PRUEBAS EN MAQUINAS ASINCRONAS

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS

ML-253

UNIVERSIDAD NACIONAL

DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRNICA DE POTENCIA

GUA DE LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS (ML 253)

Elaborado por:

Ing. Emilio A. Marcelo Barreto

INDICE

L1:Motor Asncrono Trifsico tipo Rotor Jaula de Ardilla.

3L2Motor Asncrono Trifsico Tipo Rotor Bobinado.

14

L3:Motor de Corriente Continua.

23

L4:Generador de Corriente Continua.

33

Anexo

47

Ensayos Normalizados en Mquinas Elctricas.

I.- INTRODUCCION

Las mquinas asncronas se utilizan en aplicaciones de hasta el rango de los MW, su construccin sencilla con rotor tipo jaula de ardilla las convierte en motores de uso mas frecuente. Estos motores asncronos trifsicos industriales pueden ser:

Motores trifsicos con rotor jaula de ardilla(una jaula, doble jaula, jaula tratada y ranura profunda).

Motores trifsicos con polos conmutables con bobinado Dahlander.

Motores trifsicos con polos conmutables con dos bobinado separados.

II.- OBJETIVOS DEL LABORATORIOLos objetivos del presente laboratorio son:

Hacer conocer la constitucin electromecnica de los motores asncronos.

Familiarizarse con la simbologa y conexionado de las mquinas elctricas de nuestro laboratorio en los ensayos segn las normas IEC y NEMA.

Conexin y puesta en servicio del motor. Inversin del sentido de giro (utilizando un conmutador manual)

A partir de los ensayos realizados obtener el circuito monofsico equivalente.

Registro de los valores caractersticos y curvas caractersticas (FP, EF, Torque) de funcionamiento especficas de las mquinas asncronas.

Evaluacin de las mediciones realizadas y registradas.

Presentacin del protocolo de pruebas segn normas establecidas.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 verificar el dimensionamiento de la instrumentacin a utilizarse, as mismo constatar que sus esquemas estn bien planteados.

2. Para evitar el deterioro y/o avera de los instrumentos y equipos, el alumno no debe accionarlos por ningn motivo, sin la aprobacin del profesor.

3. Para evitar el deterioro de los ampermetros, en el momento del arranque se debe poner el ampermetro de lnea en corto circuito (utilizando un puente) y siempre el arranque debe hacerse en estrella-tringulo a plena tensin.

4. Luego de unos 5 segundos hacer el cambio a tringulo y seguidamente retirar el puente del ampermetro. Si es posible hacer el arranque a tensin reducida estando el motor en la posicin tringulo.

5. La escala de todos los instrumentos debe ser la mxima.

6. Al operar el freno, comenzar con una carga mnima y aumentarlo en forma gradual hasta llegar al mximo permisible.

IV.- EQUIPOS Y MAQUINAS ELECTRICAS A UTILIZAR

BANCO ACTIVO DE PRUEBAS

MOTOR AISNCRONO TRIFASICO

N de pedido SO3636 6UN

Tensin Nominal 230 VoltiosTensin 400 / 690 Voltios

Corriente Nominal 3 Amperios.Corriente 1.73 / 0.81 Amp.

Corriente Arranque 9 AmperiosConexin D / Y

Torque Mximo 10 N mFrecuencia 60 Hz.

Potencia Aparente 800 VAPotencia 0.37 KW

Rgimen de servicio S1Rgimen de servicio S1

RPM max. 4000RPM 2800

Grado de proteccin IP20Grado de proteccin IP54

AMPLIFICADOR INTERGRADOIKL B

Tensin de pico 600 VoltiosNorma VDE 0530

Tensin RMS 400 VoltiosTermostato 120 C

Corriente pico 10 AmperiosFactor de potencia 0.84

Corriente RMS 7 AmperiosMOTOR TIPO JAULA DE ARDILLA

ITEMDESCRIPCION GENERAL DE LAS MAQUINAS Y EQUIPOSCANT.

1Manguito de acoplamiento01

2Cubierta de acoplamiento01

3Interruptor de 04 polos01

4Conmutador D Y01

5Fuente de corriente alterna regulable ADECUADA01

6Multmetro analgico/digital, FP, KW, KVARS.02

7Multmetro digital FLUKE01

8Unidad condensadora01

9Conectores de seguridad04

10Juego de cables de 4 mm25

V.- ENSAYOS NORMALIZADOS

1.- CONEXIN DEL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO JAULA DE ARDILLA NORMALIZADO (IEC 34 - 8)2.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 item 4.1)3.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 item 4.1)

PROCEDIMIENTO DEL ESQUEMA DE MONTAJE DEL MOTOR EN CONEXIN TRINGULO (DELTA) A LA LNEA TRIFSICA:a) U1 se conecta a la entrada del ampermetro. De la salida del ampermetro se conecta a la lnea L1.

b) V1= U2 = Lnea L2

De U2 se conecta a la entrada del voltmetro( conductor de color

azul ). El voltmetro debe de estar conectado entre L1 y L2 . Pero la

lnea L1 ya se conect en el paso (a) y no es necesario hacerlo de

nuevo.

c) V2= W1 = Lnea L3

CIRCUITO EQUIVALENTE PRCTICO DE UN MOTOR ASNCRONO TRIFSICO TIPO MOTOR JAULA DE ARDILLAEste es el modelo del circuito equivalente monofsico prctico que presenta en un motor asncrono trifsico conformado por las impedancias : estatrica, rotrica, y ncleo , que entregan potencia elctrica a una carga para darle movimiento .R2 + j X2 = impedancia de dispersin del rotor reflejada al estator

RL = resistencia de carga reflejada al estator.

En este tipo de circuito se desprecia las prdidas en el fierro.

4.- ENSAYO DE VACIO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.6)En este ensayo R1 + j X1 se considera despreciable.El montaje del motor se realiza conforme a la siguiente figura. Con el motor trifsico en vaco la tensin de alimentacin se regula hasta que el voltmetro indique la tensin nominal del motor ensayado (ver placa). Los instrumentos de medida que se utilicen durante la prctica, ya estn incluidos dentro del pupitre de prcticas.

Las condiciones son las siguientes:

La velocidad debe ser constante.

El eje del motor debe estar completamente libre.

La frecuencia debe ser la nominal del motor.

Con la finalidad de verificar las curvas de vaco: B vs H.

Bmax = ( VLL x 10-8 ) / 4.44 x f x A x N (Gauss)

H = ( N x (3 If ) / Lm (Amper-Vuelta/metro)

Donde:

Lm = Longitud media al paquete magntico en m.

N = Nmero de vueltas del bobinado estatrico por fase.

A = Area transversal del paquete magntico estatrico = L x C

L = Longitud del paquete magntico en m.

C = Altura de la corona en m.

f = Frecuencia del sistema Hz.

VLnea = Tensin de lnea en Voltios.

ZO = VO / IO

RO = PO / IO2 = R1 + RM

XO = { ZO2 - RO2 }1/2 = X1 + XM

5.- PRUEBA DE ROTOR BLOQUEADO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.8)

Las condiciones son las siguientes:

La corriente de lnea debe ser la nominal del motor.

El eje del motor debe estar trabado.

La frecuencia debe ser la nominal del motor.

Para el ensayo de rotor bloqueado se utilizar exactamente el mismo esquema de conexiones que para el caso del ensayo de vaco. La nica diferencia estribar en que en este caso se alimentar el motor con una tensin mucho ms reducida que la nominal. A partir de 0 voltios se ir aumentando la tensin hasta que el motor alcance la corriente nominal, todo ello manteniendo el rotor bloqueado. SE DEBER PONER ESPECIAL ATENCIN EN NO SUPERAR LA CORRIENTE NOMINAL DEL MOTOR PARA EVITAR QUE LOS DEVANADOS SUFRAN DAOS. Como resultado del ensayo se registrarn la tensin, la corriente y la potencia en este ensayo.

ZCC = VCC / ICC

RCC = PCC / ICC2 = R1 + R2'

XCC = { ZCC2 - RCC2 }1/2 = X1 + X2'

Tipo de motorClase

NEMA AClase

NEMA BClase

NEMA CClase

NEMA DRotor

Bobinado

X10.5 Xcc0.4 Xcc0.3 Xcc0.5 Xcc0.5 Xcc

X2'0.5 Xcc0.6 Xcc0.7 Xcc0.5 Xcc0.5 Xcc

6.- PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2)

Para la prueba con carga se tendr que conectar el freno LN.

Seguir las indicaciones del profesor.

En forma muy atenta y delicada manipular el regulador de velocidad del freno dinmico hasta que la corriente circulante consumida por el motor es la corriente nominal.

Despus del registro de las cargas aplicadas en el motor tomar el registro de la velocidad y torque. Aplicando la siguiente expresin se lograr calcular la potencia util.

P til = T (N-m) x RPM (pi/30) EF = P til / P ingreso PRUEBA CON CARGA ( PRUEBA AL FRENO )

FRENOMOTOR TIPO JAULA DE ARDILLA

RPMN - mVRS

VOLTIR

AMPPTOTAL

VATIOSQ TOTAL

VATIOSS

V - A EFICIEN

%VELOC

RPMF.P

COS

7.- ENSAYO DE TEMPERATURA ( IEEE 112 /1978 ITEM 5.3 MET. 3 ) Consiste el registrar la temperatura y el tiempo y tener la curva Temp. Vs Tiempo. El tiempo mnimo es 04 horas cuando la temperatura comienza a disminuir en 02 grados centgrados durante las dos horas siguientes.

8.- COMPENSACION REACTIVA IEC 831 ITEM 1 2 Y VDE 560 ITEM 4.9.- APLICACIONES INDUSTRIALES

Su construccin robusta e IPW adecuado hace que estos motores sean utilizados en ambientes agresivos tales como: las embarcaciones navieras, la industria textil, industrias qumicas, etc. Teniendo en cuenta la categorizacin, ser muy importante y necesario hacer una buena seleccin del motor para lo cual el torque de la carga

es la informacin base.

Las cargas mas importantes son nominados a continuacin: Compresores de aire.

Electro ventiladores centrfugos y axiales pequeos, medianos y grandes.

Mquinas que requieren de un arranque moderado.

Procesos que utilicen velocidad constante.

Electrobombas centrifugas.

Fajas transportadoras.

Cargas que cuenten con un torque bajo, medio y elevado.

10.- CUESTIONARIO1. Enumere y defina las caractersticas nominales de las mquinas rotativas de induccin jaula de ardilla. Presente las caractersticas de placa del motor utilizados en su experiencia.

2. Cmo se invierte el sentido de giro de ste motor asncrono y cuantas posibilidades tengo de hacerlo. Haga las conexiones que Ud. ha realizado.

3. Realice todos los clculos necesarios que le conduzca a construir el diagrama equivalente monofsico valorado, referido al estator con sus valores registrados y calculados en los ensayos de vuestros laboratorios.

4. Grafique las curvas de vaco y corto circuito realizadas en el laboratorio.

5. Grafique la PNUCLEO vs I1,T, EF y FP vs velocidad.6. Determinar las prdidas rotacionales en los motores probados.

7. Graficar las curvas Elabore un formato del protocolo de pruebas que Ud. realizara en las mquinas elctricas tipo jaula de ardilla industriales.

8. Conclusiones y recomendaciones (muy importante).

11.- BIBLIOGRAFIA

1. Veinott Cyril Theory and Desinn of small induction motors.Mac Graw-Hill. Bok Company INC 1959

2. George J.Thaler - Milton L. Wilcox. Mquinas elctricas - Estado dinmico y permanente. John Wiley & Sons Inc. 1966.

3. A.E.Fitzgerald - Charles Kingsley. Teora y anlisis de las mquinas elctricas.Mac Graw-Hill .Bok Company Inc 1992.

4. Che Mun Ong Dinamic Simulation Machinary Prentice Hall Inc 1998.

5. George Patrick Shult Transformer and motors - A Division of Prentice Hall Computer 11711 North - College,Carmel,Indiana USA. 1995

6. Irving. L. Kosow. Mquinas elctricas y transfor-madores Prentice Hall Inc 1991.

7. Donald V. Richardson. Arthur J. Caisse. Rotating Electric Machinery and Transformer Technology. Prentice Halll Inc 1998.

8. Normas internacionales IEC 34 2, NEMA MG1 1993 Part.1 Pag 12, IEEE 112 ( test standart ).Volumen 1,2,3 y 4. VI.- PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA MOTORES ASINCRONOS TABLA N 1.- RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

DEVANADOTERMINALESRaisl. ( M( )OBSERVACIONES

ESTATORU1 - MASA

V1 - MASA

W1 - MASA

TABLA N 2.- RESISTENCIA OHMICA POR FASE

DEVANADOTERMINALESRfase ( ( ) *VoltiosAmper.Rfase

( ( ) **Tamb. ( C )

ESTATORU1 - U2

V1 - V2

W1 - W2

* Utilizando un puente Wheatstone.

* Utilizando una batera, voltmetro y ampermetro.

TABLA N 3.- PRUEBA DE VACIO

V FASE( VOLTIOS )I FASE( AMPERIOS )P

( VATIOS )TORQUEN - mQ(VARs)VELOCID.

RPMCOS (

TABLA N 4.- PRUEBA DE CORTO CIRCUITO ( ROTOR BLOQUEADO )

V FASE ( VOLTIOS )I FASE ( AMPERIOS )PQSCOS (

RSRTSTRSTVATIOSVARSVOLT-AMP.

TABLA N 5.- PRUEBA CON CARGA ( PRUEBA AL FRENO )

VRSVOL.VSTVOLT.VRTVOLT.IR

AMP.PINGR.VATIOSPUTILVATIOSTORQUEN-mVELOC

RPMEF

(%)COS (

ANEXO

ENSAYOS NORMALIZADOS EN MAQUINAS ELECTRICAS1.- CONEXIN DEL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO JAULA DE ARDILLA NORMALIZADO (IEC 34 - 8)Para este ensayo el motor trifsico debe ser conectado a una red de 400 voltios, 60 Hz, conectado en triangulo. Tal como la que acompaamos a continuacin.

Ms detalles ver: Diagrama de circuito conectar y arrancar y esquema de montaje conectar y arrancar.

SHAPE \* MERGEFORMAT

2.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR

N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 item 4.1)

Esta medicin se realiza aplicando el mtodo los siguientes mtodos:

Voltio amperimtrico.

Ohmmetro de precisin.

Puente de medicin para resistencias pequeas.

Correccin por temperatura

R1 dc = Vdc / Idc Ohmios/fase

R1 = R1 dc { 1 + ( ( Ttrabajo - Tambiente ) }Ohmios/fase

Correccin por efecto SKIN.

Pero los motores trifsicos trabajan en corriente alterna para el cual est diseada, por esta razn es que resulta imprescindible hacer la correccin por efecto SKIN.

R1 ac ( Ttrabajp ) = K* R1 Ohmios / fase

Donde :K = Constante del efecto skin.

R1 dc = Resistencia a temperatura ambiente ( Ttrabajo ).

R1 = Resistencia a temperatura de trabajo ( Tambiente ).

R1 ac = Resistencia estatrica en C.A.

( = Coeficiente de temperatura y depende del material tala como:

( (cobre) = 0.00393 C-1

( (aluminio) = 0.035 C-1

La correccin por efecto SKIN es muy notoria en mquinas de mediano y gran porte, es decir, mquinas de induccin mayores de 50 KW.

3.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 item 4.1)

Constituye una medicin precisa de la resistencia del aislamiento a masa de los bobinados. La prueba consiste en aplicar una tensin de CC (IEEE 43 / 1991), y medir la corriente de perdida luego de 60 segundos. La resistencia de aislamiento se calcula segn la ley de OHM:

IR = Tensin aplicada / corriente de fuga medida

TENSIONES DC PARA PRUEBA DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO IEEE - 43

NIVELTENSION DEL ARROLLAMIENTOTENSION DE PRUEBA

1< 1000 VAC500 VDC

21000 - 2500 VAC500 - 1000 VDC

32501 - 5000 VAC1000 - 2500 VDC

45001 - 12000 VAC2500 - 5000 VDC

5> 12000 VAC5000 - 10000 VDC

3.1.- INDICE DE POLARIZACION (IP) IEEE - 43

Mide cuantitativamente la capacidad de polarizacin del aislamiento a masa.

La prueba de IP se realiza comnmente a la misma tensin que la prueba de MEGOHM y tarda 10 minutos en completarse. El Valor de IP se calcula como:

IP = IR(10min) / IR(1min).

En general los aislantes en buenas condiciones mostrarn un ndice de polarizacin alto, mientras que los aislantes daados no lo harn. IEEE - 43 recomienda valores mnimos para las distintas clases trmicas de aislamiento de motores:

CLASE TERMICAIPCLASE TERMICAIP

NEMA CLASE A1.5NEMA CLASE F2.0

NEMA CLASE B2.0NEMA CLASE H2.0

3.2.- INDICE DE ABSORCION (IA) IEEE - 43

Es una variante del ndice de polarizacin.

En algunos materiales como la mica, la corriente que absorben los materiales toma 10 minutos o mas para caer a cero. Pero en sistemas de aislamiento modernos la corriente de absorcin puede caer a cero en 2 o 3 minutos.

El ndice de absorcin se calcula como:

IA = IR(60seg) / IR(30seg)

NIVELES DE INDICES DE ABSORCION Y POLARIZACION IEEE

NIVELINDICE DE ABSORCION INDICE DE POLARIZACIONESTADO DE LA RESIST. AISLAMIENTO

D 0 - 1.00 - 1PELIGROSO

C1.0 - 1.31 - 2DEFICIENTE

B1.3 - 1.62 - 4BUENO

A1.6 - SUPERIOR4 - SUPERIOREXCELENTE

3.3.- TENSION APLICADA (IEEE 112 / 1978 ITEM 6.2)

Demuestra que en el sistema de aislamiento a masa puede existir un voltaje aplicado alto sin exhibir una corriente de perdida extraordinariamente alta.

TENSIONES DE PRUEBA DE HIPOT RECOMENDADOS

IEEE - 95, IEEE - 43, IEC 34.1 Y NEMA MG-1.

TIPOS TENSION PRUEBA DE LOS EQUIPOSDESCRIPCION GENERALVALORES DE LA TENSION APLICADA

VAC PRUEBAValor aproximado de tensin alterna de prueba empleada por el fabricante 2 x VAC MOMINAL(MAQUINA)

+ 1.000 VOLT.

VDC PRUEBA INICIALMxima tensin continua de prueba para la primera prueba

(instalacin de la mquina)1,28 x VAC PRUEBA VOLT.

V DC PRUEBA PERIODICAMxima tensin continua de prueba para las verificaciones peridicas de la mquina

0,96 x VAC PRUEBA

VOLT.

Expresiones para determinar la tensin de prueba del test de comprobacin en mquinas rotativas

3.4.- TENSION DE IMPULSO - IEC 34 -15 /1995 e IEEE - 522 /1992

Proporciona informacin acerca del Aislamiento entre espiras, y la capacidad del aislamiento a masa para soportar transitorios de frente de onda abrupto (como los que aparecen en servicio). Las razones para realizar la prueba de impulso es que diariamente, los motores estn sometidos a transitorios de alta tensin y/o energa. Estos impulsos pueden daar el aislamiento del motor y, en un tiempo, pueden provocar una falla en el mismo.

4.- PRUEBA EN VACIO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.6)

El montaje del motor se realiza conforme a la siguiente figura. Con el motor trifsico en vaco la tensin de alimentacin se regula hasta que el voltmetro indique la tensin nominal del motor ha ser probado (ver placa). Los instrumentos de medida que se utilicen durante la prctica, ya estn incluidos dentro del pupitre de prcticas.

Las condiciones son las siguientes:

La velocidad debe ser constante.

El eje del motor debe estar completamente libre.

La frecuencia debe ser la nominal del motor.

Con la finalidad de verificar las curvas de vaco sobreponerlos con las B vs H.

Bmax = ( VLL x 10-8 ) / 4.44 x f x A x N (Gauss)

H = ( N x (3 If ) / Lm (Amper-Vuelta/metro)

Donde:

Lm = Longitud media al paquete magntico en m.

N = Nmero de vueltas del bobinado estatrico por fase.

A = Area transversal del paquete magntico estatrico = L x C

L = Longitud del paquete magntico en m.

C = Altura de la corona en m.

f = Frecuencia del sistema Hz.

VLL = Tensin de lnea en Voltios.

5.- PRUEBA DE ROTOR BLOQUEADO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.8 )

Las condiciones son las siguientes:

La corriente de lnea debe ser la nominal del motor.

El eje del motor debe estar trabado.

La frecuencia debe ser la nominal del motor.

6.- PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2 )

Para la prueba con carga se tendr que conectar el freno LN.

Seguir las indicaciones del profesor.

En forma muy atenta y delicada manipular el regulador de velocidad del freno dinmico hasta que la corriente circulante consumida por el motor es la corriente nominal.

Despus del registro de las cargas aplicadas en el motor tomar el registro de la velocidad y torque. Aplicando la siguiente expresin se lograr calcular la potencia util.

P til = T (N-m) x RPM (pi/30)

EF = P til / P ingreso

7.- ENSAYO DE TEMPERATURA ( IEEE 112 /1978 ITEM 5.3 MET. 3 )

Consiste el registrar la temperatura y el tiempo y tener la curva Temp. Vs Tiempo. El tiempo mnimo es 04 horas cuando la temperatura comienza a disminuir en 02 grados centgrados durante las dos horas siguientes.

8.- COMPENSACION REACTIVA IEC 831 ITEM 1 2 Y VDE 560

ITEM 4.

Todos los circuitos industriales son resistivos inductivos en consecuencia la compensacin reactiva es muy necesaria para ahorrar dinero en el pago de los kVAR-H consumidos y para dar cumplimiento de las NTCSE de nuestro pas.

Los tipos de compensacin reactiva son los siguientes:

Compensacin individual.

Compensacin en grupo.

Compensacin automtica centralizada.

Compensacin dinmica (tiempo real).

Filtro activo de armnicas.

Control de tensin

Reactancias estatricas y retricas - IEEE 112 1978 ITEM 4.8

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Laboratorio de Electricidad y Electrnica de Potencia

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