Ciclo N3Mquina de InduccinJaula de ardilla

Docentes: Rubn PeaLeonardo PalmaAlumnos: Juan Pablo Vergara

Objetivos

Determinar efecto de la secuencia de alimentacin en el sentido de giro de una mquina de induccin tipo jaula de ardilla. Ensayar los distintos tipos de partidores disponibles en laboratorio y comparar su efecto en la corriente de partida, torque de partida, tiempo de aceleracin, etc. Obtencin de set de curvas caractersticas de la mquina de induccin en ensayo. Obtencin de los parmetros del circuito equivalente de la mquina en ensayo. Determinacin de prdidas y eficiencia de la mquina en ensayo.

I. A continuacin especificamos las caractersticas de placa y constructivas del grupo motor-freno.

Motor de Induccin Jaula de Ardilla

MarcaBSG Motors

ModeloGU CL IP55

Tipo112M-4

Tensin nominal380/680 V

Corriente nominal8.70/5.01 A

Potencia nominal4.0 KW

Factor de potencia0.83

Rpm nominal1430 rpm

Frecuencia50 Hz

Caractersticas Constructivas

N de polos4 Polos

Tipo de CarcasaBlindado de fierro fundido

Tipo de ventilacinAuto ventilacin

Acoplamiento de ejeMecnico (Machn)

Tabla 1. Caractersticas constructivas Mquina de induccin.

Maquina Corriente Continua

MarcaAEG

ModeloG245

Tensin nominal armadura300 V

Corriente nominal armadura10 A

Potencia nominal3KW

Tipo de devanado de campoShunt

Tensin nominal de campo300 V

Corriente nominal de campo1.3 aprox.

Rpm nominal1430 rpm

Tipo de CarcasaSemi-Blindado de Fierro fundido

Tipo de ventilacinAuto ventilacin

Tabla 2. Caractersticas de placa MCC.

Ilustracin representativa Motor jaula de ardilla.

A continuacin notamos el panel de control donde se realizarn las conexiones pertinentes, para las distintas pruebas a realizar:

Fig 1. Panel de control

II. Tipos de Partidores

Procedimientos:a) Partidor # 1:Partida directa:

Principio de funcionamiento

El motor de alimenta a tensin nominal, para sta cerramos el switch trifsico mediante un interruptor de palanca, de sta manera se aplica tensin directamente sobre las fases del motor.

Fig.2 Diagrama representativo.

b) Partidor #2:Partida con autotransformador:

Principio de funcionamiento

En cuanto a su funcionamiento, la partida con autotransformador consiste en alimentar el motor a tensin reducida, luego mediante una palanca lateral se pone fuera de servicio con lo cual el motor queda sometido a tensin nominal, este proceso se detalla en mayor medida en la siguiente secuencia:1.) Puesta en estrella del autotransformador, despus del cierre del contactor de lnea (switch 1), de esta forma el motor arranca con tensin reducida ya que la tensin que cae en cada fase en veces menor que la que la tensin de lnea aplicada al partidor.2.) Se abre el punto neutro, una parte del devanado del autotransformador se comporta como inductancia con lo cual todava la impedancia es elevada y la corriente pequea.3.) Un tercer contactor acopla el motor a la tensin de la red (cerramos switch 3) y provoca la apertura de los dos primeros contactores de arranque.

A continuacin se especifican las caractersticas de placa del partidor con autotransformador:

Caractersticas del Partidor

N de serieLG 355 36

Tensin Nominal380/440 V

TipoG245

Frecuencia50 Hz

Potencia7.5 HP

Valor de Tap75%

Tabla 3. Caractersticas de Placa.

Cuyas conexiones pueden ser representadas por el siguiente diagrama:

Fig.3 Diagrama representativo.

c) Partidor #3:Partida estrella delta:

Principio de funcionamiento

Se hace partir el motor conectando las fases en estrella para reducir la corriente de partida Ip, ya que en el arranque la tensin en el devanado es la nominal, una vez que arranca pasamos a conexin delta. Se requiere tres contactores, uno denominado principal, para la alimentacin de los principios de la bobina de los devanados del motor; otro un contactor que se encarga de realizar la conexin al devanado en estrella, y el tercero ejecuta la conexin delta. El funcionamientos de los switch es el siguiente:

Cerrando el switch 1 y dejando el switch 2 abierto dejamos las fases en conexin estrella,Cerrando el switch 2 y dejando abierto el switch 1 dejamos las fases en conexin delta,Finalmente des energizamos la mquina abriendo el switch 1 y switch 2.

A continuacin mostramos en la fig 3. las caractersticas de placa del partidor en cuestin: Caractersticas del Partidor

FabricanteMEMOTA

N de Serie10SP

TipoStarting Switch

Tensin Nominal365-500 V

Corriente Nominal5-15 A

TipoStarting Switch

Frecuencia50 Hz

Tabla 4. Caractersticas de placa.

A continuacin observamos el diagrama de conexiones:

Fig.4 Diagrama representativo.

III. Sentido de Giro de la Mquina de Induccin.

Procedimiento realizado:Procedemos a conectar los devanados de la mquina en ensayo en y energizar sus terminales mediante un variac trifsico. Luego se aplica tensin comenzando desde cero volt con el variac ( en partida directa) hasta romper la inercia de la mquina en ensayo y esta comience a girar, se registra el sentido de giro obtenido. Finalmente se procede a cambiar la secuencia de las tensiones de alimentacin de la mquina y repetir la experiencia. El diagrama de conexiones se detalla en el anexo I, apartado III, figura 5.A continuacin notamos los resultados de intercambiar la secuencia de las tensiones de alimentacin de la mquina:SecuenciaSentido de giro

R-S-TAnti horario

R-T-SHorario

Comentarios respectivos: De los resultados obtenidos podemos notar, que al realizar la secuencia de las tensiones de alimentacin en secuencia R-S-T el giro de la mquina de induccin fue anti horario. Si realizamos la secuencia R-T-S el sentido de la mquina cambi a sentido horario. El efecto de la secuencia de la tensiones de alimentacin sobre el sentido de giro de la mquina de induccin, se explica por qu la tensin inducida en el rotor slo depende del campo magntico rotatorio que inducen las corrientes que circulan por el estator , de sta forma se puede cambiar el sentido de giro de la mquina de induccin.

IV. Ensayo con mtodos de Partida.

Procedimiento realizado:

Procedemos a la partida del motor jaula de ardilla mediante los distintos mtodos descritos anteriormente. Conectamos voltmetros y ampermetros en los terminales de entrada y salida del dispositivo de partida. Adems conectamos sondas diferenciales de corriente tanto en la lnea de alimentacin del partidor como en la alimentacin de la MIJA ( a continuacin del partidor) y capturamos la forma de onda de la corriente de partida, esto se ve reflejado en el diagrama de conexiones de la figura 6, apartado IV, anexo 1.Para el registro de las corrientes utilizamos un osciloscopio el cual debe configurarse en modo disparo, mediante los cursores registramos el tiempo de aceleracin para cada mtodo. Posteriormente procedimos a registrar tensin de alimentacin, tensin aplicada a los devanados de la mquina, corriente tomada de la red, corriente de partida de la MIJA, tiempo de aceleracin. A continuacin se presentan la captura de la forma de onda de la corriente de partida mediante los distintos mtodos:

A) Partida directa

A continuacin observamos la forma de onda de la corriente de partida mediante el mtodo de partida directa:

Fig.7 Corriente de partida partida directa.

Comentarios respectivos:

De los resultados de la tabla 5 (anexo1, apartado IV), obtuvimos una corriente de partida de 81.3 [A], muy superior a la corriente nominal de la mquina de induccin (8.7 [A]). De sta manera podemos notar que la intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor. Su ventaja principal es el elevado par de arranque, que es 1.5 veces el nominal. Con referente al tiempo de aceleracin podemos notar que es muy reducido en comparacin a las otros tipos de partida.

B) Partida con auto-transformador:

A continuacin observamos la forma de onda de la corriente de partida mediante el mtodo de partida con autotransformador:

Fig.8 Corriente de partida con auto-transformador.

Comentarios respectivos:

Con ste tipo de mtodo esperamos una corriente de partida reducida, ya que como el auto-transformador se encuentra en estrella, el motor arranca con tensin reducida, pues la tensin que cae en cada fase es veces menor que la que la tensin de lnea aplicada al partidor. Por ende de la tabla 5 (anexo1, apartado IV) obtuvimos una corriente de partida de 56.8 [A], mucho menor que la corriente obtenida mediante partida directa. El tiempo de aceleracin es de aproximadamente 500 [ms], muy similar a la partida delta-estrella de 516 [ms] notamos que es mucho mayor en comparacin al de partida directa ,esto de se debe a los tiempos de conmutacin de los switch respectivos.

C) Partida conexin delta-estrella:

Fig.9 Corriente de partida estrella-delta.

Comentarios respectivos:

Como anteriormente notamos una considerable reduccin del valor de la corriente de partida aproximadamente de 26.5 [A], (tabla 5, anexo 1), como explicamos anteriormente en el punto II, en una primera instancia conectamos las fases del motor en estrella para reducir la corriente de partida respectivamente la tensin durante el arranque se reduce 1,73 veces aproximadamente.

Notamos a continuacin las torques respectivas obtenidas para cada mtodo de partida, lo que podemos observar en la siguiente tabla:Mtodo de partidaTorque de partida [N/m]

Directa304.95

Auto-transformador148.89

Estrella-delta32.40

Tabla.5 Comentarios respectivos: Para un motor grande de servicio intermitente notamos que la mejor opcin de partida es la partida estrella-delta ya que posee un corriente de partida menor en comparacin a los dems mtodos y adems su diseo es ms simple. Si analizamos los dems mtodos de partida, la partida directa posee un corriente de partida muy elevada por lo que no es recomendable su uso para un motor de gran tamao debido a los diferentes problemas que puede ocasionar en los de devanados, en cambio la partida con auto-transformador aunque posea una corriente de partida reducida, su construccin es muy costoso para una motor ms robusto.

V. Curvas Caractersticas.

Procedimiento realizado: Para la partida el motor se alimenta aplicando tensin reducida mediante un variac la cual se va aumentando hasta alcanzar el valor de tensin deseado, para la obtencin de los puntos necesarios para el trazado de las distintas curvasEl motor se carga utilizando el generador de corriente continua que est acoplado al eje de este, la MCC tiene una carga variable que consume entre 0 a 4 kW. La tensin en los terminales del generador debe ser de 230[V] para cualquier condicin de carga, esto se logra variando la resistencia de campo. El campo de la mquina de corriente continua ser alimentado con una fuente de 230 [Vdc] y el restato de campo se debe ajustar de tal manera de no sobrepasar la corriente nominal. En la obtencin de las curvas tericas utilizamos los parmetros obtenidos desde el circuito equivalente, los cuales se especificarn posteriormente. A continuacin observamos las curvas caractersticas con su respectiva comparacin entre los valores tericos tomados desde el laboratorio y los valores obtenidos de tericamente:

Fig.10 Curva caracterstica corriente v/s deslizamiento.Comentarios respectivos: De la curva observamos que a medida que disminuimos el voltaje aplicado, la corriente tambin disminuye, y a medida que el deslizamiento se acerca a 1, notamos que necesitamos una corriente mayor, es decir a mayor deslizamiento mayor carga en eje del motor.

Fig 11.Curva caracterstica torque v/s deslizamiento.Comentarios respectivos: De las curvas anteriores notamos una gran concordancia entre los valores tericos y los valores obtenidos en el laboratorio, y adems una relacin entre torque-tensin, de tal forma que el torque es proporcional al cuadrado de la tensin. Si observamos las curvas notamos que aproximadamente a un 30% se produce el torque mximo respectivamente, luego a medida que aumenta el deslizamiento a s=1, notamos que el torque no es nulo, por lo que el motor sigue girando.

Fig.12 Curva caracterstica factor de potencia v/s deslizamiento.Comentarios respectivos:

De la figura 12 , observamos como los datos tericos coinciden con los datos prcticos, de donde podemos apreciar que el factor de potencia es independiente de la tensin de alimentacin, ya que el factor de potencia depende del coseno del ngulo entre la tensin y la corriente, el cual depende de los parmetros de la mquina. Si lo miramos desde el punto de vista del deslizamiento, el factor de potencia cambia a medida que aumenta el deslizamiento.

Fig.13 Curva caracterstica potencia v/s deslizamiento.Comentarios respectivos: Podemos apreciar de la fig.13, la potencia presenta un comportamiento similar al torque, es decir la potencia vara proporcionalmente al cuadrado del voltaje. Notamos como a medida que nos acercamos a s=1, la potencia se anula, lo que en el torque no ocurre.

Fig.14 Curva caracterstica Eficiencia v/s deslizamiento.Comentarios respectivos: Al observar la fig.14, apreciamos como existe una discordancia entre los valores tericos y los valores obtenidos en las pruebas, y a medida que aumenta el deslizamiento la eficiencia se reduce considerablemente. Podemos rescatar de la curva, es que el valor mximo de eficiencia se obtiene para un valor cercano al nominal, por ende tendremos una eficiencia aproximadamente superior al 80 %.VI. Circuito Equivalente.A continuacin realizaremos las tres pruebas para obtener los parmetros respectivos del circuito equivalente de la mquina de induccin jaula de ardilla, esta son: Resistencia del estator. Prueba de rotor bloqueado. Prueba de vaco.

a) Resistencia del estator:

Procedimiento realizado: Medimos la resistencia en los tres pares de terminales del estator con el puente de wheastone con motor des energizado pero a temperatura de trabajo del motor, el valor es Dc pero necesitamos el valor AC, consideramos el efecto skin, obteniendo R1 como parmetro.

Fig.15 Conexin a realizar para medicin de devanados.

Luego obtuvimos los siguientes resultados:

TerminalesMedicin

U-X4.02 []

V-Y4.01[]

W-Z3.97[]

Tabla.6 Medicin de resistencia.

De donde el promedio de las tres Rdc=4.0 [], y finalmente R1=4.4 [].

b) Prueba rotor bloqueado: Procedimiento realizado:Bloqueamos mecnicamente el eje del motor, luego aplicamos tensin reducida a los devanados de estator mediante un variac trifsico hasta que circule corriente nominal por los mismos, finalmente se registra la tensin aplicada, corriente y potencia, de manera de obtener los parmetros R2, jx1, jx2. As los datos obtenidos son los siguientes:

Voltaje [v]Corriente [A]Potencia [W]

84.88.63712

Tabla.7 Datos obtenidos rotor bloqueado.

Luego de realizar los clculos pertinentes especificados en el anexo (tem-VI) se obtuvieron los siguientes valores para los parmetros R2, jx1, jx2 :

ParmetrosValores

R25.16 []

jX11.14 []

jX21.14 []

Tabla.8 valores de parmetros rotor bloqueado.

c) Prueba de vaco:Para el ensayo de vaco aplicamos tensin nominal a la MI mediante variac trifsico de tal forma que el motor alcance la velocidad nominal, en estas condiciones su deslizamiento es tericamente nulo y por ende no existen perdidas en los devanados del rotor.De sta prueba obtenemos Rfe y jxm.

De lo anterior se obtuvieron los siguientes valores de tensin, corriente y potencia respectivamente:

Voltaje [v]Corriente [A]Potencia [W]

3754.20580

Tabla.9 Datos obtenidos prueba de vaco.

Luego de obtener los datos anteriores, procedimos a realizar los siguientes clculos para obtener el valor de los parmetros respectivos, como se observa en el anexo (tem-VI):ParmetrosValores

R24.4 []

Rfe263.77 []

X81.86 []

Xm91.77 []

Tabla.10 valores parmetros Prueba de vacio.Luego pasamos los valores de cada a parmetro a por unidad, como se seala en el anexo(tem-VI), obteniendo los siguientes valores:

ParmetroValores

R20.143 [pu]

X10.032 [pu]

X20.032 [pu]

Rfe7.307 [pu]

Xm2.542 [pu]

R10.122 [pu]

Tabla.11 valores por unidad de parmetros circuito equivalente.VII. Prdidas.

Con la mquina en vaco, se energizo a tensin reducida hasta alcanzar tensin nominal. Luego, se vara levemente la tensin manteniendo una velocidad relativamente constante y, en cada nivel de tensin se midi el voltaje y la potencia, obteniendo as los siguientes datos:

Voltaje [V]Potencia [W]

3721737.35

3751751.36

3801774.71

3771760.70

Tabla.12 Valores para obtener prdidas. Luego, se graficaron los puntos y se extrapolaron los datos faltantes, para as obtener las prdidas por roce y ventilacin, obteniendo la siguiente grfica:

Fig.16 Curvas de prdida.Luego de realizar los clculos pertinentes obtenemos las perdidas en el fierro y por roce ms ventilacin:

Prdidasvalores

Fierro666.602[]

Roce+ventilacin876.55 []

VIII. Conclusin

Este laboratorio, pudimos apreciar los diferentes mtodos de partida que la mquina requiere para su partida. Con respecto a lo anterior notamos como la partida directa requiere de una elevada corriente de partida, muy por sobre la nominal, pero que posee un torque de partida mucho mayor, en comparacin con la partida estrella-delta y con auto-transformador que requieren una corriente menor y generan un torque de partida menor. Desde el punto de vista de aplicacin a una maquina grande de servicio intermitente, la partida estrella-delta era la ms adecuada debido a su simple construccin y la corriente de partida pequea que posee, lo cual permite que no existan problemas en los devanados del motor debido a aislacin. Con respecto a las curvas caractersticas, pudimos observar que posea un torque mximo cercano al 30 %de deslizamiento y una eficiencia sobre el 80 % aproximadamente. Notamos el efecto del voltaje sobre el torque, potencia, donde ambas eran proporcional al cuadrado del voltaje y notamos como el factor de potencia no dependa del voltaje aplicado. Notamos los procedimientos para la obtencin de los parmetros del circuito equivalente, los tipos de prdidas ya sea en el fierro y debido a roce ms ventilacin. Notamos debido a sus caractersticas anteriores, la mquina de induccin jaula de ardilla presenta gran robustez, mnimos requerimientos de mantencin y menores costos de operacin ya que pueden operar directamente conectadas a la red elctrica (frecuencia y voltaje constante), permitiendo accionar cargas a una velocidad esencialmente constante. Cuando es usada con control por campo orientado puede alcanzar un control preciso tal como es encontrado en el motor de corriente continua adems de entregar la posibilidad de operacin en la zona de campo debilitado.

Anexo

III) Sentido de Giro

Fig.5 Diagrama de conexin sentido de Giro.

IV) Ensayos mtodos de partida.

Fig.6 Conexin anlisis mtodos de partida.A continuacin registramos los valores para cada uno de los mtodos de partida:Partidor #1 tipo : Partida Directa.

Tensin alimentacin381 [v]

Corriente tomada de la red81.3 [A] (peak)

Tensin aplicada a la mquina381 [V]

Corriente de partida81.3 [A] (Peak)

Tiempo de aceleracin172 [ms]

Partidor #2 tipo: Autotransformador

Tensin alimentacin381[V]

Corriente tomada de la red56.9 [A] (peak)

Tensin aplicada a la mquina378 [V]

Corriente de partida56.8 [A] (peak)

Tiempo de aceleracin500 [ms]

Partidor #3 tipo: Estrella-delta

Tensin alimentacin381 [V]

Corriente tomada de la red25.3 [A] (peak)

Tensin aplicada a la mquina208 [V] (rms)

Corriente de partida26.5 [A] (peak)

Tiempo de aceleracin516 [ms]

Tabla 5. Datos Mtodos de partida.

Para cada mtodo de partida calcularemos su torque respectivo a travs de la siguiente manera:El torque de partida para la mquina de induccin est dada por: dnde: En la partida s=1 Ws=50(rad/s) velocidad angular

V. Curvas caractersticas.

Fig.7 Diagrama para curvas caractersticas.

Los datos obtenidos en el laboratorio son los siguientes:CargaTensinCorrientePotenciaf.p.rpm

0%3843.749600.311489

25%3664.3113500.611473

50%3825.9321600.731450

75%3947.5927800.791424

100%37211.140200.841384

Tabla 6. Curvas Caractersticas con tensin nominal.CargaTensinCorrientePotenciaf.p.rpm

0%2822.162700.151490

25%2863.287680.651471

50%2824.0810400.711445

75%2926.5717900.861387

100%2729.3524000.911321

Tabla7. Curvas Caractersticas con 75% de tensin nominal.CargaTensinCorrientePotenciaf.p.rpm

0%2041.412140.171493

25%192.82.294440.671458

50%190.83.546520.781398

75%188.86.441094.20.901346

100%1907.9714200.931285

Tabla 8. Curvas Caractersticas con 50% de la tensin nominal.

VI. Circuito Equivalente.

Prueba rotor bloqueado:

A continuacin obtendremos los parmetros del circuito equivalente mediante los siguientes clculos: De la relacin donde obtenemos

Luego de la relacin , con R1 conocido, entonces . De esta manera de la relacin:

Y Obtenemos

Finalmente si despejamos X1 y X2 de la ecuacin (*) tenemos:

Y si consideramos .

Fig.iv.1 circuito equivalente rotor bloqueado.

Prueba de vaco:

De la relacin , as Luego como , con R1 conocido, entonces R=28.48 . Conociendo ,luego por la relacin: , despejando (X1+X), se obtiene:

, conocido X1, entonces X=81.86.

Finalmente de las relaciones:

As obtenemos:

Fig.iv.2 circuito equivalente prueba vaco.Finalmente el circuito equivalente de la mquina de induccin jaula de ardilla es la siguiente:

Fig.iv.3 Circuito equivalente MIJA en valores .

Cambio de parmetros a por unidad:Elegimos como valores bases los valores nominales de la mquina:

Calculamos la impedancia base de la siguiente manera: , entonces Ya definidos los valores bases, procedimos a calular los valores en por unidad de cada parmetro: PrdidasDe la relacin de potencia de entrada:

Donde Luego de la grfica de prdidas, encontramos el valor d las prdidas por roce+ventilacin:

Finalmente de la expresin *, encontramos las prdidas en el fierro:

Universidad de Concepcin