LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS – FIEE - UNAC

MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES

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HUBER MURILLO M

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS – FIEE - UNAC I.- INTRODUCCION Reciben el nombre de maquinas sincronías todos aquellos convertidores electromecánicos rotativos capaces de transformar energía eléctrica en mecánica. Los motores síncronos son usados como servo-controladores en aplicaciones como equipos periféricos de computadoras, robóticos y como controladores de velocidad ajustables en una variedad de aplicaciones como: bombas de carga, grandes abanicos y compresores. Estos motores son a menudo referidos como motores "DC sin brocha" o motores conmutados electrónicamente.

II.- OBJETIVOS DEL LABORATORIO Los objetivos del presente trabajo son:         

Hacer conocer la constitución electromecánica de los GS. Familiarizarse con la simbología y conexionado de los GS de nuestro laboratorio en los ensayos según las normas IEC y NEMA. Conexión y puesta en servicio del GS. Inversión de giro. Determinar sus pérdidas, eficiencia en función de la corriente de campo y armadura. A partir de los ensayos realizados obtener el modelo de la máquina. Registro de los valores característicos y curvas características de funcionamiento bajo carga de los GS. Evaluación de las mediciones realizadas y registradas. Presentación del protocolo de pruebas según normas IEC, NEMA y IEEE.

III.- PRECAUCIONES Dado las circunstancias del laboratorio y teniendo en cuenta que los equipos son muy valiosos es que debemos tener muy en cuenta lo siguiente: 1. El alumno verificará el dimensionamiento de la instrumentación a utilizarse, así mismo constatará que sus esquemas estén bien planteados. 2. Para evitar el deterioro y/o avería de los instrumentos y equipos, el alumno no debe accionarlos por ningún motivo, sin la aprobación previa del profesor. 3. La escala de todos los instrumentos debe ser la máxima. 4. Al operar las cargas, comenzar con una carga mínima y aumentarlo en forma gradual hasta llegar al máximo permisible.

IV.- EQUIPOS Y MAQUINAS ELECTRICAS A UTILIZAR  

Fuente DC Voltímetro y Amperímetros AC y DC MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES

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Frecuencimetro y cables de conexión y accesorios. Banco de cargas resistivas, inductivas y capacitivas.

El presente laboratorio debe facilitar comprobar los conocimientos proporcionados en el curso de teoría. Al concluir el presente laboratorio Ud habrá aprendido el modo de funcionamiento, operación y respuesta de las características de operación en estado permanente. Así mismo se demostrará las prácticas del control de tensión variando la corriente de excitación y la velocidad del motor primo.

V.- ENSAYOS NORMALIZADOS (IEC 34 - 2) 1.- CONEXIÓN DEL GENERADOR SINCRONO

R

U1

FASE R U2

V1

FASE S V2

Wm

V S

A V

FASE T W2

W1

T

MOBIL

ROTOR

ESTATOR

F1

F2

A

+ V

MODELO ELECTRICO DE UN MOTOR DE ANILLOS ROZANTES CON LA EXISRTENCIA DE LA JAULA DE ARDILLA UBICADA SOBRE EL PAQUETE MAGNETICO ROTORICO

SW2

SW1

_ Anillos rozantes Juego de escobillas

OPERACION NORMAL DEL MOTOR SINCRONO “ COMPENSADOR DINAMICO”

AQUI

MS

Q ( MVAR )

+

P

P SISTEMA

Q

OPERACION NORMAL DEL GENERADOR SINCRONO

G

SISTEMA

Q

MW

MW

MS

+ P

OPERACION NORMAL DEL MOTOR SINCRONO “ PARA CARGAS PESADAS ”

2.-

SISTEMA

Q ( MVAR )

G

OPERACION DINAMICA EN ESTADO ESTACIONARIO DE LAS MAQUINAS SINCRONAS PUDIENDO SER: II COMPENSADOR DINAMICO III MOTOR PARA CARGAS PESADAS

P SISTEMA

Q

OPERACION ANORMAL DEL GENERADOR SINCRONO

MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) VER APENDICE ADJUNTO A LAS GUIAS VER GUIA DEL GENERADOR SINCRONO

3.-

MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) e (IEEE – 43 / 1991) MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS – FIEE - UNAC VER APENDICE ADJUNTO A LAS GUIAS

4.- PRUEBA EN VACIO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.6) Unicamente para controlar las pérdidas en el núcleo y las pérdidas rotacionales. Manteniendo el circuito de campo con una excita mínima.

ENERGIA ELECTRICA

5.- PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2 ) Para la prueba con carga se tendrá que definir el tipo de motor síncrono a utilizar esto es: Motor para cargas pesadas.- Potencia activa de ingreso superior a lo escrito en la placa de datos(pérdidas + potencia útil); mientras que la potencia reactiva depende del nivel de excitación del campo del motor síncrono pudiendo ser entre factor de potencia 1… 05 Inductivo. Compensador dinámico.- La Potencia activa de ingreso es únicamente la necesaria para mover a la máquina a sus RPM sincronos (escrito en la placa de datos); mien-tras que la potencia reactiva depende del nivel de excitación del campo del motor síncrono pudiendo ser entre factor de potencia 1….0 capacitivo. EF = P útil / P ingreso 6.- ENSAYO DE TEMPERATURA ( IEEE 112 /1978 ITEM 5.3 MET. 3 ) VER GUIA DEL GENERADOR SINCRONO

Consiste el registrar la temperatura y el tiempo y tener la curva Temp. Vs Tiempo. El tiempo mínimo es 04 horas cuando la temperatura comienza a disminuir en 02 grados centígrados durante las dos horas siguientes. 7.- CLASIFICACION DE LOS GENERADORES SINCRONOS Los motores sincronos presentan las siguientes características: • El factor de potencia es elevado. • Trabaja a toda carga con f.P. = 1. MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS – FIEE - UNAC • • • • •

La velocidad es constante a toda carga. No admite variaciones bruscas de carga ya que pierde la velocidad del sincronismo. Deben ponerse en marcha con motores asíncronos. No se puede emplear motores síncronos cuando ha de arrancarse en carga. Gastos de instalación mas elevados. CURVAS V DE LOS MOTORES SINCRONOS

Carcateristicas del torque de arranque ( % ) vs velocidad ( % )

2.5

TORQUE EN ( % )

.

CORRIENTES DE CARGA ( p.u. )

ROTOR DEVANADO CON CONTROL DE RESISTENCIA EXTERNA

400

F.P UNITARIO 2

ALTA RESISTENCIA

.

F.P ADELANTO 1.5

300 I1 I2

1

Ws

BAJA RESISTENCIA

I3

200 I.U.F.P.

.

F.P ATRASO 0.5

TORQUE NOMINAL

100

0 0

50

100

150

200

250

300

350

ARRANQUE POR MOTOR PRIMO

-0.5

CORRIENTE DE EXCITACION If ( p.u. )

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

PORCENTAJE DE LA VELOCIDAD SINCRONA ( % )

Los arranques de los motores síncronos Para hacer la maniobra de conexión es preciso que se cumplan con exactitud estas tres condiciones: • Llevar el motor síncrono a la velocidad del sincronismo (con un motor auxiliar). • Conectar el motor a la línea en que la tensión de línea o fuerza contra electromotriz del motor se encuentren en oposición. • Cerrar el interruptor de alimentación del motor una vez cumplida las anteriores condiciones. Cuando un generador tiene que alimentar una red de gran capacidad, ésta le impone la frecuencia y la tensión. En el mismo instante en el que se acople a la red, su frecuencia y su tensión deben coincidir con las de la red; la tensión debe coincidir no solo en lo que respecta a la magnitud, sino también en la fase. Esta condición debe cumplirse en las tres ramas o fases. Implica la exigencia de que la sucesión de las tensiones en las ramas o fases del arrollamiento de la maquina coincida con las de la red.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS – FIEE - UNAC ROTOR + SISTEMA DE ARRANQUE ( MASA MOBIL )

ESTATOR ( MASA FIJA )

R

ANILLOS ROZANTES

S

ESCOBILLAS

Radj.

T

FUENTE DC

Banco externo de resistencias

DEVANADO TRIFASICO AMORTIGUADOR

CAMPO DC

RED TRIFASICA EXTERNA

SISTEMA DE ARRANQUE CON DEVANADO AMORTIGUADOR PARA MOTORES SINCRONOS TRIFASICOS

SISTEMA DE CONTROL CON FUENTE DC ESTATICA DE ESTADO SOLIDO PARA LOS MOTORES SINCRONOS TRIFASICOS Supresor de subidas Vac

CAMPO DC

ANILLOS ROZANTES

CARGA MECANICA

ESTATOR DEL MOTOR SINCRONO

Radj. RED TRIFASICA EXTERNA

TRANSFORMADOR

 - Y

R S T Supresor de subidas Vac

Rectificador

Filtro

Ventajas El factor de potencia se puede variar como sea requerido.

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS – FIEE - UNAC Puede dar velocidad constante en condiciones de vacío a condiciones de plena carga ó carga parcial. La Potencia varía linealmente con la tensión. Desventajas No tiene aplicaciones donde la velocidad sea variable. Requiere de excitación de corriente continua, proveer en algunos casos de una fuente externa. No puede arrancar bajo carga ya que su par de arranque es cero. Requiere de anillos colectores y escobillas Puede salir del sincronismo y parar cuando se sobrecarga. 8.- PARAMETROS NOMINALES DE LOS GENERADORES SINCRONOS Para poder seleccionar adecuadamente los alternadores es conveniente tener la siguiente información en forma clara, precisa y correcta: a.c.e.g.i.k.m.-

Potencia nominal KVA. Número de polos. Temperatura ambiente °C. Protección térmica. Tipo de excitación. Tipo de aplicación. Rango de ajuste de tensión.

b.d.f.h.j.l.n.-

Factor de potencia cosφ. Frecuencia (Hz) Altitud (msnm) Tensión de armadura (DC). Grado de protección de la máquina. Características de la carga. Tipos de regulación: V y F ctes.

9.- APLICACIONES INDUSTRIALES Su aplicación es muy diversa siendo las más importantes: En Centrales Eléctricas y en las Subestaciones en paralelo a las barras mejorando el factor de potencia. Industrias que tienen un elevado número de motores de inducción trifásicos para mejorar el factor de potencia. Al final de algunas líneas de transmisión para controlar la tensión mediante el procedimiento de variar la excitación para optimizar el factor de potencia. Como elemento de accionamiento de grandes cargas: molinos de cemento, industria minera, molinos textiles, etc. Operan en forma continua y velocidad constante tal como bombas centrifugas compresores de aire, grupos motor generador, etc. 10.- CUESTIONARIO 1.- Enumere y defina las características de funcionamiento nominales del MS. Tome los datos de placa del motor primo y del M.S. utilizados en sus ensayos. 2.- De los ensayos de vacío graficar tomar datos de las pérdidas rotacionales. Haga una demostración teórica de sus resultados. MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS – FIEE - UNAC 3.- Del ensayo con carga graficar las siguientes curvas. V vs Ia, Pot vs Wm., EF vs Wm, EF vs Pot. , Pot. vs Ia. 4.- Del ensayo con carga graficar Icarga vs Iexcitación. 5.- Como verificaría si el sistema de escobillas está calibrado correctamente haqa un esquema. En caso de no estar bien calibrado, este efecto, como afectaría en el trabajo normal del GS? Explique detalladamente su respuesta. 6.- Recomendaciones y conclusiones.

PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES

TABLA N° 1.- RESISTENCIA DE AISLAMIENTO DEVANADO ROTOR

TERMINALES F1 vs MASA U1 - Masa V1 - Masa W1 - Masa

ESTATOR

OBSERVACIONES

Raisl. ( M )

TABLA N° 2.- RESISTENCIA OHMICA POR FASE DEVANADO

TERMINALES

R fase Ohmios

Reactancia Ohmios

Inductancia Henry

Tamb. ( C° )

ROTOR

F1 - F2 U1 - U2 ESTATOR V1 - V2 W1 - W2 * * Utilizando un puente Wheatstone. Observaciones : * Utilizando una bateria, voltímetro y amperímetro.

TABLA N° 3.- PRUEBA DE CORTO CIRCUITO MOTOR DC Vf If ( VOLT )

( AMPER )

IR (AMP )

GENERADOR SINCRONO TRIFASICO DE ANILLOS ROZANTES IF S P Q OBSERVACIONES COS ( AMP )

( VA )

VATIOS

( VARS )

TABLA N° 4.- PRUEBA DE VACIO

Va ( VOLT )

MOTOR DC Ia Vf ( AMP )

( VOLT )

If ( AMP )

GENERADOR SINCRONO TRIFASICO DE ANILLOS ROZANTES V RS ICAMPO VELOC. OBSERBACIONES ( VOLTIOS)

( AMP)

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RPM

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TABLA N° 5.- PRUEBA CON CARGA MOTOR DC

VDC

IDC

VRS

IR

VOL.

AMP.

VOLT.

AMP.

MOTOR SINCRONO TRIFASICO DE ANILLOS ROZANTES ICAMPO PTOTAL QTOTAL S VELOC COS  AMP.

VATIOS

VARS

V-A

EF

RPM

%

MONTAJE DE MAQUINAS ELECTRICAS Y EQUIPOS DE MEDICION TO RQ UE 4

S PEED

PANEL DE CONEXIONES - LEYBOLT DIDACTIC

1

2

5 6

3

7

2

1

0 .5

2

1

1 0 0

3

M in u t - 1

8 9

3

0 N - m

0

10

x 1000

FUENTE REGULADA DE CORRIENTE CONTINUA

SALIDA

+

3 00 0 6 00 0

1500

BANCO REGULABLE TRIFASICO DE RESISTENCIAS

FIJA

+

0

1.

10

R1

3

R2

1.

0

S2 LEYBOLT DIDACTIC 380 Vcc.

O F F

S2

M A N E X T E R N

T1

80 90 1 00

R E S E T

D O W N

-

N m 70

M m ax . %

N m in % A UT O M

REGULABLE

10

R AM P. M A N ./ E X T 2 2 4 0 60 B RA K E 5 0 50 6 0 40

30

20

-

STA R T

T E M P - A LA R M

T2 T AC H O

O U T P UT

P E N

- L IF T

O U T P UT

+

B RA K E 1 …

10 V

1 …

10 V

1 …

10 V

_

BANCO TRIFASICO DE RESISTENCIAS 731 - 69

EE

A1

U1

V1

U2

V2

W2

U2

V2

U1

V1

W1

U1

V1

W1

F2

U2

V2

W2

F1

F2

U1

V1

W1

U2

V2

W2

F1 F2

-

DT

GENERADOR - MOTOR TRIFASICO SINCRONO TIPO 732-36

MOTOR SINCRONO DE ANILLOS ROZANTES

F1

>T

TACO-GENERADORDC TIPO731-09

TIPO

731

85

FRENO MAGNETICO

N S

A2

>T

C O N T RO L

PANEL DE CONEXIONES - LEYBOLT DIDACTIC GMBH

W1

W2

F1

G DC

D E

EE

PANEL DE CONEXIONES - LEYBOLT DIDACTIC GMBH PANELDECONEXIONES- LEYBOLTDIDACTICGMBH

U N ID A D

F2

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GENERADOR - MOTOR TRIFASICO SINCRONO TIPO 732-36

GENERADOR TRIFASICO DE ANILLOS ROZANTES

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