ÍNDICE
Página 1. Introducción…………………………………………………………………………... 2 2. Objetivos………………………………………………………………………………. 2 3. Equipos e instrumentación instrumentación………………………………………………………….. 2 4. Fundamento teórico………………………………………………………………….. 2 4.1.
…………………………... 2 Aspectos generales de un generador síncrono …………………………...
4.2.
Tipos de generadores síncronos…………………………………………… 4
4.3.
Parámetros de un generador síncrono……………………………………. 5
5. Temas de la práctica de laboratorio…………………………………………… ……………………………………………...... ...... 8 5.1.
Determinación Determinación de la curva característica de vacío ………………………. 8
5.2.
Determinación Determinación de la curva característica de cortocircuito………………10
5.3.
Determinación Determinac ión de la impedancia síncrona ………………………………. 12
5.4.
Determinación Determinac ión de la curva característica caracterís tica de regulación ……………….. 13
5.5.
Determinación Determinación de la curva característica de exteriores ………………... 14
5.6.
Determinación Determinación de la curva característica de carga …………………….. 15
6. Observaciones ……………………………………………………………………... . 16 ………………………………………………… …………………………………………....... …………………....... 16 7. Conclusiones ………………………… …………………………………………………… ……………………………………….......... ……………….......... 17 8. Bibliografía……………………………
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1. Introducción
En este laboratorio conoceremos el generador síncrono y sus tipos. Los ensayos se basarán en determinar las curvas características de vacío, de cortocircuito, de regulación, de exteriores y de carga. Además, se cuenta con los instrumentos adecuados para la correcta toma de datos que nos permita trazar las curvas halladas experimentalmente. 2. Objetivos
Describir la máquina síncrona trifásica. Conocer las características de funcionamiento de la máquina síncrona como generador. Determinar sus parámetros típicos. Determinar las curvas características del generador síncrono.
3. Equipos e instrumentación
Amperímetro de 0 – 15 A Amperímetro de 0 – 2,5 A Amperímetro de 0 – 6 A Multímetro digital Fluke 189 Multímetro digital Fluke 10 Carga resistiva trifásica, regulable Carga inductiva trifásica, regulable Carga capacitiva trifásica, regulable Motor de arrastre (motor primo) de CC tipo shunt Generador síncrono trifásico Fuente de corriente continua de 0 -220 V regulable para el motor primo Fuente de corriente continua 110 V para la excitación del generador
4. Fundamento teórico 4.1 Aspectos generales
Se le llama máquina síncrona debido a que puede funcionar a la velocidad de sincronismo; es decir, que la relación entre la velocidad del flujo inducido y la velocidad mecánica del eje es exacta. Al igual que las máquinas asíncronas, constan de dos componentes principales, que son el estator y el rotor, constituyendo el circuito magnético de la máquina. Las máquinas síncronas tienen la particularidad de trabajar como motor o como generador (alternador). Este último funciona si se le aplica un voltaje de CC en el campo de excitación del rotor que, a la vez, es movido por una fuente externa, más conocido como motor primario, que da lugar a obtener un campo magnético giratorio que atraviesa los conductores del estator. Así se induce un voltaje entre los terminales del generador. El motor síncrono opera cuando el estator es alimentado con voltaje trifásico de CA y, consecutivamente, el rotor es alimentado con voltaje de CC. El generador síncrono consiste en un electroimán girando, llamado rotor cilíndrico, al lado de una bobina, estator conectado en estrella, el cual, por efecto de la 2
rotación del rotor, va a inducir tensión trifásica en el estator. Para esto debe haber una velocidad relativa entre el rotor (también llamado campo) y el estator (o armadura) (ver figura 1).
Figura 1. Esquema simple de un generador síncrono.
El motor del generador es impulsado por un motor primario, lo cual producirá un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Este motor primario puede provenir de cualquier fuente; por ejemplo, motor de combustión interna, turbina a gas, turbina a vapor, etc. En la figura 2 se muestran los flujos de energía en un generador síncrono.
Figura 2. Flujos de energía en un generador síncrono.
Con esta descripción, se puede deducir el circuito equivalente del generador síncrono. Debido a que el rotor es el elemento inductor de flujo, ahora este representaría el circuito primario del sistema. Mientras que el estator sería el circuito secundario (ver figura 3). 3
Figura 3. Circuito equivalente de un generador síncrono.
Los alternadores son la fuente más importante de energía eléctrica y generan voltajes de CA cuya frecuencia depende totalmente de la velocidad de rotación y del número de polos. El valor del voltaje generado depende de la velocidad, de la excitación de campo y del factor de potencia de la carga. 4.2 Tipos de generadores síncronos
Por su tipo de construcción, las generadores síncronos se clasifican en: Campo giratorio y armadura giratoria. Un generador síncrono de campo rotatorio tiene una armadura estacionaria llamada estator y el campo inductor se encuentra en el rotor. El devanado trifásico del estator está conectado directamente a la carga, lo cual tiene la ventaja de no tener que pasar por grandes anillos colectores y escobillas. Una armadura estacionaria facilita también el aislamiento de los devanados porque no están sujetos a fuerzas centrífugas. Por otro lado, el de armadura giratoria posee su campo magnético inductor en el estator; sin embargo, es muy poco usado y solamente existen casos en máquinas de baja potencia. Para los generadores síncronos de campo giratorio se pueden clasificar, a su vez, por el tipo de rotor: De polos salientes y de rotor cilíndrico. a) De polos salientes: Se utilizan en rotores de cuatro a más polos, por lo tanto, estará sometido a bajas velocidades. Se usa en la mayoría de las máquinas con generadores impulsados por motor con clasificaciones de 20 kVA a más. Los rotores de polos salientes son definidos como superficies de polo en saliente de la superficie del rotor. Los devanados generalmente se enrollan alrededor de estos polos. Se emplean más en turbinas hidráulicas. b) Rotor cilíndrico: Se utilizan en rotores de dos a cuatro polos, por lo tanto, estará sometido a altas velocidades. También se le conocen como rotores de polos lisos, debido a que un polo magnético está construido al mismo nivel de la superficie del rotor. Se emplean más en turbinas de vapor grandes y turbinas de gas. Un esquema simple de estos tipos de rotores se puede ver en la figura 4. Un esquema más real se encuentra en la figura 5.
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Figura 4. Tipos de rotores.
Figura 5. Rotor de polos salientes (izquierda) y rotor cilíndrico (derecha).
4.3 Parámetros de un generador síncrono Alternador en vacío
El voltaje de salida de un alternador también depende del flujo total que se tenga en el entrehierro, cuando está en vacío este flujo se establece, y se determina exclusivamente mediante la excitación de campo de CD. Cuando el alternador trabaja en vacío, no hay caída de tensión y la tensión de salida coincide con la fem inducida (ver figura 6).
5
Figura 6. Circuito del rotor trabajando en v acío.
Alternador en cortocircuito
La característica de cortocircuito representa la relación entre la corriente del inducido y la de excitación, funcionando la máquina a su velocidad nominal y con los bornes de salida en cortocircuito. Por lo tanto, para una t ensión en bornes igual a cero, se obtiene lo siguiente: ( ) ()
La forma de la característica es lineal y para valores muy elevados de la corriente de excitación, la curva se flexiona ligeramente (ver figura 7).
Figura 7. Curva de cortocircuito de un generador.
6
Alternador con carga
Cuando se tiene carga en un alternador, el flujo en el entrehierro queda determinado por las Amper – vueltas del rotor y los Amper- vueltas del estator. El voltaje EV es el voltaje interno generado en una fase del alternador. Sin embargo, este voltaje E V no es usualmente el voltaje de fase que aparece en las terminales de generador. La única vez en el cual el voltaje interno E V es igual al voltaje de salida “U” de una fase, es cuando no fluye corriente de armadura en la
máquina. Los efectos de la reacción del inducido y la autoinductancia de la máquina son representados por reactancias, y es costumbre combinarlas en una sola llamada reactancia sincrónica de la máquina.
Por lo tanto, la ecuación que describe una fase del alternador (ver figura 8) es la siguiente: ()
Figura 8. Circuito del rotor trabajando con carga.
Con la relación vectorial de cada valor obtenido, se puede deducir diferentes relaciones para diferentes tipos de carga (ver figura 9).
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Figura 9. Fasores para diferentes cargas.
5. Temas de la práctica de laboratorio 5.1 Determinación de la curva característica de vacío
Para este ensayo se realizará el montaje como en la figura 10.
Figura 10. Circuito de ensayo de vacío.
8
Se realizaron las siguientes operaciones: Se mantuvo la frecuencia constante todo el ensayo, y por lo tanto la velocidad del motor primo. Se midió la corriente de excitación (Iex), hasta obtener una tensión de salida de 25 % mayor que la nominal. La primera toma de medidas se hizo subiendo la tensión y la corriente, la segunda se hizo bajando dichos valores después de haber alcanzado el máximo valor nominal de corriente. Al final se desconectó la excitación y se midió la tensión remanente. Los resultados obtenidos durante este ensayo se reflejan en las tablas 1 y 2.
Tabla 1. Datos de la curva característica de vacío (creciente) V (V)
4.63 142.5 168.1 187.6 211 227.1 243.5 269.5 288 304.8
Iex (A)
0.0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4 1.6
RPM
1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500
Tabla 2. Datos de la curva característica de vacío (d ecreciente) Vo (V)
304.8 290 271.5 246.2 212.8 190 169 140 126 6.08
Iex (A)
1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.0
RPM
1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500
En la figura 11 se representa la forma de la curva característica de vacío que se obtiene con los datos tomados. En ella se observa dos tramos, el que corresponde a los valores crecientes (azul) y el que corresponde a los valores decrecientes (rojo), siendo éste último más elevado a causa de la histéresis del circuito magnético.
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350
300
) 250 V ( , o V , o200 í c a v e d150 n ó i s n e T 100
Curva de histeresis Subida Curva de histeresis Bajada
50
0 0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
Corriente de excitación, Iex, (A)
Figura 11. Curva característica de vacío.
5.2 Determinación de la curva característica de cortocircuito
Para este ensayo se realizará el montaje del circuito de la figura 12.
Figura 12. Circuito para ensayo de cortocircuito.
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Se realizaron las siguientes operaciones: El generador se accionó a la velocidad correspondiente a su frecuencia nominal (50 Hz) y sus tres fases correspondientes estarán puestas en cortocircuito, como se indica en la figura X. Se colocó un amperímetro para medir la corriente de excitación (Iex) y otro para medir la corriente de cortocircuito (Icc). Los datos obtenidos en este ensayo en cortocircuito se reflejan en la tabla 3.
Tabla 3. Datos de la curva de cortocircuito Icc (A)
Iex (A)
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
RPM
0.48 0.52 0.62 0.7 0.8 0.89 0.99
1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500
En la figura 13 se muestra una gráfica con las corrientes de cortocircuito en función de los distintos valores de la corriente de excitación. Como se puede observar se obtuvo una gráfica de tendencia de lineal que pasa por el origen. 6
) 5 A ( , c c I , o 4 t i u c r i c o t r 3 o c e d e t 2 n e i r r o C 1
Curva de Cortocircuito
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Corriente de excitación, Iex, (A)
Figura 13. Curva característica de cortocircuito.
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5.3 Determinación de la impedancia síncrona
Se denomina impedancia síncrona a la relación entre la tensión de vacío y la corriente de cortocircuito, para un valor determinado de la intensidad de excitación. En la tabla 4 se muestran los valores de impedancia síncrona para 6 valores de corriente de excitación. Tabla 4. Valores de impedancia síncrona Iex (A)
Icc (A)
Vcc (V)
ZS
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
3 3.5 4 4.5 5 5.5
142.5 168.1 187.6 211 227.1 243.5
47.50 48.03 46.90 46.89 45.42 44.27
En la figura 14 se observa una curva aproximada de la impedancia síncrona. Esta se obtuvo a partir de las dos curvas anteriores de vacío y cortocircuito.
48.50 48.00 47.50
s Z , a 47.00 n o r c n46.50 í s a i c 46.00 n a d e 45.50 p m I
Impedancia síncrona, Zs
45.00 44.50 44.00 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Corriente de excitación, Iex, (A)
{ Figura 14. Impedancia síncrona
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5.4 Determinación de la curva característica de regulación
Para los siguientes 3 ensayos con carga, se realizó el montaje que se aprecia en la figura 15.
Figura 15. Circuito para las curvas características del generador síncrono.
Se realizaron las siguientes operaciones: Estando el generador (alternador) en vacío a una velocidad constante, se actuó sobre la excitación para llegar a la tensión a su valor nominal, anotándose el valor de la corriente de excitación (Iex). A continuación se conectó la carga, ya sea resistiva, capacitiva o inductiva, y se hace funcionar el generador sobre dicha carga. Se reguló de nuevo la excitación para mantener constante la tensión y la velocidad y luego se anotaron los valores de corriente suministrada (Ia) y corriente de excitación (Iex) Los resultados obtenidos se reflejan en la tabla 5.
Tabla 5. Datos del ensayo de regulación Carga Resistiva
Ia (A) 1 1.7 2.2 2.7 3.7
Iex (A) 0.9 0.94 1 1.02 1.12
Carga Inductiva
Ia (A) 1.5 1.8 2.3 2.8
Iex (A) 1.18 1.25 1.35 1.42
Carga Capacitiva
Ia (A) 1.1 1.45 2.25 2.6
Iex (A) 0.76 0.71 0.6 0.55
En la figura 16 se observa el comportamiento de la corriente de excitación para una carga resistiva (azul), una carga inductiva (rojo) y una carga capacitiva (verde). 13
1.6 1.4 ) A1.2 ( , x e I , n 1 ó i c a t i c 0.8 x e e d 0.6 e t n e i r r o 0.4 C
C. Resistiva C. Inductiva C. Capacitiva
0.2 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Corriente suministrada, Ia, (A)
Figura 16. Curva característica de regulación.
5.5 Determinación de la curva característica de exteriores
Se realizaron las siguientes operaciones: Estando el generador en vacío se reguló la corriente de excitación (Iex) hasta obtener la tensión nominal (Vt). Se anotaron los distintos valores de tensión y de corriente para los distintos valores de carga, manteniendo constantes la corriente de excitación (Iex), la velocidad y el factor de potencia. Las cargas ensayadas fueron puramente resistivas, capacitivas e inductivas. Los valores obtenidos se reflejan en la tabla 6.
Tabla 6. Datos del ensayo de exteriores Carga resistiva (Iex=1,5 A)
Vt (V) 304 301.1 298.6 295.1 291.9 288.6
Ia (A) 0 1.1 1.8 2.9 2.85 3.1
Carga Inductiva (Iex=1,6 A)
Vt (V) 304.5 287.6 270.8 258.8 244 232.5 218.4 201.8 183.8
Ia (A) 0 1 1.8 1.9 3 3.5 4 4.5 5
Carga Capacitiva (Iex=1,2 A)
Vt (V) 269.3 287.5 288 294.5 304.2 318
Ia (A) 0 1.2 1.8 2.32 3.1 4
14
166.7
5.5
En la figura 17 se muestra la curva de exteriores para carga resistiva (azul), carga inductiva (rojo) y carga capacitiva (verde). 350 300 ) V ( , 250 t V , r o d 200 a r e n e g l 150 e d n ó i s 100 n e T
C. Resistiva C. Inductiva C. Capacitiva
50 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
Corriente suministrada, Ia, (A)
Figura 17. Curva característica de exteriores
5.6 Determinación de la curva característica de carga
Se realizaron las siguientes operaciones: Se hizo funcionar el generador sobre la carga, ya sea resistiva, capacitiva o inductiva, para un valor de la corriente suministrada constante (Ia) Se aumentó progresivamente el valor de la corriente de excitación (Iex) y por tanto la tensión en bornes del generador, mientras se regulaba la carga para mantener constante la corriente suministrada (Ia) Los valores obtenidos se reflejan en la tabla 7.
Tabla 7. Datos del ensayo de carga Carga Resistiva (Ia=2 A)
Carga Inductiva (Ia=3 A)
Vt (V) 121.5 162.9 227.8 295.8
Vt (V) 242.7 198 158.6 115.1 74.7
Iex (A) 0.54 0.7 1.1 1.6
Iex (A) 1.6 1.3 1.12 0.96 0.8
Carga Capacitiva (Ia=2 A)
Vt (V) 216.5 280.4 329.1
Iex (A) 0.61 1 1.75
15
51.1
0.72
En la figura X se muestra la curva característica de carga para una carga resistiva (azul), carga inductiva (rojo) y carga capacitiva (verde). 350 300 ) V ( , t 250 V , r o d a r 200 e n e g l 150 e d n ó i 100 s n e T
C. Resistiva C. Inductiva C. Capacitiva
50 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Corriente de excitación, Iex, (A)
Figura 18. Curva característica de carga.
6. Observaciones
Para los ensayos de vacío y cortocircuito se debe mantener la frecuencia constante para que la velocidad del motor primo sea constante. Esto se debe a que para una velocidad constante, el valor de la fem inducida es función del flujo y por tanto de la corriente de excitación, V 0=f (Iex). Las curvas características de regulación (tensión constante), de exteriores (excitación constante) y de carga (corriente de carga constante) obtenidas en este laboratorio se comportan de manera esperada de acuerdo a la literatura de generadores síncronos.
7. Conclusiones
De los datos del ensayo en vacío, se deduce que al quitar la tensión en vacío el circuito queda magnetizado, es decir, hay una tensión remanente a pesar de no existir corriente de excitación. Cuando el circuito magnético se satura, la gráfica de la curva característica de vacío muestra que para incrementos mínimos de la tensión en la fem inducida se requiere grandes valores de la corriente de excitación.
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De la gráfica de la impedancia síncrona se concluye que la impedancia síncrona es variable y se reduce o disminuye cuando se aumenta la corriente de excitación, esto es un efecto de la saturación magnética. De la curva característica de regulación podemos deducir que para cargas inductivas, ante aumentos de la corriente de carga, la corriente de excitación deberá aumentar de considerablemente para mantener la tensión constante. En el caso de cargas capacitivas, la corriente de excitación disminuye con la carga para mantener la tensión constante. De la curva característica de exteriores, se deduce que con cargas de carácter inductivo, el efecto desmagnetizante del flujo toma valores considerables, que junto a las caídas óhmicas y reactivas, provocan grandes caídas de tensión con la carga. En el caso de cargas capacitivas, el efecto magnetizante del flujo provoca aumentos de tensión con la carga.
8. Bibliografía
Máquinas eléctricas. Tema 4: Máquina síncronas . Universidad de Alcalá.
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones.
Máquinas síncronas y de CD Manual de Asignatura . Universidad Tecnológica
de Puebla.
Máquinas Eléctricas II. Tema 2: Generador síncrono . Universidad de Costa
Rica, Facultad de Ingeniería. Ing. Óscar Sánchez Salazar.
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