Universidad de Costa Rica Escuela de Ingeniería Eléctrica IE Máquinas Eléctricas II Grupo N 54 - Subgrupo N 03 I Ciclo 2016

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1 Universidad de Costa Rica Escuela de Ingeniería Eléctrica IE Máquinas Eléctricas II Grupo N 54 - Subgrupo N 03 I Ciclo 2016 Reporte 9: La máquina CC autoexitada. Mauricio Aguilar Villalobos, B20126 David Hidalgo Carvajal, A93109 Javier Castillo Arroyo, B01438 Luis Herra Brenes, B13276 José Pablo Martínez Hernández, B /6/2016 Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 1

2 Índice 1. Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Nota Teórica Excitación serie: Excitación Paralelo (Shunt): Excitación compuesta Investigación de Aplicaciones Resultados Análisis de resultados Análisis de Luis Herra Análisis de David Hidalgo Análisis de Javier Castillo Análisis de Mauricio Aguilar Análisis de José Martínez Conclusiones Conclusiones de Luis Herra Conclusiones de David Hidalgo Conclusiones de Javier Castillo Conclusiones de Mauricio Aguilar Conclusiones de José Martínez Escuela de Ingeniería Eléctrica 2 de 18 Universidad de Costa Rica

3 Índice de figuras 1. Construcción de la máquina DC Conexión de excitación serie[2] Conexión de excitación paralelo[2] Conexión de excitación compuesta[2] Curva de característica externa para generador CC en conexión derivación Curva de característica externa para generador CC en conexión serie Curva de característica externa para generador CC en conexión compuesta larga Curva de característica externa para generador CC en conexión compuesta corta Comportamiento del generador CC en conexión serie[3] Comportamiento del generador CC en conexión compuesta aditiva.[4] Escuela de Ingeniería Eléctrica 3 de 18 Universidad de Costa Rica

4 Índice de cuadros 1. Regulación de tensión Escuela de Ingeniería Eléctrica 4 de 18 Universidad de Costa Rica

5 Palabras claves: Máquina corriente continua, curva de magnetización, tensión inducida, fuerza electromotriz, excitación, serie, compuesto, Shunt, sustractividad, aditividad.. Resumen En el presente informe, se darán a conocer las principales características de un máquina de corriente continua, operando como generador. Además se darán los resultados obtenidos en el laboratorio, de la curva de magnetización, agregando diferentes valores de cargas resistivas y obtener la variación de la tensión respecto a la corriente de armadura. Se calcula además la regulación de tensión. Finalmente se entenderá de una mejor manera el funcionamiento de una máquina de corriente continua autoexitada. Escuela de Ingeniería Eléctrica 5 de 18 Universidad de Costa Rica

6 1. Objetivos 1.1. Objetivo general Estudiar las características de la máquina de corriente continua Objetivos específicos Hacer un análisis del funcionamiento de la máquina de corriente continua. Obtener la curva característica externa y la curva de excitación de la máquina cc. Determinar la regulación de tensión de la máquina cc. Estudiar el comportamiento del generador cc en operación serie y compuesta. Obtener la curva característica para conexión compuesto sustractivo y aditivo. Realizar una clasificación de acuerdo a su excitación Escuela de Ingeniería Eléctrica 6 de 18 Universidad de Costa Rica

7 2. Nota Teórica Las máquinas de corriente continua se pueden clasificar por la forma en la que es alimentado el devanado de campo: De excitación independiente en la cual corriente de campo es dada por un medio externo, y el devanado de campo se encuentra separado eléctricamente de la armadura De autoexcitación que se dan por la existencia de un flujo residual, si existe conexión eléctrica entre el devanado y la armadura, la tensión en terminales se puede modelar mediante la ecuación V a = E a I a R a donde E a es la tensión inducida y se le resta las pérdidas en la armadura, la tensión en terminales disminuye si se aumenta la carga, esto porque aumentan las perdidas en la armadura. La máquina de corriente continua necesita de una corriente de campo para crear el campo magnético en su interior que le permita su funcionamiento. La diferencia principal de la máquina CC con la máquina sincrónica es que los devanados de campo se encuentran en estator con el objetivo de obtener un comportamiento constante, su diagrama constructivo se muestra en la figura 1. Una máquina que provee su propia excitación es posible sólo si sus piezas de polos de campo tienen retenido una pequeña cantidad de magnetismo remanente. En el momento que la máquina empieza a rotar, el pequeño flujo magnético crea un pequeño voltaje en las escobillas. Con ello, una corriente empieza a circular por las espiras que se encuentra conectado al devanado de campo, reforzando el campo magnético hasta lograr el voltaje requerido por la máquina. Figura 1: Construcción de la máquina DC. Escuela de Ingeniería Eléctrica 7 de 18 Universidad de Costa Rica

8 2.1. Excitación serie: El devanado de campo se encuentra conectado en serie con la armadura, por lo que la corriente que fluye en uno es la misma que la otra. El devanado de campo posee pocas vueltas y alambre grueso, la tensión de salida de una máquina de CC varía mucho con la carga cuando está conectado en excitación serie La tensión en terminales de la armadura está dada por: V a = E g I a R a (1) Figura 2: Conexión de excitación serie[2] Excitación Paralelo (Shunt): Consiste en un gran número de vueltas en alambre delgado. El devanado de campo se encuentra conectado en paralelo con la carga y en paralelo con la armadura. La tensión en terminales para esta conexión varía inversamente con la variación de corriente de carga. Figura 3: Conexión de excitación paralelo[2] Excitación compuesta En esa conexión, cuando la corriente de carga aumenta, la tensión aplicada al devanado de campo disminuye, lo que provoca un decremento del flujo magnético de éste devanado. Al mismo tiempo, al incrementar la corriente de carga, el devanado de campo serie, incrementa su flujo, compensando la disminución del flujo del devanado paralelo. es importante denotar que la excitación Escuela de Ingeniería Eléctrica 8 de 18 Universidad de Costa Rica

9 paralela predomina sobre la serie, las maquinas de excitación compuesta se clasifican en aditivas o sustractivas Figura 4: Conexión de excitación compuesta[2]. Escuela de Ingeniería Eléctrica 9 de 18 Universidad de Costa Rica

10 3. Investigación de Aplicaciones El motor de corriente continua fue uno de los objetivos centrales de investigación de Thomas A. Edison. Pero por sus ventajas competitivas, los motores de AC pronto llegaron a ser los favoritos de la industria. A pesar de la predominancia de los motores AC trifásicos, los motores DC tienen ventajas en ciertas aplicaciones industriales y son todavía ampliamente usados. Las ventajas de los motores DC incluyen un excelente control de la velocidad y la capacidad de proporcionar alto par a bajas velocidades. Sin embargo, una mayoría de los motores DC usan escobillas para transferir energía eléctrica al rotor del motor. Los ensamblajes con escobillas no solamente requieren motores más grandes, sino que también se incrementan los requerimientos de mantenimiento. Cuando se desgastan las escobillas, se requiere mantenimiento y se genera polvo de carbón. Las escobillas son también sensibles a la contaminación, especialmente en máquinas que contienen materiales de silicona, y deben ser reemplazados periódicamente. Las principales aplicaciones del motor de corriente continua son: Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres. Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad constante y por lo tanto se equipan con motores de corriente continua, existen accionamientos que exigen par constante en un amplio margen de velocidades. Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras, control de tensión en maquinas bobinadoras, velocidad constante de corte en tornos grandes. Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles. Escuela de Ingeniería Eléctrica 10 de 18 Universidad de Costa Rica

11 4. Resultados Se realizó la conexión del generador DC en derivación, siguiendo el diagrama de la figura 3. Utilizando una carga resistiva variable, se midió tanto la tensión de carga como la corriente de carga del circuito. A partir de las mediciones anteriores, se confeccionó la curva de característica externa de la figura 5. Figura 5: Curva de característica externa para generador CC en conexión derivación. A partir de la ecuación?? se obtuvo la regulación de tensión para diferentes cargas como se muestra en la tabla 1. Se utilizaron cargas de 1200 Ω, 600 Ω y 300 Ω. Cuadro 1: Regulación de tensión. Carga/ Ω Tensión a plena carga / V Tensión en vacío / V RT / % Se realizó la curva característica externa del generador CC con conexión en serie, mostrado en la figura 2. Los resultados obtenidos en el laboratorio permitieron construir la gráfica de la figura 6. Escuela de Ingeniería Eléctrica 11 de 18 Universidad de Costa Rica

12 Figura 6: Curva de característica externa para generador CC en conexión serie. Se obtuvo la curva característica del generador CC en conexión compuesta, tanto larga como corta siguiendo los esquemáticos de la figura 4. En este caso, la posición del devanado serie indica si la conexión es larga o corta. El devanado serie como se muestra en la figura 4 indica una conexión larga, mientras que si este devanado se conecta después del devanado de derivación, la conexión es corta. Las figuras 7 y 8 muestran las curvas características respectivas. Figura 7: Curva de característica externa para generador CC en conexión compuesta larga. Escuela de Ingeniería Eléctrica 12 de 18 Universidad de Costa Rica

13 Figura 8: Curva de característica externa para generador CC en conexión compuesta corta. Escuela de Ingeniería Eléctrica 13 de 18 Universidad de Costa Rica

14 5. Análisis de resultados 5.1. Análisis de Luis Herra 5.2. Análisis de David Hidalgo 5.3. Análisis de Javier Castillo En esta práctica se conectó el motor sincrónico al generador de corriente continua en operación derivación y manteniendo una velocidad constante se conectó una carga al generador desde alas resistencias hasta cortocircuito. A partir de esas variaciones se obtuvo la característica externa del generador en derivación. Además, se obtuvo la regulación de tensión para tres tipos de carga y se obtuvo siempre una regulación positiva, como es de esperarse. Posteriormente, se conectó el generador de corriente continua en operación serie, en compuesta y en compuesto sustractivo y se obtuvieron sus curvas de característica externa, al variar la resistencia de carga para cada una de las configuraciones. En todo los casos al aumentar la varga, disminuyó la tensión en terminales Análisis de Mauricio Aguilar 5.5. Análisis de José Martínez Como primer punto se determina la regulación de tensión para las nueva configuración, teniendo como resultado que la tensión en terminales disminuye al aumentar la corriente de carga, los resultados se muestran en la tabla 1. Para lograr la excitación en serie se conecta el devanado de campo de la máquina la máquina en serie con la armadura siguiendo el diagrama mostrado en la figura 2, donde según la teoría al aumentar la resistencia de carga, la corriente de campo disminuye y con esta tensión de armadura, este comportamiento se muestra en la figura 9. Se observa que los resultados obtenidos mostrados en la figura??, se tiene que al aumentar la corriente de armadura aumenta la tensión de terminales, pero nunca se da la caída presentada a corrientes altas, este error se puede haber presentado por la mala realización de mediciones, ya que los módulos de resistencias podían generar como impedancia mínima 50 Ω al conectar 6 resistencias de 300 Ω en paralelo, que serían insuficientes para llegar a obtener el comportamiento mostrado en la parte derecha de la figura 9. Escuela de Ingeniería Eléctrica 14 de 18 Universidad de Costa Rica

15 Figura 9: Comportamiento del generador CC en conexión serie[3]. Se estudian las conexiones compuesta corta y larga obteniéndose los resultados mostrados en las figuras 7 y 8 respectivamente, donde se muestran que los resultados obtenidos de acuerdo a las gráficas indican que las conexiones son hiper compuestas, debido a que se tiene un aumento en la tensión terminal proporcional al aumento en la corriente de carga, dado a que la tensión interna Ea aumenta más rápido que la caída provocada en la armadura por el aumento en la corriente I a teóricamente el comportamiento se observa similar a la figura 10. Figura 10: Comportamiento del generador CC en conexión compuesta aditiva.[4]. Escuela de Ingeniería Eléctrica 15 de 18 Universidad de Costa Rica

16 6. Conclusiones 6.1. Conclusiones de Luis Herra 6.2. Conclusiones de David Hidalgo 6.3. Conclusiones de Javier Castillo Al mantener la corriente de campo constante y aumentar la carga se reduce la tensión en terminales de la máquina de corriente continua. Se obtuvieron las curvas de característica externa del generador para el caso de derivación, en serie y en compuesto a partir de variaciones de carga desde alta resistencia hasta condiciones de corto. Se apreció que a mayor carga es menor la regulación, pero siempre positiva. Al aumentar la corriente de campo, en todas sus configuraciones para el generador, llega un punto en el que la máquina se satura. Para la máquina de corriente continua, si se aumenta la carga se reduce la tensión en terminales mientras que se mantiene la corriente de campo constante debido a la tensión del inducido Conclusiones de Mauricio Aguilar Escuela de Ingeniería Eléctrica 16 de 18 Universidad de Costa Rica

17 6.5. Conclusiones de José Martínez Se debe variar la excitación para mantener constante la tensión de terminales. Se observa como se satura la máquina para todas las pruebas al aumentar la corriente de campo. La máquina con excitación independiente, aumenta su tensión al aumentar la corriente de campo. Para la conexión en serie al aumentar la corriente de carga, la tensión en terminales tiende a aumentar. La conexión compuesto largo aditivo y compuesta corta trabajan hiper excitadas. La conexión compuesta corta es mas estable que la compuesta larga, ya que esta última presenta grandes saltos de tensión al variar la misma proporción en la corriente de armadura. Escuela de Ingeniería Eléctrica 17 de 18 Universidad de Costa Rica

18 Referencias [1] Valverde, G. (2016). Práctica 9. La máquina CC autoexitada. San Pedro, Costa Rica. Universidad de Costa Rica. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Guía de Laboratorio, v2016. [2] Valverde, G. & Quirós, J. (2016). Folleto Máquinas Eléctricas II San Pedro, Costa Rica. Universidad de Costa Rica. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Versión [3] Fraile Mora, J. (2003). Máquinas Eléctricas. España, McGraw-Hill. 5ta Edición. [4] Chapman, S. J. (2007). Máquinas Eléctricas.McGraw-Hill. Colombia. [5] Harper, G. E. (2004). El libro práctico de los generadores, transformadores y motores eléctricos. Limusa. [6] Fitzgeralg, A.E. (2004). Máquinas Eléctricas. Editorial Mc Graw Hill, Sexta Edición. Escuela de Ingeniería Eléctrica 18 de 18 Universidad de Costa Rica