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Equation Chapter 1 Section 1GUIA 1 GUIA DE LABORATORIO No. 7. TEMA SINCRONI!ACI"N DEL GENERADOR TRI#$SICO A LA RED DEL A TRA%&S DEL CIRCUITO DE L$M'ARAS ENCENDIDAS ( A'AGADAS 1.1 OB)ETI%OS a) Determinar Determinar las condicio condiciones nes de sincronizació sincronizaciónn del generador generador trifásico trifásico síncrono síncrono con sistema sistema de potencia infinito. b) Conectar y poner en marcha la máquina síncrona trifásica como generador a la red. c) Cone Conect ctar ar el gener generad ador or sínc síncro rono no a la red red media mediant ntee el circ circui uito to de lámp lámpara arass ence encend ndid idas as y apagadas. d) Descri Describir bir las desvent desventaa aass de la con cone!i e!ión ón asíncro asíncrona na del generado generadorr a la red y la corrient corrientee de circulación. e) "uncionami "uncionamiento ento del del máquina máquina síncro síncrona na como como motor motor conectada conectada a la red. red. 1.# INTRODUCCI"N $ntes de conectar un generador sincrónico a la red% hay que asegurarse que su tensión con respecto a la amplitud% la frecuencia y la diferencia entre fases es id&ntica a la de la red. 'ste proceso es denominado sincronización y puede ser controlado mediante el circuito de lámparas encendidas% el circuito de lámparas apagadas o el circuito de la combinación de encendidas y apagadas al mismo tiempo.
Sincroni*aci+n Sincroni*aci+n ,e-iante e circuito -e /,para0 apaa-a0 'n las bombil bombillas las del circui circuito to de lámpara lámparass apagad apagadas as insta instalad ladoo e!iste e!istenn tensio tensiones nes de hilo hilo diferenciales. (as tensiones de hilo diferenciales se presentan entre el generador y la red. i ninuna de las tres bombillas está encendida% las tensiones *de la red y del generador) coinciden con respecto a la amplitud% la frecuencia y la diferencia entre fases. i coinciden la amplitud y la diferencia entre fases% pero no la frecuencia% se forma una pulsación que se e!presa por la intensidad de la luz de las bombillas. Cuánto más despacio pulsen las bombillas% más cerca se encuentran las frecuencias la una de la otra% hasta que se apaguen las tres bombillas. Ahora e enera-or pue-e conectar0e a a re- ,e-iante un interruptor. i las bombillas no se encienden simultáneamente sino sucesivamente en un orden cíclico% las sucesiones de fases no coinciden. 'n este caso se deben cambiar dos líneas de cone!ión.
Sincroni*aci+n Sincroni*aci+n ,e-iante e circuito -e /,para0 encen-i-a0 'l circuito de lámparas encendidas se basa en el mismo principio como el circuito de lámparas apagadas% sólo que las bombillas deben estar encendidas al conectarse el generador a la red *v. #+ circuito% circuito de lámparas encendidas). (as bombillas no están conectadas en un mismo hilo como sucede en el circuito de lámparas apagadas% sino que se encuentran entre dos hilos diferentes. i las bombillas no se encienden enc ienden simultáneamente% sino sucesivamente en un orden cíclico% las secuencias de fases fases no coincide coinciden. n. 'n este caso se deb deben en cambia cambiarr dos líneas líneas de con cone!i e!ión. ón. Cuan-o a0 2o,2ia0 encen-i-a0 acan*an 0u ,a3or inten0i-a- u,ino0a4 e enera-or 0e pue-e conectar a a re- .
Sincroni*aci+n ,e-iante e circuito -e circuaci+n -e /,para0 encen-i-a0 3 apaa-a0 0i,ut/nea,ente 'n el circuito de circulación se combinan los dos otros circuitos. 'l generador se puede conectar a la red% si una lámpara está apagada y las demás encendidas. 'n el cableado se deben determinar e!actamente las funciones de las distintas lámparas. (a cone!ión en paralelo de generadores síncronos a la red requiere cierta práctica y debe realizarse realizarse con mucho cuidado. cuidado. i la cone!ión cone!ión se realiza realiza en un momento momento inoportu inoportuno% no% pueden formarse unas corrientes muy altas de tipo cortocircuito que no solamente ponen en peligro a las máquinas e instalaciones% sino tambi&n a los operarios. 'or e0to a 0incroni*aci+n 0e -e2e reai*ar con e ,/5i,o cui-a-o 3 pre0tan-o a ,/5i,a atenci+n. 'n las empresas generadores de energía el&ctrica modernas%
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la sincronización ya no se lleva a cabo con circuitos de bombillas sino con voltímetros dobles y con frecuencímetros dobles% así como con el sincronoscopio o el voltímetro cero. 'n la mayoría de las empresas generadoras la sincronización ya se realiza de manera automática con ayuda de equipamiento de electrónica de potencia% digital y computación.
"igura 1. Circuitos de sincronización de lámparas encendidas,apagadas
"igura #. (a onda de tensión detectada por la lámpara conectado que coincide en fase con la red y el generador.
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"igura -. 'quipamiento de sincronización moderna de eneradores íncronos de mayor potencia. Dos voltímetros% dos frecuencímetros y voltímetro cero,sincronoscopio.
"igura /% $specto e!terior del sincronoscopio de agua.
1.- 'RE6LABORATORIO 0ealice los siguientes cálculos mediante programas de cálculo y de simulación $23C$D% $2($4% cilab y presentar antes de la realización del ensayo. 5n motor síncrono trifásico de 6677 8 conectado a la red en estrella% trabaa con tensión constante y e!citación constante. u impedancia síncrona es de #9#7 :,fase. Cuando la potencia de entrada es de 1777 ;<% el factor de potencia de 7.= en adelanto *capacitivo). 3allar el nuevo factor de potencia cuando la potencia de entrada se incrementa a 1>77 ;<. 1./ MATERIALES4 INTRUMENTOS DE MEDICI"N ( EUI'OS (os siguientes dispositivos% equipos% instrumentos y materiales serán necesarios para la realización de la práctica? @tem
Cantidad
1
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Descripción ódulo de ensayo de enerador síncrono /77% 7/> $ enerador síncrono trifásico de -.> ;<% /77,##7 8% 67 3z% -677 rpm $mperímetro de c.a. #> $ 8oltímetro de c.a. de 6778 8atímetro trifásico >7 $% 677 8. $nalizador de redes trifásico /77 8% >7 $ icroohmímetro B> *o puente mm# 2ermómetro de mercurio o digital Binza amperim&trica digital de 7 E /7 $
Código
1.> 'ROCEDIMIENTO a) 2omar nota de la información proporcionada por los datos de placa del generador síncrono a ensayar y registrarlo en forma tabulada. @tem 1 # / > 6
Descripción de variable y símbolo
8alor y unidad
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A b) $rmar el circuito 1 de la "igura > para la sincronización del enerador a la red por el m&todo de lámparas apagadas. 2omar como referencia el montae de la "igura >.
"igura >. 'squema de montae del ensayo de carga del motor de inducción en el modulo.
d) 5na vez montado el circuito 1 de la "igura > verificar que los alcances de los instrumentos sea las adecuadas para valores nominales e incluso superiores? 0ealizar las cone!iones necesarios de la máquina primaria *motor de corriente continua% accionador con medición de variables mecánicas% maquinas pendular% etc). $coplar mecánicamente las flechas de ambos rotores de las máquinas. 2ener mucho cuidado con las cone!iones% las escalas de los instrumentos de medición. 5na vez verificado el montae del circuito por el instructor llevar el rotor del generador síncrono a velocidad nominal n n. Mantener e interruptor -e 0incroni*aci+n a2ierto . e) Conservando las cone!iones accionar el motor primario a velocidad nominal y aplicar corriente de e!citación de tal manera que se obtenga en las fases del generador síncrono la voltae id&ntico de la red 81n% frecuencia de la red de 67 3z% y secuencia de fase. 0egistrar estos datos en la siguiente tabla para su posterior procesamiento. Mantener e interruptor -e 0incroni*aci+n a2ierto. 2abla 1. 0egistro de las mediciones con los instrumentos antes de la sincronización.. %re8 9%:
< 1 # / > 6
%AN />.11-.1>A.6 1=.6 ## #/6
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%e5it 9%:
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%AN = 1=.-= #6.A -6.= /6.6 >A./
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8 0
67.7- >. 67.7- >. 67.7- >. 67.7- >. 67.7- >. 67.7- >.
8
%aria2e0 ,ecanica0 rp, T9N,: 9ra-=0: 1=77 1=77 1=77 1=77 1=77 1=77
E7.# E7.## E7.#E7.#A E7.E7.-/
-A6.-6 -A6.-6 -A6.-6 -A6.-6 -A6.-6 -A6.-6
9A: Ic 7.7> 7.1 7.1> 7.# 7.#> 7.-
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f) incronizar el generador síncrono a la re- cerran-o e interruptor cuando se cumpla las condiciones de sincronización y registrar los valores de corriente durante la sincronización. 2abla #. 0egistro de las mediciones con los instrumentos despu&s de la sincronización. %re8 9%:
< %AN 1 #-/ # / > 6 A = 17
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8 0
67.71 >.
8
%aria2e0 ,ecanica0 rp, T9N,: 9ra-=0: 1=77
E7.-#
-A6.-6
9A: Ic 7.#6
1.6 CUESTIONARIO 'ARA LA DISCUSI"N DE RESULTADOS 1.6.1 Cuales son las condiciones de sincronización del una máquina síncrona con el sistema el&ctrico de potenciaF 'n el momento de acoplamiento a la red de potencia infinita los valores instantáneos de las tensiones del generador y de la red deben ser iguales. 'sto conlleva que entre las tensiones del alternador y de la red se cumplan estas condiciones? 1) @gualdad de valores eficaces. #) @gualdad de frecuencias. -) @gualdad de angulo de faces. /) @gualdad de secuencia de fases. 1.6.# Cuál es la diferencia entre un m&todo de sincronización de circuito de lámparas apagadas y lámparas mi!tas o de circulaciónF 'l sistema de sincronización de lámparas mi!tas es mas preciso que el el de las laparas apagadas. Bara el m&todo de lámparas apagadas todas estas se conectan en serie con las fases de la línea trifásicaG mientras que en el m&todo de lámparas mi!tas se conectan una fase con la otra mediante las bombillas para las lámparas encendidas mientras que las apagadas en serie. 1.6.Hue se debe tener en cuenta con un m&todo de sincronización de circuito de lámparas encendidas. •
•
(as diferencias de potencial entre lámparas varían en módulo si las velocidades de rotación son diferentes. Cuando están en sincronismo la lámpara 55I está apagada y las otras dos brillan igualmente% de no ocurrir esto se ve el encendido alternativamente en un sentido u otro como si girasen% indicando que la máquina va más lenta o más rápida. 5na vez cumplida las condiciones se puede decir que las maquinas están es sincronía.
e debe considerar tambi&n el nivel de tensión% osea que las lámparas resistan este valor como en nuestro caso se usó dos lámparas de ##7 para soportar la tensión de línea de /-7 8.
1.6./ Como se verifica requisito de misma fase o secuencia de fase de los sistemas de la red y del generador síncrono entrante.
e puede verificar viendo el parpadeo se las lámparas% pues se encienden secuencialmente ya sea en secuencia abc o acb
2ambi&n se pede comprobar mediante un 'C5'JC@'20K 's un instrumento que nos indica el giro de la corriente trifásica. 2ambi&n se le conoce como fasímetro. (os motores trifásicos conectados en una secuencia en sus tres polos% giran en un sentido. i se le invierte dos de ellos% cambia el sentido de giro. 'ste instrumento nos indicará esa secuencia de giro ya que algunos equipos podrían averiarse si se conectan en sentido inverso de rotación.
1.6.> Borque el m&todo de sincronización de circuito de lámparas mi!tas apagada y encendidas es considerado más eficaz. Borque es más sencillo darnos cuenta que una lámpara esta encendida al má!imo y las otras dos están apagadas osea visualmente es más efectivo ya que al visualizar las lámparas todas apagadas puede haber una pequeLa corriente que sea difícil darnos cuenta a travez de los hilos de las lámparas y lo mismo en el m&todo de las lámparas tdas encendidas no podemos decir con seguridad que están funcionando a su má!ima potencia. 1.6.6 Hue sucede si el generador síncrono se conecta a la red de forma asíncrona. i los voltaes de los generadores no son e!actamente iguales% habrá un fluo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Bara evitar este problema% cada una de las tres fases debe tener e!actamente la misma magnitud de voltae y ángulo de fase que el conductor al que se conectara. (as frecuencias de los # o más generadores al igual que los voltaes deben ser las mismas ya que se ocasionarían graves problemas% esto lo podemos visualizar en las siguientes graficas? (a primera grafica tiene 67 3M y un voltae fase de 1#7v
(a siguiente grafica tiene >= 3M apenas # 3M menor que la anterior y el mismo voltae de fase
N en la síguete grafica podemos ver la el resultado de que sucedería si ponemos a funcionar el generador a frecuencias diferentes *673M y >= 3M)
Como se puede ver en la grafica resultante de la suma de las ondas a distintas frecuencias y al mismo voltae se obtiene a la salida un voltae 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 1.6.A 'n qu& consiste el m&todo de sincronización con doble voltímetros% doble frecuencímetro y sincronoscopioF 1) M>to-o -e 0incroni*aci+n con -o2e ?ot@,etro0 reemplazando las bombillas por voltímetros podemos obtener resultados mas eficientes pues podemos verificar que la tencion es 7 donde debería haber una bombilla apagada y la tensión podría ser la tensión de línea para el lugar de una lámpara encendida% es facilemnte comprobable con los voltímetros. Do2e 8recuenc@,etro 5tiliza dos sistemas de hierro móvil% con amortiguamiento por fluido de silicona% totalmente separados e independientes. (a suspensión del sistema se realiza mediante coinetes con resorte para resistir vibraciones y choques. 'scala de 7+. e aplica para medir dos tensiones entre dos generadores o entre un generador y una red. (a indicación es principalmente independiente de las curvas% de los errores de forma y de las fluctuaciones de la tensión. Cambio admisible en la tensión? O #7P Campo magn&tico e!terno? 7%> m2
Sincrono0copio 1.6.= 'n qu& consiste el m&todo de sincronización con doble voltímetros% doble frecuencímetro y voltímetro ceroF Do2e 8recuenc@,etro 5tiliza dos sistemas de hierro móvil% con amortiguamiento por fluido de silicona% totalmente separados e independientes. (a suspensión del sistema se realiza mediante coinetes con resorte para resistir vibraciones y choques. 'scala de 7+. e aplica para medir dos tensiones entre dos generadores o entre un generador y una red. (a indicación es principalmente independiente de las curvas% de los errores de forma y de las fluctuaciones de la tensión. Cambio admisible en la tensión? O #7P Campo magn&tico e!terno? 7%> m2
%oti,etro cero i ncorpora un sistema de bobina móvil con rectificador. Quego autoE apantallado de imán central% con resortes espirales para la creación del par antagonista. (a suspensión del sistema se realiza mediante coinetes de resorte para resistir las vibraciones y choques. 'stos aparatos se conectan entre una fase de 1 y su homónima de #% indicando por lo tanto la diferencia de tensión entre ambas. 'stá diferencia será cero de forma estable cuando coincidan tensiones% frecuencias y fases% momento en el que se puede realizar el acoplamiento. (a má!ima defle!ión de la agua *7+) corresponde al doble de la tensión nominal del aparato.
Sincrono0copio 'l sincronoscopio ynchro a! B@D de Circutor es un rel& de sincronismo con control B@D que se utiliza para sincronizar el generador de potencia hidroel&ctrico *turbina 9 alternador) a la red el&ctrica. 'ntre sus principales características destaca la posibilidad de auste digital *sin potenciómetros que introducen demasiado error) de la má!ima diferencia de tensiones *redEgenerador) y de la má!ima diferencia de frecuencias. $demás% puede realizar una sincronización perfecta en fase ya que es posible programarle el retraso en el contactor% de manera que tenga en cuenta dicho retraso a la hora de sincronizar. Dispone de 0KCK" *0atio Kf Change Kf "requency)% que bloquea el equipo cuando la frecuencia del generador es lo suficientemente inestable y genera una alarma% y realiza la comparación interna de la tensión del generador y de la red% sin necesidad de comparadores e!ternos. 2ambi&n ofrece visualización de 8gen% 8red% "gen% "red% etc. y realiza Control B@D para la sincronización. Dispone de -7 leds para mostrar con precisión la diferencia de fase. (a diferencia entre un sincronoscopio normal y el ynchro a! B@D es que el primero da un tren de pulsos que acelera o desacelera el generador para realizar la sincronización. 'n el modelo B@D% es e!actamente lo mismo% pero trabaando con la típica curva B@D de manera que al principio acelera mucho la velocidad del generador y a medida que está llegando a la velocidad deseada% empieza a frenarlo gradualmente hasta llegar e!actamente al punto de sincronización% así se evita acelerar y desacelerar% y la sincronización es mucho más rápida.
1.A IN%ESTIGACI"N COM'LEMENTARIA
1.A.1 Como está relacionado la sincronización máquinas síncronas con los m&todos de arranque de motores síncrono. Debido a que la velocidad del rotor y la velocidad del campo magn&tico del estator son iguales se debe sincronizar tambi&n "uncionan a la velocidad de sincronismo% sin deslizamiento. Bor consiguiente% la velocidad de rotación está asociada con la frecuencia de la fuente. Como la frecuencia es fia% la velocidad del motor permanece constante. @ndependientemente de la carga o voltae de la línea trifásica. (os motores síncronos son utilizados en máquinas de gran tamaLo que tienen una carga variable y necesitan de una velocidad constante% tambi&n e!isten motores síncronos monofásicos de tamaLo pequeLo utilizados en control y reloes el&ctricos. $00$JH5' D' 5J K2K0 RJC0KJK 5n motor síncrono no puede arrancar por sí mismoG en consecuencia% el rotor casi siempre está equipado con un devanado de aula de ardilla para que pueda arrancar como motor de inducción. Cuando el estator se conecta a la línea trifásica% el motor acelera hasta que alcanza una velocidad un poco por debao de la velocidad síncrona. (a e!citación de cd se suprime durante este periodo de arranque. ientras el rotor se acelera% el fluo rotatorio creado por el estator pasa frente a los polos salientes que se mueven lentamente. Como las bobinas en el rotor poseen un nSmero relativamente grande de vueltas% se induce un alto voltae en el devanado del rotor cuando gira a baas velocidades. 'ste voltae aparece entre (os anillos colectores y disminuye conforme el rotor se acelera% hasta volverse insignificante cuando el rotor se apro!ima a la velocidad síncrona. Bara limitar el voltae% y para meorar el par o momento de torsión de arranque% se ponen en cortocircuito los anillos colectores o se conectan a un resistor au!iliar durante el periodo de arranque. 1.A.# @nvestigue sobre centrales de generación el&ctricas reversibles *es decir% que generen energía y se transformen en electrobombas de agua para gestión del agua). '!plique su principio de funcionamiento y las ventaas de dicho sistema para el sistema el&ctrico de potencia interconectado. •
• •
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5na central hidroel&ctrica reversible es una central hidroel&ctrica que además de poder transformar la energía potencial del agua en electricidad% tiene la capacidad de hacerlo a la inversa% es decir% aumentar la energía potencial del agua *por eemplo subi&ndola a un embalse) consumiendo para ello energía el&ctrica. De esta manera puede utilizarse como un m&todo de almacenamiento de energía *una especie de batería gigante). 'stán concebidas para satisfacer la demanda energ&tica en horas pico y almacenar energía en horas valle. $unque lo habitual es que esta centrales turbinen,bombeen el agua entre dos embalse a distinta altura% e!iste un caso particular llamado centrales de bombeo puro donde el embalse superior se sustituye por un gran depósito cuya Snica aportación de agua es la que se bombea del embalse inferior. (a demanda el&ctrica varía constantemente y es necesario que las centrales el&ctricas generen la energía demandada en cada instante. '!isten centrales que debido a la tecnología de generación que emplean% no pueden variar fácilmente la energía generada *centrales nucleares)% mientras que otras centrales *centrales t&rmicas convencionales) tienen diversas restricciones t&cnicas y económicas sobre e stas variaciones. (as centrales hidroel&ctricas son una de las tecnologías que menores restricciones presentan a la variación de carga. 'stas centrales se integran en el sistema de T$lmacenamiento energ&tico en redT ayudando a adaptar la generación a la curva de la demanda con lo que se reducen las variaciones de energía que tienen que realizar las tecnologías menos apropiadas para elloG de este modo las centrales reversibles bombearían en las horas valle% y turbinarían en las horas pico.
1.= CONCLUSIONES ( OBSER%ACIONES Concluimos con el e!perimento que el m&todo de sincronización de las lámparas es efectivo para insertar una maquina síncrona a la red. 'l m&todo de las lámparas mi!tas es el mas eficiente de los tres m&todos que presenta este laboratorio. 2enemos que tener en cuenta que las lámparas resistan el nivel de tensión para evitar accidentes etc. 3emos podido apreciar la secuencia de las fases mediante el e!perimento. . (a corriente de e!itacion es la que regula el nivel de tensión para la maquina síncrona. 5na observación sería por mi parte que debería implementarse los otros m&todos de sincronización como el de sincronoscopio voltimetro cero doble frecuencímetro etc. Bara el laboratorio de ingeniería el&ctrica. "ue un laboraytorio muy interesante pues es un tema muy aplicativo para nuestra carrera.
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1.=.1Blantea en forma personal% concisa y claro un mínimo de cinco *>) conclusiones de la e!perimentación realizada. 1.=.#Blantea en forma personal y clara un mínimo de tres *-) observaciones para meorar la e!periencia de las prácticas de estas pruebas. 1. BIBLIOGRA#IA $l final de todo documento o informe t&cnico se hace referencias a la bibliografía empleada y la normalización respectiva. Dar las referencias bibliográficas de su informe de la prácticaG por eemplo U1V. QesSs "raile ora% Wáquinas 'l&ctricasX% craY 3ill% 6ra. 'dición% #77=. U#V "itzgerald $. '. Charles ingsley Qr% tephen D. 5mans% Wáquinas 'l&ctricasX% craY 3ill% 6ra. 'dición% #77-.
$B'JD@C' uplemento que se incluye al final del informe de un trabao de investigación
$J'ZK $dunte todo material relacionado con la redacción del informe de práctica que ayude a comprender su información presentada.
Dr. ois&s Carlos 2anca 8illanueva
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