UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO-LAMBAYEQUE FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA – CICLO 2017-I CURSO MAQUINAS ELECTRICAS II EXAMEN FINAL NOMBRES Y APELLIDOS : WILSON F. ZEGARRA RIOFRIO CÓDIGO
: 130529B
1- ¿Cómo se define la velocidad de sincronismo de una máquina de c.a.? ¿Qué es un motor 1asincrónico? La velocidad de sincronismo en una máquina eléctrica de corriente alterna es la velocidad a la que gira el campo magnético rotante. Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica del rotor necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. 2- ¿Cómo se obtiene un campo magnético rotatorio en un motor de inducción trifásico? Las tres bobinas distribuidas en el estátor- supongamos 120° geométricos entre centros de cada una - tendrán su propio campo magnético m agnético que también pulsara en forma sinusiodal pero con ondas defasadas 120° eléctricos... porque así esta siendo alimentado. De esta manera, y tratándose de señales sinusoidales, el vector campo magnético resultante de las tres corrientes resulta unificado como uno de igual amplitud de los campos componentes que gira en el espacio, con centro en el centro de la circunferencia estatorica. Este es el famoso " campo rotante" o giratorio que es circular, rota y arrastra al rotor interior. 3- Enumere 3 Enumere las condiciones que se deben satisfacer con el fin de que el campo magnético un motor de inducción trifásico sea de amplitud constante y de velocidad periférica constante. 4- Explique 4 Explique los aspectos en los cuales el motor de inducción trifásico es similar al transformador estático. Porque al igual que en el transformador hay un flujo mutuo que se comparte para asi crear una fuerza magneto motriz en el otro bobinado 5- ¿Por qué nunca puede alcanzar exactamente la velocidad de sincronismo el rotor de un motor 5- ¿Por de inducción trifásico dependiente de una excitación única? Por el deslizamiento que se da en los motores de inducción.
6- Explique el deslizamiento en un motor de inducción. El deslizamiento en una máquina eléctrica es la diferencia relativa entre la velocidad del campo magnético (velocidad de sincronismo) y la velocidad del rotor. 7- ¿Qué es la frecuencia de deslizamiento?
La frecuencia de la corriente inducida en el rotor es igual al deslizamiento multiplicado por la frecuencia del estator. O sea:
8- ¿En qué se asemeja la corriente de magnetización del motor de inducción con la del transformador? ¿Cuál es mayor? Explíquelo.
Un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator que una máquina sincrónica, pero la construcción del rotor es diferente. Un estator típico de dos polos se muestra en la figura 7-1. Parece (y es) igual al estator de una máquina sincrónica. Hay dos tipos diferentes de rotores que pueden disponerse dentro del estator del motor de inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardilla o simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamado rotor devanado. El otro tipo de rotor es el rotor devanado. Un rotor devanado tiene un grupo completo de devanados trifásicos que son las imágenes especulares de los devanados del estator. Las fases de los devanados del rotor están conectadas usualmente en Y, y los extremos de los tres alambres del rotor están unidos a anillos rozantes dispuestos sobre el eje del rotor. Los devanados del rotor están cortocircuitados a través de escobillas montadas en los anillos rozantes. En los motores de inducción de rotor devanado, sus corrientes rotóricas son accesibles en las escobillas del estator, donde pueden ser examinadas y donde se puede insertar resistencia extra al circuito del rotor. Es posible obtener ventaja de este hecho para modificar la característica par -velocidad del motor.
A un campo magnético mutuo que se desarrolla en el bobinado primario para compartir con el secundario. 9- ¿Cómo se representa la carga mecánica aplicada al motor de inducción trifásico en un circuito equivalente del motor?
La carga mecánica viene a estar dada por R´c 10- Muestre cómo se representa la potencia transferida por el entrehierro del motor de inducción trifásico. Explique los términos. ¿Qué porción de esta potencia es utilizable? 11- Describa en detalle la manera como un motor de inducción trifásico responde a la demanda de incremento en la potencia suministrada a la carga. 12- Trace el circuito equivalente completo del motor de inducción trifásico y explique el significado de cada parámetro y variables eléctricas que aparecen en el circuito.
13- ¿Cómo están constituidas las pérdidas por rotación en el motor de inducción? ¿Cómo se
reponen estas pérdidas?
Por lo tanto se puede deducir: a) Que mientras más bajo sea el deslizamiento del motor, la corriente rotórica disminuye y las pérdidas del rotor de la máquina son menores. b) Si el rotor no está girando el deslizamiento es igual a 1, y la potencia del entrehierro se disipa completamente en el cobre del rotor. 14- Mediante un diagrama de flujo de potencia indique el flujo de la potencia en un motor de inducción trifásico, desde la fuente eléctrica hasta la carga mecánica en la flecha del motor.
15- Trace la curva Par – Velocidad del motor de inducción y explique cómo la ecuación del par básico puede utilizarse para explicar la forma que dicha curva adopta.
Si el motor está alimentado a partir de una tensión fija a una frecuencia constante, el torque desarrollado por el motor es una función del deslizamiento. En consecuencia la relación torque velocidad pueden determinarse a partir de la ecuación (1.0). Aquí se obtiene una curva como la que se muestra a continuación. Existen tres regiones de operación: Funcionamiento como motor, (0 S 1):
El motor gira en la misma dirección que el campo. Una vez que el torque alcanza su nivel máximo, éste se reduce con el aumento del deslizamiento debido a una reducción del flujo en el entrehierro. Regeneración, (S 0): La velocidad del rotor es mayor que la velocidad sincrónica en igual dirección y con un deslizamiento negativo. Por lo que la potencia es devuelta al circuito de estator y el circuito opera como generador. Operación en sentido contrario, (S 1): La velocidad del motor tiene sentido contrario a la dirección del campo, y el deslizamiento es mayor que la unidad. 16- Enumere los factores que determinan el par de arranque del motor de inducción trifásico. ¿Cómo resulta en general la comparación de ese par con el valor nominal? 17- Enumere los factores que determinan el máximo desarrollo del motor de inducción. 18- Describa la información que se obtiene en la prueba del rotor bloqueado del motor de inducción.
19- Explique el procedimiento empleado para determinar la reactancia de magnetización de un motor de inducción trifásico. 20- Enumere las cuatro clases principales de motores de inducción de jaula de ardilla. ¿Qué característica del diseño es la que diferencia esas clases?
NEMA A: Torque alto, deslizamiento nominal bajo y corriente de arranque alta. NEMA B: Torque normal, corriente de arranque normal y deslizamiento nominal normal. NEMA C:Torque alto, deslizamiento nominal normal, corriente de arranque normal NEMA D: Torque alto, alto deslizamiento nominal, baja corriente de arranque. NEMA E:Torque de arranque bajo, corriente de arranque baja, bajo deslizamiento nominal. 21- Entre las cuatro clases de motores de inducción jaula de ardilla (A, B, C, D), identifique la que tiene mayor Par de arranque. ¿Cuál tiene el mayor Par de disparo?. Con un Par de carga constante, ¿Cuál ofrece la mayor capacidad de aceleración? ¿Cuál está sujeta a la regulación de velocidad más pobre? ¿Cuál muestra la eficiencia más baja a los HP nominales?
Muestra eficiencia más baja a los hp nominales el DE CLASE B *el resto de respuestas ver en la tabla 22- ¿Por qué a altos deslizamientos, la eficiencia de un motor de inducción es tan mala?
a mayores deslizamientos, es menor la parte de la potencia del entrehierro que se convierte realmente en potencia mecanica, y en consecuencia la eficiencia del motor sera menor. 23- ¿Qué son los factores de código de arranque? ¿Qué información suministran acerca de la corriente de arranque de un motor de inducción?
En muchos casos, los motores de inducción se pueden arrancar conectándolos directos a la línea de potencia. Sin embargo en otros, las corrientes absorbidas por estos en la partida, originan algunas perturbaciones en las instalaciones o sistemas en el cual están conectados, por lo que se recomienda recurrir a los diversos métodos de arranque para los motores de inducción.Para los motores de inducción tipo jaula de ardilla, existe una letra de código , la cual permite tener información de la corriente de arranque, debido a que esta puede variar ampliamente, dependiendo, primero, de la potencia nominal del motor y de la resistencia del rotor en condiciones de arranque. Las normas NEMA han establecido la letra de código para los motores tipo jaula de ardilla, la cual representa las condiciones de partida en KVA por cada HP, cuando el motor parte a plena tensión, por lo que nos entrega información respecto a las corrientes de arranque. Los valores de la letra de código se resumen en la siguiente tabla Letra código A B C D E F
de
KVAp/HP 0.1 - 3.14 3.15 - 3.54 3.55 - 3.99 4.00 - 4.49 4.50 - 4.99 5.0 - 5.59
Letra código G H J K L M
de
Letra código 5.6 - 6.29 N 6.3 - 7.09 P 7.1 - 7.99 R 8.0 - 8.99 S 9.0 - 9.99 T 10.0 - 11.19 U KVAp/HP
de
KVAp/HP 11.2 - 12.49 12.5 - 13.99 14.0 - 15.99 16.0 - 17.99 18.0 - 19.99 20.0 y más
Conocida la letra de código, la corriente de partida del motor se determina de acuerdo a la expresión:
Ipartida =
(Razón
de L.C.) (3)½ x Vnominal
x
Hpnominal x
1000
(A)
24- ¿Qué acciones se han tomado para mejorar el rendimiento de los modernos motores de inducción de alta eficiencia?
utilizar mas cobre en los devanados del estator para reducir las perdidas en el cobre. aumentar la longitud de los nucleos de estator y rotor para reducir la densidad de flujo magnetico en el entrehierro. utilizar mas acero en el estator permitiendo una mayor transferencia de calor hacia el exterior reduciendo asi las perdidas por ventilacion. acero especial en el estator con alta graduacion electrica y con pocas perdidas por histeresis. se usan aceros con calibres delgados y de resistencias internas altas reduciendo perdidas por corrientes parasitas.
los rotores se maquinan cuidadosamente para producir un entrehierro uniforme reduciendo perdidas adicionales en el motor.
25- Un motor de inducción de rotor devanado está funcionando con voltaje y frecuencia nominales con sus anillos deslizantes en cortocircuito y con una carga de poco más o menos el 25% de su valor nominal. Si se agrega una resistencia externa al circuito del rotor de tal manera que la resistencia total del rotor se duplica, explique qué sucede con cada una de las siguientes variables: a) deslizamiento c) voltaje inducido en el rotor d) torque inducido g) potencia RcL
b) velocidad del motor d) corriente en el rotor f) potencia de salida h) eficiencia total
26- Se fabrican dos motores de inducción de 480 V, 100 HP. Uno de ellos se diseña para operar a 50 Hz y el otro se diseña para operar a 60 Hz; en lo demás son similares. ¿Cuál de las dos máquinas es más grande?
Las dos máquinas tienen las mismas dimensiones. Esto se debe a que ninguna de las dos maquinas depende de la frecuencia en lo que se refiere a sus dimensiones o tamaño. La frecuencia infiere en la velocidad, el flujo, el voltaje más no en las dimensiones del motor 27-Un motor de inducción está funcionando en condiciones nominales. Si se le incrementa la carga en el eje, ¿cómo varían las siguientes cantidades?
Velocidad mecánica: La velocidad mecánica cambia medida que varía la carga es decir que si la carga disminuye la velocidad aumenta casi hasta la del sincronismo pero nunca llega a una velocidad sincrónica. Mientras que si la carga aumenta la velocidad del motor disminuye a medida que este también lo hace. Deslizamiento: Aumentará, pues la velocidad mecánica será menor que antes mientras que la velocidad de los campos magnéticos intentará mantenerse sin variación. Voltaje inducido en el rotor: Tiende a aumentar para aumentar el torque que se entrega a la carga, hasta un límite en el cual disminuye por sobrecorriente. Corriente del rotor: Aumenta sin límite mientras la carga también aumenta, por lo que el motor puede quemarse. Frecuencia del rotor: Según la fórmula
La frecuencia disminuye para poder aumentar la corriente para entregar un mayor par a la carga. Perdidas en el cobre del rotor: Aumenta pues la corriente que circula por el mismo también aumenta.
Velocidad sincronica: No sufre variación. 28- Un motor de inducción de 208 V, 10 HP, 4 polos, 50 Hz, conectado en estrella, tiene un deslizamiento del 5% a plena carga. a) ¿Cuál es la velocidad sincrónica? b) ¿Cuál es la velocidad del rotor cuando el motor tiene carga nominal? c) ¿Cuál es la frecuencia en el rotor cuando el motor tiene carga nominal? d) ¿Cuál es Par en el eje cuando el motor tiene carga nominal?
a) 1500 r.p.m. b) 1425 r.p.m. c) 2.5 Hz d) 50 N-m cálculos previos: Vth
=
Va
x
Xm
Ö (R1² + (X1 + Xm)² ) Rth = R1 x (Xm)²
=
220
x
25
Ö (0.641² + (1,1 + 25)² )
= 0.641 x (25)² = 0.588 (W)
Xth = X1 = j1.1 (W) Nm = Ns x (1 - S) = 1500 x (1 - 0.024) = 1464 rpm Wm = 1464 x 2h/60 = 153.31 (rad/seg)
a) El deslizamiento al que ocurre el par máx es:
La velocidad mecánica del motor es: Nm = Ns x (1 - Smáx) = 1500 x (1 - 0.197) = 1204.5 rpm b) El par de arranque es para S =1:
c) Si se duplica R1 entonces también se duplica Smáx, luego:
S tmáx = 2 x 0.197 = 0.394 Nm = Ns x (1 - Smáx) = 1500 x (1 - 0.394) = 909 rpm El torque máximo sigue siendo el mismo pero el torque de arranque es:
=
210,7
(V)
Característica T/S resistencia adicional
con
29- Un motor de inducción trifásico de 50 HP, 480 V, consume 60 A con un factor de potencia 0.85 atrasado. Las pérdidas en el cobre del estator son 2 KW y las pérdidas en el cobre del rotor son 700 W. Las pérdidas por fricción y ventilación son 600 W, las pérdidas del núcleo son 1800 W y las pérdidas adicionales son despreciables. a) Encuentre las b) La potencia en c) La potencia d) La potencia e) La eficiencia del motor.
siguientes el entrehierro convertida de salida
a) Encuentre las b) La potencia en el entrehierro PAG.
siguientes
cantidades: PAG. PCONV. PSAL.
cantidades:
= √ 3 ∅ = √ 3(480)(60)(0.85) = 42.4 Por el diagrama de flujo de potencia. La potencia en el entrehierro está dada por:
= − − = 42.4 − 2 − 1.8 = 38.6
c) La potencia convertida PCONV.
= − = 38.6 − 700 = 37.9
d) La potencia de salida PSAL.
= − − = 37.9 − 600 − 0 = 37.3 O, en caballos de fuerza es:
= 37.3 .
1ℎ = 50 ℎ 0.746
e) La eficiencia del motor.
= =
.100%
37.3 . 100% = 88% 42.4
a) 38.6 K W b) 37.9 K W c) 37.3 K W d) 88 % 30- Un motor de inducción de cuatro polos, 25 HP, 460 V, 60 Hz, conectado en Y, tiene las siguientes impedancias en ohmios por fase, referidas al circuito del estator: R1 = X1 = XM = 26.3 W
0.641 1.106
W W
R2 X2
= =
0.332 0.464
W W
Las pérdidas rotacionales son 1100 W y se asumen como constantes. Las pérdidas en el hierro están incluidas en las pérdidas rotacionales. Si el motor se alimenta a voltaje y frecuencia nominales y gira con un deslizamiento de 2.2 %, calcule: a) b) La c) El d) e) f) La eficiencia.
a)
La corriente factor PCONV TIND
en
el de y y
La velocidad.
=
120 (120)(60) = = 1800 / min 4
La velocidad mecánica del eje del motor es:
velocidad. estator. potencia. PSAL. TCARGA.
= (1 − ) = (1−0.022)1800 = 1760 / min
b) La corriente en el estator.
Para la corriente del estator, se obtiene primero la impedancia equivalente del circuito. El primer paso es combinar la impedancia del rotor en paralelo con la rama de magnetización y luego añadir la impedancia del estator a esa combinación en serie. La impedancia referida del motor es:
= + =. + 0.464 . = 15.09 + 0.464 = 15.10 < 1.76° ῼ La impedancia combinada de magnetización mas la del rotor está dada por:
1 = 1 +1/ = =
1 0.038 + 0.0662 < −1.76
1 = 12.94 < 31.1°ῼ 0.0773 < −31.1°
Por lo tanto la impedancia total es:
= + = 0.641 + 0.1294 < 31.1°ῼ = 11.72 + 7.79 = 14.07 < 33.6°ῼ b)
E l factor de potencia.
FP = cos33.6° = 0.833 en atraso d) Potencia de entrada,PC ONV y P S AL. La potencia de entrada esta dada por:
= √ 3 ∅ = √ 3(460)(18.88)(0.833) = 12.530 Las pérdidas en el cobre del estator de esta máquina son:
= 3 = 3(18.88 )(0.641ῼ) = 685 Las pérdidas en entrehierro está dada por:
= − = = 12.530 − 685 = 11845 Entonces la potencia convertida es:
= (1 − ) = (1−0.022)(11845) = 11585 La potencia de salida está dada por:
= − = − = e) TIND y TCAR GA .
=
11845 = = 62.8 . 184.4
La potencia de salida está dada por:
=
10485 = = 56.9 . 184.4
f) L a eficiencia.
=
b) c) d) PCONV e) TIND f) h = 83.7 %
I F.P. =
10485 . 100% = . 100% = 83.7% 12.53 =
=
11585 62.8
= Nm
W
18.18 0.833 PSAL TCARGA
= =
/ – 33.6° (A ) inductivo 10485 W 56.9 Nm
31.- EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA SE BASA EN : A) LEY DE AMPERE B) LEY DE OHM C) LEY DE LA INDUCCION ELECTROMEGNETICA D) SOLAMENTE A
E) NINGUNA ANTERIOR
32.- EN EL SIGUIENTE DIAGRAMA MOSTRADO, INDIQUE QUE TIPO DE MAQUINA ES:
A) MAQUINA DE CORRIENTE ALTERNA B) MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA C) MOTOR SINCRONO D) TODAS LAS ANTERIORES E) NINGUNA ANTERIOR 33.- EN UNA CENTRAL TERMICA A GAS, QUE TIPO DE GENERADOR SINCRONO ES: A) DE POLOS SALIENTES Y ALTA VELOCIDAD B) DE POLOS LISOS Y DE BAJA VELOCIDAD C) DE POLOS SALIENTES Y BAJA VELOCIDAD D) DE POLOS LISOS Y DE ALTA VELOCIDAD E) NINGUNA ANTERIOR
34.- EN LA SIGUIENTE VISTA FOTOGRAFICA DE UNA CENTRAL HIDROELETRICA, INDICAR QUE NUMERO REPRESENTA AL GENERADOR SINCRONO DE CORRIENTE ALTERNA:
3 2 1
4
A) B) C) D) E)
1 2 3 4 NINGUNA ANTERIOR
35.- LAS MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS PUEDEN SER: A) LOS TRANSFORMADORES B) LOS CONVERTIDORES E INVERSORES C) A Y B D) SOLAMENTE A E) NINGUNA ANTERIOR 36.- QUE ES LA POTENCIA NOMINAL DE UNA MAQUINA ELECTRICA:
A) POTENCIA EN OPERACIÓN DE VACIO. B) POTENCIA UTIL PLENA CARGA
DISPONIBLE QUE ENTREGA O PRODUCE EN REGIMEN A
C) POTENCIA A MEDIA CARGA D) TODAS LAS ANTERIORES E) NINGUNA ANTERIOR 37.- QUE TIPO DE POTENCIA ES LA QUE FIGURA EN LAS PLACAS DE CARACTERISTICAS DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS: A) POTENCIA EN VACIO B) POTENCIA A MEDIA CARGA C) POTENCIA NOMINAL D) TODAS LAS ANTERIORES E) NINGUNA ANTERIOR. 38.-LA POTENCIA ELECTRICA TOTAL DE UNA MAQUINA ELECTRICA TRIFASICA, SE CALCULA DE LA SIGUIENTE FORMA: (V= VOLTAJE, I= CORRIENTE, S=POTENCIA TOTAL TRIFASICA): A) S= VI B) S= VI COSØ
C) S= √3VI COSØ XD) S=√3 VI E) NINGUNA ANTERIOR 39.-LA POTENCIA ACTIVA (P) EN KW, EN FUNCION DE LA POTENCIA MECANICA (HP) Y A LA EFICIENCIA ( ᶯ) DE UNA MAQUINA ELECTRICA ES:
A) P=√3HP/ᶯ B) P= (0,746 HP)/ ᶯ C) P= (0,746 HP) ᶯ D) TODAS LAS ANTERIORES E) NINGUNA ANTERIOR
40.- QUE ES EL FACTOR DE POTENCIA DE UNA MAQUINA DE CORRIENTE ALTERNA (COS Ø), SIENDO P=POTENCIA ACTIVA, S=POTENCIA APARENTE: A) COS Ø= PS B) COS Ø=P/S C) COS Ø= S/P D) TODAS LAS ANTERIORES E) NINGUNA ANTERIOR 41.-QUE INDICA LA LEY DE AMPERE EN UNA MAQUINA ELECTRICA: A) PRODUCCION DE FUERZA ELECTROMOTRIZ B) SE GENERA VOLTAJE EN LOS BORNES DE LA MAQUINA ELECTRICA C) AL CIRCULAR UNA CORRIENTE ELECTRICA IPOR UN CONDUCTOR SE PRODUCE UN CAMPO MAGNETICO DE INTENSIDAD H ALREDEDOR DE EL. D) TODAS LAS ANTERIORES E) NINGUNA ANTERIOR
Ing. Jose Alberto Chancafe Guerrero Profesor del curso
