LABORATORIO MAQUINAS- Máquina Síncrona

PRÁCTICAS DE LABORATORIO MÁQUINAS ELÉCTRICAS

GENERADOR SÍNCRONO

INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL, ESPECIALIDAD EN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL MÁQUINAS ELÉCTRICAS - PRÁCTICAS DE LABORATORIO

TÍTULO: DETERMINACIÓN

DE LAS CARACTERÍSTICAS DE VACÍO, VACÍ O, CORTOCIRCUITO CORTOCIRC UITO Y REACTIVA

DE UNA MÁQUINA SÍNCRONA.

1. OBJETIVO Para la realización de esta práctica, realizaremos tres ensayos independientes que vacío, ensayo ensayo de cortoci cortocirrcuito cui to y ensayo con carga carga reactiva reactiva, teniendo son; ensayo de vacío, como característica común los tres, el hecho de que la potencia eléctrica generada va a ser nula. Decimos que la potencia eléctrica es generada, ya que para esta práctica nuestra máquina no va a trabajar tr abajar como motor sino que como generador. Para ello necesitaremos un motor de arrastre, que será la máquina asíncrona funcionando como motor (ya vista en la práctica anterior), debido a que el generador síncrono no puede funcionar como generador por si solo si no tiene un elemento de arrastre que lo haga girar. Nuestro objetivo por tanto será determinar las características de la máquina trabajando en estos tres modos diferentes, así lograremos entender mejor las cualidades eléctricas que este tipo de máquinas nos presentan. De esta manera, teniendo en cuenta que la máquina trabajará con una potencia entregada nula, el rotor de arrastre solo tiene que cubrir las pérdidas que se ocasionan en el interior, quedando definidos los tres tr es casos por: VACIO CORTOCIRCUITO CARGA REACTIVA

IL  0 VL  0

P  m1  V1  I1 cos 1

cos   0

2. GENERALIDADES Como su nombre lo indica son máquinas capaces de operar só1o a la velocidad sincrónica, esto es, a la velocidad mecánica equiva1ente a la velocidad de rotación del CMR producido por las corrientes del estator (motor). Estas máquinas operando cómo generador son usadas en las centrales para la generación de energía eléctrica (hidráulicas, térmicas o nucleares) en sistemas interconectados, figura 2.1. 2.1. En tales aplicaciones se les denominan generadores sincrónicos o alternadores y normalmente se operan con otras unidades en las distintas centrales, interconectadas interconectadas entre sí.

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GENERADOR SÍNCRONO

Fig.2.1 Sistema interconectado de energía eléctrica Al igual que muchas máquinas eléctricas, las máquinas sincrónicas pueden operar como generador o motor. En aplicaciones industriales los motores sincrónicos son usados donde es deseada velocidad constante. Una característica importante de estos motores es que pueden operar ya sea tomando o entregando potencia reactiva a la red dependiendo del nivel de excitación. Este tipo de máquinas es de doble excitación, esto es: los polos del rotor son alimentados con corriente continua mientras que los bobinados del estator están conectados a la red eléctrica. Por lo tanto, el flujo en el entrehierro es la resultante de ambas excitaciones. El motor de inducción solo es excitado por las corrientes del estator, ya que las corrientes de rotor son producto de un efecto inductivo, siempre operará con factor de potencia en retraso. Es decir, que con una apropiada excitación, el motor sincrónico puede no requerir potencia reactiva de la red para su operación y trabajar con factor de potencia unitario. Aumento o disminución de la corriente de campo involucrará en un aporte o consumo de potencia reactiva a la red eléctrica con lo que se puede regular la tensión en sistemas con factor de potencia bajo.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO: En general la maquina sincrónica tiene en el estator el bobinado de armadura del tipo trifásico y en el rotor el enrollado de excitación alimentado con corriente continua, figura 3.2.


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Desde el punto de vista constructivo se distinguen dos formas: de rotor cilíndrico y de rotor de polos salientes, como se muestra en la figura 3.3 a y b. Las MS de rotor cilíndrico se utilizan en aplicaciones de alta velocidad (2 y 4 polos), turbo alteradores. Las MS de polos salientes son mas apropiadas para bajas velocidades (alto numero de polos) y generalmente se aplican en hidrogeneradores.

Fig.3.2 Representación esquemática de la máquina sincrónica

a)

b)

Fig.3.3 Maquina sincrónica. a) Rotor cilíndrico, b) Polos salientes Para alimentar el circuito de excitación existen, básicamente, dos procedimientos: - Mediante el juego de anillos rozantes – escobillas. - Utilización de un sistema de suministro de c.c. a partir de la generación de la potencia necesaria en una fuente montada sobre el mismo eje de la máquina. En su funcionamiento como generador, el devanado rotórico es alimentado con una tensión continua, que proporcionará un campo  0 cuya curva de inducción en el 1ER CURSO INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL, ESPECIALIDAD EN ELECTRÓNICA

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entrehierro es de forma sinusoidal. Si mediante un sistema exterior aplicamos un par de giro al rótor este se desplazará con una velocidad angular 1, siendo el flujo concatenado con el circuito inducido, una función periódica y que dependerá de su posición respecto al eje del inductor.

  N   0  cos 1t Esta variación de flujo inducirá una f.e.m. igual a: et  



d  dt

 N   0  sin  1t   E 0  sin  1t

Si en lugar de haber una bobina sola existen tres bobinas desplazadas, obtendremos un sistema de tensiones trifásico. Si el circuito inducido se encuentra cerrado a través de una carga trifásica, circularán unas corrientes que darán lugar a un campo que gira en el mismo sentido que el rotor y con una velocidad igual a la del rotor, dada por: n1 

60  f 1 P

La presencia de los campos del sistema inductor e inducido originan un par que funcionando como generador, será de sentido contrario al desplazamiento del rótor actuando como par resistente. Cuando la máquina síncrona funciona como motor, se alimentan los circuitos inductor e inducido. La alimentación del devanado inducido mediante un sistema trifásico de corrientes, da origen a un campo magnético giratorio de velocidad: n1 

60  f 1 P

Mientras el rótor esté en reposo, aunque se encuentre alimentado con una corriente continua, el par será nulo. El campo de rótor se encuentra fijo en el espacio mientras que el del estator gira a velocidad de sincronismo. El par resultante entre ambos campos, cambiaría alternativamente de sentido siendo nulo a lo largo de un periodo. Este inconveniente en el arranque puede ser salvado si, mediante otra máquina auxiliar, lanzamos el rotor a una velocidad próxima a la del campo del estator. Esta situación permitiría un par resultante no nulo, funcionando ahora la máquina como motor. Si debido a un incremento importante del par resistente ofrecido por la carga, el ángulo de desfase entre ambos supera los 90º eléctricos, el par cambiaría de sentido, lo que originaría la parada del motor.


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4. REALIZACIÓN PRACTICA Y CONEXIONADO PARA EL MONTAJE: FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA COMO GENERADOR Como en el resto de las máquinas, el funcionamiento de la máquina síncrona como generador y como motor, presenta particularidades que conviene ser analizadas de forma diferenciada. En esta práctica analizaremos el comportamiento de la máquina como generador, y realizaremos tres ensayos como ya se ha comentado anteriormente; ensayo de vacío, ensayo de cortocircuito y ensayo con carga reactiva.

ENSAYO EN VACIO Se utiliza para conocer la característica de vacío, que es la curva que representa la f.e.m. en vacío en función de la corriente de excitación, teniendo una corriente del inducido nula y velocidad constante de giro. La máquina funciona en vacío cuando no existe carga alguna acoplada al circuito inducido. En vacío, la máquina es alimentada por el inductor con corriente continua, para que aparezca un campo magnético fijo, al hacerlo girar con le motor de arrastre lo convertimos en campo magnético giratorio de velocidad n1, la misma que la del motor de arrastre. En el devanado del estator cuando hay un campo magnético en movimiento (variable), las bobinas inducen un sistema de tensiones trifásicas y equilibradas de valor por fase: E 0  4,44    f 1  N  0  k  0  

Para una velocidad constante, el valor de la f.e.m. es función del flujo y por tanto de la corriente de excitación. E 0  f Iex 

Su determinación gráfica se realiza de forma similar a la de las máquinas de corriente continua, haciendo funcionar la máquina a la velocidad de sincronismo y tomando valores de la tensión inducida para distintas corrientes en el circuito de excitación. La forma de la curva responde al comportamiento del circuito magnético, presentando una zona donde existe una linealidad entre I ex y E0. A medida que el circuito comienza a saturarse, se inicia un codo para posteriormente continuar, aproximadamente en forma de recta, donde para incrementos mínimos en la f.e.m. inducida se requiere grandes valores de la corriente de excitación. La frecuencia dependerá de la velocidad de la máquina asíncrona: n1 

60  f 1 P


f 1 

n1  P 60

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Se aprecia que con más pares de polos se necesita menor velocidad para tener una frecuencia de 50Hz, que es la que tenemos de la red y por tanto del giro de la máquina asíncrona. La máquina que vamos a utilizar es de 4 polos, por lo que la velocidad necesaria serán 1500 rpm. El ensayo lo empezamos arrancando la máquina asíncrona que arrastrará a la síncrona a velocidad constante. Luego alimentamos el circuito de excitación con una fuente de alimentación de continua y utilizamos el regulador de tensión para variar el valor de la corriente. Iremos aumentando la excitación y se tomarán medidas de la tensión, hasta llegar a la zona de saturación que se da con la intensidad máxima. Luego disminuimos la excitación hasta llegar a cero midiendo tensiones. Con los datos obtenidos haremos dos curvas. La diferencia de una curva a otra es la histéresis, pereza de los materiales a magnetizarse y desmagnetizarse. De esta manera, la curva característica será una media de las dos. Una vez conocida la curva característica con velocidad determinada, sabremos cómo es la característica de otra máquina a distinta velocidad con la relación: E 0' E0



n' n

ZONA SATURACIÓN ZONA LINEAL

La máquina ya no da más de sí

El alternador puede dar algo de tensión con Iex = 0, debido a la magnetización residual que pueda quedar en la máquina.


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R

S

GENERADOR SÍNCRONO

R S T

T

Convertidor/ Regulador

c.a. c.c. A

M.A. 3

M.S. 3

Conexión triangulo

u

V

v

Conexión triangulo

w

Aparatos a utilizar -

1 voltímetro 1 amperímetro de cuadro movil (valor medio). Los valores que se tomarán en los aparatos de medida serán: V A

Vf Iex

( Tensión de fase) (Corriente de excitación)

Nota: tener en cuenta las constantes de los aparatos de medida.

ENSAYO EN CORTOCIRCUITO La característica de cortocircuito representa la relación entre la corriente de inducido y la de excitación, funcionando la máquina a su velocidad nominal y con los bornes de salida en cortocircuito. De la ecuación de la máquina y para una tensión en bornes V = 0. 



I Lcc 

E0 R  jXs





E0 jXs

Como podemos observar, la corriente de cortocircuito es totalmente reactiva, luego la f.m.m. de reacción del inducido es desmagnetizante. La carga de la máquina, la reactancia síncrona, hará frente a la magnetización que la Iex produce y se anula el efecto.


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La curva característica en este caso es prácticamente lineal ya que se trabaja con magnetizaciones muy bajas en la zona lineal. Representando conjuntamente las características de vacío y cortocircuito podemos obtener el valor de la impedancia síncrona.

Si la máquina no se saturase crecería linealmente en tensión.

Sobre la parte rectilínea de la característica de vacío y para un valor determinado de la corriente de excitación mediremos sobre la característica lineal la f.e.m inducida en vacío por fase y sobre la característica de cortocircuito la corriente de cortocircuito por fase. La impedancia síncrona no saturada nos viene definida como el cociente entre la f.e.m. y la corriente. X NS 

O A O B

Midiendo sobre la curva real de vacío, en lugar de tomar como referencia la característica lineal, obtendríamos la impedancia síncrona saturada. X SS 

O A ' O B '

El funcionamiento es igual que antes, puesto que el esquema es el mismo. Arrastramos la máquina síncrona con la asíncrona y la excitamos igual. El primer punto lo obtendremos donde la corriente de excitación puede ser nula o muy cercana a cero, luego iremos aumentando la corriente, aumentando también el flujo, tensión del inducido y la corriente de cortocircuito. Aumentaremos la corriente de cortocircuito hasta valores nominales o algo mayor. Como ya hemos dicho, la característica tiene carácter lineal porque el circuito no estará saturado.


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Zs = R + jXs

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Xs combina la reacción del inducido con los flujos de dispersión.

E0 = V + ZsI = V +(R + jXs)I 

c



E0



V

 100

V

R

S

T

R S T Convertidor/ Regulador

c.a. c.c. A1

M.A. 3

M.S. 3

Conexión triangulo

u

A2

v

Conexión triangulo

w


1 amperímetro de cuadro movil (valor medio) 1 amperímetro de hierro movil (valor eficaz) Los valores que se tomarán en los aparatos de medida serán: A1 cuadro movil A2 hierro movil

Iex IL

(Corriente de excitación) (Corriente de linea de fase)

Nota: tener en cuenta las constantes de los aparatos de medida y que lo que se

quiere obtener es corriente de fase.

ENSAYO CON CARGA REACTIVA La característica reactiva es la curva que representa la tensión en bornes, en función de la corriente de excitación, cuando la máquina trabaja con una carga inductiva pura de valor constante y corriente constante ( I = cte , cos  = 0). Para obtener el primer punto ponemos el inducido en cortocircuito. Se pone en marcha el motor de arrastre, alimentamos con c.c. la máquina síncrona y vamos aumentando la corriente de excitación hasta que A 2 mida un valor de I = cte = In , u otro valor que sea constante y de esta manera V = 0. Luego se quitará el cortocircuito y se


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introducirá una carga inductiva, la corriente disminuirá por el aumento de carga, entonces habrá que subir la Iex hasta lograr que la corriente del inducido sea la nominal. Se irán tomando valores de los aparatos de medida.

El ensayo de vacío es un caso particular de este, solo que ahora la corriente no será cero porque hay carga. Se notará una leve caída de tensión debido a que siempre cae algo en la Rinducido y Rcarga. Además, habrá una reacción del inducido, y como es carga inductiva reactiva, será completamente desmagnetizante. Nosotros magnetizaremos la máquina con Iex y la desmagnetización será debida a esta carga. Por ello para compensar este efecto hay que meter más corriente Iex. Si no se puede alcanzar la In se cogerá un valor próximo. La característica reactiva es como la de vacío pero desplazado el triangulo de Potier. En este triangulo un cateto es proporcional a la fuerza de reacción del inducido y el otro a la caída de tensión de Xs, reactancia síncrona, a la reacción de dispersión. Para obtener el triangulo de Potier se traza una recta por una tensión determinada V y se corta a la característica reactiva hasta D, luego se mide la distancia OA y se la ponemos a la recta creada siendo D = A’ y el otro punto O’. Se hace una paralela a la recta de no saturación por el punto O’ y cuando corte a la característica de cortocircuito

se tiene B. R

S

T

R S T Convertidor/ Regulador

c.a. c.c. A1

u

M.A. 3 Conexión triangulo

SE CONECTA EN BORNES DEL INDUCIDO

M.S. 3

u

V


v

Conexión triangulo

v

w

A2

w

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1 amperímetro de cuadro móvil (valor medio) 1 amperímetro de hierro móvil (valor eficaz) 1 voltímetro Los valores que se tomarán en los aparatos de medida serán: A1 cuadro móvil A2 hierro móvil V

Iex IL Vf

(Corriente de excitación) (Corriente de línea de fase) ( Tensión de fase)

Nota: tener en cuenta las constantes de los aparatos de medida y que lo que se

quiere obtener es corriente de fase.

5. RESULTADOS OBTENIDOS: Se pide calcular: a) Curvas características de los ensayos y explicaciones. b) ¿Qué ocurre si la carga del ensayo a carga reactiva esta en triangulo o estrella? Comentarlo.


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