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UNIVERSIDAD TECNÓLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA CARRERA: INGENIERÍA ELÉCTRICA CÁTEDRA: MAQUINAS ELÉCTRICAS II PROFESOR: ING. POTERAYCHKE ALBERTO A J.T.P.: ING.. CURSO/AÑO : GRUPO Nº: Integrantes / Responsable LEGAJO TRABAJO PRÁCTICO Nº 2 Ensayos de Máquinas Asincrónica Polifasicas FECHA DE PRESENTACIÓN CALIFICACIÓN 1ra Presentación OBSERVACIONES: Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 1/13 INDICE 1. Alcance 2. Objetivos 3. Referencias 4. Descripción de los Ensayos a Realizar 5. Procedimientos de Cálculos 6. Equipos e Instrumentos Utilizados Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 2/13 1. ALCANCE La presente servirá de guía de trabajos prácticos a los alumnos de la carrera de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Tecnológica Nacional F.R.B.A. 2. OBJETIVO El Objetivo es lograr que los alumnos reafirmen los conceptos teóricos en el funcionamiento de las maquinas asincrónicas polifásicas El alumno verificara si el modelo teórico propuesto se corresponde con el funcionamiento real de la maquina 3. REFERENCIAS El alumno deberá tomar como referencia para el desarrollo del trabajo practico, las clases teóricas y la bibliografía recomendada por la cátedra. 4. DESCRIPCION DE LOS ENSAYOS A REALIZAR EN EL LABORATORIO 4.1 Ensayos Indirectos de una Maquina Asincrónica Rotor en Corto Circuito Se utilizara para este ensayo una maquina asincrónica trifásica rotor en cortocircuito marca Weg con los siguientes datos de Datos de Placa de característica Pn= 5.5 KW; Un=380 V ∆; In=11,1 A; f= 50 Hz ; 2p=4; n= 1465 rpm Datos de Catalogo Motor Trifásico Cerrado Modelo W21 Forma Constructiva B31 Carcasa de Hierro Gris Rotor de Jaula de Ardilla aluminio inyectado Sellos V´Ring en las tapas Chapa de Identificación en acero inoxidable Clase de Aislamiento “F” T 80º K Servicio Continuo S1 Factor de Servicio Fs=1 Temperatura Ambiente 40° C Placa de Borneras 6 Terminales Carcasa 132S P (KW) In (A) 5,5 11,58 Ia Tn In (Nm) 6,5 36,33 Ta Tn 2,1 Cos 50 75 100 50 75 100 J (Kgm²) 84,5 85,6 86 0,63 0,77 0,84 0,03489 El objetivo a alcanzar es la valorización de cada uno de los componentes del circuito equivalente 4.1.1 Medición de la Resistencia Estatorica En cada una de las fases del arrollamiento del estator se medirá la resistencia estatorica utilizando el doble puente de Thomsom como instrumento de medición; se medirá además la temperatura del mismo arrollamiento. Ru Rv Rw ( ) ( ) ( ) Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 3/13 4.1.2 Ensayos de vacío. Dibujar el esquema eléctrico de conexión de equipos e instrumentos utilizado en el ensayo El ensayo de vacío se realizara sin carga en el eje de la maquina a la tensión y frecuencia nominal .Se medirá en estas condiciones los siguientes parámetros Un (V) Io (A) Ensayo Vació Nº1 Po Qo (W) (VAr) n (rpm) A los efectos de separar las perdidas en vació medidas anteriormente en perdidas magnéticas y perdidas mecánicas (fricción y ventilación) se realizaran nuevamente los ensayos sin carga en el eje pero variando la tensión de alimentación. De esta forma alimentando al estator con una tensión Trifásica de 50 Hz variable desde el 120 % de la tensión nominal, hasta un valor porcentual mínimo de la tensión nominal, tal que con decremento de la tensión estatorica provoca un incremento de la corriente de vacío. De esta forma se obtendrán 9 lecturas simultáneas de: Tensión, Corriente, Potencia Activa, Potencia Reactiva y Velocidad. U (V) Ensayo Vació Nº2 Io Po (A) (W) Qo (VAr) n (rpm) 1,2 Un Un 0,9 Un 0,8 Un 0,7 Un 0,6 Un 0,5 Un 0,4 Un Uminimo Se tomaran las precauciones necesarias para reducir la corriente de arranque y de esta forma no afectar el instrumental de medición. Las lecturas se realizaran después de haber funcionado por espacio de 5 a 10 minutos para que se establezca la temperatura de los cojinetes. 4.1.3 Ensayo a rotor bloqueado. Dibujar el esquema eléctrico de conexión de equipos e instrumentos utilizado en el ensayo Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 4/13 El ensayo es semejante al ensayo en cortocircuito del transformador, este se realizara bloqueando el rotor de la maquina a ensayar y aplicando al estator una tensión trifásica reducida a la frecuencia nominal. El rotor se bloqueara con un brazo de palanca de longitud conocida L=1 metro, apoyando un extremo de la misma sobre un platillo de una balanza comercial a resortes, que posee un índice graduado en gramos. Con esta palanca y balanza se medirá la cupla frenante en Gramo Metro En las condiciones indicadas se ajustara una tensión trifásica reducida de frecuencia Nominal de una magnitud que permita ajustar la corriente nominal de placa. Se medirá en estas condiciones los siguientes parámetros Ensayo Bloqueo a 50 Hz Nº4 Ub f (V) (Hz) Ib In Pb Qb (A) (W) (VAr) Tb (gm) En las condiciones indicadas se ajustara una tensión trifásica reducida a una frecuencia de 40 Hz de una magnitud que permita ajustar la corriente nominal de placa. Se medirá en estas condiciones los siguientes parámetros Ensayo Bloqueo a 40 Hz Nº5 Ub f Ib In Pb Qb (V) (Hz) (A) (W) (VAr) Tb (gm) En las condiciones indicadas se ajustara una tensión trifásica reducida a una frecuencia de 30 Hz de una magnitud que permita ajustar la corriente nominal de placa. Se medirá en estas condiciones los siguientes parámetros Ensayo Bloqueo a 30 Hz Nº6 Ub f (V) (Hz) Ib In Pb Qb (A) (W) (VAr) Tb (gm) En las condiciones indicadas se ajustara una tensión trifásica reducida a una frecuencia de 15 Hz de una magnitud que permita ajustar la corriente nominal de placa. Se medirá en estas condiciones los siguientes parámetros Ensayo Bloqueo a 15 Hz Nº7 Ub f (V) (Hz) Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 Ib In Pb Qb (A) (W) (VAr) Tb (gm) 5/13 En las Condiciones Indicadas se realizara el ensayo de bloqueo a la tensión nominal y Frecuencia nominal tomado las precauciones de medir rápidamente en un tiempo menor a 10 segundos Ensayo Bloqueo a 50 Hz y a la Tensión Nominal Nº8 Ub Un f Ib Pb Qb Tb Ta (V) (Hz) (A) (W) (VAr) (gm) A los efectos de verificar la invariancia de las resistencias y reactancias de dispersión estatóricas y rotóricas (validez con las corrientes de bloqueo no superiores a la corriente nominal) se realizara los siguientes ensayos Con el rotor bloqueado y con tensión reducida, a la frecuencia nominal se medirá en forma simultanea y para cada caso, la tensión, la corriente, la potencia, la cupla para el 25, 50, 75, 100 y 125 % de la In. Ensayo Bloqueo a 50 Hz Nº9 Ub Ib Pb Qb (V) (A) (W) (VAr) Tb (gm) 0.25 * I n 0.50 * I n 0.75 * I n 1.00 * I n 1.25 * I n Se tomara la precaución, previo al ensayo, verificar la dirección de la cupla motora, esta cupla estará aplicada correctamente sobre el platillo de la balanza. Según la posición relativa de bloqueo entre las ranuras del rotor y el estator se observa que cambia las indicaciones del amperímetro, al girar el rotor un paso de ranura cambia la indicación de los amperímetros Se ajustara el bloqueo en una posición tal que el valor de la corriente sea la media entre los valores máximos y mínimos. 4.2 Ensayo Directo de una Maquina Asincrónica Rotor en Corto Circuito Dibujar el esquema eléctrico de conexión de equipos e instrumentos utilizado en el ensayo Se utilizara para este ensayo una maquina asincrónica trifásica rotor en cortocircuito de características gemelas a la utilizada en el punto 4.1 El Objetivo a alcanzar será verificar si la maquina asincrónica en funcionamiento estable verifica el marcado de su chapa características Los valores medidos a verificar se los comparará con los valores indicados en la chapa característica como ser: Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 6/13 Resbalamiento (s), Potencia de Entrada (P1), Corriente Estatorica (I1), Factor de Potencia (COS ) Calentamiento Para lograr esto se realizara el ensayo a la tensión y frecuencia nominal colocando en su eje una carga que represente la Corriente nominal de la misma a ensayar Ensayo Directo Nº10 Un I1 I n P1 Q1 U AH Ia If (V) (A) (W) (VAr) (V) (A) (A) n (rpm) En nuestro laboratorio se utilizara como carga mecánica un generador de corriente continua contrastado en perdidas, este será acoplado mecánicamente a la maquina a ensayar denominada “Maquina auxiliar calibrada”. La función de este generador, es transformar la energía mecánica disponible en su eje en energía eléctrica consumida por un resistor conectado a los bornes de la armadura. Esta energía eléctrica, así transformada, mas la energía de perdidas representa la carga y será la que frena al motor de ensayo. A los efectos de verificar la variación de la velocidad del rotor con la carga (Desde Cero Hasta cupla Nominal) se realizara el siguiente ensayo. Las Condiciones de ensayo son similares a la descripta anteriormente De esta forma, se alimentara el arrollamiento del estator con una tensión trifásica y frecuencia de valor nominal y frenando al motor con una cupla variable. Esto se lograra ajustando la resistencia conectada a la armadura de la “Maquina auxiliar calibrada”. Se medirá en forma simultanea y para cada caso, la tensión, la corriente, la potencia, la velocidad para el motor y para el generador la tensión y corriente de armadura y la corriente de excitación para el 25, 50, 75, 100 y 125 % de la potencia nominal. Ensayo Directo Nº11 Un I1 P1 Q1 U AH Ia If (V) (A) (W) (VAr) (V) (A) (A) n (rpm) 0.25 * I a 0.50 * I a 0.75 * I a 1.00 I a 1.25 * I a Para el arranque de la maquina asincrónica, se utilizara un arrancador estrella triángulo con tres contactores y conmutación manual Durante la conmutación se medirá la corriente, tensiones y tiempo de arranque con el motor en vacío y en carga nominal. Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 7/13 4.3 Ensayos de una Maquina Asincrónica Rotor Bobinado Funcionando Como Freno - Motor - Generador Este ensayo se realizara en una maquina asincrónica rotor bobinado, con los siguientes datos Marca Siemens con los siguientes datos de placa de característica Pn= 4 KW; Un=380 V Estrella; In= A; f= 50 Hz ; 2p=4; n= 1465 rpm Estos ensayos no lo consideramos como ensayos normativos, los ensayos normativos sirven para realizar la recepción de una maquina asincrónica. Este ensayo entonces lo realizamos exclusivamente para lograr en el alumno una mejor compresión de las maquinas asincrónicas, funcionando como Freno- Motor y Generador. Es esencial para lograr el funcionamiento antes indicados de la maquina asincrónica contar con el siguiente equipamiento. a) Una maquina asincrónica de rotor bobinado y b) Una maquina de corriente continua acoplado mecánicamente a la maquina asincrónica Esta ultima posee un diseño tal que nos permite medir en forma directa la cupla que se ejerce sobre el eje de la maquina acoplada, a esta maquina la denominaremos Balanza Electrodinámica La balanza electrodinámica posee un estator libre de giro y un brazo de palanca de longitud conocida acoplado a una balanza dinamométrica, de esta forma la cupla ejercida en el eje de la maquina es transmitida a los resortes y al sistema de lectura de fuerzas que nos permite medir en forma directa la cupla c) Un banco de resistencias trifásicas conectado al rotor bobinado Ensayo Funcionando Como Freno Con el arrollamiento del estator conectado a la red trifásica 3x380 V 50 Hz y el rotor a circuito abierto se lo hace girar impulsado por la balanza electrodinámica a la velocidad sincrónica, pero en sentido contrario al del campo del estator. Luego se ajustara la resistencia rotorica hasta obtener las corrientes nominales en el rotor y en el estator, en estas condiciones es esperable medir en la balanza electrodinámica la cupla nominal Se medirán en forma simultánea los siguientes parámetros Funcionando en Freno Nº12 n (rpm) U1 I1 P1 Q1 U2 I2 f (V) (A) (W) (VAr) (V) (A) (Hz) 2 T n (Kgm) (rpm) -1500 -750 0 Ensayo Funcionando Como Motor Con el arrollamiento del estator conectado a la red trifásica y el rotor cortocircuitado, se lo carga con la balanza electrodinámica que es usada como generador. Este ensayo se corresponde con el ensayo directo indicado en el punto 4.2 con la diferencia que acá utilizamos una balanza electrodinámica en lugar de una maquina auxiliar contrastada. Se medirá en forma simultánea y para cada caso, la tensión, la corriente, la potencia, la velocidad para el motor para el 25, 50, 75, y 100% de la Cupla Nominal. Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 8/13 Funcionando en Motor Nº13 U1 I1 P1 Q1 I2 T n (V) (A) (W) (VAr) (A) (Kgm) (rpm) 0.25 * Tn 0.50 * Tn 0.75 * Tn 1.00 * Tn Ensayo Funcionando Como Generador Con el arrollamiento del estator conectado a la red trifásica y el rotor cortocircuitado, se lo impulsa al rotor con el motor de la balanza electrodinámica, hasta una velocidad levemente superior que la sincrónica. Se medirá en forma simultánea y para cada caso, con los signos que correspondientes la tensión, la corriente, la potencia, la velocidad para el motor para el 25, 50, 75, y 100% de la Cupla Nominal. Funcionando en Generador Nº14 U1 (V) I1 (A) P1 (W) Q1 (VAr) I2 T n (A) (Kgm) (rpm) 0.25 * Tn 0.50 * Tn 0.75 * Tn 1.00 * Tn Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 9/13 5. PROCEDIMIENTO DE CALCULOS: 6.1 Determinación de los Parámetros Característicos Con los valores medidos en el ensayo de vació (ítem 4.1.2) realizar lo siguiente: 1. Calcular las Corrientes Magnetizantes y graficar I m f (U o ) Im utilizando los valores medidos en el E1 Ensayo Vació Nº 1 y la reactancia de dispersión X 1 determinada en el punto 12 E1 U 0 I1 * X 1 2. Calcular la Suceptancia a la Tensión nominal 3. Calcular las Perdidas rotacionales B Prot P0 Pcu1 y graficar Prot f (U 02 ) utilizando los valores medidos en el Ensayo Vació Nº 2 y la resistencia del estator R1 medida en el ensayo punto 4.1.1 4. Separar las perdidas por fricción y ventilación P fv de las perdidas en el hierro PHF y valorizar las mismas a la velocidad y tensión nominal utilizando los graficos del punto nº 3 PHF f (U 0 ) 3xE1 Ip 6. Calcular la Conductancia a la Tensión nominal G E1 5. Calcular la Corriente de Perdida y graficar Ip 7. Dibujar el circuito equivalente en vació con los datos obtenidos en los puntos Nº 2 y 6 Con los valores medidos del ensayo de bloqueo en el ítem 4.1.3 realizar lo siguiente 8. Calcular la resistencia equivalente Re según datos de ensayos Nº 4-Nº 5-Nº 6 y Nº 7 9. Calcular R2 Re R1 y graficar ' R2' f ( Frecuencia ) según el punto 8 10. Extrapolar al Origen el grafico del punto 9 para f 0 y determinar R2 , Este parámetro será utilizado en el circuito equivalente 11. Calcular la reactancia equivalente X e según datos de ensayos Nº 4-Nº 5-Nº 6 y Nº 7 ' Xe ' y graficar X 2 f ( Frecuencia ) según el punto 11 2 ' 13. Extrapolar al Origen el grafico del punto 12 para f 0 y determinar X 2 , 12. Calcular X 1 X 2' Este parámetro será utilizado en el circuito equivalente 14. Dibujar el circuito equivalente en bloqueo con los datos obtenidos en los puntos Nº 10 y 13 15. Graficar los valores medidos de bloqueo a 50 Hz en el ensayo Nº 9 de: Potencia, Cupla y Tensión en función de la corriente de Bloqueo U b f ( I b) Pb f ( I b ) Tb f ( I b ) Desde..I b 0.25I n ..Hasta..I b I n 16. Calcular la reactancia y resistencia equivalente y graficarla X e f ( I b ) ) Re f ( I b ) ) Desde..I b 0.25I n ..Hasta..I b I n Justificar sus variaciones 17. Dibujar el circuito equivalente exacto, con los valores obtenidos Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 10/13 6.2 Cálculos para el Funcionamiento Estable Utilización del Circuito Equivalente de Thevenin 18. Partiendo del Circuito Exacto parametrizado del punto 17 Calcular la tensión de Thevenin la resistencia y la reactancia de Thevenin 19. Dibujar el circuito equivalente de Thevenin 20. Partiendo del Circuito equivalente de Thevenin se determinara a la tensión y frecuencia nominal y un resbalamiento S igual al medido en el ensayo directo Nº10 calcular lo siguiente: Corriente Rotorica nominal Corriente Estatorica nominal Factor de Potencia nominal Cupla Nominal Cupla de arranque Comparar Estos con los Valores Medidos en el Ensayo Directo Nº 10 21. Utilizando el Matlab Plotear utilizando el circuito equivalente de Thevenin la característica Mecánica T f (S ) funcionando como motor a la tensión y frecuencia nominal enmarcando sobre el mismo los puntos característicos 6.3 Cálculos Utilizando los Datos del Ensayo Directo de una Maquina Asincrónica Rotor en Corto Circuito 22. Dibujar el circuito eléctrico utilizado en el arranque de la maquina asincrónica 23. Comparar el arranque a tensión reducida con un arranque a tensión nominal con y sin carga acoplada al eje del motor asincrónico, en lo siguientes Corrientes, Cuplas, Tiempo de Aceleración 24. Calcular la potencia en el eje de la maquina asincrónica utilizando los valores medidos en el Ensayo directo Nº 10 y las perdidas de la “Maquina auxiliar calibrada” 25. Verificar el cumplimiento o apartamiento de los datos indicados en la placa de característica del motor asincrónico con los datos medidos en el ensayo º 10 y calculados en el punto 24 26. Utilizando los valores medidos en el Ensayo directo Nº 11 y las perdidas de la “Maquina auxiliar calibrada Calcular lo siguiente: La potencia en el eje, la cupla, La potencia Reactiva, el Factor de potencia, el Rendimiento 27. Graficar los valores Calculados en el punto 26 en función del resbalamiento 6.4 Cálculos Utilizando los Datos Ensayos de una Maquina Asincrónica Rotor Bobinado Funcionando Como Freno - Motor – Generador 28. Con los datos obtenidos en los ensayos Nº 12/13/14 funcionando como freno motor y generador realizar un balance de potencias activas y sus signos. 29. Con los datos obtenidos en los ensayos Nº 12/13/14, graficar en un mismo grafico coordenado lo siguiente: la cupla en función del resbalamiento. Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 11/13 6. EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS 6.1 Ensayos Indirectos según punto 4.1 Placa de Característica de la Maquina a Ensayar Marca Modelo Nº Serie Pot. (KW) Vel. (rpm) Frec. (Hz) Nº de Polos Tensión (V) Y / Ie Clase de Aislacion (A) Y / Equipos e Instrumentos Utilizados Tipo Instrumento Alcances Utilizados Clase Marca Nº Serie 6.2 Ensayos Directos según punto 4.2 Placa de Característica de la Maquina a Ensayar Marca Modelo Nº Serie Pot. (KW) Vel. (rpm) Frec. (Hz) Nº de Polos Tensión (V) Y / Ie Clase de Aislacion (A) Y / Placa característica de la Maquina Auxiliar Contrastada de CC Marca Modelo Nº Serie Pot. (KW) Tensión de Armadura (V) Corriente de Armadura (A) Tensión de Campo (V) Corriente de Campo (A) ASEA Resistencia de Armadura Ra 1,6 Perdidas en el Cobre de la Armadura Pcu I Ra 2 Perdidas Rotacionales ver Grafico adjunto (Archivo Excel “MCC_ASEA_Contrastada” Equipos e Instrumentos Utilizados Tipo Instrumento Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 Alcances Utilizados Clase Marca Nº Serie 12/13 6.3 Ensayos Freno-Motor- Generador según punto 4.3 Placa de Característica de la Maquina a Ensayar Marca Modelo Nº Serie Pot. (KW) Vel. (rpm) Frec. (Hz) Nº Polos Ie Tensión (V) (A) Y / Y / Tensión Rotor (V) Corriente Rotor (V) Placa característica de la Balanza Electrodinámica Marca Modelo Nº Serie Pot. (KW) Tensión de Armadura (V) Corriente de Armadura (A) Tensión de Campo (V) Corriente de Campo (A Cupla Maxima (Kgm) AEG Equipos e Instrumentos Utilizados Tipo Instrumento Alcances Utilizados Clase Marca Nº Serie . Maquinas Eléctricas II TP2 Guía de Laboratorio 2011 13/13