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MAQUINAS ELECTRICAS ROTANTES DL 10280

Volúmen 1

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Vers B 2018/12/10 III

CONTENIDO GENERAL DL 10280 PRIMER VOLUMEN: MOTORES ELÉCTRICOS

1. CARACTERÍSTICAS GENERALES Pág. 1

1.1 Máquinas de corriente alterna Pág. 2 1.1.1 Estator Pág. 2 1.1.2 Rotor de jaula de ardilla Pág. 3 1.1.3 Rotor de anillos Pág. 4

1.2 Máquinas de corriente continua Pág. 6 1.2.1 Estator Pág. 6 1.2.2 Rotor con conmutador segmentado Pág. 8

2. CONCEPTOS BÁSICOS Pág. 9

2.1 Circuito magnético Pág. 9 2.2 Ley de inducción Pág. 12

2.2.1 Generador de tensión alterna sinusoidal Pág. 13 2.2.2 Acciones electromagnéticas Pág. 15

2.3 Conmutación Pág. 17 2.3.1 Reacción de armadura Pág. 18 2.4 Campo magnético rotatorio Pág. 20

2.4.1 Campo magnético pulsante Pág. 20 2.4.2 Campo magnético rotatorio trifásico Pág. 21

Experimento N°1: Flujo producido por los polos Pág. 25

N°1.1: Polos principales Pág. 26 N°1.2: Interpolos Pág. 28

Experimento N°2: Campo magnético principal Pág. 29 Experimento N°3: Intensidad del campo magnético Pág. 33 Experimento N°4: Tensión inducida Pág. 35 Experimento N°5: Efecto de interpolo Pág. 39 Experimento N°6: Eje magnético neutral sin carga Pág. 43 Experimento N°7: Campo magnético rotatorio Pág. 45

N°7.1: Campo rotatorio trifásico Pág. 46 N°7.2: Campo rotatorio monofásico Pág. 48

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IV Vers B 2018/12/10

3. MOTORES DE INDUCCIÓN Pág. 51

3.1 Arranque del motor de inducción Pág. 52 3.1.1 Motor trifásico de jaula de ardilla Pág. 52 3.1.2 Motor trifásico con rotor de anillos Pág. 53 3.1.3 Arranque estrella-delta Pág. 53 3.1.4 Motor monofásico Pág. 54

3.2 Control de la velocidad del motor trifásico Pág. 55 3.3 Sentido de rotación Pág. 56 3.4 Rendimiento del motor de inducción Pág. 56 3.5 Dispositivos de inducción Pág. 56

3.5.1 Desfasador Pág. 56 3.5.2 Regulador de tensión Pág. 57

3.6 Motor de inducción síncrono Pág. 58

Experimento N°8: Motor de jaula de ardilla trifásico, 2 polos, 24 V Pág. 59 Experimento N°9: Motor de jaula de ardilla trifásico, 2 polos, 42 VY Pág. 65 Experimento N°10: Motor de jaula de ardilla trifásico, 2 polos, 24 V Pág. 71 Experimento N°11: Motor de jaula de ardilla trifásico, 2 polos, 42 VYY Pág. 77 Experimento N°12: Motor de jaula de ardilla trifásico, 4 polos, 24 V Pág. 83 Experimento N°13: Motor de jaula de ardilla trifásico,4 polos, 42 VY Pág. 89 Experimento N°14: Motor Dahlander trifásico, 4/2 polos, 42 V/YY Pág. 95 Experimento N°15: Motor de fase dividida Pág. 101 Experimento N°16: Motor de arranque y marcha con condensador Pág. 107 Experimento N°17: Motor trifásico con rotor bobinado, 2 polos, 42 VYY Pág. 113 Experimento N°18: Desfasador Pág. 119 Experimento N°19: Regulador de inducción Pág. 123 Experimento N°20: Motor de inducción síncrono trifásico, 2 polos, 42 V Pág. 127 Experimento N°21: Motor de inducción síncrono trifásico, 2 polos, 24 V Pág. 133

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4. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Pág. 139

4.1 Fuerza contraelectromotriz Pág. 139 4.2 Sistemas de excitación Pág. 140 4.3 Rendimiento del motor de corriente continua Pág. 140 4.4 Sentido de rotación Pág. 140 4.5 Motor con excitación separada Pág. 141 4.6 Motor con excitación derivada Pág. 143 4.7 Motor con excitación en serie Pág. 144 4.8 Motor con excitación compuesta Pág. 146

4.8.1 Motor con excitación compuesta acumulativa Pág. 146 4.8.2 Motor con excitación compuesta diferencial Pág. 147 4.8.3 Revisión de los devanados de excitación Pág. 148 4.8.4 Inversión del sentido de rotación Pág. 148

Experimento N°22: Motor de CC con excitación separada Pág. 149 Experimento N°23: Motor de CC con excitación en derivación Pág. 155 Experimento N°24: Motor de CC con excitación en serie Pág. 161 Experimento N°25: Motor de CD con excitación compuesta, derivación larga Pág. 167 Experimento N°26: Motor de CD con excitación compuesta, derivación corta Pág. 177 5. MOTORES DE CONMUTACIÓN PARA CORRIENTE ALTERNA Pág. 187

5.1 Motor monofásico en serie / Motor universal Pág. 187 5.1.1 Inversión del sentido de rotación Pág. 188

5.2 Motor de repulsión Pág. 188

5.2.1 Ajuste de velocidad y sentido de rotación Pág. 190

5.3 Desempeño de los motores de conmutación Pág. 190 Experimento N°27: Motor monofásico en serie Pág. 191 Experimento N°28: Motor de repulsión Pág. 197

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SEGUNDO VOLUMEN: GENERADORES ELÉCTRICOS Y APÉNDICES

6. MÁQUINAS SÍNCRONAS 6.1 Alternador trifásico 6.2 Variación de tensión 6.3 Rendimiento del alternador 6.4 Sentido de rotación 6.5 Conexión en paralelo del alternador con la red 6.6 Motor síncrono Experimentos N°29 - N°37 7. GENERADOR DE CORRIENTE DIRECTA 7.1 Sistemas de excitación 7.2 Representación de la dinamo 7.3 Sentido de rotación 7.4 Dinamo de excitación separada 7.5 Dinamo con excitación derivada 7.6 Dinamo con excitación en serie 7.7 Dinamo con excitación compuesta Experimentos N°38 - N°45 APÉNDICES A1. Lista de componentes A2. Sonda magnética A3. Ejecución de la prueba A4. Medición de la potencia mecánica A5. Tolerancias

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1. CARACTERÍSTICAS GENERALES

El sistema modular DL 10280 para el estudio de las máquinas eléctricas rotatorias incluye los siguientes componentes: Placa base Estator de CC Soportes con rodamientos Estator de CA Juntas de acoplamiento Rotor con conmutador Acoplamiento flexible Portaescobillas con 2 escobillas Transductor electrónico de velocidad Rotor de jaula de ardilla Tornillos de ensamblaje Rotor de anillos Llaves Portaescobillas con 6 escobillas También se incluye una sonda magnética para mostrar los campos magnéticos. Además, para la seguridad del operador, se incluye una cubierta transparente que impide el contacto accidental con las piezas en rotación.

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1.1 MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA Las máquinas de corriente alterna se dividen en máquinas asíncronas (generalmente motores) y máquinas sincrónicas (generadores y motores). 1.1.1 Estator Para los motores asíncronos y para el alternador de armadura fija, el estator está compuesto por un bastidor metálico que soporta el circuito magnético laminado, afectado por un flujo variable en el tiempo, y el devanado eléctrico.

El paquete de láminas es de 60 mm de largo, con un diámetro interno de 80 mm y un diámetro externo de 150 mm y tiene 24 ranuras semicerradas dentro de las cuales hay un doble bobinado trifásico: el inicio y el final de las diferentes fases se muestran fuera del estator en una placa de terminales didáctica.

El devanado es de doble capa, de espira larga con paso de devanado 6 (1÷7). Cada ranura contiene dos devanados de 19 espiras cada una de alambre esmaltado de 1.12 mm de diámetro.

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1.1.2 Rotor de jaula de ardilla El rotor está compuesto por un eje al que se le ha fijado un paquete de láminas magnéticas en donde se encuentran las ranuras que contienen el devanado del rotor.

El paquete de láminas es de 60 mm de largo, con un diámetro externo de aproximadamente 78 mm. Para evitar el fenómeno de arrastre y reducir el ruido en la fase de arranque el motor, las ranuras del rotor están inclinadas con respecto a las del estator. El devanado del rotor está compuesto por la jaula de ardilla.

La jaula se forma colocando en cada ranura del rotor unas barras conductoras que se cierran en cortocircuito en ambos extremos por medio de anillos conductores. Por lo tanto, el devanado del rotor puede considerarse un devanado polifásico, con un solo conductor por polo-fase, por lo cual no tiene un número de polos propio, sino que asume uno igual al del devanado del estator.

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1.1.3 Rotor de anillos El rotor está compuesto por un eje al cual se han fijado los anillos colectores y el paquete de láminas magnéticas que contienen 21 ranuras semicerradas cuya función es contener el devanado.

El paquete de láminas tiene 60 mm de largo, un diámetro externo aproximado de 78 mm. Para evitar una marcha mecánica ruidosa, las ranuras del rotor están inclinadas con respecto a las del estator. El devanado del rotor está compuesto por espiras y es trifásico bipolar.

El devanado es de doble capa de tipo imbricado de arrollamiento largo de paso de 9 ranuras (1 - 10). Cada ranura contiene dos bobinas de 8 espiras cada una de alambre esmaltado de diámetro 1.5 mm. El devanado está conectado en estrella y está subordinado a los anillos colectores mientras que el centro estrella se encuentra al interior y no es accesible. Se puede acceder a los terminales del devanado del rotor por medio de los anillos colectores, sobre los cuales se deslizan las escobillas sujetadas por un portaescobillas.

Anillos colectores Eje

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Hay dos escobillas por cada fase y están conectadas a un bloque de terminales externo que muestra el diagrama del devanado del rotor.

Notas 1) Motor asíncrono trifásico El arranque del motor con rotor bobinado se lleva a cabo conectando las escobillas a un reóstato

que aumenta temporalmente la resistencia del circuito del rotor.

2) Generador síncrono El campo magnético en el alternador se genera a través de los polos del rotor conectando el

devanado del rotor a una fuente directa de tal manera que la corriente ingresa a través de una fase y sale a través de las otras dos en paralelo.

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1.2 MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA Las máquinas que trabajan en corriente continua se dividen en dinamo (generadores) y motores de corriente continua. 1.2.1 Estator El estator está compuesto por un bastidor metálico, que soporta el circuito magnético laminado con dos polos principales y 2 interpolos, y por los devanados eléctricos.

El paquete de láminas es de 60 mm de largo, con diámetro interno de 80 mm. Las bobinas se enrollan en los polos y sus terminales se muestran en un bloque de terminales ideal para propósitos didácticos.

Terminales F1-F2/F5-F6 (con excitación separada o en derivación) Terminales de las bobinas (uno por cada polo) de 500 espiras de alambre esmaltado de diámetro de 0.45 mm.

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Terminales D3-D4 (excitación en serie) Terminales del devanado con excitación en serie: 28 espiras por cada polo hechas de alambre esmaltado de diámetro de 1.12 mm conectadas en paralelo. Terminales D1-D2 (excitación ecualizada) Terminales de los devanados con excitación en serie para usarse con máquinas de excitación compuesta: 5 espiras por cada polo hechas de alambre esmaltado de diámetro de 1.12 mm conectadas en paralelo. Terminales B1-B2 (excitación de interpolo) Terminales del devanado en los interpolos para usarse en la mejora de la conmutación: 61 espiras por cada polo hechas con dos alambres esmaltados de diámetro de 1.12 mm conectadas en paralelo. 1.2.2 Rotor con conmutador segmentado El rotor está compuesto por un eje al cual se ha fijado un conmutador segmentado y un paquete de láminas magnéticas donde hay 20 ranuras semicerradas cuya función es contener el devanado eléctrico.

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El paquete de láminas tiene 60 mm de largo y un diámetro externo de aproximadamente 80 mm.

El devanado es de doble capa de enrollado largo con paso de 9 ranuras (1-10). Cada ranura contiene dos bobinas con dos secciones de 5 + 5 espiras de alambre esmaltado de 1.12 mm de diámetro. El devanado está sujeto a los 40 segmentos del conmutador sobre los cuales se deslizan las escobillas sujetadas por un portaescobillas.

Las escobillas están conectadas a los terminales colocados en dos placas externas que muestran la sinopsis del devanado del rotor.

Colector Portaescobillas

Escobilla

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2. CONCEPTOS BÁSICOS En esta sección recordaremos algunos conceptos fundamentales para la correcta comprensión del funcionamiento de las máquinas eléctricas. 2.1 CIRCUITO MAGNÉTICO La estructura fundamental de una máquina eléctrica está compuesta por una parte fija (estator) y una parte móvil (rotor), hecha de material magnético para soportar el paso del flujo magnético que puede ser generado por un imán permanente o por electroimanes. Las líneas del flujo pasan por un circuito cerrado que incluye hierro (yugo del estator, polos y rotor) y aire (cámara de aire entre el estator y el rotor).

Una vez conocido el valor del flujo (Wb) necesario para el funcionamiento de la máquina se puede calcular la fuerza electromotriz F (Avueltas), necesaria para su sustento como la suma de fuerzas magnetomotrices FM correspondientes a las diferentes secciones del circuito magnético:

F = FM = H l donde H (A/m) es la intensidad del campo magnético en una sección dada y l (m) es su longitud. Posteriormente, después de haber determinado la inducción magnética B (T), definida como flujo por unidad de área y relativa a cada sección:

BS

se determina la intensidad del campo magnético sabiendo que:

B = µ H donde µ (H/m) es la permeabilidad magnética del medio.

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En el caso del aire, la permeabilidad magnética es constante, µ = 1.2566370614…×10−6 H·m−1, mientras que para los materiales ferromagnéticos debemos utilizar gráficas que representan la curva de magnetización para determinar la intensidad del campo magnético ya que su permeabilidad no es constante.

Finalmente, ya que la fuerza magnetomotriz F se aplica a dos polos, los amperios-vueltas por cada polo se obtienen simplemente con la relación:

F = 2 NIe donde N es el número de vueltas por polo y Ie es la corriente de excitación. Nota En el entrehierro y los dientes del rotor el flujo útil es igual a , mientras que en los polos se debe considerar un flujo mayor p = 1.2 , debido a la fuga lateral.

Finalmente, en la sección del rotor y en el yugo del estator solo se considera la mitad del flujo útil.

Aceros de grano orientado

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EJEMPLO NUMÉRICO N° 1 Determinar el valor de la corriente de excitación de una máquina de corriente continua de tal manera que se obtenga un flujo = 1.4 mWb, sabiendo que las bobinas enrolladas en los polos son de N = 500 vueltas. Los datos geométricos de la máquina se muestran en la tabla de cálculo. Tabla de cálculo

Sección Sección S (mm2)

Sección S (mm2)

Inducción B (T)

Intensidad H (A/cm)

Porción l (cm)

FMM FM (A)

Yugo

1.2x0.7 780 1.1 3 21 63

Polos

1.2x1.4 3600 0.5 0.8 2x1.7 2.72

Entrehierro

1.4 5000 0.3 2400 2x0.1 480

Dientes

1.4 2600 0.5 0.8 2x1.5 2.4

Rotor

0.7 600 1.1 3 6 18

FMM Total: F. 566

La intensidad del campo magnético para el entrehierro se calcula con la relación:

H (A/cm) = 8000 B mientras que para las secciones restantes del circuito magnético se ha utilizado la característica de magnetización FeSi (1.3 W/kg). La intensidad de la corriente de excitación es:

IeF

2

566

2 5000566

N (A).

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EXPERIMENTO N° 8 MOTOR DE JAULA DE ARDILLA TRIFÁSICO, 2 POLOS, 24 V Objetivos: Conectar el devanado del estator en delta Arrancar el motor con conexión directa a la red Registrar las características de operación del motor Componentes: 1 Estator y rotor de jaula de ardilla de máquina de CA 1 Módulo de alimentación DL 10281 1 Módulo de medición DL 10282N 1 Soporte adaptador DL 10284 1 Freno electromagnético con brazos DL 10300A (Peso G = 3.5 N, peso balanceado g = 1.5 N) 1 Multímetro digital MY60 Nota Para una medición de velocidad precisa, recomendamos: 1 Tacómetro digital DL 2026 Diagrama eléctrico

3M

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EXPERIMENTO N° 8: MOTOR DE JAULA DE ARDILLA, 2 POLOS, 24 V

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Procedimiento Ensamble el grupo de motor asíncrono - freno utilizando el estator de la máquina de corriente alterna completo con el rotor de jaula de ardilla. Realice el circuito mostrado en el diagrama topográfico anterior. Configure el módulo de alimentación DL 10281 para una tensión alterna fija 24V/14A: (selector "a0b" en posición “a” e interruptor L1/L2/L3 en la posición "0") y para una tensión continua variable 0÷40V/5A (selector “c0d” en posición "c" y perilla de control en 0%). Use el primero y el segundo dispositivos del módulo de medición DL 10282N para leer los valores de las tensiones, corrientes y potencia de los terminales del motor para corriente alterna. Para la potencia activa presione el botón de función “Function” a la derecha del instrumento de medición correspondiente. Use el módulo de medición DL 10282N para medir la velocidad en el tercer instrumento. Utilice el multímetro digital MY60 para medir la corriente en el circuito de excitación del freno. Active el módulo de alimentación colocando el interruptor L1/L2/L3 en la posición “1”: el motor gira en sentido horario. Una vez que se ha arrancado el motor, equilibre el freno: el sistema se equilibra estableciendo el peso G = (2 + 1.5) N en correspondencia con el cero de la escala graduada y moviendo el contrapeso g = 1.5 N hasta que el nivel del líquido muestra la posición horizontal. Comience a medir la tensión de alimentación U, la corriente absorbida I y las potencias P13 y P23. Registre la velocidad n del motor. Por lo tanto, el motor se carga por etapas utilizando el freno: la carga se realiza moviendo el peso G a una distancia b desde la posición cero y, por lo tanto, mediante la tensión continua variable 0 - 40 V, su corriente de excitación se ajusta hasta equilibrar de nuevo el sistema. Realice las mediciones mostradas previamente para cada valor del brazo b mostrado en la siguiente tabla, donde están escritas las indicaciones de medición. f= 50 Hz

U (V)

I (A)

P13 (W)

P23 (W)

Pin (W)

cos G (N)

b (m)

M (Nm)

n (min-1)

P (W)

(%)

3.5 0 0 0 0 3.5 0.025 0.0875 3.5 0.05 0.175 3.5 0.075 0.2625 3.5 0.1 0.35 3.5 0.125 0.4373 3.5 0.15 0.525

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62 Vers B 2018/12/10

Detenga el grupo colocando el interruptor L1/L2/L3 en la posición “0” y desenergice el freno. Complete la tabla con los valores calculados de: - potencia absorbida Pin = P13 + P23 - factor de potencia

cos Pin

3 U I

- potencia de salida P = 0.1047 n M - eficiencia

% P

Pin

100

Trace en el mismo diagrama la corriente absorbida I, el factor de potencia cos, la velocidad n y la eficiencia como una función de la potencia de salida P.

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Trace en un diagrama la característica mecánica M = f(n).

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EXPERIMENTO N° 22 MOTOR DE CC CON EXCITACIÓN SEPARADA Objetivos: Arrancar el motor de CC con excitación separada Invertir el sentido de rotación del motor Registrar las características de operacióndel motor Componentes: 1 Estator de máquina de CC rotor conmutador y escobillas ensamblados 1 Módulo de alimentación DL 10281 1 Módulo de medición DL 10282N 1 Módulo de cargas y reóstatos DL 10283 1 Soporte adaptador DL 10284 1 Freno electromagnético con brazos DL 10300A

(Peso G = 3.5 N, peso de equilibrio g = 1.5 N) Diagrama eléctrico

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EXPERIMENTO N° 22: MOTOR CC CON EXCITACIÓN SEPARADA

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Vers B 2018/12/10 151

Procedimiento Ensamble el grupo freno-motor CC utilizando el estator de la máquina de corriente continua completo con el rotor conmutador y las escobillas. Realice el circuito mostrado en el diagrama topográfico anterior. Configure el módulo de alimentación DL 10281 para una tensión alterna fija 42V/10A (selector "a0b" en la posición "b" y el interruptor L+/L- en la posición "0") y para una tensión continua variable 0÷40V/5A (selector “c0d” en la posición "c" y la perilla de control al 0%). Utilice el módulo de medición DL 10282N y lea los valores del voltímetro y el amperímetro para la corriente continua en el primero y el segundo instrumentos, y observe las polaridades (+ en el terminal rojo). Use el módulo de medición DL 10282N para medir la velocidad en el tercer instrumento. Configure en el módulo DL 10283 el reóstato de arranque RA = (1 + 2) para la resistencia máxima (perilla de control en la posición "b") y el reóstato de excitación RF = 80 con la resistencia mínima (perilla de control en la posición "a"). Active el módulo de alimentación y arranque el motor colocando el interruptor L+/L- en la posición "1": el motor arranca y gira en sentido horario. Detenga el grupo colocando el interruptor L+/L- en la posición "0". Invierta la conexión F1 con F6 y arranque el grupo de nuevo colocando el L+/L- en la posición "1": ahora el motor gira en sentido antihorario. Detenga el grupo colocando el interruptor L+/L- en la posición “0” y restablezca la conexión inicial del devanado de excitación. Arranque el grupo de nuevo: el motor debe girar en sentido horario. Apague completamente, pero de manera gradual, el reóstato de arranque RA (perilla de control en la posición "a": solo la resistencia de 1 permanece conectada): ajuste el reóstato de excitación RF de tal manera que la corriente de excitación sea Ie = 0.9A: este valor debe permanecer constante durante toda la prueba. Con el grupo girando, comience a equilibrar el freno: el sistema se equilibra ajustando el peso G = (2+1.5) N en correspondencia con el cero de la escala graduada y moviendo el peso de equilibrio g = 1.5 N hasta que el nivel del líquido muestre la posición horizontal. Después de que el grupo haya alcanzado la estabilidad térmica, controle la corriente de excitación y mida la tensión de excitación Ue, la tensión U y la corriente de alimentación I del motor y la velocidad n. El motor es por lo tanto cargado gradualmente por medio del freno: la carga se lleva a cabo moviendo el peso G a una distancia b a partir de la posición cero y, por lo tanto, por medio de la tensión continua variable 040V, su corriente de excitación se ajusta hasta que el sistema se equilibra de nuevo.

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Comprobando que la corriente de excitación es la preestablecida (los ajustes eventuales pueden llevarse a cabo por medio del reóstato RF) realice las mediciones previamente mostradas para cada valor del brazo b que se muestra en la siguiente tabla, donde están escritas las indicaciones de las mediciones. Ie = 0.9 A Ue = ....... (V)

Detenga el grupo colocando el interruptor L+/L- en la posición “0” y desenergice el freno. Si se prevé un nuevo arranque y sincronización del motor, coloque el reóstato de arranque RA en la posición "b" de nuevo (resistencia máxima) y el de excitación RF en la posición "a" (resistencia mínima). Complete la tabla con los valores calculados de: - potencia absorbida Pin = U I - potencia de salida P = 0.1047 n M - eficiencia

P

Pin

100

U (V)

I (A)

Pin

(W) G

(N) b

(m) M

(Nm) n

(min-1) P

(W)

(%) 3.5 0 0 0 0 3.5 0.02 0.07 3.5 0.04 0.14 3.5 0.06 0.21 3.5 0.08 0.28 3.5 0.10 0.35 3.5 0.12 0.42 3.5 0.14 0.49 3.5 0.16 0.56 3.5 0.18 0.63 3.5 0.20 0.7 3.5 0.22 0.77

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Trace en el mismo diagrama la potencia de salida P, la velocidad n, el par M y la eficiencia en función de la corriente absorbida I.

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Trace en un diagrama la característica mecánica M = f(n).