Tp Nro1 Verificacion de Formas de Ondas de Cm Fem Inducidas en Maquinas Rotativas a Anillos

UNIVERSIDAD TECNÓLOGICA NACIONALFACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

CARRERA: INGENIERÍA ELÉCTRICA

CÁTEDRA: MAQUINAS ELÉCTRICAS II

PROFESOR: ING. POTERAYCHKE ALBERTO AJ.T.P.:

CURSO/AÑO:

GRUPO Nº:

INTEGRANTES LEGAJO

TRABAJO PRÁCTICO Nº 1

Verificación de Formas de Ondas de: Campos Magnéticos y

Fuerzas Electromotrices Inducidas en Máquinas Rotativas a Anillos.

FECHA DE PRESENTACIÓN CALIFICACIÓN

1ra Presentación

Cátedra de Maquinas Eléctricas IITP1 Guía de Laboratorio

OBSERVACIONES:

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1. ALCANCE. La presente guía se refiere a los ensayos a realizar en las máquina experimental Mawdsley.

2. 0BJETIVO. Es orientar al alumno en la comprensión de los principios teóricos fundamentales, referente a F.M.M, F.E.M y cupla en las máquinas rotativas a anillo.

3. REFERENCIAS. El alumno deberá tomar como referencia para el desarrollo del presente trabajo práctico, las clases teóricas y la bibliografía recomendada por la cátedra.

4. DESCRIPCIÓN DE LAS MAQUINAS A UTILIZAR EN EL LABORATORIO: 4.1 GRUPO MAWDSLEY

El conjunto de la máquina experimental, esta montada sobre una base común, acoplada a una balanza electrodinámica, incluyendo un taquímetro, para la medición de la velocidad del rotor (fig1).

Para el diseño del grupo de tuvo en cuenta, la máxima accesibilidad de todos los componentes, a fin de poder ejecutar las mas diversas aplicaciones para realizar los ensayos y estudios esenciales de todo tipo de máquina eléctrica.

La característica principal de este grupo es que cada bobina del arrollamiento estatórico está conectadas a dos terminales en un panel diagramático, donde todos ellos están ordenados en cuatro círculos concéntricos. De esta manera, las bobinas individuales del estator pueden conectarse en una gran variedad de arrollamientos mono y polifásicos con diferentes números de polos y pasos de bobina (fig.2).

El rotor tiene un solo arrollamiento, cerrado, con derivaciones hacia aros rozantes, y un colector con distintos juego de escobillas deslizables. Próximo a los anillos esta incorporado un disco selector que permite conectar las derivaciones del arrollamiento rotórico con los seis aros rozantes. De esta forma eligiendo adecuadamente las derivaciones, se puede hacer funcionar como arrollamiento mono o polofásico de dos o cuatro polos. Del lado opuesto a los aros se encuentra el colector, el juego de escobillas y un aro conductor que se puede ajustar sobre el colector y convertir el arrollamiento del rotor en semi jaula y de esta manera puede funcionar como motor asincrónico eligiendo conveniente mente las fases y polos del estator.

Para medir el ángulo de potencia en una máquina sincrónica dispone de un disco con escala graduada, dispuesto próximo a los aros rozantes; y aplicando una iluminación estroboscopia con escalas de velocidades y/o frecuencias se puede realizar dicha medición.

Para efectuar el estudio de campos magnéticos tiene incorporados conductores y espiras de prueba, tanto en el estator como en el del rotor. El primero, lleva cinco conductores de prueba en distintas ranuras que permiten obtener las espiras de paso variable. Los conductores de prueba del rotor pueden formar espiras simples de paso variable accediéndose a ellas através del disco selector y aros rozantes. Dispone además, de sectores removibles del núcleo estatórico para estudiar el efecto de saliencias para el caso de las máquinas bipolares.

Características Constructivas del Estator Las dimensiones principales el núcleo y de sus ranuras están dadas en la figura 3. El estator está equipado con dos arrollamientos idénticos de capa simple, uno en la parte superior y el orto en la inferior (figura 4). Ambos arrollamientos se componen de 24 bobinas de paso fijo, dispuestas en las 48 ranuras conformando un arrollamiento tetrapolar con un paso de bobina igual a 11. Por ejemplo: Bobina 1-12, 3-14, etc.

Cada bobina esta conformada por 27 espiras en serie, y sus terminales, perfectamente identificados y numerados, están conectados a los bornes del panel diagramático de acuerdo a la figura 2. Las 96 terminales están dispuestos en 4 círculos concéntricos:Dos exteriores de color rojo (capa inferior) y dos interiores de color verde (capa exterior). Los números impares de ranuras corresponden a los terminales iniciales de la bobina, mientras que los números pares a los finales.

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Cátedra de Maquinas Eléctricas IITP1 Guía de Laboratorio Es factible realizar las conexiones en forma independiente en cada bobina, y luego conectarlos en paralelo o en serie obteniendo un arrollamiento de doble capa que puede ser de paso diametral o paso acortado. Para realizar el acortamiento del paso se efectúa el desplazamiento de las conexiones entre la capa superior y la inferior, resultando 12/12 igual 100% igual diametral; 10/12 igual 83,3% igual a acortado y 8/12 igual a 66.6% igual a acortado.

Del mismo modo combinando los arrollamientos de las dos capas, se puede obtener la variación del numero de polos formando un arrollamiento de dos, cuatro, seis, doce, catorce y veinte polos.

Datos del estator Numero 2.

Datos ValoresDiámetro del alambre espira 1.22 mmSección Transversal 1.16 mm^2 Longitud media de espira 736.6 mmDiámetro interior del estator 152.4 mmLongitud del paquete magnético 102 mmEntrehierro mecánico 0.508 mmConductores de prueba en ranuras

1-7-9-12-13

Numero de espiras de la bobina 27Resistencia a 60°C de la bobina 0.34 Reactancia de dispersión para 4 polos

2.7

Valores nominales del estator Numero 2.

Datos ValoresTensión triángulo 3 fases

220/200 V

Tensión estrella3 fases 380/350 V

Corriente triángulo 25 ACorriente estrella 15 A

Con dos ramas en paralelo por fase, y 8 bobinas en seria en cada una de las ramas. En estas condiciones se establece el flujo normal.

Característica Constructivas del Rotor Las dimensiones principales el núcleo y de sus ranuras están dadas en la figura 5.El arrollamiento del rotor es del tipo a colector y colocado en 36 ranuras. Posee 36 bobinas de 8 espiras cada una dispuestas en dos capas. Cada bobina se subdivide en 4 secciones cuyos extremos se conectan a un colector de 144 delgas (figura 6). Del lado opuesto al colector se dispone de 6 aros rozantes y de un selector de conexiones rotóricas (figura 7). El arrollamiento rotórico tiene dos grupos de derivaciones o extracciones de 4 o 6 tomas simétricos. En el primero de los grupos las derivaciones se denominan: D1-D2-G1-G2; en el segundo de los grupos se denominan: D1-D2-E1-E2-F1-F2.

En las ranuras N 1-2-6-9 del rotor, se encuentran alojados conductores de prueba. Para las conexiones de los conductores de prueba se utilizan los aros rozantes 5 y 6. En serie con el aro Nº 6 esta intercalado un fusible de 0.1 A.

Para las conexiones de un arrollamiento monofásico de 4 polos se deberán conectar en el selector de conexiones rotóricas las derivaciones de D1 con D2 y G1 con G2, disponibles estas en anillos rozantes Nº. 3 y 2 respectivamente.

Para las conexiones de un arrollamiento trifásico de 4 polos, se deberá conectar F1 con F2, E1 con E2 y D1 con D2; disponibles estos en anillos rozantes Nº 4, 1 y 3 respectivamente.

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Cátedra de Maquinas Eléctricas IITP1 Guía de Laboratorio Para las conexiones de un arrollamiento trifásico de 2 polos se deberá conectar solamente al selector F1, E1 y D1; ; disponibles estos en anillos rozantes Nº. 4, 1 y 3 respectivamente.

Sobre el colector se apoyan un sistema de 12 escobillas, además se encuentra un juego de escobillas para prueba que puede graduarse entre si hasta 8 pasos de delga y también desplazarse sobre la circunferencia del colector; que se utilizan para la distribución de tensión entre delgas del colector y de los efectos de la reacción de inducido de la máquina de corriente continua.

Datos del rotor Numero 1.

Datos ValoresNro. De ranuras y bobinas 36Nro. de espiras por bobina 8Diámetro del alambre (mm) 1.42(x2)Nro. De polos 4Paso de bobina en Ranuras 1-10 Longitud Media de la espira (mm) 610 Nro. De delgas del colector 144Paso del colector (en delgas) 1-2 Espiras de prueba 1-2; 2-7; 7-

11Entrehierro (mm) 0.508 Longitud del paquete (mm) 108 Resistencia a 60°C por fase () 0.36 Reactancia de dispersión para 4 polos()

4.7

Característica de la Balanza Electrodinámica

Datos ValoresTensión de armadura 220/240

VCorriente de armadura 26 ATensión de campo 220/240

VCorriente de campo 1 ASpan de la balanza

4.2 GRUPO SIEMENSEl conjunto está compuesto por la maquina de ensayo y la maquina de impulso utilizada como maquina de CC La maquina de ensayo es marca Siemens, fue construida para funcionar como una maquina real trifásica asincrónica de rotor bobinado y será utilizada en esta oportunidad para realizar los ensayos descriptos en los punto 5.4 y 5.5

Datos Constructivos del Rotor

Datos ValoresNumero de Ranuras 36Polos 4Nº Fases 3Numero de espiras de la bobina 6Paso de bobina Diametr

alNº de Capas 2

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Valores nominales del Rotor

Datos ValoresTensión estrella 3 fases

128 V

Corriente estrella 22 A

Datos Constructivos del Estator

Datos ValoresNumero de Ranuras 48Nº Fases 3Polos 4Diámetro interior del estator (metro) 0,158Longitud del paquete magnético (metro)

0,0825

Entrehierro equivalente (milimetro) 0.77Numero de espiras de la bobina 14Paso de bobina acortada (ranuras) 2Bobinas Agrupadas por PoloNº Capas 2

Valores nominales del estator Datos Valores

Tensión estrella 3 fases

380 V

Corriente estrella 9 A

5. DESCRIPCION DE LOS ENSAYOS A REALIZAR EN EL LABORATORIO.

5.1 VERIFICACION DE FORMA DE ONDA DE UN CAMPO MAGNETICO.Se estudiara la distribución de la F.m.m. en el Entrehierro de la maquina para distintos agrupamientos de bobinas estatóricas. Previamente a cada ensayo se realizara el esquema del arrollamiento, la distribución de los amperes conductores y la distribución espacial de la F.m.m., luego y con los gráficos y cálculos analíticos se verificara en el osciloscopio lo determinado.

Ensayos Se utilizará para esto la maquina Mawdsley descripta en el punto 4.1 Se conectaran las bobinas del estator en serie para conformar un arrollamiento de 4 polos, y se las excitará con 1 A de corriente continua, para todos los casos. De esta forma y con espiras de paso diametral, girando a 1500 R.P.M., se observara la tensión inducida en la misma. Las bobinas estatóricas se conectaran:a) 1 bobina por polo y por faseb) 2 bobinas por polo y por fasec) Arrollamiento trifásico simulando un instante de la corriente alterna Iu =Icc ; Iv=Iw=Icc/2 d) Arrollamiento trifásico simulando un instante de la corriente alterna, conexión en “V” Iu=Iv=1 ACC ; Iw=0

1. Determinación de la Inducción máxima: Dibujar la distribución de la FMM espacial en escala y del mismo medir la Fuerza Magnetomotriz

Máxima

Verificar el valor anterior con la siguiente expresión

Siendo:

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Numero de bobina por polo y por fase ( )

Numero de espiras por bobina ( )

Corriente de circulación en la Bobina ( ) Calcular la Intensidad de Campo Magnético (H) y la inducción máxima (B)

Siendo

(Entrehierro Equivalente)

(Factor de Cárter del estator) (Factor de Cárter del rotor)

(Entre hierro geométrico)

2. Determinación de la FEM Máxima La FEM máxima inducida en una espira de paso diametral cuando gira a 1500 R.P.M. es:

(Volt)Siendo:

(Longitud activa de la espira exploradora)(Rad/Seg) (Velocidad lineal de la espira exploradora)

(Diámetro de la espira exploradora).(Velocidad de rotación de la espira exploradora)

5.2 TENSIONES INDUCIDAS EN MÁQUINAS ROTATIVAS A ANILLOS

5.2.1 Con Alimentación Trifásica

Se utilizará para esto la maquina Siemens descripta en el punto 4.2Se alimentara el estator en conexión estrella con un sistema de corriente trifásica 1 A 50 Hz y además haciendo girar el rotor a +/-750 y +/-1500 rpm, se medirán en estas condiciones las tensiones de línea y las frecuencias inducidas en el arrollamiento rotórico El arrollamiento del rotor se encuentra conectado en estrella con neutro no accesible.

Predeterminación de las Tensiones Inducidas

a) Calculo de la FMM y del Flujo en el entrehierro

(Ae)

(Wb)

b) Calculo de las FEM Inducidas en el Rotor de Anillos para Diferentes Velocidades

(Hz)

(V)

Siendo

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Corriente en el arrollamiento estatorico (A)

Velocidad del Campo (RPM)

Velocidad del Rotor (RPM )

Pares de Polos

Frecuencia Rotorica (Hz)

Numero de Espiras Serie rotoricas

c) Calculo de los Factores de Arrollamiento y del Numero de Espiras del Grupo Siemens Según 4.2

Numero de Espiras Serie

Numero de Bobinas

Numero de Bobinas por polo y fase

Angulo Eléctrico Entre Ranuras Consecutivas

Paso Polar en ranuras

Paso de Bobina Acortada

Factor de Distribución

Factor de Paso

= Factores de Arrollamiento estatoricos

Factores de Arrollamiento rotorico

Estator Rotor

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d) Tabla de valores Predeterminados Calculados Para Alimentación Trifásica del Grupo Siemens Según 4.2

rpm -1500 -750 0 750 1500

f2 ( Hz )U2 ( V )

5.2.2 Con Alimentación Monofásica Se utilizará para esto la maquina Siemens descripta en el punto 4.2Alimentando dos fases estatórica en conexión V y corriente alterna monofásica y haciendo girar el rotor a 0, 750 y 1500 RPM, se medirá las tensiones de línea y frecuencias inducidas en el arrollamiento rotórico.El arrollamiento del rotor se encuentra conectado en estrella con neutro no accesible.

Predeterminación de las tensiones inducidasa) Calculo de la FMM para una fase con una corriente de 1 A-50Hz

b) Calculo de la FMM para Dos Fases en Conexión V con una Corriente de 1 A-50Hz

c) Descomposición de la FMM y Flujo Alternativo en dos Campos Giratorios de Sentidos Opuestos e Igual Modulo

d) Calculo de Las FEM inducidas en el Rotor para los Flujos Directos e Inversos

Frecuencia Rotorica Inducida por el campo directo

FEM Rotorica inducida por el campo directo

Frecuencia Rotòrica Inducida por el campo inverso

FEM Rotorica inducida por el campo inverso

FEM Rotoricas inducidas resultantes

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e) Tabla de Valores Predeterminados Calculados para Alimentación Monofasica del Grupo Siemens Según 4.2

0 750 1500

5.3 CUPLA.

Si por cada arrollamiento circula una corriente continua, se formará en cada uno de ellos un campo magnético que por principio de alineación se crea una cupla tendiente a alinear los campos entre si. Se realizara previo al ensayo los cálculos analíticos, comprobándose estos con los valores medidos.

EnsayoSe utilizará para esto la maquina Siemens descripta en el punto 4.2Se conectaran en serie dos fases en V, del arrollamiento del estator con dos fases en V del arrollamiento del rotor. Se buscara la condición de cupla “0” y de cupla máxima positiva y negativa, y se posesionará en la escala graduada, el valor del ángulo magnético igual a 0, 90, 180, 270 y 360.Gráficar cualitativamente la magnitud, sentido y posición de equilibrio de la cupla, en función del ángulo magnético. Luego se medirá la corriente y la cupla para 3 valores del ángulo magnético iso espaciados y simétricas.

Expresiones de Cálculo.

(Ae)

(Ae)

(Nm)

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6. PROTOCOLOS DE ENSAYOS

6.1 FORMAS DE ONDAS DE CAMPOS MAGNETICOS según 5.1

Equipos e Instrumentos Utilizados

Equipo o Instrumento Alcances Clase Marca Numero SerieFuente Regulable CC

AmperímetroOsciloscopioVelocímetro

Cuadro de Valores Predeterminados y Medidos

Ítem

Valores Predeterminados Valores Medidos

Velocidad IccFEM(pap)

FEM Velocidad IccFEM(pap)

FEM

RPM A mV mV RPM A mV mV5.1.a 1 Bobina 5.1.b 2 Bobinas 5.1.c 3 Fases 5.1.d 2 Fases

6.2 TENSIONES INDUCIDAS EN MÁQUINAS ROTATIVAS A ANILLOS

Equipos e Instrumentos Utilizados

Equipo o Instrumento Alcances Clase Marca Numero SerieFuente Regulable CA Amperímetro Estator

Voltimetro EstatorVoltímetro Rotor

OsciloscopioVelocímetro

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6.2.1 Con Alimentación Trifásica según 5.2.1

Valores Predeterminados Según 5.2.1

Valores Medidos

Velocidad RPM

Velocidad RPM

1500 1500 750 750

0 0 -750 -750 -1500 -1500

6.2.2 Con Alimentación Monofasica según 5.2.2

Valores Predeterminados Según 5.2.2 Valores Medidos

Velocidad RPM

Velocidad RPM

1500 1500 750 750

0 0

6.3 CUPLA SEGÚN 5.3

Valores Predeterminados Según 5.3

Valores Medidos

T(Nm)

F(N) (Nm)

0 30 45 60 90

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7. DIBUJAR LAS FORMAS DE ONDAS DE LAS F.M.M EN EL ENTREHIERRO

Se Dibujara en papel milimetrado las formas de onda que se obtendrán en el entrehierro de la maquina indicada en el punto 4.1y bajo las condiciones indicas en 5.1

8. FORMAS DE ONDAS DE LAS F.M.M EN EL ENTREHIERRO OBTENIDAS EN EL LABORTATORIO

Se mostrara las formas de onda obtenidas en el laboratorio del entrehierro de la maquina indicada en el punto 4.1y bajo las condiciones indicas en 5.1

9. CONCLUCIONESEl alumno deberá marcar las diferencias entre los valores predeterminados y los valores obtenidos en el laboratorio

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