UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA MECÁNICA-ELÉCTRICA Y MECATRÓNICA LABORATORIO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS II GUÍA DE PRÁCTICAS Guía Lab.: LA MÁQUINA SÍNCRONA COMO MOTOR Y REGULADOR DEL FACTOR DE POTENCIA. 1.- OBJETIVO: Verificar la operación de la máquina sincronía como compensador del factor de potencia de planta. 2.- FUNDAMENTO TEÓRICO: Convenios de Signos Recordemos que la potencia reactiva no representa a una potencia realmente consumida. Cuando existen elementos capaces de almacenar energía (inductancias y condensadores), durante medio ciclo la energía fluye del generador hacia la carga, donde queda almacenada en forma de campo magnético (inductancias) o de campo eléctrico (condensadores). Durante el medio ciclo restante, la energía previamente almacenada es devuelta al generador. Por lo tanto, la potencia reactiva proviene de una energíaque va y viene del generador hacia la carga y viceversa y cuyo valor medio es nulo. El comportamiento frente a la potencia reactiva de las inductancias y de los condensadores es diferente. En el medio periodo en el que una inductancia está recibiendo energía desde el generador, un condensador está devolviendo al generador la energía que había almacenado previamente y viceversa. Por convenio establecemos que una carga inductiva consume energía reactiva y un condensador la genera. Realmente ambos consumen por término medio una potencia nula, pero de esta manera distinguimos las dos formas diferentes de actuar de bobinas y de condensadores. Así pues, en un circuito con factor de potencia inductivo la carga consume potencia reactiva y, por tanto, el generador estará generando potencia reactiva. Análogamente, en un circuito con factor de potencia capacitivo la carga genera potencia reactiva y, por tanto, el generador la estará consumiendo.
Consideremos una máquina síncrona que creíamos que iba a funcionar como generador, por lo que le aplicamos el convenio de signos de la Fig. 3 y se obtuvo que su potencia activa es negativa (P < 0) mientras que la reactiva es positiva (Q > 0). Esto significa, que:
En la Fig. 4 el ángulo φ es superior a 90º, sin embargo, no es habitual el trabajar con ángulos de desfase mayores de 90º. El que haya salido un ángulo φ de esta manera es debido a que la máquina síncrona está consumiendo potencia activa P y, en realidad, está actuando como un motor (y, por lo tanto, es una carga) y no como un generador. Lo lógico sería haber utilizado en este caso el convenio de signos para motor (es decir, el convenio de signos de carga) que se muestra en la Fig. 5. Con este convenio el diagrama fasorial pasa a ser el de la Fig. 6.
El convenio de signos motor, representado en la Fig. 5, es el mismo que para las cargas (Fig. 2). La diferencia entre las Figs. 2 y 5 es que, para distinguir este convenio del utilizado cuando la máquina se la considera generador, se ha colocado el subíndice m a la corriente y al ángulo φ. Comparando las Figs. 3 y 5 y las Figs. 4 y 6, se observa que las corrientes I e Im son opuestas y que los ángulos φ y φm deben sumar 180º (Fig. 7).
Potencia en una Máquina Síncrona:
Consideremos una máquina síncrona cilíndrica actuando como generador. Supondremos que la resistencia de las fases del estator es despreciable (R≈0) y que su reactancia síncrona Xs se la puede considerar constante. En estas condiciones y aplicando el convenio de signos de generador se puede utilizar el circuito equivalente de la Fig. 8, que da lugar al diagrama fasorial de la Fig. 9.
Supongamos una máquina síncrona cilíndrica de resistencia del estator R despreciable, corriente de excitación Ie constante (luego, E0 permanece constante) y reactancia síncrona Xs constante que está conectada a una red de potencia infinita. El hecho de que se trate de una red de potencia infinita significa que la tensión V y la frecuencia f en bornes del inducido serán constantes. Esto, a su vez, conlleva que la velocidad de sincronismo Ω1 permanecerá invariable.
Cuando se considera que el ángulo δvaría entre -180º y +180º y se emplea el convenio de signos generador, se deduce que:
Si δ> 0, resulta que P > 0 y la máquina actúa como generador. Si δ< 0, resulta que P < 0 y la máquina actúa como motor.
Luego:
Si el fasor E0 está adelantado con respecto a V, la máquina actúa como generador.
Si el fasor E0 está retrasado con respecto a V, la máquina actúa como motor.
3.- ELEMENTOS A UTILIZAR: Para los fines del ensayo se utilizará:
Multimetro Puente de resistencias Amperímetro DC Cosfímetro Grupo motor-generador síncronos Motor trifásico y resistencias de carga
4.- PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN:
Reconocer e identificar los terminales de las máquinas síncronas, medir las resistencias internas de todas las bobinas de las máquinas (campo y armadura) Elaborar los diagramas eléctricos completos de ambas máquinas.
a) Generador
b) Motor
Registrar la corriente de arranque y la potencia que consume el grupo durante el arranque. Corriente de arranque IA=115 A Potencia durante el arranque P=54.2 kW Corriente de armadura IARMADURA=0.63 A Tensión Remanente VREMANENTE=10.9 V Armar el circuito de control de la corriente de excitación con una fuente externa, registrando la corriente de excitación para un factor de potencia unitario. Partiendo de este valor variar la corriente de excitación para tener diez registros de factores de potencia inductivos, cuidando que la corriente de campo no pase su valor nominal, registrar en cada caso el f.p., la corriente de armadura, la potencia activa, reactiva, aparente, la tensión y la corriente de excitación. Retornar al factor de potencia unitario, a partir de este valor, variar la corriente de campo para que el grupo trabaje con un factor de potencia capacitivo, registrar diez valores y en cada caso registre los mismos parámetros registrados en la prueba precedente. Para obtener buenos resultados, acoplar una carga a los terminales de salida del alternador.
Resistivo Cosɸ
Iexcit (A)
1
0.20
V
(V) 393
IA (A)
P
4.81
(kW) 3.26
Q (kVAR)
S (kVA)
0
3.26
Q (kVAR)
S (kVA)
Capacitivo Cosɸ
Iexcit (A)
V
(V)
IA (A)
P
(kW)
0.9
0.23
393
5.34
3.27
-1.56
3.64
0.8
0.26
392
6.03
3.29
-2.43
4.12
0.7
0.30
393
7.09
3.39
-3.44
4.80
0.6
0.32
392
8.36
3.45
-4.53
5.69
0.5
0.36
392
10.4
3.64
-6.10
7.09
0.4
0.44
392
14.4
3.91
-9.01
9.79
0.3
0.7
393
26.05
5.64
-17.1
18.0
Q (kVAR)
S (kVA)
0
3.26
Inductivo Cosɸ
Iexcit (A)
1
0.20
V
(V) 393
IA (A) 4.81
P
(kW) 3.26
0.9
0.15
392
5.13
3.16
1.51
3.53
0.8
0.12
392
6.02
3.29
2.49
4.06
0.7
0.1
393
6.64
3.16
3.20
3.50
0.6
0.08
393
7.79
3.20
4.24
5.31
0.5
0.06
393
9.52
3.23
5.61
6.44
Graficar: Iexcit - Cos φ 0.6 0.5 0.4 0.3
Corriente de Excitación (Iex)
0.2 0.1 0 -1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Factor de Potencia (Cosɸ)
5.- CUESTIONARIO DE EVALUACIÓN DE LABORATORIO: 5.1.- Considerando los datos registrados en el taller graficar la corriente de excitación y el factor de potencia. Registre y tabule los datos. Determinar la condición de máxima eficiencia del sistema. La condición de máxima eficiencia es cuando el cosɸ=1, ya que no hay potencia reactiva y la potencia activa es igual a la potencia aparente. Esto genera una menor demanda de corriente para la misma potencia, y genera un menor costo de instalación. 5.2.- Con los registros de operación con factor de potencia capacitivo. Graficar la curva corriente de excitación- factor de potencia. Registrar y tabular los datos.
0.6 0.5 0.4 0.3
Corriente de Excitación (Iex)
0.2 0.1 0 -1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Factor de Potencia (Cosɸ)
5.3.- Dibujar los diagramas fasoriales correspondientes de flujos y tensiones para los casos extremos de factor de potencia inductivo, capacitivo y el unitario.
5.4.- Para cada caso analizado en los ensayos determinar el ángulo de carga de la máquina. La impedancia síncrona del motor es:
X m =4 Ω
Partiendo de la fórmula:
E´ A =V´ A −J X S∗I´A
393 ⌊ 0° ¿ =226.90 ⌊ 0 ° √3 V A =¿ ¿
FACTOR DE POTENCIA CAPACITIVO Cosɸ
Iexcit (A)
0.3
0.7
V
(V) 393
− j 4∗26.05 ⌊ 72.54 ¿ E A =226.90 ⌊ 0 ° ¿ ¿=327.79 ⌊−5.47 ° ¿ ¿
IA (A) 26.05
P
(kW) 5.64
Q (kVAR)
S (kVA)
-17.1
18.0
FACTOR DE POTENCIA INDUCTIVO Cosɸ
Iexcit (A)
0.5
0.06
V
(V) 393
IA (A)
P
9.52
(kW) 3.23
Q (kVAR)
S (kVA)
5.61
6.44
Q (kVAR)
S (kVA)
0
3.26
− j 4∗9.52 ⌊−60 ¿ E A =226.90 ⌊ 0 ° ¿ ¿=194.85 ⌊−5.60 ° ¿ ¿ FACTOR DE POTENCIA RESISTIVO Cosɸ
Iexcit (A)
1
0.20
V
(V) 393
IA (A) 4.81
P
(kW) 3.26
− j 4∗4.81 ⌊ 0° ¿ E A =226.90 ⌊ 0 ° ¿ ¿=227.71 ⌊−4.85 °¿ ¿ 5.5.- ¿Qué sucede si durante el proceso de variación de la corriente de excitación se abre el circuito de control de campo? Puede generar una corriente de ruptura que ocasionaría chispas en el interruptor y en el colector del generador y una brusca variación de los esfuerzos mecánicos. Esto puede ocasionar averías en el motor-generador. Por lo que se necesita descargar la máquina de forma gradual, maniobrando el reóstato de campo lentamente de forma que la carga se reduzca lentamente a cero. Para desexcitar la máquina, se cierra el circuito de excitación sobre sí mismo y al mismo tiempo se abre su comunicación con una de las barras de excitación. Luego de esto, se abren los interruptores de las barras de excitación. 6.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:
Se puede compensar el factor de potencia alimentando el motorgenerador variando la corriente de excitación del circuito. El factor de potencia puede ser compensado sin el uso de bancos de capacitores. Se debe tener cuidado al momento del arranque del motor-generador, porque puede haber cortocircuitos si los cables están muy cerca entre ellos.
El uso de resistencia en delta (con 2 en cada rama en serie) nos consumió 2.4A de corriente. Al conectar las resistencias de cada rama en paralelo nos consumió 4.5A de corriente, pero fue muy grande para los cables y se quemaron. Es uso de resistencias y un motor-generador conectados a nuestra máquina síncrona, fue para hacer que trabaje con carga y que no trabaje en vacío. Los datos negativos y positivos de la potencia reactiva son producto del factor de potencia; si es inductivo es positivo y si es capacitivo es negativo.
7.- BIBLIOGRAFÍA:
http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Maq.%20sincrona%20en %20red%20y%20en%20paralelo.pdf http://www.cdlima.org.pe/docs/curso_reguladores.pdf http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Potencia_Estabilidad %20sincronas.pdf http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Potencia_Estabilidad %20sincronas.pdf http://sistemamid.com/panel/uploads/biblioteca/2014-09-01_08-1610109229.pdf https://www.scribd.com/doc/103691873/GENERADOR-SINCRONO
