UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
2016-II
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Curso: Laboratorio de Máquinas Eléctricas 2
ALUMNOS
INFORME FINAL N°3 EL GENERADOR SINCRONO I
IEEE
RAMIREZ SOTO ALEX ESPINAL PICHARDO LUIS ANGEL ALVAREZ CRISTHIAM ROCA CESAR PINARES FREDY DELGADO GERSON
EL GENERADOR SÍNCRONO I LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS 2
Miles de aplicaciones con generadores síncronos en el mundo nos dan una amplia experiencia y conocimientos en todo tipo de industrias, aplicaciones y condiciones ambientales.
Abstract — Making the connection for operation of the generator, it will be demonstrated practically routine tests applied to the synchronous generator, such as: vacuum test, three-phase short circuit, purely inductive and resistive load, G ENERADORES PARA M OTORES D IÉSEL Y G AS features i n " V" and the feature angular (power) . Also the Los Generadores Síncronos sin escobillas se utilizan en operation of synchronous generator in autonomous regime centrales eléctricas descentalizadas, donde el motor principal and in parallel with the network. es de media o alta velocidad de cuatro tiempos. At the end will be developed the questions of the questionnaire. Distribución Energética Marina Química, Petróleo y Gas Resumen. - Realizando el conexionado para la operación del Telecomunicaciones generador, se demostrará de forma práctica los ensayos de Tracción rutina aplicados al generador síncrono, como son: prueba de Molinos de Viento vacío, cortocircuito trifásico, carga puramente inductiva y resistiva, características en “V”, así como la característica Proyectos totalmente personalizados angular (de potencia). También la operación del generador síncrono en régimen autónomo y en paralelo con la red. Al final se desarr ollará las preguntas del cuestionari o.
I. INTRODUCCION
as maquinas síncronas son máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación n (rpm) está vinculada rígidamente con la frecuencia f de la red de corriente alterna con la cual trabaja, de acuerdo con la expresión:
L
=
120
Donde p es el número de polos de la máquina. Las maquinas síncronas, como cualquier otro convertidor electromecánico de energía, están sometidas al principio de reciprocidad electromagnética, pudiendo funcionar tanto en régimen generador como en régimen motor. Sin embargo, en la práctica de las instalaciones eléctricas es más frecuente su empleo como generadores, para producir energía eléctrica de corriente alterna (alternadores) en las centrales eléctricas a partir de fuentes primarias de energía hidráulica, térmica o nuclear. Las frecuencias industriales de las tensiones generadas oscilan entre los 50Hz en Europa y 60Hz en gran parte de América. En aplicaciones especiales, como es el caso de la aeronáutica, se utilizan frecuencias más elevadas, del orden de los 400Hz, lo que trae como consecuencia una reducción del tamaño y peso de los equipos a bordo.
III. G ENERADORES S ÍNCRONOS DE B AJA T ENSIÓN PARA A PLICACIONES I NDUSTRIALES Gran fi abili dad
II. ESTADO DEL ARTE Generadores Síncronos
Todos los generadores están equipados con un bobinado auxiliar, lo que asegura una corriente de cortocircuito suficiente para el funcionamiento de forma segura de todos los elementos de protección. Los generadores cuentan con Inserción de Imanes Permanentes (PMI) en la máquina de excitación, que junto con el nuevo AVR (Automatic Voltage Regulator) asegura fáciles, rápidos y fiables arranques - incluso después de mucho tiempo en standby. 2/3 del bobinado minimiza el tercer armónico del neutro. Los generadores aseguran unos niveles muy bajos de distorsión de forma de onda. En tamaños 400 o superiores, el rotor lleva bobinados rectangulares usando fibra de vidrio para mayor resistencia mecánica y eléctrica. En tamaños
de 180 a 355, el bobinado del rotor está hecho de alambre redondo de cobre esmaltado (G2) de clase térmica 200. Impregnado en vacío (VPI) con una resina de poliestamida usada en todos los estatores, rotores y excitadores. Los bobinados pueden soportar todos los choques mecánicos, eléctricos y vibraciones, junto con sustancias químicas. La fabricación de una carcasa de acero y el sistema de pintado de hace que los generadores sean robustos y duraderos. Para minimizar vibraciones en los grupos electrógenos, todas las partes críticas has sido testeadas usando herramientas FEM para evitar frecuencias naturales cerca del ancho de banda de los motores. El diseño cuidadoso garantiza la mejor seguridad y fiabilidad mecánica, incluso trabajando a un par elevado y potencia nominal. Utilización de generadores en medicina y para el suministro eléctrico de una isla.
Generadores como fuente de alimentación en salas de ordenadores y en el Estadio Nacional de Pekín.
V. OBJETIVOS
A. Objetivos Generales Conocer las características principales de un generador trifásico síncrono y realizar los ensayos de la maquina síncrona como generador.
B. Objetivos Específicos Demostrar en forma práctica los ensayos de rutina aplicados al generador síncrono, como son prueba de vacío, cortocircuito trifásico, carga puramente inductiva y resistiva, características en “V”, así como la característica angular (de potencia). Demostrar la operación síncrona en régimen autónomo y paralelo con la red.
VI. MATERIALES.
Fig. 1 Disposición de las resistencias de excitación, campo y de armadura.
IV. ALCANCES
Este informe abarca desde el análisis de los datos obtenidos en el laboratorio, la resolución del cuestionario, mostrar los resultados obtenidos, mencionar las conclusiones, recomendaciones y las referencias bibliográficas. Todo lo anterior con base en los fundamentos teóricos de las referencias, experiencias personales y datos adicionales formalmente no documentados como los datos e informaciones, brindadas en las lecciones, relacionadas con el ensayo.
Fig. 2. Transformador trifásico.
Fig. 5. Datos de placa del generador síncrono.
VII. SOLUCION DEL CUESTIONARIO
1. Relación de los valores tomados en la experiencia. Mirar la tabla de datos. 2.
Trazar las características de vacío, cortocircuito y factor de potencia cero. -
Fig. 3. Motor primo, Generador y transformador reductor.
Fig. 4. Datos de placa del motor primo.
Datos tomados en el ensayo de vacío:
()
()
0
2.9
0.1
46.8
0.15
62
0.2
85.5
0.22
94
0.23
102.1
0.24
106.4
0.25
111.0
0.3
142
0.4
197.3
V0 vs If
V vs If
250
1.5
200 1
150 100
0.5
50 0
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Datos tomados en la prueba de cortocircuito:
-
()
()
0.1
1.45
0.15
2
0.22
3
0.3
4
0.38
5
0.3 0.2 0.1 0
-
3
4
5
Ensayo de carga factor de potencia cero.
()
()
0.84
160
1
196
1.1
200
1.2
220
150
200
6
250
3. Graficar las características anteriores en un mismo cuadro en pu.
I f (A) 0 0.1 0.15 0.2 0.22 0.23 0.24 0.25 0.3 0.4
0.4
2
100
E nsayo de vacío
0.5
1
50
Tomando los datos de placa del generador Vn = 220 V y In = 5 A
Icc vs If
0
0
V0 (V) 2.9 46.8 62 85.5 94 102.1 106.4 111 142 197.3
I f (p.u) 0.000 0.025 0.038 0.050 0.055 0.058 0.063 0.063 0.075 0.100
V0 (p.u) 0.013 0.213 0.282 0.389 0.427 0.464 0.484 0.505 0.645 0.897
E nsayo de cortocircuito I f (A) I cc (A)
I f (p.u)
I cc (p.u) 0.3625 0.5 0.75 1 1.25
0.1 0.15 0.22 0.3 0.4
1.45 2 3 4 5
0.025 0.0375 0.055 0.075 0.095
E nsayo bajo carga con factor de potencia cero If V (V) If V (p.u) (A ) (p.u) 160 0.210 0.727 0.84 196 0.250 0.891 1 200 0.275 0.909 1.1 220 0.300 1.000 1.2
Valores en p.u
1.4
Vacío cc carga fdp cero
1.2
0.1
1.45
0.15
2
0.22
3
0.3
4
0.38
5
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
4.
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
A partir de los resultados de 4.2 determinar las reactancias no saturadas y saturadas ( ), la relación de cortocir cuito (RCC), el factor de saturación para tensión y corr iente nominal. Del ensayo de vacio se obtuvo:
()
()
0
2.9
0.1
46.8
0.15
62
0.2
85.5
0.22
94
0.23
102.1
= /√ = 53.7 (Conexión delta)
0.24
106.4
Reactancia saturada:
0.25
111.0
0.3
142
0.4
197.3
= , en e empieza la zona saturada. = = 220 Proyectando para V=220V, ′ = 0.7 (aprox.) entonces = 9.25 (aprox) = ./√ = 41.1947 (Conexión delta)
Reactancia no saturada:
, = () () Donde ∞() e ()
Pertenecen a la zona no saturada (zona lineal). Como la primera parte de la figura anterior es zona lineal Para = 0.15 , ∞ = 62 , = 2
Relación de corto circuito: Del ensayo de corto circuito se obtuvo:
()
()
Se define como la relación de la corriente de campo para producir voltaje a circuito abierto entre la corriente de campo requerido para producir corriente nominal con las terminales en c.c.
′ = = 0.7 = = 0.97902 0.715
CARGA RE SISTIVA (COSΦ = 1)
El valor obtenido RCC está en el rango permitido que es de [0.8-1.8]
De las CURVAS DE VACIO Y CON CARGA REACTIVA se muestra las curvas resultantes de los ensayos. Al construir el triángulo de Pothier se obtienen los siguientes resultados:
460−380 = 46.18 = √ 3
∗ = F actor de saturación: Proyectando la zona lineal para ′ entonces ∞ = 294 (aprox)
Como:
= ∞ 294 = = 1.33636 220
= = 0.1 = Como quiera que la corriente reactiva del ensayo fue la asignada:
=
3500 = 5.31 √ 3 ∗380
La reactancia de dispersión será:
1 = ∗ 1 0.97902 = ∗ → = 40.3304 41.194
Entonces:
. = . = 1.3315 p.u. casi dentro del rango [0.4-1.2]
(Este error se pudo deber a un pequeño error de proyección)
= . = 1.0213 p.u. dentro del rango [0.6-1.8] . 5. A partir de los resultados de 4.3 (conociendo la resistencia de armadura por fase), trazar los diagramas fasoriales de Pothier del generador síncrono operando a tensión y corr iente nominal, para los siguientes factores de potencia 1, 0.8 inductivo y 0.8 capacitivo. Obtener en cada caso la fem .L a regulación de tensión y excitación necesaria .
=
41.1947 = 7.76 5.31
LUEGO: La f.m.m. de reacción de inducido expresada en amperios del inductor, de acuerdo con la construcción de la figura 1.
= = = 0.1 Para calcular la excitación necesaria en el inductor se ha de construir el diagrama fasorial del alternador. En la SIGUIENTE FIGURA se muestra esta representación, donde se ha tomado como referencia de fases la tensión asignada simple del alternador. Los fasores correspondientes serán:
Considerando despreciable la resistencia óhmica del devanado de armadura, y descomponiendo la corriente de armadura. Obtenemos la ecuación fasorial de Pothier para el generador síncrono de polos salientes:
E f
V jxd I d jxq I q
Donde
x d
x ad
xa
y x q
x aq
x a =
Son las reactancias síncronas por los ejes d y q respectivamente
380 0° = 220 0° √ 3
= = 5.31 0°
q
Y en consecuencia la f.e.m. resultante por fase será:
1
j X d I d
E f
= + ∗ + ∗ ∗
C
= 220 0° + 7.76 ∗ 5.31 0°
A
I
B
= ф° = 223.826 10.61°
I q
Que corresponde a un módulo de la f.e.m de la línea
j
224.79√3 = 387.685 V.
I d
0
d
En la curva de vacío se puede medir la f.m.m. resultante que se necesita para producir E f y que corresponde a una corriente de excitación I r = 0.75 A. En la FIGURA ANTERIOR se muestra la composición de f.m.m.s necesaria para calcular la excitación total que requiere el inductor. De acuerdo con el teorema del coseno, se podrá escribir:
=
= = 5.31 − 36.87° Y en consecuencia la f.e.m. resultante por fase será:
= + ∗ + ∗ ∗
= + − 2 ∗ ∗ ∗ (90 − ф) Ahora bien, teniendo en cuenta la composición grafica de la FIGURA MENCIONADA y observando los valores fasoriales obtenidos, resulta:
ф = 10.61 Y al sustituir tenemos
= 0.74
380 0° = 220 0° √ 3
= 220 0°+7.76∗5.31 − 36.87° = ф° = 246.93 7.67° Que corresponde a un módulo de la f.e.m de la línea 250.42√3 = 427.695 V.
En la curva de vacío se puede medir la f.m.m. resultante que se necesita para producir E f y que corresponde a una corriente de excitación I r = 0.85 A. En la figura 2 se muestra la composición de f.m.m.s necesaria para calcular la excitación total Que requiere el inductor. De acuerdo con el teorema del coseno, se podrá escribir:
LUEGO: La excitación anterior produce una f.e.m en vacío (CURVA DE VACIO Y CON CARGA REACTIVA) de 385 V, y en consecuencia la regulación tendrá un valor igual a:
=
385−380 ∗ 100 = 1.3% 380
= + − 2 ∗ ∗ ∗ (90 + Ө) Ahora bien, teniendo en cuenta la composición grafica de la FIGURA ANTERIOR y observando los valores fasoriales obtenidos, resulta: Ө = + ф
CARGA I NDUCTI VA (COS Φ = 0.8)
Para calcular la excitación necesaria en el inductor se ha de construir el diagrama fasorial. En la SIGUIENTE FIGURA se muestra esta representación, donde se ha tomado como referencia de fases la tensión asignada simple de la máquina. Los fasores correspondientes serán:
Ө = 36.87 + 7.87 = 44.54
Y al sustituir tenemos
= 0.92 LUEGO:
La excitación anterior produce una f.e.m en vacío (CURVA DE VACIO Y CON CARGA REACTIVA) de 455 V, y en consecuencia la regulación tendrá un valor igual a:
=
Ahora bien, teniendo en cuenta la composición grafica de la SIGUIENTE ANTERIOR y observando los valores fasoriales obtenidos, resulta:
455 − 380 ∗ 100 = 19.74% 380
Ө = - ф
CARGA CAPACITI VA (COSΦ = 0.8)
=
380 0° = 220 0° √ 3
Ө = 36.87 – 9.58 = 27.29
Y al sustituir tenemos
= 0.59
= = 5.31 36.87° Y en consecuencia la f.e.m. resultante por fase será:
= + ∗ + ∗ ∗ = 220 0° + 7.76 ∗ 5.31 36.87°
LUEGO: La excitación anterior produce una f.e.m en vacío (CURVA DE VACIO Y CON CARGA REACTIVA) de 205 V, y en consecuencia la regulación tendrá un valor igual a:
= ф° = 198.04 9.58° Que corresponde a un módulo de la f.e.m de la línea 195.82√3 = 343.02 V.
En la curva de vacío se puede medir la f.m.m. resultante que se necesita para producir E f y que corresponde a una corriente de excitación I r = 0.63 A. En la FIGURA SIGUIENTE se muestra la composición de f.m.m.s necesaria para calcular la excitación total que requiere el inductor. De acuerdo con el teorema del coseno, se podrá escribir:
=
205−380 ∗ 100 = 46.05% 380
6. Determinar el error porcentual, tomando como referencia los resultados experimentales, en la fuerza electromotri z y la excitación necesari a para la prueba experimental con carga resistiva. E xplicar los errores obtenidos. Experimental Pothier
220
224
1.8%
0.85
0.74
12.9%
El error es debido a la aproximación que se hace en los cálculos con el triángulo reactivo de I = 4 A y para el caso experimental I = 3.8 A. Que en realidad es. VIII. RESULTADOS OBTENIDOS
Mirar la tabla de datos. IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se observa que la característica de cortocircuito se
-
realiza con la excitación reducida de tal manera que Icc no sobrepase 1.5 In; a consecuencia de la cual es que se trabaja con la -
zona lineal de la curva de vacío.
Mediante la característica de Vacio se puede encontrar
los parámetros de la máquina, también nos proporciona datos
= + − 2 ∗ ∗ ∗(90−Ө)
para obtener la regulación, es conveniente hacer funcionar la máquina fuera del codo de saturación ya que podemos
obtener así una mejor regulación -
La más útil de la obtención de las características de
vacío y de cortocircuito es la obtención del Triángulo Reactivo de Pothier con lo cual se podrá obtener la
característica bajo carga inductiva así como también hallar la reactancia de Pothier Xa . -
la tensión en bornes del generador y la frecuencia puede
ser controlada, variando la corriente de excitación y la velocidad del motor shunt respectivamente, esto se hace mayormente en toda central ya que al aumentar la carga de un sistema , la frecuencia del generador tiende a caer, por lo tanto se tendría que aumentar la corriente de excitación. -
Al tener más generadores conectados en paralelo
aumenta la confiabilidad del sistema ya que puede salir uno de operación y los demás seguirán operando.
-
En esta experiencia nos dimos cuenta que es necesario
tomar mayor número de datos en la prueba de vacío para apreciar la zona de saturación de lo contrario no se llegara a esta zona.
-
Por motivos de laboratorio se dispone a utilizar para
conectar a la red el método de lámparas apagadas cosa que actualmente ya no se utiliza en centrales, esto se hace rápidamente con la ayuda de un sincronoscopio.
R EFERENCES [1] [2] [3] [4]
Máquinas eléctricas / Stephen J. Chapman McGraw-Hill, 1987 Maquinas Eléctricas Sexta Edición / A.E. Fitzgerald McGraw-Hill, 2004 Electrotecnia general y aplicada/Moeller-Werr Barcelona [etc.]: Editorial Labor, 1972 Taller de Informe de estadía, Justificación, Objetivos y Alcances. Universidad tecnológica de León. Disponible en
http://es.slideshare.net/BarbieLpez/redaccin-de-justificacin-objetivos-yalcance [5] INTERNET: Criollo Adrian. [Online] http://www.electrosector.com/wpcontent/ftp/descargas/operacion.pdf [6] Murillo Huber. Diapositivas de Clase de Máquinas Eléctricas II. UNAC – FIEE. 2010. [7] Máquinas eléctricas – Fraile Mora.
HOJA DE DATOS.
