1. Operación y Manejo de
Equipo Eléctrico del
Laboratorio de Ingeniería
Eléctrica
OBJETIVO.
Operar y manejar prácticamente motores de corriente
continua, motores de corriente alterna trifásicos y
equipo eléctrico de medición del Laboratorio de
Ingeniería Eléctrica.
2. CONTENIDO.
1. Arranque y control de velocidad de un motor de CC.
2. Característica par-velocidad de un motor de CC paralelo.
3. Característica par-velocidad de un motor de CC compuesto.
4. Característica par-velocidad de un motor de CC serie.
5. Arranque de un motor de inducción trifásico.
6. Característica par - velocidad de un motor de inducción trifásico.
7. Arranque de un motor síncrono trifásico.
8. Corrección del factor de potencia con el motor síncrono.
9. Sincronización de un alternador con la línea de CFE.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA O DIRECTA
Los Motores de Corriente Directa (CD) o Corriente Continua (CC) se utilizan en casos en
los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se
utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el
caso de motores accionados por pilas o baterías. En la figura se muestra el esquema de un
motor de corriente continua:
En la siguiente figura se muestra el esquema de un motor de CC.
Estos motores se clasifican como se muestra en el siguiente cuadro:
3. MOTORES CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE:
Los motores con excitación independiente se clasifican de acuerdo a la manera de producir
el campo magnético, de esta manera se tienen:
Motores de imán permanente:
Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones
de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los
del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para
excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas
excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una
sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por
la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica
par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se
puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo
de servicio de excitación continua.
Motores de excitación Independiente o separada:
El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación,
por la independencia entre el devanado de excitación (inductor) y el devanado de
armadura (inducido). El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una
fuente exterior de alimentación para el devanado inductor. Los motores de excitación
independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales,
extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de
ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar.
El sistema de excitación independiente, solamente se emplea en la práctica en casos
especiales debido, sobre todo, al inconveniente de necesitar una fuente independiente
de energía eléctrica.
MOTORES AUTOEXCITADOS:
En este tipo de motores, el inductor no es independiente del inducido, sino que por su
conexión el inductor y el inducido reciben energía eléctrica directamente de la fuente de
alimentación. Los motores autoexcitados se clasifican de acuerdo a la conexión de los
4. devanados de excitación (inductores), con el devanado de armadura (inducido), teniéndose
de esta manera:
Motor con excitación en paralelo (shunt):
Es el tipo de motor de CC más comúnmente utilizado. En este motor, el devanado inductor
se conecta en paralelo con el devanado inducido. Tiene buena regulación de velocidad,
considerándose como un motor de velocidad constante; aunque su velocidad disminuye
ligeramente al aumentar la carga. Se debe tener cuidado de no abrir o desconectar el
devanado de excitación, debido a que su velocidad aumenta a valores peligrosamente
elevados. Se utiliza principalmente en maquinas herramientas.
Diagrama de conexión de un motor paralelo:
Motor con excitación compuesta:
En este motor son utilizados los dos devanados de excitación. El inductor serie se conecta
en serie con el inducido y el inductor paralelo en paralelo con la combinación serie del
inductor serie y el inducido. Su velocidad disminuye cuando el par aumenta y su velocidad
en vacío es limitada. Las características del motor Compuesto están comprendidas entre las
del motor paralelo y las del motor serie. Debido a la existencia del devanado serie, que
ayuda al devanado en derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de
modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más
rápidamente que si no estuviera conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede
desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la excitación en derivación.
Este motor se utiliza cuando se necesita mantener una velocidad prácticamente constante
con pesadas cargas irregulares o súbitamente aplicadas, como prensas, cizallas y máquinas
reversibles.
5. Diagrama de conexión de un motor compuesto.
Motor con excitación serie:
Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta conectado en
serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo,
que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de nominal que
requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la
corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo
será casi directamente proporcional a dicha intensidad. En este motor
la velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y la velocidad en vacío no
tiene límite teóricamente, por lo cual, nunca se debe operar sin carga conectada. Es
adecuado para accionar cargas pesadas, se utiliza en grúas, montacargas y ferrocarriles, en
donde las cargas pesadas deban moverse lentamente y las cargas ligeras deban moverse a
gran velocidad.
Diagrama de conexión de un motor serie:
6. CONTROL DE LA VELOCIDAD.
Métodos:
1. Insertando una resistencia de excitación (resistencia variable) en serie con el
devanado paralelo, en motores paralelo y compuesto.
2. Insertando una resistencia variable en serie con el devanado inducido, en los
motores serie, paralelo y compuesto.
3. Variando el voltaje en el devanado inducido en motores paralelo y compuesto,
mientras se mantiene constante el voltaje en el devanado paralelo.
El control de la velocidad en los motores de CC se realiza generalmente por el primer
método indicado anteriormente, debido a que constituye un medio eficaz para variarla
suavemente desde su valor nominal hasta un valor fijado por las limitaciones eléctricas y
mecánicas del motor.
Para entender los métodos anteriores, es necesario analizar la siguiente ecuación, utilizada
para el cálculo de la velocidad de los motores de CC:
Va IaRa
S
K
Donde: Va – voltaje en el inducido o armadura.
IaRa – producto de la corriente y la resistencia del inducido.
KO – producto de la constante del motor y el flujo magnético
S – velocidad en RPM
ARRANQUE DE LOS MOTORES DE CC.
Utilizando la ecuación de velocidad:
Va IaRa
S
K
Como:
Ec K S Donde Ec – fuerza contraelectromotríz (volts).
7. Entonces despejando Ia, se tiene:
Va Ec
Ia
Ra
Analizando la última ecuación:
En el instante del arranque, Ec es cero, debido a que la armadura o rotor no está girando. La
resistencia del inducido tiene generalmente valores menores que la unidad, por lo que la
corriente en el inducido es muy grande, pudiendo esto ocasionar daños en el devanado del
inducido. Para reducir la corriente de arranque, se introduce una resistencia variable
conocida como reóstato de arranque, en serie con el inducido, la cuál, antes del arranque
debe estar a su valor máximo de resistencia, una vez que el rotor empieza a girar, la FCEM
aumenta, reduciéndose la corriente en el inducido, por lo cuál, se disminuye al mínimo el
valor del reóstato de arranque.
CONDICIONES PARA EL ARRANQUE DE UN MOTOR DE CC.
1. La resistencia de arranque a su valor máximo.
2. La resistencia de excitación a su valor mínimo.
3. Cuando el motor arranque alcanzando cierta velocidad de rotación, se reduce la
resistencia de arranque al mínimo.
4. Con la resistencia de excitación se aumenta la velocidad del motor al valor deseado.
EQUIPO DE LABORATORIO UTILIZADO:
ELECTRODINAMÓMETRO.
Es una máquina utilizada para simular la carga aplicada a cualquier tipo de motor.
El sentido de rotación del motor acoplado mediante la banda debe ser en dirección de las
manecillas del reloj, para que el electrodinamómetro trabaje correctamente, aplicándole
carga al motor, se alimenta con una fuente de 127Vde CA monofásica.
Para mínima carga aplicada al motor, se gira la perilla en dirección contraria a las
manecillas del reloj.
Para aumentar la carga aplicada al motor, se gira la perilla en dirección de las manecillas
del reloj.
La medida del par está graduada en la perilla giratoria, en unidades de Kg-cm, pudiéndose
aplicar carga para los motores de ¼ HP utilizados en prácticas de laboratorio.
8. MOTOR DE CC.
Armadura
1 2
3 Serie 4
7 8
5 Paralelo 6 Re
Posición de la resistencia de excitación (Re):
Cuando se gira a la derecha, la resistencia es máxima.
Cuando se gira a la izquierda, la resistencia es mínima.
Diagrama de conexión para la práctica 1
_ 2-8
A
Re R
6-7
M
Devanado paralelo
+
1-5
9. Diagrama de conexión para la práctica 2.
2-8
- A
Re R Electrodinamómetro
6-7 M
Devanado paralelo
+ 1-5 127 VCA
Diagrama de conexión para la práctica 3.
2-8
_ A
Re R Electrodinamómetro
6-7 M
Devanado paralelo
+ 3
Devanado serie 4-5 127VCA
10. Diagrama de la práctica 4.
2
_ A
R Electrodinamómetro
M
+ 3
Devanado serie 4-1 127VCA
MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICOS.
Se clasifican como motores de inducción (asíncronos) y motores síncronos.
MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS.
Los motores de inducción trifásicos, se clasifican de acuerdo al tipo de rotor utilizado en
motor jaula de ardilla y motor de rotor devanado.
El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de barras o
conductores metálicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y
cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metálicos, esto es lo que forma la
llamada jaula de ardilla por su similitud gráfica con una jaula de ardilla.
11. El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, por ranuras, dentro de las cuales se
introducen los lados de bobina de tres devanados monofásicos, de esta forma se tiene un
bobinado en el interior del campo magnético del estator, del mismo número de polos. Los
tres devanados monofásicos generalmente están conectados en estrella, sus terminales
libres se conectan a un reóstato de arranque externo mediante anillos y carbones,
permitiendo modificar la velocidad y el par de arranque, así como de reducir la corriente de
arranque.
12. En los dos tipos de motor, el campo magnético giratorio es producido por las bobinas
inductoras del estator (devanado del estator), generando corrientes inducidas en el rotor,
debido a las cuales se produce el movimiento.
La velocidad con que gira el campo magnético generado en el devanado del estator, se
llama velocidad síncrona. Esta velocidad, es proporcional a la frecuencia y al número de
polos del motor. Para una frecuencia de alimentación constante, la velocidad síncrona de
cualquier motor es también constante. Esta velocidad se determina por:
donde:
f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz)
P: Número de pares de polos que tiene la máquina
p: Número de polos que tiene la máquina
n = Ns: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto)
Si se invierten dos cualesquiera de las tres líneas de alimentación del devanado del estator,
(invirtiendo por tanto la secuencia de fases de las corrientes del estator), el campo
magnético gira en sentido contrario. Como el rotor gira en la misma dirección que el flujo
giratorio, el rotor también se mueve en sentido contrario. Por lo cual, se puede invertir el
sentido de giro de un motor trifásico, intercambiando dos cualesquiera de las tres líneas que
alimentan el motor.
13. VELOCIDAD Y DESLIZAMIENTO.
Un motor de inducción no puede girar a velocidad de sincronismo. Si fuera posible hacer
por algún medio, que el rotor girara a velocidad de sincronismo, quedaría en reposo
respecto al campo giratorio. Entonces no se induciría en el rotor FEM, no circularía
corriente en el rotor y por tanto, no se desarrollaría par. La velocidad del rotor, aún en
vacio, debe ser ligeramente menor a la de sincronismo para que se induzca corriente en el
rotor, produciéndose un par. Esta diferencia entre la velocidad del rotor y la de sincronismo
se llama deslizamiento. El deslizamiento se puede expresar en RPM, pero es mas frecuente
expresarlo en tanto por ciento de la velocidad de sincronismo.
En este tipo de motores: Ns = Nr
Ns Nr
s 100
Ns en donde: s – deslizamiento en %.
Ns – velocidad de sincrónica en RPM.
Nr – velocidad del rotor en RPM.
Esta ecuación también puede expresarse también en términos de la velocidad angular:
s r
s 100
s en donde: s – deslizamiento en %
s – velocidad síncrona en radianes por segundo
r – velocidad del rotor en radianes por segundo
14. EQUIPO DE LABORATORIO UTILIZADO:
MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO JAULA DE ARDILLA.
1 127V 4
2 127V 5
3 127V 6
Rotor
Devanado del estator
CONEXIONES DEL DEVANADO DEL ESTATOR:
Conexión delta para alimentación con voltaje de línea de 127V trifásicos.
Conexión estrella para alimentación con voltaje de línea de 220V trifásicos.
MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO DE ROTOR DEVANADO.
U 220V Z
V 220V X
W 220V Y 1 2 3
Devanado del estator Devanado del rotor
15. CONEXIONES DEL DEVANADO DEL ESTATOR:
Conexión delta para alimentación con voltaje de línea de 220V trifásicos.
Conexión estrella para alimentación con voltaje de línea de 380V trifásicos.
La conexión estrella del devanado del rotor esta hecha internamente, de tal manera que solo basta
conectar el reóstato para el control de la velocidad a las terminales 1,2 y 3.
En el arranque el reóstato debe estar a su valor máximo de resistencia.
MEDIDOR DE POTENCIA REAL Y POTENCIA REACTIVA TRIFÁSICO.
KW KVAR
1 2 3 4 5 6
Entrada Salida
DIAGRAMAS PARA LA PRÁCTICA 5.
Motor jaula de ardilla.
1 4
L1 A
2 5
L2
V 3 6
L3 Rotor
Estator
16. Motor de rotor devanado.
U Z 3
L1 A
V X 2
L2
V W Y 1
L3
Estator Rotor
Reóstato para control de la velocidad
DIAGRAMA PARA LA PRÁCTICA 6.
W Q
1 4
L1 A
2 5
L2
V 3 6
L3 Rotor 127VCA
Estator
Conexión estrella.
MÁQUINA SINCRONA TRIFÁSICA.
CONSTRUCCIÓN.
Estator:
El estator, o parte estática, de una máquina síncrona es igual al de una máquina asíncrona.
Contiene un devanado trifásico con sus lados de bobinas dentro de ranuras. Las terminales
de este devanado se unen mediante conexiones trifásicas, para conectarse a la línea de
alimentación.
17. Rotor:
El rotor, o parte rotativa, de una máquina síncrona es bastante diferente al de una máquina
asíncrona. Contiene un devanado de corriente continua denominado devanado de
excitación, el cual es ser alimentado por una fuente de CC, llamada excitatriz.
Las máquinas síncronas se clasifican por el tipo de rotor utilizado, de esta manera se tienen:
Máquina de polos salientes: Los piezas polares laminadas con sus bobinas inductoras
sobresalen de la superficie del núcleo del rotor.
Máquina de rotor cilíndrico o liso: Los polos se construyen sobre la superficie del
núcleo del rotor.
ROTOR DE POLOS SALIENTES.
18. ROTOR CILINDRICO.
En los generadores síncronos se utilizan los dos tipos de rotores, el rotor de polos
salientes en generadores lentos movidos por motores diesel o por turbinas hidráulicas y el
rotor cilíndrico en generadores rápidos o turbo alternadores.
En los motores síncronos se utiliza casi siempre la construcción de polos salientes. Como
el que se muestra en la figura.
19. MOTOR SINCRONO.
FUNCIONAMIENTO.
Al conectar un motor síncrono con tensiones trifásicas, se establece un campo un campo
magnético giratorio en el devanado del estator como en el motor de inducción. Sin
embargo, en el motor síncrono no se excita el devanado del rotor por inducción, sino por
corriente continua. Si se pone el rotor a velocidad síncrona por algún medio, con los polos
del rotor excitado, estos polos del rotor son atraídos por los polos del campo magnético
giratorio y el rotor sigue girando a velocidad síncrona. En otras palabras, el rotor entra en
sincronismo magnéticamente con el campo magnético giratorio. Si por alguna razón se le
hace perder el sincronismo con el flujo giratorio del estator, se pierde la atracción,
desaparece el par, y el motor se para. Por tanto, un motor síncrono solo desarrolla par
cuando gira a velocidad síncrona. Se deduce, que un motor síncrono no puede arrancar por
si mismo, sino que se necesita alguna máquina auxiliar para llevar el rotor a velocidad
síncrona.
Para las maquinas síncronas:
Ns = Nr
APLICACIONES DEL MOTOR SINCRONO.
Se utilizan donde se requiere velocidad constante y potencias superiores a 20 HP y
sobretodo en potencias superiores a 100 HP. Una aplicación muy frecuente es accionando
compresores de aire o de gas. Otra aplicación común es para mover generadores de CC,
como en procesos electrolíticos o para alimentar la excitación de alternadores o de otros
20. motores síncronos. Otras aplicaciones son el bombeo de agua, accionamiento de
ventiladores y pulverizadores.
Una ventaja relevante es el hecho de que pueden funcionar con factor de potencia unitario o
en adelanto, con la posibilidad de mejorar el factor de potencia.
EQUIPO DE LABORATORIO UTILIZADO:
1 127V 4
2 127V 5
3 127V 6 s Re
+ 120VCD -
Posición del interruptor(s):
Interruptor hacia afuera, posición cerrado.
Interruptor hacia adentro, posición abierto.
Posición de la resistencia de excitación (Re):
Cuando se gira a la derecha, la resistencia es máxima.
Cuando se gira a la izquierda, la resistencia es mínima.
CONEXIONES DEL DEVANADO DEL ESTATOR:
Conexión delta para alimentación con voltaje de línea de 127V trifásicos.
Conexión estrella para alimentación con voltaje de línea de 220V trifásicos.
21. MEDIDOR DE FACTOR DE POTENCIA.
Conexiones para sistema trifásico:
Línea trifásica Carga
+ - 1A 5A P2
P1 P3
Conexiones para sistema monofásico:
Línea monofásica Carga
+ - 1A 5A P2
P1 P3
22. DIAGRAMA PARA PRÁCTICA 7.
L1 A 1 4
Fuente L2 2 5
CA V
L3 3 6 A
Re 127vca
+ 120vcd -
DIAGRAMA PARA PRÁCTICA 8.
L1 A 1 4
L2
L3 2 5
+- 1A 5A P2 3 6 A Re
P1 P3 Estator 127vca
Conexión estrella
+ 120vcd -
Factorímetro
23. GENERADOR SINCRONO TRIFÁSICO.
FUNCIONAMIENTO
Una turbina acciona el rotor del generador síncrono a la vez que se alimenta el devanado
del rotor (devanado de excitación) con corriente continua. El entrehierro variable (máquinas
de polos salientes) o la distribución del devanado de campo (máquinas de rotor liso)
contribuyen a crear un campo más o menos senoidal en el entrehierro, que hace aparecer en
los terminales del devanado del estator (devanado inducido) una tensión senoidal. Al
conectar al devanado inducido una carga trifásica equilibrada aparece un sistema trifásico
de corrientes y una fuerza magnetomotriz senoidal.
Todos los generadores son accionados por un motor primario (turbina de vapor, hidráulica,
de gas, eólica o motor diesel). Los motores primarios tienen el mismo comportamiento,
pues mientras que la potencia que entregan aumenta, la velocidad a la cual giran disminuye.
Esto se muestra en las siguientes curvas características.
Característica velocidad (Ns)- potencia real (P):
Nsc
Npc
0 Ppc P (KW)
Entregada
Como la velocidad es directamente proporcional a la frecuencia, entonces la
CARACTERISTICA FRECUENCIA-POTENCIA REAL es:
Fsc
Fpc
0 Ppc P (KW)
Entregada
24. Una relación similar se puede deducir para la potencia reactiva (Q) y la tensión en las
terminales del generador (Vt). Esto se muestra en la curva CARACTERISTICA
VOLTAJE- POTENCIA REACTIVA:
Vsc
Vpc
0 Qpc Q (KVAR)
Consumida Entregada
Cuando un generador síncrono funciona en forma aislada, la potencia real y la potencia
reactiva entregada por el generador es la cantidad absorbida por la carga conectada, estas
cargas no pueden regularse por el generador; por tanto, para cualquier potencia real dada, el
motor primario controla la frecuencia de funcionamiento del generador y para cualquier
potencia reactiva, la corriente de excitación controla el voltaje entregado por el generador.
CONEXIÓN EN PARALELO.
En la figura se muestran dos generadores en paralelo alimentando a una carga.
Generador 1 carga
Generador 2
Suponiendo que el generador 1 se encuentra conectado a la carga suministrando energía
eléctrica, y el generador 2 se va a conectar en paralelo con el generador 1, se deben de
cumplir las siguientes condiciones:
CONDICIONES.
1. El voltaje de línea del generador 2 debe ser igual al del generador 1.
2. El generador 2 debe tener la misma secuencia de fase que el generador 1.
3. La frecuencia del generador 2 debe ser ligeramente más alta que la del generador 1.
25. FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORES EN PARALELO CON GRANDES
SISTEMAS DE POTENCIA.
Sistema carga
S
Generador
S- interruptor de sincronización
Cuando un generador síncrono se conecta a un sistema de potencia, éste es con frecuencia
tan grande que nada de lo que pueda hacer el operario tendrá mucho efecto sobre todo el
sistema en sí. Un ejemplo de esta situación es la conexión de un solo generador a la red del
sistema de potencia de CFE. Dicha red es tan grande que ninguna acción razonable sobre el
generador puede causar un cambio significativo en la frecuencia de toda la red.
Esta noción se idealiza en el concepto de un barraje infinito. Un barraje infinito es un
sistema tan grande que ni su voltaje ni su frecuencia varían, aún haciendo caso omiso de la
magnitud de la potencia real o reactiva que se le saque o se le suministre.
Característica frecuencia- potencia y voltaje-potencia del sistema de potencia de CFE.
F
-P 0 P (KW)
Consumida Entregada
Vt
-Q 0 Q (KVAR)
Consumida Entregada
26. Cuando un generador síncrono ya ha sido conectado en paralelo con el sistema, cumpliendo
con el procedimiento de sincronización. Se dice que el generador está “flotando” en la
línea, suministrando una pequeña cantidad de potencia real y muy poca o ninguna potencia
reactiva. Sus características de potencia real-frecuencia y potencia reactiva –voltaje se
pueden dibujar espalda con espalda, con un eje vertical común. Tal esquema, es llamado
algunas veces “diagrama de casa”.
F
Sistema Generador
-P 0 PG P (KW)
Consumida Entregada
Al aumentar la potencia del motor primario, aumentando su velocidad, con el objeto de
desplazar la frecuencia del generador en vacío hacia arriba, pero como la frecuencia del
sistema no puede cambiar, la potencia real suministrada por el generador aumenta.
F
-P 0 P1 P2 Pnom P (KW)
Consumida Entregada
De la misma manera, cuando se aumenta la corriente de excitación del generador, con el
objeto de aumentar el voltaje entregado, pero como el voltaje del sistema no puede cambiar,
la potencia reactiva entregada al sistema aumenta.
27. Vt
-Q 0 Q1 Q2 Qnom Q (KVAR)
Consumida Entregada
En conclusión:
La frecuencia y el voltaje son controlados por el sistema.
El motor primario controla la potencia real entregada al sistema.
La corriente de excitación controla la potencia reactiva entregada al sistema.
28. DIAGRAMA PARA PRÁCTICA 9.
Generador síncrono conectado en estrella.
L1 L2 L3
1
V Hz
M 2
Hz V
3
A
+ 120VCD -
Sistema
Eléctrico
CFE