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Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento de Ingeniería Eléctrica
EL3003 – Laboratorio de Ingeniería Eléctrica
INFORME LABORATORIO
MÁQUINA ELÉCTRICA
Nombre Alumno :
Raúl Ugarte M.
Diego Valenzuela I.
Alexis Yáñez I.
Profesor
:
Nelson Morales O.
Profesor Auxiliar :
Sebastián Guerrero D.
Fecha
16 de Octubre de 2012
:
Santiago, Chile.
Contenido
1.
Introducción ................................................................................................................................ 1
2.
Datos Experimentales ................................................................................................................. 3
3.
2.1.
Característica de magnetización ......................................................................................... 3
2.2.
Característica externa ......................................................................................................... 7
2.3.
Característica de regulación con excitación independiente ............................................... 9
2.4.
Característica de regulación con autoexcitación .............................................................. 11
Análisis....................................................................................................................................... 13
3.1. Determinación de la característica de magnetización del generador de corriente
continua. ....................................................................................................................................... 13
3.2. Determinación de la característica externa del generador de corriente continua con
excitación independiente. ............................................................................................................. 14
3.3.
Determinación de la característica de regulación con excitación independiente ............ 15
3.4.
Determinación de la característica de regulación con autoexcitación ............................. 16
4.
Conclusiones.............................................................................................................................. 17
5.
Bibliografía ................................................................................................................................ 18
Introducción
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
1. Introducción
En este informe se presentarán los resultados y principales análisis de la experiencia de
laboratorio realizada sobre un generador de corriente
continua.
A lo largo de la experiencia se utilizarán los siguientes instrumentos:
1 Máquina M-12/EV.
1 Máquina M-4/EV.
1 Línea fija 220 Vcc, 3[A]
1 Línea variable 0-430 Vca, 3[A]
2 Voltímetro con rango de 250[V] a 500[V].
3 Amperímetro con rango de 2[A] a 4[A].
1 Reóstato de carga: 440[Ω], 1,0[A] a 1,4[A].
1 Reóstato de regulación: 1220[Ω], 0,5[A] a 0,7[A].
Una máquina de corriente continua se compone principalmente de 2 partes: Rotor y Estator. Un
campo magnético generado por el estator induce una corriente sobre un conjunto de espiras que
hacen girar al rotor.
El estator corresponde a la parte fija de la máquina y se compone por dos piezas principales: un
circuito de inducción y un sistema porta-carbones.
El circuito de inducción formado por polos ferromagnéticos y un devanado de inducción, genera
un campo magnético de magnitud relativamente constante que se aplica sobre el rotor. El
sistema portador de carbones conforma el contacto eléctrico entre el estator y el rotor, además y
con él se aprovecha la potencia generada.
El rotor corresponde a la parte móvil de la máquina, está compuesto
de un devanado inducido o armadura y el sistema colector de delgas.
La armadura es un devanado con núcleo ferromagnético que produce una estructura de varias
U. de Chile. FCFM. DIE
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Introducción
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
inductancias conectados a delgas opuestas en el colector. Al girar el rotor en presencia de un
campo magnético externo relativamente constante, se induce una tensión en los extremos de
cada bobina, la cual es proporcional a la variación del flujo magnético. La función del colector de
delgas es rectificar la tensión sobre cada bobina.
Para la experiencia es necesario añadir una fuerza mecánica actuando sobre el generador, esto se
consigue acoplando una máquina de inducción trifásica al generador, se dice que el generador
actúa como un dínamo-freno sobre el motor de inducción ya que fuerza electromotriz del
generador se opone al movimiento del rotor, lo que permite generar potencia eléctrica.
Ventajas del motor de corriente continua:
- Rango de velocidades controlables, de alta precisión
- Alto control de aceleración, desaceleración y cambio de sentido de giro
- Frenado regenerativo.
Desventajas del motor de corriente continua:
- Necesita de alta mantención, es poco robusta y necesita un mayor peso para aumentar un
kilowatt de potencia, comparando con la máquina de corriente alterna.
Los motores de corriente continua poseen múltiples usos tanto en la industria o en artefactos de
uso cotidiano como juguetes, taladros, etc.
- Motores a velocidad constante y trabajando a par constante a diversas velocidades.
- Grúas con precisión de movimiento con carga variable.
Los objetivos de la experiencia son obtener la característica de magnetización de un generador de
corriente continua, en subida de la corriente de excitación como en bajada, determinar la
característica externa del generador de corriente continua con excitación independiente y
determinar la característica de regulación del generador con excitación
independiente y con autoexcitación.
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Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
2. Datos Experimentales
Complete las tablas y gráficos que a continuación se presentan con los datos que ha obtenido
en sus mediciones. Incluya escalas y magnitudes correspondientes en sus gráficos.
2.1. Característica de magnetización
Complete las talas y grafique la característica de magnetización del generador de corriente
continua:
Tabla 1: Característica en subida
Iexc
[A]
U. de Chile. FCFM. DIE
V
[V]
0
7,9
0,122
170
0,13
174
0,14
181
0,15
190
0,17
199
0,185
208
0,21
212
0,22
218
0,23
220
0,24
222
~3~
Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
Curva de Magnetización en Subida.
250
Voltaje [V]
200
150
Curva de
magnetización en
subida.
100
50
0
0
0,1
0,2
0,3
I Excitación [A]
Gráfico 1: Curva de Magnetización en subida.
U. de Chile. FCFM. DIE
~4~
Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
Tabla 2: Característica en bajada
Iexc
[A]
V
[V]
0,24
223
0,22
221
0,21
220
0,2
218
0,19
217
0,18
216
0,17
214
0,16
201
0,15
86
0,14
85
0,13
165
0,1
163
*probable error donde dice 86 y 85- problemas con que se movía el medidor por las vibraciones del motor
y el generador
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Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
Curva de Magnetización en Bajada.
250
Voltaje [V]
200
150
Curva de
magnetización en
bajada.
100
50
0
0
0,1
0,2
0,3
I Excitación [A]
Gráfico 2: Curva de Magnetización en bajada.
Curva de Magnetización en Subida y
en Bajada.
250
Voltaje [V]
200
Curva de
magnetización en
bajada.
150
100
Curva de
magnetización en
subida.
50
0
0
0,1
0,2
0,3
I excitación [A]
Gráfico 3: Comparación entre curvas de magnetización.
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Datos Experimentales
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2.2. Característica externa
Complete la tabla y grafique la característica externa del generador de corriente continua:
Tabla 3: Característica de regulación con excitación independiente
Vbornes
[V]
U. de Chile. FCFM. DIE
Icarga
[A]
8
0
163
0,38
162
0,42
161
0,43
160
0,5
159
0,55
159,7
0,6
159,4
0,66
159
0,71
158,6
0,78
158,3
0,86
158
0,97
~7~
Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
Característica Externa.
1,2
I Carga [A]
1
0,8
0,6
Característica externa.
0,4
0,2
0
0
50
100
150
200
V Bornes [V]
Gráfico 4: Característica Externa.
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~8~
Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
2.3. Característica de regulación con excitación independiente
Complete la tabla y grafique la característica de regulación con excitación independiente del
generador de corriente continua:
Tabla 4: Característica de regulación con excitación independiente.
Iexc
[A]
U. de Chile. FCFM. DIE
Icarga
[A]
0,14
0,41
0,141
0,44
0,143
0,55
0,145
0,62
0,148
0,71
0,15
0,85
0,16
0,91
0,162
1,02
0,165
1,1
0,19
1,16
0,193
1,18
0,196
1,23
~9~
Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
Curva de Regulación con Excitación
Independiente.
1,4
I Carga [A]
1,2
1
0,8
Característica de
regulación con
excitación
independiente.
0,6
0,4
0,2
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
I Excitación [A]
Gráfico 5: Curva de regulación con excitación independiente.
U. de Chile. FCFM. DIE
~10~
Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
2.4. Característica de regulación con autoexcitación
Complete la tabla y grafique la característica de regulación con autoexcitación del generador
de corriente continua:
Tabla 5: Característica de regulación con autoexcitación
Iexc
[A]
U. de Chile. FCFM. DIE
Icarga
[A]
0,05
--
0,051
0,031
0,052
0,035
0,053
0,04
0,055
0,049
0,056
0,05
0,057
0,062
0,058
0,067
0,059
0,075
0,06
0,084
0,062
0,092
0,064
0,12
~11~
Datos Experimentales
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
Curva de Regulación con
Autoexcitación.
0,14
I Carga [A]
0,12
0,1
0,08
Característica de
regulación con
autoexcitación.
0,06
0,04
0,02
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
I Excitación [A]
Gráfico 6: Curva de regulación con autoexcitación.
U. de Chile. FCFM. DIE
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Análisis
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
3. Análisis
3.1. Determinación de la característica de magnetización
del generador de corriente continua.
Comente los datos de las tablas y los gráficos obtenidos en 2.1. Analice las condiciones en que
fue realizada la prueba. ¿Qué diferencias existen entre los gráficos obtenidos para la curva en
subida y en bajada, qué podría explicar lo sucedido?, ¿es posible obtener algún parámetro del
generador a partir de sus resultados?
Dejando de lado 2 mediciones que se alejaron de la curva debido a un descuido en la regulación de la
velocidad con que giraba el generador, se puede decir que los obtenidos responden a lo que se esperaba
teóricamente, al variar la carga de regulación se obtuvo una variación en la corriente de excitación. Cabe
destacar que se tuvo un especial cuidado de no entregar mucha corriente al generador para que este no
sufriera daños a nivel de estructura, así como también al circuito de campo.
Al observar las curvas de la característica de magnetización de subida y bajada, se puede ver que estas solo
se diferencian en pequeña medida, es decir una está por sobre otra pero también tiene un carácter de una
curva suave y creciente, la diferencia de estas curvas se le adjudica a la magnetización del generador, ya
que al hacer funcionar el generador este finalmente queda con residuos de cargas magnéticas, lo anterior
reflejando una pequeña histéresis, por lo cual la curva en bajada muestra valores un poco más altos.
De este análisis se puede obtener el valor de la magnetización del generador a partir de los resultados
obtenidos.
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Análisis
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
3.2. Determinación de la característica externa del
generador de corriente continua con excitación
independiente.
Comente los datos de las tablas y los gráficos obtenidos en 2.2. Analice las condiciones en que
fue realizada la prueba. Compare sus resultados y gráficos con datos típicos para esta curva.
Existen diferencias con la característica externa del generador con conexión derivada y compuesta.
En esta tabla y gráfico se puede observar que el voltaje se mantiene relativamente constante al variar la
corriente por sobre la carga, lo que condice con el resultado esperado.
El reóstato de carga se mantuvo en el máximo antes y durante el arranque, luego de esto se procedió a
disminuir su valor, con lo cual se puede apreciar que la corriente sobre esta carga comenzó a subir,
mientras que el valor de su resistencia se disminuía, lo que se condice claramente con la teoría, ya que si
existe menos resistencia eso dejara pasar más corriente. Es claro además que existen diferencias con la
característica externa del generador en conexiones derivada y compuesta, básicamente en conexión
derivada al estar conectadas la inductancia y la carga en serie la curva no será decreciente en todo
momento, se espera que solo crezca y comience en un mayor valor, a diferencia de la conexión compuesta
donde se espera q esta curva decrezca y crezca dependiendo de los valores asignados a las inductancias.
Se puede notar también que el uso de una fuente externa hace que la regulación sea más precisa: mucha
variación del voltaje en los bornes del generador se produce escasa variación en la corriente,
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Análisis
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
3.3. Determinación de la característica de regulación con
excitación independiente
Comente los datos de las tablas y los gráficos obtenidos en 2.3. Analice las condiciones en que
fue realizada la prueba. ¿Qué determina la curva de regulación? Compare sus resultados y gráficos
con datos típicos para esta curva, comente diferencias.
La curva de regulación ayuda a determinar la forma en que varía la corriente descarga respecto a la
corriente de excitación, lo que habla de una característica del generador de que a mayor corriente de
excitación, variando ésta tan sólo miliamperios, producía un cambio grande en cuanto a la corriente de
carga del orden de décimas de ampere, estando ambas corrientes en una relación de uno es a 3siendo la
relación una relación creciente.
Además se debe considerar que en comparación con el gráfico de la característica de regulación del
generador con auto excitación, la curva del generador conectado con excitación independiente posee
mucha mayor pendiente, lo que implica la corriente que circula por la carga varía de manera más sensible
respecto a corrientes de excitación pequeñas, en particular, a pequeñas fluctuaciones de ellas.
Se debe notar además que as mediciones no pudieron ser muy exactas dado que al usar equipos
analógicos con lectura de aguja, estas se movían mucho dada la vibración del motor y el generador que se
encontraban muy cerca, lo que dificultó la medición de las características para el grupo.
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Análisis
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
3.4. Determinación de la característica de regulación con
autoexcitación
Comente los datos de las tablas y los gráficos obtenidos en 2.4. Analice las condiciones en que
fue realizada la prueba. ¿Existen diferencias con el gráfico de la sección 2.3.? Compare sus
resultados y gráficos con datos típicos para esta curva.
En este caso a diferencia del anterior, el generador se conecta en auto excitación, es decir, con el circuito
de campo alimentado por el generador en vez de un voltaje CC fijo de 220 [V]. En esta experiencia se cuidó
de que al hacer mediciones se partiera con el reóstato de campo llevado a su máximo valor y descendiendo
éste al tomar mediciones, regulando que se mantuviera un voltaje constante en los bornes del generador
usando para esto el reóstato de carga.
Se puede notar que a diferencia del gráfico anterior, aquí una corriente levemente mayor es la que produce
una corriente levemente menor en la carga, de manera que la pendiente de la curva es también menor y
eso se puede deber a que como el generador se está auto excitando ayudado de su magnetismo
remanente, la corriente que circula en la carga no es exuberante considerando que no hay otro tipo de
alimentación externa, tan sólo llegando al final de las mediciones, la pendiente de la curva se dispara
cuando se ha llegado a la mínima resistencia con el reóstato.
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Conclusiones
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
4. Conclusiones
De la presente experiencia se pudo comprender el funcionamiento básico de una máquina de corriente
continua y en particular de la capacidad de las máquinas para “trabajar” como motor o generador.
Se comprendió que el generador se utiliza para que recibiendo un torque mecánico, este produzca una
corriente y al revés, un motor dado una corriente eléctrica transforma esta a trabajo/torque mecánico.
En particular en el laboratorio se acopló un generador con un motor de manera de reproducir las
condiciones bajo las cuáles el generador pudiese generar energía a partir del torque desde una fuente
mecánica externa. Al hacer lo anterior se pudo notar las características del generador, como su curva de
magnetización y se dio cuenta mediante la experiencia y al analizar la curva, tanto en subida como en
bajada, que se produjo una leve histéresis en el proceso que se condice con lo esperado dado que el
generador es en sí una máquina que utiliza el magnetismo para funcionar. Además se pudo determinar que
su característica externa medida es muy similar a la que describe la teoría respecto a esta, manteniendo un
voltaje casi constante para distintas corriente en la carga, mostrando que a pequeñas variaciones de voltaje
se producían mayores variaciones de corriente, aunque esta fuese pequeña.
Finalmente se pudo comparar la característica de regulación con auto excitación y con excitación
independiente, lo que llevó a determinar que el manejo del motor/generador era mucho más sensible al
manejo con excitación independiente ya que al variar mínimamente la corriente de excitación se variaba en
mayor medida la corriente en la carga que cuando el generador estaba auto excitado, pues esa auto
excitación depende en mayor medida de la magnetización remanente del generador, lo que la hace menos
manejable en el sentido de que es más trabajoso situarse en el punto donde se quiere ejecutar el generador.
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Bibliografía
EL3003 – Informe Laboratorio – Máquina Eléctrica
5. Bibliografía
-
Capítulo I. Máquina de Corriente Continua. Autor: Prof. Waldemar Godoy V. [Disponible en línea]
http://www.facebook.com/download/474003205957349/Capitulo1%20maquina.pdf
-
Máquinas de Corriente Continua. EL54A. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Of. de
Publicaciones Docentes. [Disponible en línea]
http://www.facebook.com/ajax/messaging/attachment.php?attach_id=fdc654977cbc4c5336a390c29f2
af054&mid=id.480560495317944&hash=AQB8c7ux7HblGCKt
-
Máquinas
de
Corriente
continua.
http://www.monografias.com/trabajos91/maquinas-de-corriente-continua/maquinas-de-corrientecontinua.shtml#iipartesda
U. de Chile. FCFM. DIE
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