UNIVESIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA ML 202 G F ACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Docente: Ing. Acel Huamán Ladera Integrantes:
Tintaya Quispe, Ramiro Gustavo Leon Rios, Miguel Humberto Huaynate Almonacid, Eduardo Melchor Cahuaya, Yerson
Tema: “Motor asíncrono trifásico-rotor jaula de ardilla”
Curso: Máquinas Eléctricas
Lima, 23 de Mayo del 2018
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Maquinas Eléctricas: Motor Asíncrono
INDICE GENERAL
INDICE GENERAL ................................................................................................................................... i RESUMEN ............................................................................................................................................ 1 OBJETIVO ............................................................................................................................................. 2 FUNDAMENTO TEORICO ..................................................................................................................... 3 Motor Asíncrono Trifásico ............................................................................................................... 3 Ensayos Normalizados ..................................................................................................................... 4 Aplicaciones Industriales ................................................................................................................. 9 METODOLOGÍA EMPLEADA............................................................................................................... 10 Máquinas, herramientas e instrumentos y circuitos .................. ........................... .................. .................. .................. .................. .............. ..... 10 BANCO ACTIVO DE PRUEBAS ............................................................................................................ 10 MOTOR AISNCRONO TRIFASICO ....................................................................................................... 10 Procedimiento ................................................................................... Error! Bookmark not defined. CALCULOS Y RESULTADOS ................................................................................................................. 12 Datos obtenidos ............................................................................................................................ 12 Cálculos ......................................................................................................................................... 13 Cuestionario .................................................................................................................................. 14 Ensayo ........................................................................................................................................... 16 ENSAYOS NORMALIZADOS: ............................................................................................................... 22 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 23 RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 23 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................... 24
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RESUMEN El siguiente informe tiene el propósito de obtener los parámetros de una maquina asíncrona y sus curvas características, el comportamiento del motor bajo carga y bajo rotor bloqueado. Para la obtención de estos parámetros se ensayó un motor asíncrono trifásico tipo jaula de ardilla en vacío, bloqueado y cortocircuito, cortocircuito, mediante un banco de pruebas en el laboratorio laboratorio de circuitos eléctricos.
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OBJETIVO
Hacer conocer la constitución electromecánica de los motores asíncronos. Familiarizarse con la simbología y conexionado de las máquinas eléctricas de nuestro laboratorio en los ensayos según las normas IEC y NEMA.
Conexión y puesta en servicio del motor. A partir de los ensayos realizados obtener el circuito monofásico equivalente. Registro de los valores característicos y curvas características (FP, EF, Torque) de funcionamiento específicas de las maquinas asíncronas.
Evaluación de las mediciones realizadas y registradas. Presentación del protocolo de pruebas según normas establecidas.
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FUNDAMENTO TEORICO Motor Asíncrono Trifásico Los motores asíncronos o asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español,Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) actualmente IEEE) en en 1888. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estátor, estátor, en el que se encuentran las bobinas las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión una tensión en el rotor según la Ley la Ley de inducción de Faraday: Faraday: La diferencia entre el motor el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está electricamanete aislado. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos(en cortocircuito como dicen los electricistas) a cada extremidad del rotor. Estan soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hamsters y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.
Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estátor, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. 3
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La acción mutua del campo c ampo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento o resbalamiento.
Ensayos Normalizados
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CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR ASINCRONO Este es el modelo monofásico práctico que presenta en un motor asíncrono trifásico conformado por las impedancias siguientes: Estatórica, retórica, núcleo y carga.
PRUEBA EN VACIO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.6) El montaje del motor se realiza conforme a la siguiente figura. Con el motor trifásico en vacío la tensión de alimentación se regula hasta que el voltímetro indique la tensión nominal del motor a ser probado (ver placa). Los instrumentos de medida que se utilicen durante la práctica, ya están incluidos dentro del pupitre de prácticas. 5
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Montaje de la instrumentación
Circuito monofásico monofásico equivalente operando en vacío a RPM constante
Circuito utilizado en los ensayos de maquinas eléctricas industriales
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 vacío sobreponerlos con las B vs H. Bmax = (VLL x 10-8) / 4.44 x f x A x N H = (N x 3 If) / Lm
(Gauss)
(Amper-Vuelta/metro)
Donde: Lm = Longitud media al paquete magnético en m. N = Número de vueltas del bobinado estatórico por fase. A = Área transversal del del paquete magnético estatórico estatórico = L x C L = Longitud del paquete magnético en m. C = Altura de la corona en m.
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f = Frecuencia del sistema Hz. VLL = Tensión de línea en Voltios.
ZO = VO / IO RO = PO / IO2 = R1 + RM XO = {ZO2 - RO2}1/2 = X1 + XM
PRUEBA DE ROTOR BLOQUEADO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.8 )
Montaje de la maquina e instrumentación
Circuito equivalente monofásico en el ensayo de corto circuito
Circuito utilizado en los ensayos de maquinas eléctricas industriales
Las condiciones son las siguientes:
La corriente de línea 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 utilizará exactamente el mismo esquema de conexiones que para el caso del ensayo de vacío. La única diferencia estribará en que en este caso se alimentará el motor con una tensión mucho más reducida que la nominal. A partir de 0 voltios se irá aumentando la tensión hasta que el motor alcance la corriente nominal, todo ello manteniendo el rotor bloqueado. Se deberá poner 7
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especial atención en no superar la corriente nominal del motor para evitar que los devanados sufran daños. Como resultado del ensayo se registrarán la tensión, la corriente y la potencia en este ensayo.
ZCC = VCC / ICC RCC = PCC / ICC2 = R1 + R2' XCC = { ZCC2 - RCC2 }1/2 = X1 + X2'
Reactancias estatóricas y retóricas - IEEE 112 1978 ITEM 4.8
Tipo de Clase motor NEMA A
Clase
Clase
Clase
Rotor
NEMA B
NEMA C
NEMA D
Bobinado
X1
0.5 Xcc
0.4 Xcc
0.3 Xcc
0.5 Xcc
0.5 Xcc
X2'
0.5 Xcc
0.6 Xcc
0.7 Xcc
0.5 Xcc
0.5 Xcc
PRUEBA CON CARGA (IEEE 112 /1978 ITEM 4.2 ) Para la prueba con carga se tendrá que conectar el freno LN. Seguir las indicaciones del profesor. En forma muy atenta y delicada manipular el regulador de velocidad del freno dinámico hasta que la corriente circulante consumida por el motor es la corriente nominal. Después del registro de las cargas aplicadas aplicadas en el motor tomar el registro registro de la velocidad y torque. Aplicando la siguiente expresión se logrará calcular la potencia útil.
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P útil = T (N-m) x RPM (pi/30) EF = P útil / P ingreso
Aplicaciones Industriales Su construcción robusta e IPW adecuado hace que estos motores sean utilizados en ambientes agresivos tales como: las embarcaciones navieras, la industria textil, industrias químicas, etc. Teniendo en cuenta la categorización, será muy importante y necesario hacer una buena selección del motor para lo cual el torque de la carga es la información base.
Las cargas más importantes son nominadas a continuación:
Compresores de aire. Electroventiladores centrífugos y axiales pequeños, medianos y grandes. Máquinas que requieren de un arranque moderado. moderado. Procesos que utilicen velocidad constante. Electrobombas centrifugas. Fajas transportadoras. transportadoras. Cargas que cuenten con un torque bajo, medio y elevado.
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METODOLOGÍA EMPLEADA Máquinas, herramientas e instrumentos y circuitos
BANCO ACTIVO DE PRUEBAS
MOTOR AISNCRONO TRIFASICO
N° de pedido SO3636 – 6U Tensión Nominal 230 Voltios Corriente Nominal 3 Amperios. Corriente Arranque 9 Amperios Torque Máximo 10 N – m Potencia Aparente 800 VA Régimen de servicio S1 RPM max. 4000 Grado de protección IP20 AMPLIFICADOR INTERGRADO INTERGRADO Tensión de pico 600 Voltios Tensión RMS 400 Voltios Corriente pico 10 Amperios Corriente RMS 7 Amperios
N° Tensión 400 / 690 Voltios Corriente 1.73 / 0.81 Amp. Conexión D/Y Frecuencia 60 Hz. Potencia 0.37 KW Régimen de servicio S1 RPM 2800 Grado de protección IP54 IKL B Norma VDE 0530 Termostato 120° C Factor de potencia 0.84 MOTOR TIPO JAULA DE ARDILLA
ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
DESCRIPCION GENERAL DE LAS MAQUINAS Y EQUIPOS Manguito de acoplamiento acoplamiento Cubierta de acoplamiento Interruptor de 04 polos Conmutador D – Y Fuente de corriente alterna regulable ADECUADA Multímetro analógico/digital, analógico/digital, FP, KW, KVARS. Multímetro digital FLUKE Unidad condensadora condensadora Conectores de seguridad Juego de cables de 4 mm²
CANT. 01 01 01 01 01 02 01 01 04 25
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PROCEDIMIENTO
Ensayo en Vacío 1. 2. 3. 4.
Armar el circuito según la Norma IEEE 112 /1978 ITEM 4.6. Asegurarse que el eje este libre. Variar el voltaje de entrada. Tomar datos.
Ensayo en Cortocircuito 1. 2. 3. 4.
Armar el circuito según la Norma IEEE 112 /1978 ITEM 4.8. Trabar el eje del motor. Alcanzar el voltaje y frecuencia nominales Tomar datos.
Ensayo con Carga 1. 2. 3. 4.
Armar el circuito según la Norma IEEE 112 /1978 ITEM 4.2. Se conecta el freno LN. Se varia el torque del mínimo hasta 1.2 N-m. Tomar datos.
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CALCULOS Y RESULTADOS
CALCULOS Y RESULTADOS Datos obtenidos Se trabajó con los siguientes siguientes datos:
PRUEBA DE VACIO Vfase
Ifase
P
Torque
Q
Velocidad
(Voltios)
(Amperios)
(Vatios)
(N-m)
(VARs)
(RPM)
369.5
0.23
27.18
0
90.3
3580
0.303
382.9
0.22
25.9
0
84.1
3580
0.313
370.4
0.21
24.53
0
77.26
3580
0.328
358
0.2
23.55
0
72.9
3580
0.319
349.1
0.19
22.86
0
68
3580
0.349
335.7
0.19
21.42
0
62.84
3580
0.341
322.1
0.18
20.43
0
58.1
3580
0.355
301
0.17
19.49
0
50.72
3570
0.389
290.6
0.16
18.35
0
47.09
3570
0.396
277.2
0.15
17.62
0
43.3
3570
0.477
Cosϴ
PRUEBA DE CORTOCIRCUITO (ROTOR BLOQUEADO) Vfase (Voltios) 23.53
Ifase P (Amperios) 0.15 2.26
cosϴ
0.617
25.72 26.77
0.17 0.17
2.69 2.91
0.638 0.641
27.79
0.17
3.14
0.639
28.76
0.18
3.41
0.651
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Facultad de Ingeniería Mecánica PRUEBA CON CARGA (PRUEBA AL FRENO) Vfase
Ifase
Pingreso
Putil
Torque
Velocidad
(Voltios)
(Amperios)
(Vatios)
(Vatios)
(N-m)
(RPM)
397
0.24
94.77
34.09
0.33
3580
0.361
395
0.25
100.1
48.28
0.43
3550
0.483
397
0.29
113.68
73.61
0.62
3530
0.655
394.8
0.35
136.29
105.53
0.86
3490
0.773
393.4
0.4
156.51
129.4
1.02
3450
0.832
392.8
0.44
172.9
148.25
1.15
3430
0.856
391.7
0.49
191.47
167.48
1.28
3390
0.876
390.7
0.54
209.69
186.22
1.4 1 .4
3370
0.887
391
0.59
233.8
208.64
1.55
3330
0.905
390
0.67
261.28
237.77
1.71
3270
0.911
Cálculos Se usaron las siguientes fórmulas: Ensayo de Vacio: 1) Resistencia del cobre en el estator (Rc)
2 0 =
2) Inductancia del cobre en el estator (Xm)
2 0 X = Ensayo de Cortocircuito: 3) Resistencia equivalente (Re)
R = 2 13
Cosϴ
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Facultad de Ingeniería Mecánica 4) Resistencia del rotor referido al estator (R2)
2 = − 1 5) Impedancia Equivalente (Zeq)
=
6) Inductancia Equivalente (Xe)
= √ ()2 − 2
Cuestionario 1.
Enumere y defina las características nominales de las máquinas rotativas de inducción jaula de ardilla. Presente las características de placa del motor utilizados en su experiencia. Los parámetros de operación de una máquina designan sus características, es importante determinarlas, ya que con ellas conoceremos los parámetros determinantes para la operación de la máquina. Las principales características de los motores de C.A. son: Potencia: Es la rapidez con la que se realiza un trabajo; en física la Potencia = Potencia: Trabajo/tiempo, la unidad del Sistema Internacional para la potencia es el joule por segundo, y se denomina watt (W). Sin embargo estas unidades tienen el inconveniente de ser demasiado pequeñas para propósitos industriales. Por lo tanto, se usan el kilowatt (kW) y el caballo de fuerza (HP). La diferencia de tensión es importante en la operación de una máquina, ya que de esto dependerá la obtención de un mejor aprovechamiento de la operación. Los voltajes empleados más comúnmente comúnmente son: 127 V, 220 V, 380 V, 440 V, 2300 V y 6000 V. Voltaje: También llamada tensión eléctrica o diferencia de potencial, existe entre dos Voltaje: puntos, y es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva de un punto a otro,
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Corriente: Corriente: La corriente eléctrica [I], es la rapidez del flujo de carga [Q] que pasa por un
punto dado [P] en un conductor eléctrico en un tiempo [t] determinado. nominal: En una máquina, el valor de la corriente nominal es la cantidad de Corriente nominal: corriente que consumirá en condiciones normales de operación. vacío: Es la corriente que consumirá la máquina cuando no se encuentre Corriente de vacío: operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal. arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un Corriente de arranque: excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior. bloqueado: Es la corriente máxima que soportara la máquina cuando Corriente a rotor bloqueado: su rotor esté totalmente detenido.
2.
Cómo se invierte el sentido de giro de éste motor asíncrono y cuantas posibilidades tengo de hacerlo. Haga las conexiones que Ud. ha realizado. Su sentido de giro se puede cambiar si se se intercambiando las conexiones en el el embobinado principal, no importa cuál de ellas, tanto los motores de división de fase como los de arranque capacitivo pueden cambiar de sentido de giro intercambiando las conexiones en el embobinado de arranque, o intercambiando las conexiones del bobinado principal. Sin embargo, esto es factible sólo cuando se realizan en el reposo, una vez el motor ha alcanzado su velocidad de funcionamiento las bobinas de arranque se desconectan por el interruptor de fuerza centrífuga y el intercambio de las conexiones no produce ningún efecto en el sentido de giro del motor.
3.
Calcular los parámetros del circuito equivalente “T” de sustitución de la maquina asíncrona para tensión nominal. Incluir las perdidas rotacionales en la r esistencia “Vm”
. Para efectuar estos cálculos necesitamos valores de los ensayos de vacío y rotor bloqueado
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Ensayo
Tensión (V)
Intensidad (I)
Potencia (W)
Vacío
230
0.1315
13.43
Rotor bloqueado
180
1
140
El esquema del circuito equivalente es el siguiente:
Re
Xe
R'r
Rfe
X'r
Xm
Como anteriormente se mencionó para la conexión R1=1/2*R Asumimos: R= 2.3 R1=1.15 Se cumple que Xe = 0.5*Xcc 0 .5*Xcc obtenemos: Prueba sin Carga Wfase=13.43 W Pr= 10/3=3.33 W Poc=13.43 – 3.33= 10.097 W
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Voc=230/3=76.667V Ioc=0.1315
Resistencia en la pérdida del nucleo: Rc=76.6672 /10.097 =582.071 Xm=76.6672 /27.283= 215.436
Prueba con rotor Bloqueado Vbr=180/3=60 v Pbr=140/3=46.67W Ibr=1A Req=46.67/12 =46.67 R2=Req-R1=46.67-1.15=45.52 Zeq=60/1=60 Xe=(602-46.672)1/2=37.71 X1=X2=18.86 4.
Graficar Vlinea vs I excitación; Perdidas en el Núcleo vs Vlinea.
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Vfase
Ifase
P
(Voltios)
(Amperios)
(Vatios)
369.5
0.23
27.18
0.303
382.9
0.22
25.9
0.313
370.4 358
0.21 0.2
24.53 23.55
0.328 0.319
349.1
0.19
22.86
0.349
335.7 322.1
0.19 0.18
21.42 20.43
0.341 0.355
301
0.17
19.49
0.389
290.6
0.16
18.35
0.396
277.2
0.15
17.62
0.477
Cosϴ
Iexcitación vs Voltaje de linea 0.24 0.23 n 0.22 ó i c a 0.21 t i c x 0.2 e e 0.19 d e 0.18 t n e i 0.17 r r o 0.16 C 0.15 0.14 270
290
310
330
350
370
390
Voltaje de entrada
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P (Vatios) vs V(Volt) 29 27 a d a r t n e e d a i c n e t o P
25 23 21 19 17 15 270
290
310
330
350
370
390
350
370
390
Voltaje de entrada
Cosϴ vs V(volt) 0.5 0.45 a i c n e t o p e d r o t c a F
0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 270
290
310
330
Voltaje de entrada
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Facultad de Ingeniería Mecánica 5.
A partir de los juegos de valores del ensayo de vacío calcular: Poo = Po – perdidas en el cobre estator cos
Po
3 V Io
, y tabularlas como funciones de la tensión aplicada aplicada V.
Po, Io potencia y corriente absorbida por la maquina en vacío.
Po (Vatios)
Pcuestator (Vatios)
77.251365 79.099482 76.539456 68.5212 69.446463 65.250009 61.74657 59.71539 55.237248 59.50098
27.18 25.9 24.53 23.55 22.86 21.42 20.43 19.49 18.35 17.62
Poo (Vatios) 50.071365 53.199482 52.009456 44.9712 46.586463 43.830009 41.31657 40.22539 36.887248 41.88098
Poo (Vatios) vs V(Volt) 55 53 51 a d a 49 g e r 47 t n e 45 a i c 43 n e t 41 o P 39 37 35 270
290
310
330
350
370
390
Voltaje entregada
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Graficar Vlinea vs Icc y P cu vs Vlinea Vfase
Ifase
P
(Voltios)
(Amperios)
(Vatios)
369.5
0.23
27.18
0.303
382.9
0.22
25.9
0.313
370.4
0.21
24.53
0.328
358
0.2
23.55
0.319
349.1 335.7
0.19 0.19
22.86 21.42
0.349 0.341
322.1
0.18
20.43
0.355
301 290.6
0.17 0.16
19.49 18.35
0.389 0.396
277.2
0.15
17.62
0.477
Cosϴ
Icc (Amperios) vs VLinea(Volt)
c c I
0.24 0.23 0.22 0.21 0.2 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 270
290
310
330
350
370
390
Voltaje de Linea
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Pcu (Vatios) vs V(volt) 29 27 25 u c P
23 21 19 17 15 270
290
310
330
350
370
390
Voltaje de entrada
7.
Elabore un formato del protocolo de pruebas que Ud. realizaría en las máquinas eléctricas industriales tipo jaula de ardilla.
ENSAYOS NORMALIZADOS: N ORMALIZADOS:
CONEXIÓN DEL MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO – JAULA DE ARDILLA NORMALIZADA (IEC 34 - 8)
MEDICION DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1
MEDICION DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1)
PRUEBA EN VACIO (IEEE 112 /1978 /1978 ITEM 4.6)
PRUEBA DE ROTOR ROTOR BLOQUEADO (IEEE 112 /1978 ITEM 4.8 )
PRUEBA CON CARGA CARGA (IEEE 112 /1978 /1978 ITEM 4.2 )
ENSAYO DE TEMPERATURA ( IEEE 112 /1978 ITEM 5.3 MET. 3 )
COMPENSACION REACTIVA REACTIVA IEC 831 ITEM 1 – 2 Y VDE 560 560 ITEM ITEM 4.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Maquinas Eléctricas: Motor Asíncrono
CONCLUSIONES
A menor voltaje de entrada mayor m ayor f.d.p. , son inversamente proporcionales. proporcionales.
La Potencia del Hierro (Pfe) y la corriente de vacío en el primario (Io1), aumenta de forma creciente con respecto al voltaje de vacío.
Se obtuvieron los parámetros aceptables.
La eficiencia del motor es mayor del 50%, por lo que podemos decir q es un aceptable motor.
RECOMENDACIONES
Llevar un termómetro o un instrumento que ayude a medir la temperatura para mejor toma de dato.
En vez de usar el reóstato del laboratorio mejor usar un banco de resistencia para mejor toma de datos.
Revisar bien el cableado y usar la menor cantidad de cables.
Pedir la pinza amperimétrica que mida en miliamperios para mejor toma de datos.
Tomar todos los datos posibles para una comprobación más detallada.
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Laboratorio de Maquinas Eléctricas: Motor Asíncrono
BIBLIOGRAFIA
Apuntes de clases. Manual de Laboratorio de Maquinas Eléctricas. Libro de Teoría y Problemas de Maquinas Eléctricas Estáticas Tomo II, M. Salvador G. Estudio del Transformador, Universidad Navarra, Escuela Escuela Superior de Ingenieros Ingenieros de San Sebastián.
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