Electrodinamómetro de Corriente Continua - U

Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento de Ingeniería Eléctrica
EL3003 – Laboratorio de Ingeniería Eléctrica
INFORME LABORATORIO
ELECTRODINAMÓMETRO DE CORRIENTE
CONTINUA
Nombre Alumno :
Profesor
:
Profesor Auxiliar :
Fecha
:
Javier Acuña P.
Manuel Iglesias C.
Javier Jara L.
Nelson Morales
Insertar
25/03/2011
Santiago, Chile.
3. Datos Experimentales
3.1 Determinación de la característica de magnetización del generador de corriente
continúa.
Figura 3.1.1.
Figura 3.1.2.
3.1.1
Procedimiento:
Primero se conectaron los dispositivos como se muestra en la Figura 3.1.1., es
decir, sin haber activado el circuito de campo. Procurando mantener constante
la frecuencia del motor asíncrono a 1000[rpm], se registró la tensión en los
bornes del generador, obteniendo la primera muestra:
𝑉𝑜 = 6[𝑉]
Luego se procedió a alimentar el circuito de campo del generador con la fuente
fija de 220 Vcc, tal como se distingue en la Figura 3.1.2.
Manteniendo la frecuencia constante y regulando la corriente de excitación (a
través del reóstato de regulación) se determinaron el resto de las mediciones
de la llamada “característica de subida” para los valores de resistencia de la
Tabla 3.1.1.
Se midieron los valores de la Corriente de excitación con el amperímetro
conectado en serie con el circuito de campo, y la Tensión con el voltímetro en
los bornes del generador, cuidando constantemente no sobrepasar la corriente
nominal del motor.
Los datos obtenidos de lo anteriormente descrito corresponden a la Tabla 3.1.2.
Después de haber registrado 11 medidas “en subida”, se redujo gradualmente
la corriente de campo hasta anularla, tomando otras 10 muestras intermedias
(Tabla 3.1.3.), obteniendo la característica en bajada.
Corriente de
excitación (mA) Voltaje (V)
0
6
120
54
130
58
140
60
150
64
160
68
180
72
200
74
220
80
260
80
300
84
350
90
Corriente de
excitación (mA) Voltaje (V)
350
90
300
86
250
82
220
80
190
76
170
74
160
70
145
66
135
64
125
62
120
58
Tensiòn en bornes del generador [V]
Característica de magnetización
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Curva en subida
Curva en bajada
en Vacio
0
100
200
300
Corriente de campo [mA]
400
3.2 Determinación de la característica externa del generador de corriente continúa con
excitación independiente.
Figura 3.2.1.
3.2.1
Procedimiento:
Se construyó el circuito descrito en la Figura 3.2.1 con la carga desconectada (al
vacío), midiendo el punto de partida de la característica externa. Al igual que en
el la experiencia anterior, la frecuencia del motor se mantuvo contante a 1000
[rpm]. El voltaje obtenido fue:
𝑉𝑜 = 56 [𝑉]
En adelante, para obtener las medidas correspondientes, se conectó el reóstato
a su máxima carga, junto con el amperímetro a los bornes del generador, y se
cuidó que la frecuencia se mantuviera constante regulando la tensión aplicada.
Se tomo nota de los valores de las tensiones, disminuyendo gradualmente la
resistencia de carga y consecuentemente aumentando la Corriente de carga,
correspondiendo a la Tabla 3.2.1.
Corriente sobre
la carga (mA)
0
130
130
150
160
180
200
220
260
300
350
460
600
880
Voltaje (v)
56
54
54
54
54
54
54
54
54
54
54
54
54
54
Tensión en bornes de l generador [V]
Característica externa con excitación
independiente
60
En vacio
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
Corriente de carga [mA]
800
1000
3.3 Determinación de la característica de regulación con excitación independiente.
Figura 3.3.1.
3.3.1
Procedimiento:
Se conectó el circuito como se muestra en la Figura 3.3.1., bastante similar al de
la experiencia anterior, con la diferencia de que se cambio de posición el
amperímetro conectándolo junto al reóstato de regulación.
Partiendo con el reóstato de carga desconectado, se midió la Tensión en los
bornes del generador, obteniendo el voltaje siguiente:
𝑉𝑜 = 118 [𝑉]
Tensión que se mantuvo constante a lo largo de esta experiencia.
Se conectó el reóstato de carga, y se procedió a cuidar el valor fijo de la tensión
ya mencionada. Para ello, junto con mantener la frecuencia del motor
constante a 2000 [rpm], al aumentar la resistencia del reóstato de carga
gradualmente, se variaba también la resistencia de regulación.
Así, registrando las resistencias ocupadas a cada medida, se tomaron las
muestras correspondientes a la tensión en los bornes del generador, la cual
debía ser siempre constante, y la corriente en el circuito de campo. (Tabla
3.3.1.)
La Tabla 3.3.2. corresponde a la corriente de de campo medida, junto a la
corriente de carga, que fue calculada a partir de la resistencia de carga y la
tensión correspondiente.
Resistencia
Resistencia reóstato reóstato
de Regulación(Ω)
de Carga(Ω)
1269
1269
1198,5
1198,5
1198,5
1198,5
1198,5
1198,5
1198,5
1198,5
1198,5
133,3
160
186,67
213,33
240
266,67
293,33
320
346,67
373,33
400
Corriente de Corriente de
Carga [A]
Campo [A]
0,89
0,12
0,74
0,13
0,63
0,13
0,55
0,13
0,49
0,13
0,44
0,13
0,40
0,13
0,37
0,13
0,34
0,13
0,32
0,13
0,30
0,13
Corriente de Campo [A]
Característica de Regulación con
excitación independiente
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0.00
0.20
0.40
0.60
Corriente de Carga [A]
0.80
1.00
3.4 Determinación de la característica de regulación con autoexcitación.
Figura 3.4.1.
3.4.1. Procedimiento:
Se conectó el circuito como aparece en la Figura 3.4.1. La diferencia con el
anterior es que el circuito de campo es alimentado desde el generador
(autoexcitación).
Una vez puesto en marcha el dínamo con velocidad nominal mediante el
motor asincrónico alimentado por la línea trifásica y ya fijada la tensión
nominal en los bornes del generador ( 8 Volts) se midio la corriente indicada
por el amperímetro puesto en serie en el circuito de campo, siendo su valor:
𝐼0 = 35 [𝐴]
Manteniendo constante la tensión nominal junto con la frecuencia del motor a
2000 [rpm], al aumentar la resistencia del reóstato de carga gradualmente, se
variaba también la resistencia de regulación.
Así, se registraron las resistencias ocupadas a cada medida junto con las
corrientes de campo y carga las cuales se muestran en las tablas 3.4.1 y 3.4.2
respectivamente.
Corriente de campo (mA) Corriente de carga (mA)
80
300
65
140
65
140
60
70
60
70
60
70
60
70
60
50
60
50
60
30
60
30
60
30
57
30
55
20
35
0
Corriente de Campo [A]
Característica de Regulación con
autoexcitación
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Corriente de Carga [A]
250
300
350
4. Análisis
4.1. Determinación de la característica de magnetización del generador de corriente
continua.
Se puede observar un voltaje generado mayor que cero (6 [v]) al hacer girar el
rotor antes de conectar el circuito de campo a la fuente, originada por la rotación en
presencia de campos magnéticos residuales en el generador.
La curva de magnetización obtenida en esta experiencia (Figura 3.1.3) es
bastante aproximada a lo que se esperaba obtener según la teoría. Si se ignora la
muestra defectuosa (la novena de excitación en subida), las curvas son bastante
regulares y siguen una tendencia creciente de voltaje generado respecto a la corriente
con una disminución en la velocidad de crecimiento al aumentar la corriente de
campo. Esto responde a que al aumentar la corriente de excitación se produce una
saturación del campo magnético inducido debido a la histéresis, lo cual provoca un
estancamiento en el aumento del voltaje generado.
Se pudo apreciar una variación entre las curvas de subida y la curva de bajada
(los voltajes de bajada son superiores a los voltajes de subida), esto debido a que,
como era de esperar, al volver a valores de corriente medidos con anterioridad se
crean ciclos de histéresis magnética que alteran en alguna medida el valor de los
puntos de la curva.
Los valores de potencia disipada por el circuito de campo son los siguientes:
Corriente de
excitación (mA)
Voltaje (V)
0
120
130
140
150
160
180
200
220
260
300
350
6
54
58
60
64
68
72
74
80
80
84
90
POTENCIA
REQUERIDA
[w]
0
6,48
7,54
8,4
9,6
10,88
12,96
14,8
17,6
20,8
25,2
31,5
4.2. Determinación de la característica externa del generador de corriente continua
con excitación independiente.
Al hacer girar el rotor del generador con el circuito de carga abierto se logró
medir una diferencia de potencial de 56 [v] entre los bornes.
Luego, al conectar la carga con diferentes valores de resistencia, se apreció
que el voltaje disminuyó a la medición en vacío pero se mantuvo constante
para los distintos valores del reóstato. Es decir, la corriente generada por el
electrodinamómetro (regulada por el reóstato) no afecta significativamente el
voltaje generado, o sus efectos no pudieron ser apreciados dados los rangos de
exactitud que permitían los instrumentos de medición. Esto concuerda
bastante con lo esperado, puesto que la rotación aplicada al rotor se
transforma en una diferencia de potencial según la ley de Faraday, en donde la
corriente no tiene participación.
Cabe mencionar, sin embargo, que para mantener un valor relativamente
constante de velocidad rotacional se debió omitir las muestras para valores
muy pequeños de carga (menores a 100 Ω) pues el motor llegaba a los valores
límites de corriente.
Lo anterior evidencia una gran diferencia entre las características de carga y de
magnetización del generador de excitación independiente. Mientras en la
característica de magnetización el voltaje tiene una dependencia directa (lineal
hasta la saturación) con respecto a la corriente de excitación, la corriente de
carga no afecta mayormente el voltaje generado según muestra la
característica de carga.
Los valores de potencia generada en el circuito de carga son los siguientes:
Corriente de
Voltaje
POTENCIA
carga [mA]
generado [v] GENERADA [w]
0
56
0
130
54
7,02
130
54
7,02
150
54
8,1
160
54
8,64
180
54
9,72
200
54
10,8
220
54
11,88
260
54
14,04
300
54
16,2
350
54
18,9
460
54
24,84
600
54
32,4
880
54
47,52
4.3. Determinación de la característica de regulación con excitación independiente.
De la curva de regulación se observa que la corriente de carga modificada
manualmente mediante la variación de la carga (entre los 300 y 900 [mA]), no afecta la
corriente de campo, lo cual puede tener cierto sentido para los valores utilizados de
velocidad angular y resistencias, considerando también que la corriente de carga
observada fue del orden de 10 veces la corriente de campo. Por motivos similares a los
mencionados en la experiencia anterior, puede explicarse que la corriente de carga no
afecte mayormente el circuito magnético, sin embargo, rigurosamente se espera que
al aumentar la carga del generador, se deba aumentar la corriente de excitación para
anular los efectos de la caída de tensión en la armadura y las resistencias.
En este caso, el resultado es muy similar al obtenido en la experiencia anterior.
Probablemente los rangos de resistencia usados corresponden a partes de la curva
muy pequeñas en las que no se puede distinguir diferencias. Los efectos de la caída de
tensión debido a las resistencias del circuito inducido y la reacción de la armadura
pueden ser despreciables a una frecuencia de rotación de 2000 rpm.
La potencia generada y requerida para cada medición:
Corriente de
Corriente de Campo POTENCIA REQUERIDA
Carga [A]
[A]
[w]
POTENCIA GENERADA [w]
0,89
0,12
26,4
104,43
0,74
0,13
28,6
87,025
0,63
0,13
28,6
74,5928571
0,55
0,13
28,6
65,26875
0,49
0,13
28,6
58,0166667
0,44
0,13
28,6
52,215
0,40
0,13
28,6
47,4681818
0,37
0,13
28,6
43,5125
0,34
0,13
28,6
40,1653846
0,32
0,13
28,6
37,2964286
0,30
0,13
28,6
34,81
4.4. Determinación de la característica de regulación con autoexcitación.
Al conectar el circuito en vacío, es decir, si conectar el reóstato de carga aún,
se midió una diferencia de potencial de 8 [v] entre los bornes del generador. Esta tensión fue
forzada a mantenerse constante.
De la curva de regulación, no puede obtenerse de forma clara una tendencia de la
característica dado que los datos están muy dispersos y fueron muy pocos (ya que las
variaciones de la carga no afectaban considerablemente la corriente). Sin embargo, se observa
que al aumentar la corriente de carga, la corriente de campo debe ser elevada para mantener
el voltaje constante.
Esto guarda relación con lo esperado, que se explica porque al aumentar la corriente
de la carga, se hace necesario aumentar la corriente de excitación (que en este caso está
conectada en paralelo al generador) para anular los efectos de la caída de tensión debido a las
resistencias del circuito inducido y a la reacción de la armadura. Teóricamente, la idea es la
misma que en la experiencia anterior, con la diferencia de que la variación de la corriente de
campo debe ser más pronunciada para mantener el voltaje constante pues ella misma (la
corriente de excitación) genera ahora un aumento de corriente en el circuito mismo del
generador, por ende un efecto contrario aloque se quiere.
En la práctica, el comportamiento recién mencionado sólo fue apreciable en esta
experiencia.
No se puede hacer aquí, una comparación rigurosa en cuanto a las pérdidas
asociadas a una configuración de excitación independiente o a una auto-excitada, por
varios factores (entre ellos, que no se conoce específicamente la potencia mecánica
recibida por el rotor. Sin embargo, se presentan a continuación los valores de potencia
generados por esta configuración.
Corriente de
POTENCIA GENERADA
carga [mA]
[w]
300
2,4
140
1,12
140
1,12
70
0,56
70
0,56
70
0,56
70
0,56
50
0,4
50
0,4
30
0,24
30
0,24
30
0,24
30
0,24
20
0,16
5. Conclusiones
Respecto a la potencia generada por el electrodinamómetro excitado por una fuente
independiente, es muy ineficiente, al menos en el caso probado durante las
experiencias conectado a las cargas posibles. La potencia requerida para generar la
corriente de excitación (entre 25 y 75 [w]) muchas veces fue superior a la potencia
generada por el electrodinamómetro (que no superó los 50 [w]), especialmente
cuando la resistencia de la carga era alta. Sin embargo, hubo configuraciones que no se
pudieron estudiar ya que se llegaba a los límites de los valores permitidos de corriente
para el motor asíncrono que generaba el movimiento.
La potencia generada por el electrodinamómetro auto-excitado con configuración en
paralelo, pese a ser siempre positiva (es decir, no requería de una fuente externa de
potencia para la excitación, que al restarse evidenciara pérdidas), es muy pequeña,
permaneciendo siempre (dentro de los casos que fueron estudiados) en el orden de 1
a 2 [w].
La potencia que puede generarse en el circuito del electrodinamómetro aumenta
mientras menor sea la resistencia del reóstato de carga (comportamiento apreciable
en los cuatro experimentos realizados) manteniendo una velocidad constante.
Del mismo modo, la potencia requerida por el motor asíncrono para mantener la
velocidad rotacional constante varía de acuerdo a la configuración del circuito de
campo y del circuito de carga del generador, esto se debe a que las corrientes de
excitación elevadas aumentan la resistencia del rotor a moverse, la cual debe ser
superada entregando más potencia a través del mecanismo originador del
movimiento, lo cual a su vez aumenta la energía generada en el electrodinamómetro.
En general, las características magnéticas, de carga y de regulación, para generadores
de excitación independiente y auto-excitados son curvas crecientes con un cierto
momento de saturación, en que el aumento de la corriente de carga (o excitación
según sea el caso) deja de ser influyente en la otra variable estudiada. Esto se debe
principalmente a la histéresis de los campos magnéticos.
El origen de los errores de medición, que en ciertos casos arrojaron resultados
distorsionados, y en otros simplemente unas pocas muestras defectuosas, pueden
corresponder a las siguientes situaciones:
Los voltímetros y amperímetros eran analógicos y requerían cierta precisión en su
lectura.
Las corrientes demasiado altas o bajas pueden haber generado distorsiones en las
magnitudes medidas por acoplamiento de algunos campos, además de campos
residuales de las máquinas. Esta fuente de error es intrínseca a los elementos usados.
Las conexiones no eran ideales, además se pudo detectar que varios de los cables
disponibles estaban quemados. Posiblemente alguno de los usados no estaba en
buenas condiciones y no fue posible detectarlo.
Poner una tabla con las potencias???
Agregar datos que no se han puesto en el informe (valores limites del motor, reóstatos, etc)
Poner los resultados en conjunto con el análisis separado de las descripciones