UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO
Facultad De Ingeniería Eléctrica
Laboratorio de Máquinas Eléctricas II
Alumno: Hugo Eduardo Eduardo Vega Ayala Profesor: M. C. José Alberto Avalos González Matricula: 0702570C Grado: 7o. Semestre Sección: 602-01(10:00 a 12:00 hrs) Fecha de realización: Lunes 25 de Noviembre del 2013
Fecha de entrega: Lunes 9 de Diciembre del 2013 Objetivo: Sincronizar la máquina síncrona con las líneas de CFE, de modo de poderla operar como inductor y como capacitor para ambos modos de funcionamiento de la máquina: motor y generador. Material y equipo a utilizar:
Máquina síncrona Máquina de CD Medidor de potencia real y reactiva Amperímetros de CA Voltímetros de CA Módulo de sincronización 2 reóstatos de campo Medidores de frecuencia
Introducción Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna que convierte energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso utilizada como motor síncrono, o bien convierte energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizada como generador síncrono, o sin carga como compensador síncrono. Las máquinas síncronas se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna que como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes métodos de arranque y aceleración hasta la velocidad de sincronismo. Las máquinas síncronas están entre los tres tipos más comunes de máquinas eléctricas; las maquinas sincrónicas son maquinas de corriente alterna que se caracterizan por tener una velocidad dependiente directamente de la frecuencia de la red. Pueden ser monofásicas o trifásicas, especialmente en aplicaciones de potencia; se llaman así porque trabajan a velocidad constante y frecuencia constante en condiciones de operación estacionarias. Como la mayoría de las máquinas giratorias, una máquina síncrona es capaz de trabajar como motor o generador e incluso como reactor o como condensador. La operación de un generador síncrono o alternador se basa en la ley de Faraday de inducción electromagnética y un generador síncrono trabaja de manera muy semejante a un generador de corriente continua, en el que la generación de Fem se logra por medio del movimiento relativo de entre conductores y un flujo magnético. Al colocar una espira dentro de un campo magnético y hacerlo girar, sus lados cortaran las líneas de fuerzas de campo, induciéndose entonces una fuerza electromotriz que se puede verificar entre los extremos del conductor de forma de
espira. Las dos partes básicas de una máquina síncrona son la estructura del campo magnético, que lleva un devanado excitado por corriente continua y la armadura. Una barra infinita es una barra de un sistema eléctrico donde la tensión (módulo y ángulo) y la frecuencia se mantienen constantes para cualquier condición de carga del sistema. Una máquina sincrónica conectada a una barra infinita que tiene una frecuencia f, está obligada a girar a la siguiente velocidad:
Llamada velocidad sincrónica, donde P es el número de polos de la máquina.
Como generador: Una turbina acciona el rotor de la máquina sincrónica a la vez que se alimenta el devanado del rotor con corriente continua. El entrehierro variable o la distribución del devanado de campo contribuyen a crear un campo más o menos senoidal en el entrehierro, que hace aparecer en los bornes del devanado de estator una tensión senoidal. Al conectar al devanado inducido una carga trifásica equilibrada aparece un sistema trifásico de corrientes y una fuerza magnetomotriz senoidal. Como motor: En este caso se lleva la máquina síncrona a la velocidad de sincronismo, pues la máquina síncrona no tiene par de arranque, y se alimentan el devanado de rotor con corriente continua y el devanado de estator con corriente alterna. La interacción entre los campos creados por ambas corrientes mantiene el giro del rotor a la velocidad de sincronismo.
Para conectar una máquina sincrónica a la red, previo al cierre del interruptor es necesario "sincronizar" la máquina. Es decir, generar un voltaje trifásico de igual secuencia, magnitud, frecuencia y en fase con el voltaje de la red. Las grandes centrales generadoras disponen de elementos automáticos que controlan los deslizamientos máximos de modo de efectuar la conexión de la máquina al sistema con mínimas alteraciones o perturbaciones, quedando el alternador sin carga después del cierre del interruptor. La magnitud de la potencia activa en bornes de la máquina depende de la turbina. La potencia reactiva se controla con la excitación del alternador. La máquina conectada a la red puede trabajar como motor o generador, dentro de los límites de su "carta de operación", determinada por sus parámetros y las limitantes propias de sus circuitos y elementos. En el trabajo de laboratorio se ensayará la sincronización de la máquina a la red en condiciones normales y anormales; se hará funcionar como motor y como generador, sobre y subexcitado; se determinarán los límites de su carta de operación. Para ello, se trabajará con una máquina sincrónica trifásica acoplada a una máquina de CD de excitación independiente.
Desarrollo de la práctica. - Implementar el circuito de la siguiente figura, de manera de que se sincronice la máquina síncrona con la red de CFE.
Para cumplir con el requerimiento de sincronización es necesario que tanto las secuencias de fases, las frecuencias y los voltajes en ambos lados del circuito sean iguales. Entonces, una vez implementado el circuito con todas las conexiones necesarias, se procede a cumplir los requerimientos de sincronización entre ambos lados del sistema. Para lograr que las secuencias de fases sean iguales los 3 focos del módulo de sincronización deben parpadear en los mismo instantes, si no ocurre eso, se intercambian las terminales de las fases en uno de los dos lados del módulo hasta lograr que parpadeen los 3 focos al mismo tiempo. Para lograr que las frecuencias sean iguales (60 Hz) se hace girar el reóstato de campo de la máquina de Shunt hasta que los focos del módulo de sincronización dejen de parpadear o lo hagan lo más lento posible. Finalmente, para lograr que los voltajes sean iguales (208 v) se varía el reóstato de campo de la máquina síncrona hasta que los focos se apaguen por completo o al menos que se tenga la menor intensidad posible. Si alguna de las condiciones anteriores no se efectúa correctamente, la sincronización no será posible y en el momento en que se suba el interruptor de la máquina síncrona existirá un cortocircuito. Si al subir el interruptor la máquina sigue funcionando correctamente será señal de que se logró estar en sincronía con la red de CFE. - Una vez sincronizada la máquina, llevarla a trabajar en sus diversas condiciones de operación: generador, generador sub y sobrexcitado, motor, motor sub y sobrexcitado. Trazar un circulo de potencias para un valor de S=750 VA. Primeramente se tenían que realizar las mediciones de la máquina como puro generador hasta 1.4 kW pero no se alcanzaba ese valor debido a que se tenía la alimentación de la máquina de CD en la fuente fija, por lo que para alcanzar los
1400 w se cambió a la fuente variable con 208 v fijos. Pero después para tener la máquina como capacitor a 1.4 kVAR’s tampoco se lograba alcanzar, por lo que se cambió este valor a 750 para todas las condiciones, donde se obtuvieron los siguientes valores:
Operación como generador sobrexcitado
Operación como generador subexcitado
P(watts)
Q (VAR’s)
S(VA)
P(watts)
Q (VAR’s)
S(VA)
750
0
750
-750
0
750
600
450
750
-600
-450
750
500
559.02
750
-500
-559.02
750
400
634.43
750
-400
-634.43
750
300
687.39
750
-300
-687.39
750
200
722.84
750
-200
-722.84
750
100
743.30
750
-100
-743.30
750
0
750
750
Capacitor
0
-750
750
Inductor
750
0
750
Generador
-750
0
750
Motor
600
-450
750
-600
450
750
500
-559.02
750
-500
559.02
750
400
-634.43
750
-400
634.43
750
300
-687.39
750
-300
687.39
750
200
-722.84
750
-200
722.84
750
100
-743.30
750
-100
743.30
750
0
-750
750
0
750
750
Generador
Generador sobrexcitado
Generador Subexcitado
Inductor
Motor
Motor subexcitado
Motor sobrexcitado
Capacitor
Para hacer variar los valores de las potencias, se hacían girar los reóstatos de campo, según la condición de la máquina o el tipo de potencia que se quería modificar, el reóstato de la máquina síncrona que aumenta o reduce directamente la potencia real al aumentar la corriente de campo o el reóstato de la máquina de CD que variaba la potencia reactiva al reducir los valores de la corriente. Conclusiones
Con el desarrollo de esta práctica se logró sincronizar nuestra máquina con la red de comisión federal de electricidad. Además de que se pudo hacerla trabajar en sus diversas regiones de operación: capacitor, inductor, generador, motor, etc. La sincronización de la máquina no es un proceso muy complicado, siempre y cuando se tenga cuidado y sobre todo buena precisión para ajustar los valores que se requieren que sean iguales. El parámetro que resulta un poco más complicado de equilibrar es la frecuencia, ya que varía constantemente y no permite que los focos del módulo de sincronización dejen de parpadear. Pero una vez que se logra la sincronización es sólo cuestión de hacer variar los reóstatos de campo para hacer generar o demandar potencia real o aparente ya sea con el reóstato de la máquina síncrona o con el de la máquina de CD respectivamente.
