UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI COTOPA XI PRÁCTICA DE LABORATORIO CARRERA
CÓDIGO DE LA ASIGNATURA ASIGNA TURA
NOMBRE DE LA ASIGNATURA
INGENIERIA ELECTROMECÁNICA
IELM 503
MÁQUINAS ELÉCTRICAS II
PRÁCTICA N°
LABORATORIO: LAB ORATORIO:
2
NOMBRE DE LA PRÁCTICA:
1
MAQUINAS ELÉCTRICAS
DURACIÓN (HORAS)
GENERADORES SINCRONOS
1,5
OBJETIVO
Estudiar el principio de funcionamiento de un generador síncrono, las condiciones para la sincronización y los efectos de las cargas R,L,C en su funcionamiento .
2
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
2.1. INTRODUCCIÓN
Los generadores sincrónicos o alternadores son máquinas sincrónicas utilizadas para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica AC. Este capítulo estudia los generadores sincrónicos, cuando operan solos o cuando operan conjuntamente con otros generadores. Los generadores sincrónicos son por definición sincrónicos, lo cual significa que la frecuencia eléctrica producida está entrelazada o sincronizada con la tasa mecánica de rotación del generador. Un rotor de generador sincrónico consta de un electroimán al cual se suministra corriente directa. El campo magnético del rotor apunta en cualquier dirección según gire el rotor. La relación entre la tasa de giro de los campos magnéticos de la máquina y la frecuencia eléctrica del estator se expresa mediante la ecuación
CIRCUITOEQUIVALENTE DE UNGENERADOR SINCRÓNICO
El voltaje EA es el voltaje interno generado, en una fase del generador sincrónico. Sin embargo, este voltaje EA no es usualmente el voltaje que aparece en los terminales del generador. En efecto, la única vez en la cual el voltaje interno EA es el mismo voltaje de salida Vφ de una fase es cuando no fluye
corriente de armadura en la máquina. ¿Por qué el voltaje de salida V de una fase no es igual a EA y qué relación hay entre los dos voltajes? La respuesta a estas preguntas lleva al modelo de generador sincrónico.
EL GENERADOR SINCRÓNICO OPERANDO SOLO
Las conclusiones generales de este análisis sobre el comportamiento de los generadores sincrónicos son •
•
•
1. Si se adicionan cargas en atraso (+Q o cargas de potencia reactiva inductiva) al generador, Vφ y el voltaje en los terminales VT decrecen significativamente. 2. Si se adicionan cargas de factor de potencia unitario (cargas no reactivas) al generador, se presenta una ligera disminución en Vφ y en el voltaje de los terminales. 3. Si se adicionan al generador cargas con factor de potencia en adelanto (-Q o cargas de potencia reactiva capacitiva), Vφ y el voltaje en los terminales se incrementan GENERADORES SÍNCRONOS EN PARALELO
La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor. Seguramente todos nos planteamos la pregunta ¿Por qué la utilización de los alternadores en paralelo? Pues la respuesta seria que varios alternadores o generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. El tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. Tener varios generadores que operan en paralelo permite separar uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. Si hacemos un análisis simple vemos que al usar un solo generador y este operar cerca de plena carga, entonces será relativamente relativamente ineficiente. Con varios generadores más pequeños trabajando en paralelo, es posible operar sólo una fracción de ellas. Las que están operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente Condiciones requeridas
Para conectar generadores en paralelo es necesario tener muy en cuenta algunos aspectos para el correcto funcionamiento funcionamiento y de esta manera evitar cualquier tipo de problemas problemas tales como que los
generadores se dañen severamente y que la carga pierda potencia dichos aspectos se explican a continuación Voltajes iguales
Si los voltajes de los l os generadores generadores no son exactamente iguales, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectara. En otras palabras, el voltaje de fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a" y así en forma sucesiva para las fases b-b` y c-c`. Y también hay que asegurarse de ser iguales los voltajes de línea rms. r ms. Frecuencias iguales
Las frecuencias de los 2 o más generadores al igual que los voltajes deben ser las mismas ya que se ocasionarían graves problemas, problemas, esto lo podemos visualizar en las siguientes graficas: La primera grafica tiene 60 HZ y un voltaje fase de 120v
Fig. 1 Grafica del voltaje 120V, 60Hz
La siguiente grafica tiene 58 HZ apenas 2 HZ menor que la anterior y el mismo voltaje de fase
Fig. 2 Grafica del voltaje 120V, 58Hz
Y en la síguete grafica podemos ver la el resultado de que sucedería si ponemos a funcionar el generador a frecuencias diferentes diferentes (60HZ y 58 HZ)
Fig. 3 Diferencia de frecuencias 2Hz.
Como se puede ver en la gráfica gráfi ca resultante de la suma de las ondas a distintas frecuencias y al mismo voltaje se obtiene a la salida un voltaje 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 Secuencias de fase
Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase.
Fig.4 Secuencia de fases
"Un sencillo método permite comprobar la sucesión sucesi ón de fases. Para ello se recurre a un pequeño motor pequeño motor asíncrono trifásico, que se conecta provisionalmente provisionalmente a las l as barras de la red. Luego se
van acoplando sucesivamente, pero uno a uno, los distintos alternadores, pudiendo estar seguros seguros que la sucesión de fases es idéntica para todos ellos cuando el motor gira en el mismo sentido." Los ángulos de fase de las dos fases deben de ser iguales, la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores generadores sea la mism misma. a. Si la l a secuencia de fase es diferente entonces aun cuando un par de voltajes estén en fase, los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por 120º. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problema con la fase a, pero fluirá enormes corrientes en las fases b y c, lo que dañara ambas máquinas. 2.2. EQUIPO,
INSTRUMENTOS Y MATERIALES NECESARIOS
Módulo de fuente de energía (120/208V, 3φ, 120V c-d) c-d) Módulo de motor/generador DC Módulo de motor/generador síncrono Módulo de interruptor de sincronización Tacómetro de mano Cables de conexión Banda Módulo de resistencia Módulo de capacitancia capacitancia Módulo de inductancia Voltímetros Amperímetros
2.3. MEDIDAS
EMS 8821 EMS 8211 EMS 8241 EMS 8621 EMS 8920 EMS 8941 EMS 8942 EMS 8311 EMS 8331 EMS 8321
DE SEGURIDAD
Ropa de trabajo en laboratorio Equipos de medición en buen estado
2.4.
TRABAJO TRABA JO PREPARATORIO
SIMULAR EN LA VERSION DEMO DEMO DE Lab Volt Vol t EMS 2.4.1. 2.4.1.
ACTIVIDADES A DESARROLLAR
1.-Conecte el circuito de la figura 1 utilizando los módulos Módulo de fuente de energía (120/208V, 3φ, 120V c-d) EMS 8821 Módulo de motor/generador DC EMS 8211 Módulo de motor/generador síncrono EMS 8241 Módulo de interruptor de sincronización EMS 8621. Observe que la salida del generador está conectada, a través del interruptor de sincronización, sincronización, a la salida trifásica fija de 208V de la fuente de alimentación, terminales 1, 2, 3. El rotor del alternador va conectado a la salida fija de 120 VDC de la fuente de alimentación, alimentación, terminales 8 y N. El motor en derivación DC conecta a la salida variable de 0-120 0 -120 VDC de la fuente de alimen alimentación, tación, terminales 7 y N. Respuesta Respuesta : ver anexo 2.-Acople el motor DC al alternador por medio de la banda Respuesta Respuesta : ver anexo 3.-Ponga el reóstato de campo del motor DC en su posición extrema, haciendo girar en el sentido de las manecillas mane cillas del reloj (para resistencia máxima) Respuesta Respuesta : ver anexo 4.-Cambie el reóstato de campo del alternador a la otra posición extrema, haciéndolo girar en sentido contrario al de las mane manecillas cillas del reloj (para resistencia máxima) Respuesta Respuesta : ver anexo 5.-Ponga el interruptor de sincronización en posición abierta Si el motor síncrono tiene un interruptor S ábralo Respuesta Respuesta : ver anexo 6.-Conecte la fuente de alimentación y con el tacómetro de mano ajuste la salida de la fuente de alimentación para una velocidad del motor aproximadamente a 1800RPM
Respuesta Respuesta : ver anexo 7.-Mida el voltaje que proporciona la compañía de luz y fuerza E2 E2= 402.VAC Cierre el interruptor S y ajuste la excitación de C-d del alternador hasta que el voltaje de salida de tiene un interruptor S, ciérrelo Ajuste la excitación DC del alternador hasta que el voltaje de salida de éste! Sea igual al voltaje que proporciona la compañía de luz y fuerza, E2. Los voltajes debe mantenerse iguales durante el experimento. Respuesta Respuesta : Al poner en ig ualdad el voltaje tuve que reajustar el reóstato para ver la igualdad de voltaje en E1 y E2 8.-Las tres luces de sincronización deben parpadear, encendiéndose y apagándose intermitentemente Respuesta Respuesta : ver anexo 9.-Ajuste con cuidado la velocidad del motor DC hasta que la frecuencia de encendido de las lámparas sea bastante baja Respuesta Respuesta : ver anexo 10.-Si no todas se oscurecen y abrillantan simultáneamente, la secuencia de fase es incorrecta. Intercambie dos de los tres cables que salen del estator Respuesta Respuesta : en este instante las luces no c umplen con lo exigido en el laboratori laboratori o. 11.-Cuando los tres focos se hayan apagado por completo, los voltajes del alternador y del sistema estarán en fase Respuesta Respuesta : ver anexo 12.-Si los focos emiten luz continua, los voltajes del alternador y del sistema están desfasados 180º, el interruptor de sincronización nunca debe cerrar en estas condiciones Respuesta Respuesta : en el caso caso no se dio este este fenómeno, por lo tanto, el sistema de red y el alternador no se encuentran desfasados. 13.-Verifique que los voltajes de E1 y E2 son iguales. Si no es así ajuste de nuevo la excitación DC del alternador Respuesta : los voltajes E1 y E2 son igualesExplique por qué el voltaje de salida del alternador aumenta con carga capacitiva 3.1.
3.2.
ANAL ISIS DE RESULT RESULTADOS ADOS CUESTIONARIO
1 .-Qué condiciones se deben satisfacer para poder sincronizar un alternador a una línea de potencia trif ásica existente? existente?
Para poder sincronizar un equipo generador a un sistema de red , se deben cumplir ciertos puntos que son necesarios y esos son : a)Que ambos estén en sincronismo con las secuencias de fases b)Que ambos tengan las mismos rpm c)Que tengan el mismo voltaje . 2.2.- Un Un alternador podría sufrir gr andes daños mecánicos durante el proceso de sincronización con la línea de alimentación. alimentación. ¿en cuáles dos condi ciones p uede suceder esto? esto? Esto se puede dar en la ocasión en que el alternador no tenga la misma secuencia de faces que el sistema de red, el otro factor que puede producir daños mecánicos, es cuando nuestro alternador con el sistema red no tienen la misma frecuencia o rpm. 3.3.- Un alternador puede generar un vol taje diferente del de la línea de alimentación y puede no estar exactamente exactamente en fase con ella, pero pero debe satisfacer una co ndici ón p ara que pueda entregarle potencia. ¿Cuál ¿Cuál es esta condi ción?
Que ambos tengan la misma frecuencia para no generar daños mecánicos. CONCLUSIONES
Por medio medio del trabajo realizado, podemos mensinonar mensinonarrr que es de mucha utilidad tanto para estudiantes como para profesionales, debido a que nos permite conocer cada uno de los elementos que contiene un motor eléctrico eléctric o trifásico por medio medio de esta investigación. investigaci ón.
Con las necesidades reales de la Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas de la Universidad Técnica de Cotopaxi dentro del área de Electromecánica se lograra obtener un estudio amplio de lo que son los motores eléctricos trifásicos; lo cual servirá para que el estudiante pueda desarrollarse a nivel profesional. profesional.
Los motores de corriente continua son de menos utilización que los motores de corriente corrient e alterna en el área industrial, debido que los motores de corriente alterna se alimentan con los sistemas de distribución de energías “normales”.
RECOMENDACIONES
Seleccionar Seleccionar correctamente correctamente la velocidad del motor. Si Si la carga lo permite permite prefiera motores motores de alta velocidad, son más eficientes y si se trata de motores de corriente alterna, trabajan con un mejor factor de potencia. Sustituir los los motores motores antiguos antiguos o de uso intenso. Los Los costos costos de operación y mantenimiento de motores viejos o de motores que por su uso han depreciado sus características de operación, operación, pueden justificar su sustitución por motores normalizados normalizados y de alta eficiencia. Realizar en forma correcta la conexión conexión a tierra de los motores. Una conexión defectuosa o la ausencia de ésta, puede poner en peligro la vida de los operarios operarios si se presenta una falla a tierra. Además de ocasionar corrientes de fuga que no son liberadas por el equipo de protección con un dispendio de energía. Evitar concentrar concentrar motores en locales reducidos reducidos o en lugares lugares que puedan puedan dificultar dificultar su ventilación. Un Un sobrecalentamiento del motor se traduce en una disminución de su eficiencia.
BIBLIOGRAFÍA
[A. E. FITZGERALD, CHARLES KINGSLEY, JR. STEPHEN STEPHEN D, UMANS. UMANS. MÁQUINAS] [http://www.dimie.uniovi.es/insta [http://www.dimie.uniovi.es/instalaciones/en laciones/ensayosinstala sayosinstalaciones.htm ciones.html]l] [MAQUINAS ELECTRICAS, Tercera Edición, STEPHEN STEPHEN J. CHAPMAN] [http://miltonlaelectricidad.blogs [http://miltonlaelectricidad.blogspot.co/2011 pot.co/2011/12/transform /12/transformadores-de-corriente.htm adores-de-corriente.html]l] [http://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/11353/Transformador.pdf?sequence=3] ANEXOS PRACTICA 2 :
