IE Laboratorio de Máquinas Eléctricas I: Práctica #13 y #14: Arranque de motores a tensión reducida y Generador de inducción trifásico

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1 IE Laboratorio de Máquinas Eléctricas I: Práctica #13 y #14: Arranque de motores a tensión reducida y Generador de inducción trifásico KEVIN OLIVARES R. B04587 ANDRÉS ROJAS J. B25848 Universidad de Costa Rica Escuela de Ingeniería Eléctrica 15 de Noviembre 2016 WILLY VILLALOBOS M. B17170 Resumen En el experimento se realizaron distintas pruebas de arranque a tensión reducida, con el fin de analizar las ventajas y desventajas de este método en sistemas reales. Además, se pretende demostrar de forma práctica la posibilidad de emplear un motor de inducción trifásico como un generador, partiendo de una fuente externa para la excitación del campo. Palabras clave: Motor, inducción, trifásico, tensión, par, corriente, autotransformador, impedancia, generador, motor. I-A. Objetivo general I. OBJETIVOS Estudiar los distintos esquemas de arranque de motores de inducción trifásicos propuestos en la teoría. I-B. I-C. Objetivos específicos Implementar y analizar un esquema de arranque a tensión reducida con autotransformador. Implementar y analizar un esquema de arranque con resistor o reactor primario. Implementar y analizar un esquema de arranque con conmutación estrella-delta. Objetivo general Implementar, mediante distintos esquemas, un generador de inducción, a partir del equipo proporcionado en el laboratorio. I-D. Objetivos específicos Realizar mediciones a partir de un esquema de generación en un sistema de potencia. Implementar un generador de inducción aislado. II. NOTA TEÓRICA En algunas aplicaciones es posible arrancar los motores de inducción en vacío o con sólo una fracción de su carga nominal. En estos casos el arranque a tensión reducida es una técnica de arranque de motores que disminuye el pico de la corriente de arranque, protegiendo a los devanados del motor. Cuando los motores de inducción deben arrancar con cargas pesadas conectadas a su eje resulta necesario recurrir a la variación de la resistencia rotórica estudiada previamente, pues debemos recordar que una disminución de la tensión conlleva una reducción cuadrática del par electromecánico y el arranque del motores a tensión reducida no es práctico en estos casos [1]. II-A. Arranque a tensión reducida con autotransformador El arranque a tensión reducida para motores de inducción de jaula de ardilla utilizando un autotransformador trifásico (o tres monofásicos) busca disminuir la corriente de arranque con una disminución de la tensión de entrada a los bornes del motor. Sin embargo, debe notarse que el par del motor se reduce en proporción al cuadrado de la tensión aplicada, mientras la corriente de línea se reduce sólo en proporción directa a la reducción del voltaje de línea [2]. En este caso, si el motor no puede acelerar la carga a la tensión mínima, se puede probar con fracciones cada vez mayores de la tensión nominal hasta que se obtenga el par adecuado y deseado de arranque. El autotransformador funciona de dos maneras para reducir la corriente que se toma de las líneas [3]: reduciendo la corriente de arranque mediante una reducción de voltaje. reduciendo la corriente de arranque debido a la relación de transformación. II-B. Arranque a tensión reducida con resistor o reactor primarios Si se introduce un resistor o un reactor en serie con cada una de las conexiones del estator, la gran corriente de arranque produce una reducción inmediata de tensión eléctrica entre las terminales del estator como resultado de la caída de tensión en la impedancia exterior de arranque [4]. A medida que acelera el motor, la tensión a través del estator aumenta debido a la reducción en la corriente de línea que conlleva una reducción lineal de la caída de tensión en la impedancia en serie. Así mismo, el par se incrementa con el cuadrado del aumento en tensión [3].

2 II-C. Arranque en Y La mayor parte de los motores polifásicos de inducción con rotor de jaula de ardilla se devanan con un estator en delta. Si las terminales de los devanados del estator se encuentran accesibles desde el principio hasta el final de cada devanado de fase, la conexión puede realizarse externamente ya sea en estrella o en delta. Cuando se conectan en estrella, el voltaje que se imprime al devanado es el 57,8 % del V LL [3]. Es común pensar que la máquina de inducción puede funcionar únicamente como motor, sin embargo, posee la capacidad de trabajar tanto como motor como generador, sólo depende de una fuente externa para la excitación del campo y una velocidad de rotación superior a la sincrónica [3]. Si el motor de inducción se está operando a una velocidad mayor que la sincrónica gracias a un motor de impulsión externo, tanto el deslizamiento como el par inducido se vuelven negativos tal y como se muestra en la Figura 1 [2]. Físicamente, un par negativo implica una potencia real generada producto de la inversión del par inducido. Conforme aumenta el par aplicado al eje de la máquina de inducción, se incrementa la cantidad de potencia generada, hasta un punto de par máximo de generador, luego del cual la máquina adquiere una velocidad excesiva [3]. control de la tensión y de la frecuencia, y se pueden utilizar bancos de condensadores para corregir el factor de potencia del parque eólico [4]. II-D. Generador de inducción aislado Una máquina de inducción también puede funcionar como un generador aislado del sistema de potencia siempre y cuando se disponga de la compensación reactiva necesaria para suministrar la potencia reactiva requerida por el generador y por las cargas añadidas. La figura 2 muestra un generador de inducción aislado [3]. Figura 2: Generador de inducción aislado con un banco de capacitores para suministrar potencia reactiva. La corriente de magnetización I M que requiere una máquina de inducción en función de la tensión en sus terminales se puede encontrar si se opera la máquina como motor en vacío y se mide la corriente del inducido en función de la tensión en los terminales [2]. En la figura 3a se ilustra una curva de magnetización como ésta obtenida en el laboratorio para una de máquina de inducción con rotor de jaula de ardilla para 120 V LN, 4 polos y 175 W a 60 Hz. Para lograr cierto nivel de tensión en un generador de inducción, los capacitores externos deben suministrar la corriente de magnetización que corresponde a ese nivel de tensión [1]. Figura 1: Curva par-velocidad para una máquina de inducción trifásica de 230 V, cuatro polos, 60 Hz y 12 KW. Como generador, una máquina de inducción posee serias limitaciones. Puesto que le falta un circuito de campo separado, un generador de inducción no puede producir potencia reactiva. De hecho, la consume y se le debe conectar una fuente externa de potencia reactiva en todo momento para mantener el campo magnético de su estator [3]. Esta fuente externa de potencia reactiva, tiene la función adicional de controlar la tensión en las terminales del generador. Las grandes ventajas del generador de inducción son su simplicidad constructiva y su pequeño tamaño por kilowatt de potencia de salida [3]. Los generadores eólicos se favorecen de este hecho y comercialmente están diseñados para operar en paralelo con grandes sistemas de potencia, suministrando una fracción de las necesidades de potencia de la carga. En este tipo de operación, el sistema de potencia se encarga del Si se conecta un banco trifásico de condensadores a las terminales de un generador de inducción para operación aislada, la tensión en vacío de éste será la intersección de la curva de magnetización del generador con la línea de carga del capacitor. En la figura 4 se puede ver la tensión terminal bajo condiciones de vacío del motor de la figura 3a junto a dos de las reactancias capacitivas disponibles en el laboratorio, 200 ω y 172 Ω; observamos los posibles valores de voltaje generado por la máquina [4]. Figura 3: Características de tensión contra corriente reactiva para: a) Un generador de inducción, b) Tres reactancias. Escuela de Ingeniería Eléctrica 2 de 5 Universidad de Costa Rica

3 Figura 4: Tensión terminal en vacío para un generador aislado a distintos niveles de capacitancia. Debido a la naturaleza de la característica par-velocidad de las máquinas de inducción, es claro que la frecuencia de un generador de inducción varía con los cambios de carga; pero debido a que la velocidad varía muy poco en el rango de operación normal, la variación de frecuencia total está normalmente limitada a menos de un 5 % [3]. Figura 5: Arranque a tensión reducida con autotransformador. Para el arranque a tensión reducida con resistor o reactor primario se considera el esquema de la figura 6. III. RESULTADOS III-A. Lista de equipo Para el desarrollo de las prácticas 13 y 14 se utilizó el equipo que se muestra en el cuadro I. Cuadro I: Equipo utilizado Equipo Placa Características Fuente de V, 8 A CC alimentación /208 V, 15 A CA adquisición de datos G resistores W V - CA/CC 252 VAr inductores V - 60 Hz 2x VAr capacitores V (230 V MAX.) 60 Hz Motor de inducción trifásico 175 W r/min V A Jaula de ardilla Hz Motor de inducción trifásico 175 W r/min V A de rotor devanado 3-60 Hz Transformador trifásico 250 VA - 208/208 V A Hz - 3 unidades 0-3 N m r/min Electrodinamómetro Motor de impulsión: 750 W Dinamómetro: 175 W Reóstato trifásico 192 W - 2 A máx Ω línea al neutro Contactor de 3P2T Botoneras NA y NC Tacómetro de mano Amperímetro de gancho Cables de conexión - - Banda para motor - - III-B. Diagramas de conexión Para el arranque con autotransformador se considera el esquema de la figura 5. Figura 6: Arranque a tensión reducida con resistor. Para el arranque estrella delta se considera el esquema de la figura 7. III-C. Figura 7: Arranque a tensión reducida estrella delta. Datos y observaciones obtenidas en el laboratorio Escuela de Ingeniería Eléctrica 3 de 5 Universidad de Costa Rica

4 Se registraron los datos medidos en el cuadro II. En este caso se tabulan los resultados de las mediciones de corriente de arranque en cada condición, el torque de arranque y tensión no pudieron ser determinadas debido a limitaciones con el equipo utilizado en el laboratorio. Cuadro II: Características de arranque a tensión reducida en un motor de inducción trifásico, 208 V, 1.3 A Método de arranque Corriente de arranque pico [A] Tensión terminal en el arranque [V] Porcentaje de la corriente a tensión plena Autotransformador Resistor primario Estrella Delta Generador de inducción en un sistema de potencia. En este caso se utilizó en electrodinamómetro en su función de motor de impulsión y se acopló mecánicamente el motor de inducción y el electrodinamómetro por medio de una banda. Se realizaron diferentes pruebas variando la carga mecánica aplicada por el motor de impulsión al motor de jaula de ardilla y se registró la tensión y corriente de alimentación, así como la velocidad y potencia consumida por el motor de inducción. los resultados se muestran en el cuadro III. Cuadro III: Datos para las condiciones de operación de Generador de inducción en un sistema de potencia Tensión V L L Corriente I L Potencia Torque Velocidad [V] [A] Real [W] Reactiva [VAr] Aparente [VA] [N m] [rpm] 206,6 0,673 69,02-120,7 139,04-0, ,6 0,695 80,94-118,6 143,58-0, ,4 0,696 81,20-118,5 143,65-0, ,7 0,722 91,24-118,1 149,23-0, ,8 0, ,52-117,1 156,96-0, ,7 0, ,11-115,7 163,91-0, ,7 0, ,92-114,2 170,73-0, ,6 0, ,66-113,3 181,39-0, ,8 0, ,05-112,2 187,36-0, ,5 0, ,18-111,1 194,93-0, ,7 1, ,09-110,6 207,94-1, ,8 1, ,96-110,3 218,79-1, ,9 1,09 196,71-110,3 225,52-1, , ,27-110,2 231,21-1, , ,27-109,6 255,02-1, Se graficó la potencia trifásica de la máquina en función de la velocidad IV. IV-A. Kevin: ANÁLISIS DE RESULTADOS Como objetivo de esta práctica se presenta el arranque de un motor de inducción trifásico utilizando diferentes configuraciones tales como autotransformador, con resistor primario y mediante una conmutación estrella-delta. Para el arranque con autotransformador se implementó un sistema como el mostrado en la figura 5, para esto se utilizó un transformador trifásico con derivación en el secundario, de modo que se pudo alimentar el devanado secundario con una tensión de 208 V, y se obtuvo de su derivación una tensión de 120 V, la cual fue con la que se arrancó el motor, en este caso registrando una corriente de arranque de 2.5 A, lo que representa una sobre carga del 92 % con respecto a la corriente nominal de operación, en el laboratorio 10, se observó que la corriente de arranque a tensión de arranque nominal fue de 300 % para el motor de jaula de ardilla (mismmo utilizado en este experimento) por lo que es facil apreciar que se pasó de una sobrecarga de 300 % a una de 92 %. Con respecto al arranque con resistor primario se obtuvo que la corriente de arranque fue de 2.1 A, en este caso se cometió un error de medición, ya que se debía medir la tensión de arranque en las terminales del motor y se registró incorrectamente la tensión de línea de arranque (208 V) en este caso, la resistencia utilizada fue de Ω (paralelo de resistencias de 1200 Ω, 600 Ω y 300 Ω), sin embargo, al observar la corriente de arranque registrada en el cuadro II se puede analizar el efecto de la resistencia colocada, pues recordando que la corriente de arranque a tensión nominal es de 3 A aproximadamente (determinada en el experimento 10), se observa que en este caso la corriente de arranque fue de 2.1 A, lo que representa una sobrecarga de % con respecto a la corriente de operación a tensión nominal, esto se debe a que en la resistencia se crea una caída de tensión lo que genera que se disminuya la corriente de arranque pues la tensión en las terminales del motor es menor con respecto a la nominal. Por último, para el arranque en estrella-delta, se provoca un arranque con una configuración en estrella, lo que implica una tensión de fase de 120 V, una vez arrancado el mismo, se pasa a una configuración en delta, es decir, una tensión de fase de 208 V. En esta configuración de arranque se obtuvo una corriente de arranque igual a 3.9 A, lo que significa una sobrecarga de 200 % con respecto a la corriente de operación a tensión nominal. Para todos los casos implementados en el laboratorio se utilizó un arreglo con un contactor de modo que se pudiera arrancar el motor bajo una conexión deseada, y una vez arrancado el mismo pasó a una tensión que lo hiciera operar bajo sus condiciones nominales. IV-B. Para esta práctica se probaron diversas formas de arrancar los motores de inducción. Con tres diferentes formas, una con un autotransformador, con resistor o reactor primario y estrelladelta. En el cuadro II se pueden observar cada una de las corrientes de arranque para cada método de arranque. Primero con el autotransformador se utilizó un transformador trifásico para hacer uso de la misma bobina "partidaçomo se utiliza en los autotransformadores. Luego de arrancar con baja tensión por medio de contactores y los botones se pasaba a las tensiones de línea. Para un porcentaje de corriente tensión plena de 92 %, esto con una corriente de arranque de 2.5 A. La reducción de la tensión la brindaba el secundario del autotransformador. Para la prueba de resistor primario se obtuvo una corriente de arranque de 2.1 A. Para un porcentaje de corriente a tensión plena de %. Usando una resistencia de Ω. Esto para que pasase una corriente suficientemente grande para arrancar el motor y también que bajase la tensión y f.p. en el arranque. Esto causa que el circuito consuma menos potencia reactiva, Escuela de Ingeniería Eléctrica 4 de 5 Universidad de Costa Rica

5 por lo tanto menos pérdidas. Esto visto desde un punto de vista teórico, no está respaldado por datos para este reporte. Esto se noto aún más para el arranque de estrella a delta. Donde como se sabe la configuración en estrella la tensión de fase es de 120 V. Si se multiplica por un factor de raíz de 3 se tienen 208 V. Por ello por medio de contactores y botones. Se puede pasar de 120 V a que opere a 208 V en la delta. Donde la tensión de fase es la misma que la tensión de línea y esta es de 208 V. Mismo principio que las conexiones anteriores, se busca una tensión de arranque más baja y luego se pasa a la de operación. En este caso la corriente pico de arranque fue de 3.9 A. Esto porque la conexión estrella la corriente de fase es la misma que la de línea. para generar el movimiento. Se alimentaba el motor para vencer la velocidad sincrónica y luego se le quitaba la alimentación a esta para que se viera como generaba el dinamómetro. REFERENCIAS [1] Stephen J. Chapman. Máquinas eléctricas. McGraw-Hill, [2] A. E. Fitzgerald. Electric Machinery. McGraw Hill, [3] Vembu Gourishankar. Conversión de Energía Electromecánica. International Textbook Company, [4] Jesús Fraile Mora, Colegio de Ingenieros de Caminos, and Canales y Puertos. Máquinas eléctricas. McGraw-Hill, V. CONCLUSIONES V-A. V-B. Kevin: En la condición de arranque con autotransformador se logró observar que la corriente de arranque (2.5 A en este caso) se redujo significativamente con respecto a la de arranque a tensión nominal (3 A). Para la condición de arranque con resistor primario la corriente de arranque fue de 2.1 A, lo que implicó la sobrecarga de corriente menor con respecto a la nominal de operación a tensión nominal del motor, esto debido a la caida de tensión en el resistor y por lo tanto la reducción de la corriente de arranque debido a la disminución en la tensión de las terminales del motor. En el caso de arranque en estrella-delta se registró la mayor tensión corriente de arranque con respecto a los casos anteriores, en este caso fue de 3.9 A aproximadamente, sin embargo, la tensión de arranque por fase (120 V) fue menor con respecto a la de operación (208 V), en este caso la sobrecarga fue de 200 % con respecto a la corriente de operación del motor. El sistema de arranque por autotransformador redujo la tensión y la corriente de arranque. El sistema de arranque por medio de resistores tuvo la corriente de arranque más baja, sin embargo de valores de tensión no se pudieron obtener los datos. Para ver si valía la pena sacrificar el valor de la tensión por uno menor de corriente. Sin embargo por la resistencia debe haber una caída de tensión, por lo tanto de algún modo debe disminuir. El arranque estrella-delta es el que presenta más diferencias ya que la tensión se disminuye por un valor de 3. Pero presenta una corriente alta comparada a las otras formas. V-C. Se midieron variables como el par,tensión y velocidad para ver si el sistema generaba. Con un par negativo se comprobaba que se estaba generando. Se utilizó un dinamómetro con una alimentación externa, es decir diferente a la de la fuente y el motor trifásico Escuela de Ingeniería Eléctrica 5 de 5 Universidad de Costa Rica