UL= U f Las corrientes que circulan por la línea se dividen, respectivamente, entre las fases, y esta corriente de línea es mayor que la corriente que circula por las fases en una proporción de 1,73, es decir: IL= 1,73 If Los terminales de fase de un devanado se conectan con el origen del próximo. No existe un punto medio y no se puede conectar un conductor neutro.

3. MATERIAL NECESARIO PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA.

Esta práctica se va a realizar utilizando el sistema UniTrain-I que es un sistema de experimentación y entrenamiento, de alto rendimiento, para la formación y el aprendizaje, asistidos por PC. La interfaz de medición provee las entradas y salidas analógicas y digitales de medición y control, las cuales, al combinarse con una gran cantidad de Instrumentos Virtuales, proporcionan instrumentos de medición de gran precisión, lo cual, en el laboratorio convencional, sólo es realizable empleando un gran número de onerosos equipos individuales. A la inteligente interfaz de medición del sistema UniTrain-I se puede conectar una cantidad libre de Experimentadores con fines de experimentación real. El software LabSoft es la plataforma de experimentación abierta que permite el acceso a todos los medios del sistema UniTrain, y que ha sido concebida para la ejecución y documentación de experimentos. Para esto, dentro del entorno LabSoft, se pueden ejecutar cursos multimedia e instrucciones de experimentación, además de realizar mediciones en tiempo real, las cuales, dado el caso, se complementan con simulaciones. El material necesario para realizar esta práctica es el siguiente:

Ordenador con programa L@bsoft de Máquinas Asíncronas. Interface UniTr@in-I - SO4203-2A. Experimentador UniTr@in-I - SO4203-2B

Figura 2.5.- Conexión triángulo.





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MALETIN SO4204-7T, que incluye: o Tarjeta UniTr@in-I, máquina de corriente trifásica con tres rotores- SO4204-

7T o Juego de shunts UniTr@in-I - SO4203-2F

Fuente de alimentación SO4203-2A (8 PIN). Fuente de alimentación SO4203-2D (6 PIN). Juego de cables UniTr@in-I - SO5146-1L.

Las características de la tarjeta UniTrain-I de la máquina de corriente trifásica son las siguientes: En la figura siguiente se representan la fuente de alimentación ampliada, la tarjeta insertable shunts y el juego de cables.

Figura 3.1. (a) Interfaz SO4203 UNITRAIN. (b) Experimentador SO4203-2B UNITRAIN.

Figura 3.2.- Tarjeta UniTrain-I, Máquina de corriente trifásica.

Datos técnicos: Estator: bipolar Resistencia del devanado (200C): 20 ohmios Tensión nominal delta/estrella: 3 x 12 V / 21V. Frecuencia nominal: 50 Hz Corriente nominal delta/estrella: 3 x 0,73 A / 0,42A Coseno Phi: 0,8. Dimensiones: 160 x 100 mm (alto x ancho). Condensadores: 100 µF. Sensor de temperatura: KTY84-150 (Hoja de datos). Máx. velocidad de giro: 3000; (breve) (4500) rpm

Figura 3.3.- (a) Fuente de alimentación ampliada SO4203-2D UNITRAIN (b) Tarjeta insertable shunts SO4203-2F y juego de cables SO5146-1L UNITRAIN.





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4. UTILIZACIÓN DEL SOFTWARE L@Bsoft PARA LA REALIZACIÓN DE EXPERIMENTOS.

Para la realización de experimentos con el sistema UniTrain, deberemos tener instalado en un PC el software L@aBsoft y utilizaremos el interfaz SO4203-2A, al que le uniremos el experimentador SO4203-2B (Figura 3.1). Una vez unidos entre sí el interfaz y el experimentador, alimentamos el interfaz mediante la fuente de alimentación ampliada SO4203-2D (Figura 3.3) y lo conectamos al PC mediante un cable USB. Después insertamos en el experimentador la tarjeta que corresponda al experimento que se vaya a realizar, y procedemos a abrir el software L@Bsoft del curso y experimento correspondiente.

Al abrir el software , nos aparecerá una ventana en la que se nos pide que seleccionemos un idioma y a continuación otra en la que debemos introducir un nombre y una contraseña, que conviene no olvidar, pues si más tarde queremos acceder a los datos guardados en esta sesión de trabajo deberemos teclear el mismo nombre y la misma contraseña, de lo contrario se nos abrirá una nueva sesión y no tendremos acceso a los datos guardados. Una vez hemos introducido el nombre y la contraseña correspondiente a la sesión que vamos a comenzar y con el interfaz dispuesto y conectado a uno de los puertos del PC mediante el correspondiente cable, si el ordenador no reconoce el puerto al que hemos conectado el interfaz, nos aparecerá una nueva ventana en la que nos solicita que seleccionemos otra interfaz. Seleccionamos el interfaz que corresponda y le damos a repetir inicialización (o si solo queremos ver el programa sin realizar ningún experimento podemos correr el programa en modo simulación). A continuación aparecerán los cursos de L@Bsoft que tengamos instalados en el ordenador . Abrimos el curso que queramos realizar y procedemos a leer las instrucciones y documentación del curso. Después cliqueamos en la pestaña del experimento que vamos a realizar en función de la tarjeta que hayamos instalado en el experimentador y seguimos las





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instrucciones y los pasos que nos indica, procediendo a contestar cuantas cuestiones y preguntas nos soliciten. Una vez terminado el experimento procedemos a guardar los datos, que posteriormente podremos recuperar abriendo una nueva sesión con el mismo nombre y contraseña que le hemos dado cuando iniciamos nuestra sesión.

5. EXPERIMENTOS DEL CURSO MÁQUINAS ASÍNCRONAS. Experimento 5.1: Mediciones en el motor asíncrono trifásico en conexión Y-D. En este experimento, por medio de mediciones de tensión y de corriente, se analizará la diferencia entre el circuito triángulo y estrella. Pasos a seguir para la realización de este experimento: • Abra el software L@bsoft y elija el curso “Conexión de la máquina en circuito delta y

estrella” que está dentro del curso “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Mediciones en el motor de corriente trifásica en circuito delta y estrella ” y seguimos las instrucciones que se nos indican.

• Monte el circuito experimental que se muestra a continuación y conecte el interfaz a la

fuente de alimentación correspondiente y al PC. OJO: PONER EL ROTOR DE JAULA. Como se muestra en la imagen, el estator se conecta en estrella. En la fase U se encuentra ahora una resistencia para la medición de corriente (shunt).

Figura 5.1.- Estructura del circuito para el experimento 5.1 con conexión estrella.

Insertar el rotor de jaula





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• Abra el instrumento virtual Voltímetro A en el menú Instrumentos, Instrumentos de medición. Las corrientes y tensiones alternas se miden como valor eficaz (RMS). La mayor precisión de medida se consigue en los rangos de medición pequeños, en donde no aparece ninguna sobreexcitación. Ajuste los parámetros del instrumento de medición según su propio criterio

• Abra el instrumento virtual Amperímetro B en el menú Instrumentos, Instrumentos de medición Anote el valor de la derivación shunt en la casilla prevista para ello. Ajuste los parámetros del instrumento de medición según su propio criterio.

• Abra la alimentación de corriente trifásica y, empleando el display de frecuencia y el voltímetro A, ajuste los siguientes valores: f= 50 Hz, UFaseU = 10V.

• Mida la tensión de devanado UFase U a través de U1-U2 y la corriente de devanado IFase U.

1) Lea los valores de tensión y corriente de devanado medidos e introdúzcalos en los campos previstos para ello: Multímetro A: tensión de fase UFaseU= ______ V. Multímetro B: corriente de fase IFaseU= ______ A.

2) A partir de los valores medidos, calcule la potencia eléctrica aparente consumida

por la máquina: PY= 3·UFaseU· IFaseU= _______ VA

• Inserte los dos conectores puentes inferiores y la derivación shunt, como se muestra en la

imagen, de manera que el estator esté cableado en triángulo y repita las mediciones:

Figura 5.2.- Estructura del circuito para el experimento 5.1 con conexión triángulo.

Insertar el rotor de jaula





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3) Lea los valores de tensión y corriente de devanado medidos e introdúzcalos en los campos previstos para ello. Multímetro A: tensión de devanado UL13 = _______ V Multímetro B: corriente de devanado I13 = ________ A

4) A partir de los valores medidos, calcule la potencia eléctrica aparente consumida

por la máquina: P∆ = 1,73·UL13·IL1 = 1,73·UL13·1,73·I13= 3·UL13·I13= ______ VA

5) Según los cálculos, ¿en qué factor es mayor la potencia consumida del circuito en

delta con respecto al circuito en estrella? Factor 1. Factor "raíz de 3". Factor 3.

6) Explique por qué varían las tensiones, corrientes y potencias en el estator, aunque

los ajustes del generador no se hayan modificado. Experimento 5.2: Mediciones en el estator de una máquina asíncrona. Dependencia

de la frecuencia en relación a la Intensidad. Por medio de las siguientes mediciones se mostrará el comportamiento de un devanado de estator bajo diferentes frecuencias, y se determinarán los componentes del diagrama de circuito equivalente. Pasos a seguir para la realización de este experimento: • Abra el software L@bsoft y elija el curso “Máquinas asíncronas” que está dentro del

curso “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Mediciones en el estator” y seguimos las instrucciones que se nos indican.


fuente de alimentación correspondiente y al PC.





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• El devanado del estator U se conecta de manera monofásica a los terminales V1 y V2 del

generador de corriente trifásica. • En el menú Instrumentos / Instrumentos de medición, abra el voltímetro A, con el que

mediremos la tensión UU en el devanado. • En el menú Instrumentos / Instrumentos de medición, abra el amperímetro B a través de la

derivación shunt de 1 Ω (no olvidar anotar este valor en el instrumento virtual), con el que mediremos la corriente IU del devanado.

• En el menú Instrumentos / Alimentación, abra la Alimentación de DC, y ajuste la

amplitud (en el voltímetro A) a 6V.

7) Mida la corriente I U y copie el resultado en la casilla correspondiente: . . . . . . . .mA

8) Cuál es el valor de la resistencia del devanado R = U / I: . . . . . . . . Ω • En el menú Instrumentos/Alimentación, abra la alimentación de corriente trifásica, y

ajuste la amplitud (en el voltímetro A) en 6V. Ajuste la frecuencia f de acuerdo con los valores de la tabla, y mida, para cada ajuste, la corriente IU.

9) Copie los resultados en la tabla:

Figura 5.3.- Experimento mediciones en el estator.

Figura 5.4





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10) Cambie la tabla de valores a la vista del diagrama. Explique la relación entre frecuencia y la impedencia y entre frecuencia y corriente completando correctamente las siguientes frases: Con frecuencia ascendente __________________________________ Con frecuencia descendente _________________________________

11) Calcule la impedancia a partir de los valores medidos e insértelos también en la

tabla.

12) Calcule la inductancia a partir de la impedancia obtenida con 50 Hz:

(((( ))))22

LZ R jX ; Z R 2 f L= + = + π ⋅ ⋅= + = + π ⋅ ⋅= + = + π ⋅ ⋅= + = + π ⋅ ⋅r r rr r rr r rr r r

Por tanto: (((( ))))2 2Z R

L H2 f

−−−−====π ⋅π ⋅π ⋅π ⋅

13) ¿Cuál es el valor de la inductancia del devanado?

LU= ________ mH

Experimento 5.3: Punto de operación y característica de control de una máquina

asíncrona. Las máquinas asíncronas y su circuito magnético están diseñados para una magnetización constante. Esto significa que el flujo magnético, en el interior del estator, debe permanecer igual para todas las frecuencias. Por lo tanto, en el caso de las redes de alimentación de frecuencia variable, se deben respetar ciertas condiciones. Si a través de un sistema de corriente trifásica se aplica una tensión constante al devanado del estator, y si la frecuencia varía, las corrientes del mismo también varían debido a la acción de las inductancias. Si la frecuencia desciende, entonces aumenta la corriente del estator y con ello el flujo magnético. Para que este flujo se mantenga constante, frente a una frecuencia variable, la tensión debe variar simultáneamente. Una herramienta útil para mantener constante la corriente del estator la constituye el "control de la característica" para el que se toma en cuenta la curva U=f(f). A partir de un punto inicial, la tensión aumenta de manera proporcional a la frecuencia, hasta alcanzar un valor límite. En nuestro caso, este valor límite está dado por la máxima tensión que puede suministrar el generador de corriente trifásica UniTrain-I. En el siguiente experimento, la frecuencia con la que se llega a este valor límite se denominará frecuencia de corte.





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La tensión inicial es el punto de partida de la recta de la característica ubicado al lado izquierdo. Esta tensión inicial compensa exactamente la caída de tensión que se produce en la resistencia del devanado con la corriente nominal. Dado que la magnetización es proporcional a la corriente que la produce y, por tanto, prácticamente proporcional a la corriente de marcha en vacío, esta última debe permanecer aproximadamente constante para todas las frecuencias. Por tanto, para comprobar la buena regulación de la característica, se puede usar la medición de la corriente de marcha al vacío. Pasos a seguir para la realización de este experimento: • Abra el software L@bsoft y elija el curso “Máquinas asíncronas” que está dentro del

curso de igual nombre “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Característica de control de una máquina asíncrona” y seguimos las instrucciones que se nos indican.


fuente de alimentación correspondiente y al PC.

Figura 5.5.- Control del motor.

Figura 5.6.- Experimento punto de operación de una máquina asíncrona.





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• Abra los instrumentos virtuales Voltímetro A y amperímetro B en el menú Instrumentos / Instrumento de medición, sin olvidar introducir el valor del shunt y ajustar el rango de medición correcto.

• Abra el instrumento virtual Control de motor en el menú Instrumentos. Conectado en estrella, la tensión nominal y la frecuencia nominal del motor de jaula de ardilla tienen un valor de 14V y 50 Hz. • Abra la ventana de la característica con el botón U/f y ajuste la frecuencia de corte de la

misma en 14V/50Hz, llevándola a la posición deseada con la tecla oprimida tras un click con el ratón.

• Ajuste también la tensión inicial de la característica en 0 V para la primera serie de

mediciones, pulsando con el ratón en el punto de corte de la recta con el eje Y. El tiempo de rampa no ejerce aquí ninguna influencia y debe mantenerse en 1 s.

• Pulse ahora el botón POWER. • Antes de cada medición, ajuste la frecuencia con las teclas grandes de "subir" o "bajar". • Mida la tensión y la corriente del estator para cada frecuencia indicada en la tabla y

transfiera los valores de medición a la misma (columnas 3 y 4).

14) A partir del diagrama, describa la manera en que la tensión y la corriente varían cuando se modifican los ajustes de frecuencia.

15) Explique la curva de corriente y sus efectos sobre el par de giro.

Figura 5.7





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16) Cambie a la vista de diagrama. ¿Qué afirmaciones son ciertas con referencia a la curva de tensión y de corriente? (Puede ser correcta más de una respuesta). La tensión aumenta linealmente con la frecuencia desde el valor inicial hasta 100 Hz. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 0V. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 4V aprox. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 9V aprox. La tensión aumenta linealmente con la frecuencia desde el valor inicial hasta 50 Hz. A partir de 50 Hz, la tensión permanece casi constante o aumenta sólo mínimamente. Con un aumento de frecuencia la corriente se incrementa, empezando de 0A hasta 50 Hz, para después disminuir. En el rango de 0 a 50 Hz la corriente es más o menos constante. La corriente no empieza desde cero.

• Pase de la vista de diagrama a la tabla de valores. Repita la serie de mediciones con una

tensión inicial de 5 V y vuelva a cambiar a la vista de diagrama.

17) ¿Qué afirmaciones son ciertas respecto a la curva de tensión y de corriente si la tensión inicial es de 5 V? (Puede ser correcta más de una respuesta). La tensión aumenta linealmente con la frecuencia desde el valor inicial hasta 100 Hz. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 0V. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 4V aprox. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 9V aprox. La tensión aumenta linealmente con la frecuencia desde el valor inicial hasta 50 Hz. A partir de 50 Hz, la tensión permanece casi constante o aumenta sólo mínimamente. Con un aumento de frecuencia la corriente se incrementa, empezando de 0A hasta 50 Hz, para después disminuir. En el rango de 0 a 50 Hz la corriente es más o menos constante. La corriente no empieza desde cero.

• Pase de la vista de diagrama a la tabla de valores. Repita la serie de mediciones con

una tensión inicial de 10 V y vuelva a cambiar a la vista de diagrama.

18) ¿Qué afirmaciones son ciertas respecto a la curva de tensión y de corriente si la tensión inicial es de 10 V? (Puede ser correcta más de una respuesta). La tensión aumenta linealmente con la frecuencia desde el valor inicial hasta 100 Hz. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 0V. La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 4V aprox.





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La prolongación de las rectas de tensión en la parte inferior izquierda tiende a 9V aprox. La tensión aumenta linealmente con la frecuencia desde el valor inicial hasta 50 Hz. A partir de 50 Hz la tensión permanece casi constante o aumenta sólo mínimamente. Con un aumento de frecuencia la corriente se incrementa, empezando de 0A hasta 50 Hz, para después disminuir. En el rango de 0 a 50 Hz la corriente es más o menos constante. La corriente no empieza desde cero.

19) La resistencia del devanado es, aproximadamente, de R= 20 Ω y la corriente

nominal I= 0,43 A, también aproximadamente. En teoría, ¿cuán elevada debe ser la tensión inicial para compensar la caída de tensión que de ello resulta?

UInicial = I·R= __________ V Experimento 5.3. Inversión del sentido de giro. El sentido de giro del campo magnético rotatorio de una máquina de corriente trifásica se puede ajustar o invertir fácilmente permutando dos de sus fases. Esto se puede realizar manualmente, al conectar la máquina trifásica a la red de alimentación fija intercambiando dos de los cables, o de manera automática por medio de relés. Si se conecta la máquina trifásica a una fuente de alimentación variable, como es el caso de los convertidores de frecuencia o el sistema UniTrain-I, la "conmutación" se puede realizar electrónicamente. En este experimento se invertirá el sentido de giro del motor permutando dos de sus fases. Para ello, contrariamente a los experimentos anteriores, la máquina no se conectará con conectores puente, sino que se usará cables para los devanados V y W, los mismos que se conectarán en cruz durante la ejecución del experimento.

Figura 5.8.- Inversión del sentido de giro en una máquina asíncrona.





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Pasos a seguir para la realización de este experimento: • Abra el software L@bsoft y elija el curso “Máquinas asíncronas” que está dentro del

curso de igual nombre “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Inversión del sentido de giro” y seguimos las instrucciones que se nos indican.


fuente de alimentación correspondiente y al PC. • Abra el instrumento virtual Control de motor en el menú Instrumentos: • Abra la ventana de la característica con el botón U/f y ajuste el punto de quiebre de la

misma a 14V / 50Hz. • Ajuste también la tensión inicial de la característica a 6 V. Pulse el botón POWER.

20) ¿En qué sentido gira la máquina? En sentido horario. En sentido antihorario.

21) Permute las conexiones de V y W. ¿En qué sentido gira ahora la máquina?

En sentido horario. En sentido antihorario.

22) ¿Por qué varía el sentido de giro?

Porque en ese sentido se puede arrancar el rotor. Porque el sentido de giro depende de las coincidencias que se produzcan al inicio. La permutación de dos fases invierte el sentido de giro del campo en rotación.

• Pulse el botón CW (sentido horario) / CCW (sentido antihorario) de la unidad de control

del motor.

Figura 5.9.- Experimento inversión del sentido de giro en una máquina asíncrona.





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23) ¿Cómo gira la máquina en este caso? En sentido horario. En sentido antihorario.

24) ¿Por qué varía el sentido de giro?

Porque la modificación en el control produce el mismo efecto que la permutación de dos fases. Porque el sentido de giro depende de las coincidencias que se produzcan al inicio. Porque en este sentido se puede arrancar el roto.

6. EXPERIMENTOS DEL CURSO MOTOR CON CONDENSADOR En muchos casos, debido a la sencilla y poco costosa conexión a la red de alimentación, se prefiere que las máquinas pequeñas tengan un diseño de máquina monofásica. Dado que las máquinas asíncronas, robustas y de precios módicos, necesitan un campo giratorio, éste debe generarse primeramente a partir de la red de alimentación monofásica. Un método sencillo para generar el campo giratorio consiste en aprovechar el desfase producido por el empleo de un condensador en un motor asíncrono monofásico (Figura 6.1-a). Junto a la corriente principal, se produce una corriente con desfase en los devanados auxiliares. Los dos campos magnéticos, proporcionales a las corrientes, se superponen formando un campo magnético rotatorio. Pero también las máquinas de corriente trifásica normales, con tres devanados, pueden operar con la alimentación de la red monofásica si se emplea un condensador, de manera que su respuesta corresponda a la de un motor normal de corriente trifásica. El circuito más conocido que se emplea con este fin es el circuito diseñado por Steinmetz (Figura 6.1.b). Los motores típicos con condensadores poseen dos devanados con un desplazamiento de 90 grados, los cuales reciben una alimentación de corrientes desfasada, de igual manera, en 90 grados. Las corrientes generan campos magnéticos estacionarios en los dos devanados, los cuales, según la variación de la corriente, modifican su amplitud y dirección. Los campos se superponen conformando un campo magnético total con amplitud constante, el cual genera un campo rotatorio circular.

Figura 6.1.- (a) Motor asíncrono monofásico con condensador. (b) Motor asíncrono trifásico en conexión Steinmetz.





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Experimento 6.1. Conexión del motor de corriente trifásica en circuito de Steinmetz. Con esta conexión, el motor asíncrono de corriente trifásica, con rotor en cortocircuito conectado en delta, se pone en marcha con la red de corriente alterna monofásica, empleando un condensador. Pasos a seguir para la realización de este experimento: • Abra el software L@bsoft y elija el curso “Motor con condensador” que está dentro del

curso “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Conexión del motor de corriente trifásica en circuito de Steinmetz” y seguimos las instrucciones que se nos indican.


fuente de alimentación correspondiente y al PC. Durante el montaje, tenga en cuenta que únicamente una fase de la máquina se conecta al generador de corriente trifásica.

Figura 6.2.- Generación de un campo giratorio mediante un sistema bifásico.

Figura 6.3.- Experimento conexión Steinmetz de un motor asíncrono.





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• Abra el instrumento virtual Control de motor en el menú Instrumentos. • Abra la ventana de la característica con el botón U/f • Ajuste el punto de quiebre de la misma en 14V / 50Hz pulsando sobre él y desplazándolo

a la posición deseada mientras mantiene presionada la tecla del ratón. El tiempo de rampa no ejerce aquí ninguna influencia y debe mantenerse en 1 s.

• Ajuste la tensión inicial de la característica en 10 V. Pulse ahora el botón POWER.

25) Ajuste ahora la frecuencia en 50 Hz y describa lo que ocurre:

26) ¿Qué observa en el rotor? El rotor vibra pero permanece inmóvil. El rotor gira de forma asíncrona con el campo de rotación. El rotor gira de forma sincrónica con el campo de rotación.

• Abra el instrumento virtual Osciloscopio en el menú Instrumentos:

o Canal A a 5V/DIV a UU o Canal B a 5V/DIV a UV, y a continuación a UW o Base de tiempo a 5ms/DIV o Trigger A a 0 V o Línea de cero en posición central

27) Mida con el osciloscopio las tensiones del estator.

28) Observe en las imágenes del osciloscopio las tres tensiones del estator medidas. ¿Qué afirmación es correcta? Se trata de un sistema de corriente trifásica perfecto. Se trata de un sistema de corriente trifásica ligeramente asimétrico. Se trata de un sistema monofásico.

29) ¿Por qué el sistema de corriente trifásica generado por un circuito de Steinmetz

es hasta cierto punto simétrico sólo en un pequeño rango de frecuencia? Porque el condensador no tolera otras frecuencias. Porque la frecuencia nominal de la máquina es de 50 Hz. Porque el desfase entre el condensador y las inductancias del devanado depende de la frecuencia.





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7. EXPERIMENTOS DEL CURSO TRANSFORMADOR GIRATORIO El campo magnético, generado en el interior del estator, se puede mostrar claramente, con el "rotor monofásico", por medio del acoplamiento magnético entre el devanado del estator y el del rotor. Con ello se demuestra que tal configuración presenta, en principio, la respuesta de un transformador: Si se aplica una tensión alterna al devanado del estator, en éste se genera un campo magnético alterno de posición fija. En el devanado del rotor se induce ahora una tensión, cuya amplitud depende de la relación entre el número de espiras y el ángulo de rotación b ubicado entre el campo magnético y el rotor. U2/n2 = U1/n1 cos β Con un ángulo de rotación de β=0°, se alcanza la máxima tensión de salida. Con un ángulo de rotación de β=90°, la tensión de salida tiende a cero, mientras que, con una nueva rotación, la tensión vuelve a aumentar, pero con una amplitud cuya fase se ha invertido. Si los tres devanados del estator se conectan a un sistema de tensión trifásica, el campo rotatorio, ubicado en el interior del estator, genera igualmente una tensión de inducción en el devanado del rotor. La amplitud de la tensión del rotor no depende del ángulo de rotación sino, casi exclusivamente, de la relación del número de espiras. Una revolución del rotor provoca ahora un desfase de la tensión del rotor. Si se cortocircuita el devanado del rotor, debido a la corriente resultante, se genera un campo magnético, el cual, finalmente, provoca un par de giro gracias al cual el rotor entra en movimiento. El transformador giratorio es el caso especial de una máquina asíncrona en estado de reposo, o, dicho de otra manera, una máquina asíncrona de corriente trifásica con el rotor bobinado, en estado de reposo, se comporta como un transformador. Experimento 7.1. Transformador rotatorio con alimentación monofásica En este experimento se determinará la relación entre espiras y se comprobará cómo la tensión secundaria depende de la posición del rotor.

Figura 7.1.- Campo giratorio inducido en el rotor cuya amplitud cambia al variar la posición del rotor.





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Pasos a seguir para la realización de este experimento: • Abra el software L@bsoft y elija el curso “Transformador giratorio” que está dentro del

curso “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Transformador rotatorio con alimentación de corriente trifásica” y seguimos las instrucciones que se nos indican.


fuente de alimentación correspondiente y al PC. • Abra el instrumento virtual Alimentación de corriente trifásica en el menú

Instrumentos/Fuentes de alimentación. Ajústelo de la siguiente manera: o U= 10 V o f= 50 Hz

• Pulse el botón POWER • Abra el instrumento virtual Osciloscopio en el menú Instrumentos / Instrumento de

medición. Ajuste los parámetros del osciloscopio por su propia cuenta: o Tensión, canal A: 5 V/DIV; c.c. o Tensión, canal B: 2 V/DIV; c.c. o Base de tiempo 2 ms/DIV. o Trigger A a 0 V. o Línea de cero en posición central.

Figura 7.2.- Experimento “transformador rotatorio con alimentación monofásica.





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30) Haga girar el rotor hasta que consiga medir su máxima tensión. Copie el oscilograma en la casilla gráfica.

31) Lea los valores pico de las dos tensiones e insértelos en los campos previstos para ello: Canal A: tensión primaria Uprim = _______ V Canal B: tensión secundaria Usec = _______ V

32) ¿Qué deduce de la relación del número de espiras entre el devanado del estator y

del rotor? Estator : rotor, 45 :10 aprox. Estator : rotor, 10 :45 aprox. Estator : rotor, 90 :10 aprox.

33) ¿Cuántos valores máximos de tensión aparecen en un giro del rotor?

1 (amplitud constante). 2. 3. 4.

34) ¿En qué se diferencian los valores máximos?

Misma amplitud, misma posición de fase Misma amplitud, posición de fase desplazada en 180 grados. Menor amplitud, posición de fase desplazada 120 grados.

Experimento 7.2. Transformador rotatorio con alimentación de corriente trifásica. Este experimento demuestra que si se aplica corriente trifásica, se genera un campo magnético rotatorio de amplitud constante y que, por lo tanto, también la tensión secundaria inducida es constante, independientemente de la posición de giro del rotor. Pasos a seguir para la realización de este experimento:





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• Abra el software L@bsoft y elija el curso “Transformador giratorio” que está dentro del curso “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Transformador rotatorio con alimentación monofásica” y seguimos las instrucciones que se nos indican.


fuente de alimentación correspondiente y al PC. • Abra el instrumento virtual Alimentación de corriente 09trifásica en el menú

Instrumentos / Fuentes de alimentación. Ajústelo de la siguiente manera:

o U = 15 V. o f = 50 Hz.

• Pulse el botón POWER • Abra el instrumento virtual Osciloscopio en el menú Instrumentos / Instrumentos de

medición. Ajuste los parámetros del osciloscopio según su propio criterio:

o Tensión, canal A: 2 V/DIV; c.c. o Corriente, canal B: 1 V/DIV; c.c. o Base de tiempo 2 ms/DIV. o Trigger A a 0 V. o Línea de cero en posición central.

Figura 7.3.- Experimento “Transformador rotatorio con alimentación de corriente trifásica”.





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35) Copie el oscilograma en la siguiente gráfica.

36) Gire lentamente el rotor 360 grados. ¿Cuántos valores máximos de tensión aparecen en una vuelta del rotor? 1 (amplitud constante). 2. 3. 4.

37) ¿Qué desfase existe entre la tensión del estator y del rotor? 0 grados. 180 grados. El desfase es proporcional al ángulo de giro.

Experimento 7.3. Cortocircuito en el rotor monofásico. Este experimento sirve de preparación para el estudio del motor con rotor de anillos colectores. Pasos a seguir para la realización de este experimento: • Abra el software L@bsoft y elija el curso “Transformador giratorio” que está dentro del

curso “Máquinas asíncronas”. Una vez leída la información correspondiente al curso que vamos a realizar, abrimos el experimento “Cortocircuito en el rotor monofásico” y seguimos las instrucciones que se nos indican.


fuente de alimentación correspondiente y al PC. Al inicio, no conecte el puente amarillo de cortocircuito al rotor.

• Aviso de seguridad: Para evitar peligro de accidentes, observe las siguientes

indicaciones: a. Ejecute el experimento únicamente con los ajustes señalados para el generador

de corriente trifásica. b. Utilice un cable corto (máx. 5 cm de largo) para establecer el puente de

cortocircuito en el rotor.





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• Abra el Generador de corriente trifásica en el menú Instrumentos/Instrumentos de

alimentación: o U= 15 V. f= 50 Hz.

• Pulse el botón POWER.

38) ¿Qué sucede cuando el devanado del rotor está abierto y el generador de corriente trifásica está ajustado a 5 V y 50 Hz? El rotor permanece inmóvil. El rotor se calienta. El rotor gira.

39) Ahora, cortocircuite el rotor con un puente corto. ¿Qué observa?

El rotor permanece inmóvil. El rotor se calienta. El rotor gira.

40) Explique por qué gira el rotor cuando el devanado del mismo está

cortocircuitado.

8. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Para la calificación de la práctica, el alumno deberá presentar una memoria descriptiva escrita a mano cuya portada será la misma de este documento a la que se le deberá añadir el curso 2012-13, el nombre del alumno que realiza la práctica y el grupo al que pertenece. La memoria deberá contener como mínimo el nombre de la práctica, los objetivos que se pretenden conseguir y una explicación breve de en qué ha consistido cada uno de los experimentos realizados que incluirá obligatoriamente los esquemas de montaje (y si se desea alguna foto de dicho montaje) indicando las características de las máquinas y aparatos empleados. Se reseñará también de forma breve cualquier incidencia que haya podido ocurrir en la realización del experimento en cuestión. Y muy importante, se deberá incluir de forma obligatoria el enunciado y la respuesta de cada una de las cuestiones que se pidan en la práctica, agrupándolas de tal forma que se sepa a qué experimento corresponde cada una de las cuestiones.

Figura 7.4.- Experimento “cortocircuito en el rotor monofásico”.

Prac3_4RREE_2014

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