UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI PRÁCTICA DE LABORATORIO CARRERA
CÓDIGO CÓDIGO DE LA ASIGNATURA ASIGNA TURA
NOMBRE DE LA ASIGNATURA
INGENIERIA ELÉCTRICA
IELE504
DINÁMICA DE MÁQUINAS
PRÁCTICA N°
LABORATORIO: LA BORATORIO:
2
NOMBRE DE LA PRÁCTICA:
1
MAQUINAS ELÉCTRICAS
DURACIÓN (HORAS)
GENERADORES SINCRONOS
1,5
OBJETIVO Estudiar el principio de funcionamiento de un generador síncrono, las condiciones para la sincronización y los efectos de las cargas R,L,C en su funcionamiento .
2
FUNDAMENTACIÓN FUNDAMENTA CIÓN TEÓRICA
2.1. INTRODUCCIÓN Los generadores sincrónicos o alternadores son máquinas sincrónicas utilizadas para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica AC. Este capítulo estudia los generadores sincrónicos, cuando operan solos o cuando operan conjuntamente con otros generadores. Los generadores sincrónicos son por definición sincrónicos, lo cual significa que la frecuencia eléctrica producida está entrelazada o sincronizada con la tasa mecánica de rotación del generador. Un rotor de generador sincrónico consta de un electroimán al cual se suministra corriente directa. El campo magnético del rotor apunta en cualquier dirección según gire el rotor. La relación entre la tasa de giro de los campos magnéticos de la máquina y la frecuencia eléctrica del estator se expresa mediante la ecuación
CIRCUITOEQUIVALENTE DE UNGENERADOR SINCRÓNICO El voltaje EA es el voltaje interno generado, en una fase del generador sincrónico. Sin embargo, este voltaje EA no es usualmente el voltaje que aparece en los terminales del generador. generador . En efecto, la única vez en la cual el voltaje interno EA es el mismo v oltaje de salida Vφ de una fase es cuando no fluye corriente de armadura en la máquina. ¿Por qué el voltaje de salida V de una fase no es igual a EA y qué relación hay entre los dos voltajes? La respuesta a estas preguntas lleva al modelo de generador sincrónico.
EL GENERADOR SINCRÓNICO OPERANDO SOLO Las conclusiones generales de este análisis sobre el comportamiento de los generadores sincrónicos son •
1. Si se adicionan cargas en atraso (+Q o cargas de potencia reactiva inductiva) al generador, Vφ y el voltaje en los terminales V T decrecen significativamente.
•
2. Si se adicionan cargas de factor de potencia unitario (cargas no reactivas) al generador, se presenta una ligera disminución en V φ y en el voltaje de los terminales.
•
3. Si se adicionan al generador cargas con factor de potencia en adelanto (-Q o cargas de potencia reactiva capacitiva), V φ y el voltaje en los terminales se incrementan GENERADORES SÍNCRONOS EN PARALELO La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor. Seguramente todos nos planteamos la pregunta ¿Por qué la utilización de los alternadores en paralelo? Pues la respuesta seria que varios alternadores o generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. El tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. Tener varios generadores que operan en paralelo permite separar uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. Si hacemos un análisis simple vemos que al usar un solo generador y este operar cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varios generadores más pequeños trabajando en paralelo, es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que están operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente Condiciones requeridas Para conectar generadores en paralelo es necesario tener muy en cuenta algunos aspectos para el correcto funcionamiento y de esta manera evitar cualquier tipo de problemas tales como que los
generadores se dañen severamente y que la carga pierda potencia dichos aspectos se explican a continuación Voltajes iguales Si los voltajes de los generadores no son exactamente iguales, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectara. En otras palabras, el voltaje de fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a" y así en forma sucesiva para las fases b-b` y c-c`. Y también hay que asegurarse de ser iguales los voltajes de línea rms. Frecuencias i guales Las frecuencias de los 2 o más generadores al igual que los voltajes deben ser las mismas ya que se ocasionarían graves problemas, esto lo podemos visualizar en las siguientes graficas: La primera grafica tiene 60 HZ y un voltaje fase de 120v
Fig. 1 Grafica del voltaje 120V, 60Hz
La siguiente grafica tiene 58 HZ apenas 2 HZ menor que la anterior y el mismo voltaje de fase
Fig. 2 Grafica del voltaje 120V, 58Hz
Y en la síguete grafica podemos ver la el resultado de que sucedería si ponemos a funcionar el generador a frecuencias diferentes (60HZ y 58 HZ)
Fig. 3 Diferencia de frecuencias 2Hz.
Como se puede ver en la gráfica resultante de la suma de las ondas a distintas frecuencias y al mismo voltaje se obtiene a la salida un voltaje totalmente distorsionado y con una frecuencia igual a la diferencia entre el valor de las frecuencias de las dos primeras ondas lo cual nos ocasionaría grandes problemas en la carga Secuencias de fase Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase.
Fig.4 Secuencia de fases
"Un sencillo método permite comprobar la sucesión de fases. Para ello se recurre a un pequeño motor asíncrono trifásico, que se conecta provisionalmente a las barras de la red. Luego se
van acoplando sucesivamente, pero uno a uno, los distintos alternadores, pudiendo estar seguros que la sucesión de fases es idéntica para todos ellos cuando el motor gira en el mismo sentido." Los ángulos de fase de las dos fases deben de ser iguales, la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente entonces aun cuando un par de voltajes estén en fase, los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por 120º. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problema con la fase a, pero fluirá enormes corrientes en las fases b y c, lo que dañara ambas máquinas. 2.2. EQUIPO, INSTRUMENTOS Y MATERIALES NECESARIOS
Módulo de fuente de energía (120/208V, 3φ, 120V c-d) Módulo de motor/generador DC Módulo de motor/generador síncrono Módulo de interruptor de sincronización Tacómetro de mano Cables de conexión Banda Módulo de resistencia Módulo de capacitancia Módulo de inductancia Voltímetros Amperímetros
EMS 8821 EMS 8211 EMS 8241 EMS 8621 EMS 8920 EMS 8941 EMS 8942 EMS 8311 EMS 8331 EMS 8321
2.3. MEDIDAS DE SEGURIDAD
Ropa de trabajo en laboratorio Equipos de medición en buen estado
2.4. TRABAJ O PREPARATORIO SIMULAR EN LA VERSION DEMO DE Lab Volt EMS 2.4.1. ACTIVIDADES A DESARROLLAR
Conecte el circuito de la figura 1 utilizando los módulos Módulo de fuente de energía (120/208V, 3φ, 120V c-d) EMS 8821 Módulo de motor/generador DC EMS 8211 Módulo de motor/generador síncrono EMS 8241 Módulo de interruptor de sincronización EMS 8621. Observe que la salida del generador está conectada, a través del interruptor de sincronización, a la salida trifásica fija de 208V de la fuente de alimentación, terminales 1, 2, 3. El rotor del alternador va conectado a la salida fija de 120 VDC de la fuente de alimentación, terminales 8 y N. El motor en derivación DC conecta a la salida variable de 0-120 VDC de la fuente de alimentación, terminales 7 y N. Acople el motor DC al alternador por medio de la banda Ponga el reóstato de campo del motor DC en su posición extrema, haciendo girar en el sentido de las manecillas del reloj (para resistencia máxima) Cambie el reóstato de campo del alternador a la otra posición extrema, haciéndolo girar en sentido contrario al de las manecillas del reloj (para resistencia máxima) Ponga el interruptor de sincronización en posición abierta Si el motor síncrono tiene un interruptor S ábralo Conecte la fuente de alimentación y con el tacómetro de mano ajuste la salida de la fuente de alimentación para una velocidad del motor aproximadamente a 1800RPM Mida el voltaje que proporciona la compañía de luz y fuerza E2 E2=………..VAC
Si el motor tiene un interruptor S, ciérrelo Ajuste la excitación DC del alternador hasta que el voltaje de salida de éste! Sea igual al voltaje que proporciona la compañía de luz y fuerza, E2. Los voltajes debe mantenerse iguales durante el experimento. Las tres luces de sincronización deben parpadear, encendiéndose y apagándose intermitentemente Ajuste con cuidado la velocidad del motor DC h asta que la frecuencia de encendido de las lámparas sea bastante baja Si no todas se oscurecen y abrillantan simultáneamente, la secuencia de fase es incorrecta. Intercambie dos de los tres cables que salen del estator Cuando los tres focos se hayan apagado por completo, los voltajes del alternador y del sistema estarán en fase Si los focos emiten luz continua, los voltajes del alternador y del sistema están desfasados 180º, el interruptor de sincronización nunca debe cerrar en estas condiciones Verifique que los voltajes de E1 y E2 son iguales. Si no es así ajuste de nuevo la excitación DC del alternador Cierre el interruptor de sincronización cuando los tres focos estén apagados, y observe que pasa con I1 en el momento en que cierra el interruptor ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… Cierre el interruptor de sincronización cuando los tres focos estén opacos y observe como varia I1 en ese momento ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… Cierre el interruptor de sincronización cuando los tres focos tengan una luz tenue y observe las variaciones de I1 en ese momento ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… Con el interruptor de sincronización abierto ajuste la e xcitación DC del alternador hasta que el voltaje de salida E1=250VAC Ajuste la velocidad del motor hasta que los tres focos estén sincronizados Cierre el interruptor de sincronización cuando las tres luces estén sumamente bajas y observe el efecto en I1 en el momentos de cierre y un poco después I1 en el momento de cierre………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… I1 después de cierre…………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… Abra el interruptor de sincronización Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación
Figura 1
EL GENERADOR SINCRÓNICO OPERANDO SOLO
Vuelva a conectar el motor DC y el alternador síncrono para que este funcione sólo. Debe estar funcionando a 208VAC y 60 HZ Conecte el módulo de resistencias EMS 8311 y mida el voltaje E1, I1 e I2 como se muestra en la figura 2
Figura 2
Con el mismo esquema de la figura 2 remplace el módulo de resistencias EMS 8311 por el módulo de capacitancias EMS 8331 y mida el voltaje E1, I1 e I2 como se muestra en la figura 2 Con el mismo esquema de la figura 2 remplace el módulo de capacitancias EMS 8331 por el módulo de inductancias EMS 8321 y mida el voltaje E1, I1 e I2 como se muestra en la figura 2
3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. ANALISIS DE RESULTADOS 3.2. CUESTIONARIO 1. Qué condiciones se deben satisfacer para poder sincronizar un alternador a una línea de potencia trifásica existente? 2. Un alternador podría sufrir grandes daños mecánicos durante el proceso de sincronización con la línea de alimentación. ¿en cuáles dos condiciones puede suceder esto? 3. Un alternador puede generar un voltaje diferente del de la línea de alimentación y puede no estar exactamente en fase con ella, pero debe satisfacer una condición para que pueda entregarle potencia. ¿Cuál es esta condición? 4. Explique por qué el voltaje de salida del alternador aumenta con carga capacitiva 5. El rotor de una alternador a potencia nominal disipa más calor con una carga de un factor de potencia bajo (atrasado) que con una carga de factor de potencia elevado. Explique por qué 5
CONCLUSIONES
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RECOMENDACIONES
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
