Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
PRUEBAS EN MÁQUINAS SINCRÓNICAS CONFORME LA NORMATIVA IEC 34 Y LA IEEE STD. 115
Por: Rafael Takeshi Minero Akiya
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2010
PRUEBAS EN MÁQUINAS SINCRÓNICAS CONFORME LA NORMATIVA IEC 34 Y LA IEEE STD. 115 Por: Rafael Takeshi Minero Akiya
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal:
___________________________ ______ _________________________________ Ing. Peter Zeledón Méndez Profesor Guía
________________________ _________ _________________________________ Ing. Rolando Sancho Chaves Profesor lector
_________________________ ________ _________________________________ Ing. Moisés Salazar Parrales Profesor lector
DEDICATORIA A mi padre, quien deseó más que nunca verme graduado. Que aunque pasó a mejor vida, siempre confió en mí. Que gracias a su forma ordenada, disciplinada, respetuosa e inteligente que fue, trato de seguir ese modelo. En estos momentos cumplo una promesa y una meta. Seguirán retos más difíciles… A mi madre, por estar a mi lado apoyándome en las buenas y en las malas. Por esperarme día y noche cuando me encontraba estudiando. A darme ánimo para seguir con los estudios por más difícil que llegaron a estar las cosas. A mi hermana, que a lo largo de la vida me seguirá dando consejos y voto de confianza para alcanzar la plenitud como persona, y ahora en esta nueva etapa como profesional. A mis amigos y compañeros, que a través de los años me dieron su apoyo y confianza para seguir adelante.
RECONOCIMIENTOS Al Ing. Peter Zeledón Méndez por facilitarme toda la información posible para la realización de este proyecto y darle forma como tal. Al Ing. Rolando Sancho Chaves y Ing. Moisés Salazar Parrales, por ser parte de este tribunal examinador y concluir de manera exitosa este trabajo. Al Ing. Adrián Jiménez Herrera al abrir las puertas de su empresa para la realización de la práctica profesional y tener un panorama real de la aplicación de la ingeniería fuera de las aulas. A los profesores que tuve a lo largo de esta carrera, de quienes aprendí no sólo lo teórico, sino cada consejo y anécdota en el campo laboral y personal.
ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................ viii ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................... ix NOMENCLATURA......................................................................................... x RESUMEN ........................................................................................................ 1 CAPÍTULO 1: Introducción ........................................................................... 2 1.1
Objetivos ................................................................................................................. 3 1.1.1 Objetivo general ..................................................................................................... 3 1.1.2 Objetivos específicos ............................................................................................. 3 1.2 Metodología ............................................................................................................ 4
CAPÍTULO 2: Máquinas Síncronas .............................................................. 5 2.1 2.2
Conceptos Básicos .................................................................................................. 5 Generador Sincrónico ............................................................................................. 6 2.2.1 Rotor del generador sincrónico .............................................................................. 6 2.2.2 Estator del generador sincrónico ............................................................................ 7 2.2.3 Velocidad de giro del generador sincrónico .......................................................... 8 2.2.4 Voltaje inducido de un generador sincrónico ........................................................ 8 2.2.5 Par y Potencia en un generador sincrónico ............................................................ 9 2.2.6 Circuito equivalente del generador sincrónico .................................................... 10 2.2.7 Medición de los parámetros del Circuito Equivalente del Generador Sincrónico ...................................................................................................................................... 13
CAPÍTULO 3: Descripción de Pruebas ....................................................... 17 3.1 Descripción de pruebas de rutina para máquinas sincrónicas AMG y AMZ ................. 17 3.1.1 Inspección visual............................................................................................... 17 3.1.2 Medición del entrehierro y comprobación del espaciamiento de los cojinetes 18 3.1.2 Medida de la resistencia de aislamiento ........................................................... 18 3.1.3 Medición de la resistencia de los devanados / IEC 60034-4 ............................ 20 3.1.4 Verificación de los detectores de temperatura y resistencias de calefacción ... 22 3.1.5 Secuencia de fases y sentido de rotación / IEC 60034-8 .................................. 23 3.1.6 Desplazamiento axial sin bloqueo de cojinetes ................................................ 23 3.1.7 Prueba de cojinete/soporte (correr primero) ..................................................... 24 3.1.8 Mediciones de la vibración / IEC 60034-14 ..................................................... 24 3.1.9 Puntos en vacío / IEC 60034-4 ......................................................................... 25 3.1.10 Punto de cortocircuito/ IEC 60034-4 ............................................................ 27 3.1.11 Pruebas de reguladores de voltaje instalados en generadores síncronos (AMG) 28 3.1.12 Prueba de excitación de cubiculo de motores síncrono (AMZ) .................... 28 v
3.1.13 Prueba de exceso de velocidad / IEC 60034-1 ............................................. 29 3.1.14 Prueba de alto voltaje (ensayos dieléctricos) / IEC 60034-1 ........................ 29 3.1.15 Medición de resistencia de aislamiento ........................................................ 31 3.1.16 Referencias normativas ................................................................................. 31 3.2 Descripción de pruebas de tipo para máquinas sincrónicas AMG y AMZ .................... 32 3.2.1 Prueba de factor de potencia cero/ IEC 60034-2 .......................................... 32 3.2.2 Prueba de incremento de temperatura (Prueba de elevación de la temperatura) / IEC 60034-1, IEEE 115 ........................................................................ 34 3.2.2.1 General .............................................................................................................. 34 3.2.2.2 Métodos de prueba ............................................................................................ 35 3.2.2.3 Prueba del circuito ............................................................................................ 39 3.2.2.4 Procedimiento de ensayo .................................................................................. 40 3.2.2.5 Medición de los resultados ............................................................................... 41 3.2.3 Curva de vacío / IEC 60034-4 .......................................................................... 42 3.2.4 Curva de Cortocircuito / IEC 60034-4 .............................................................. 46 3.2.5 Pérdidas y eficiencia / IEC 60034-2 ............................................................. 49 3.2.6 Momento de inercia / IEC 60034-2 .................................................................. 55 3.3 Descripción de las pruebas especiales ............................................................................ 56 3.3.1 Medición del Nivel de ruido/ ISO 1680, ISO 3746 ............................................. 56 3.3.2 Prueba súbita de corto circuito / IEC 60034-4, IEEE 115 ................................... 57 3.3.3 Prueba de recuperación de Tensión / IEC 60034-4, IEEE 115 ............................ 59 3.3.4 Medición de la tensión del eje ............................................................................. 60 3.3.5 Medida de forma de onda de tensión / IEC 60034-1, IEEE 115 ......................... 61 3.3.6 Arranque del motor síncronico ............................................................................ 62 3.3.6.1 Cálculo de los resultados de las pruebas ........................................................... 64 3.3.7 Prueba de encendido / apagado de carga ............................................................. 65 3.3.8 Índice de polarización / IEEE 43 ......................................................................... 66 3.3.9 Prueba de sobrecarga (prueba de sobrecorriente) / ABS, BV, CCS, DNV, GL, LRS, RINA ................................................................................................................... 67 3.3.9.1.General ............................................................................................ .................. 67 3.3.9.2 Métodos de prueba ............................................................................................ 68 3.3.9.3 Procedimiento de ensayo .................................................................................. 69 3.3.10 Prueba de sobretensión ...................................................................................... 70 3.3.11 Medición de la curva V ...................................................................................... 71 3.3.12 Prueba bajo deslizamiento / IEC 60034-4, IEEE 115 ........................................ 73 3.3.13 Prueba de tensión aplicada (baja velocidad) ...................................................... 74 3.3.14 Prueba sostenida de cortocircuito de línea a línea (X2 + R2) / IEC 60034-4, IEEE 115 ....................................................................................................................... 77 3.3.15 Prueba sostenido línea a línea y neutro en cortocircuito (X0 y R0) / IEC 600344, IEEE 115 ................................................................................................................... 79 3.3.16 Medición de impedancia .................................................................................... 81 3.3.17 Prueba de rotor bloqueado para motor / IEC 60034-4, IEEE 115 ..................... 83 3.3.18 Prueba de decaimiento de campo / IEC 60034-4 ............................................... 84 vi
CAPÍTULO 4: Condiciones de funcionamiento, criterios de aceptación y pruebas de laboratorio................................................................................... 86 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones ....................................... 98 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 100 ANEXOS ....................................................................................................... 102
vii
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.2 Curva de Circuito Abierto tipica................................................................................. 14 Figura 2.3 Curva de Cortocircuito tipica ...................................................................................... 15 Figura 2.4 Circuito equivalente del generador en la Prueba de Cortocircuito .................... ..... 15 Figura 3.1 Medición de la resistencia de aislamiento del bobinado del estator de una máquina sincrónica ................................................................................................................................ 19 Figura 3.2 Medida de resistencia de los devanados...................................................................... 21 Figura 3.3 Medición de circuito para el vacío / corto circuito de medición de punt o de una máquina síncrona ................................................................................................................... 26 Figura. 3.4 Prueba de alta tensión para devanado del estator .................................................... 30 Figura. 3.5 Circuito de medición para la prueba de factor de potencia cero ............................ 33 Figura. 3.6 Circuito de prueba para prueba de calor con sobreexcitación ................................ 36 Figura. 3.7 Circuito de prueba “back to back” ............................................................................ 38 Figura. 3.8 Circuito de prueba de funcionamiento de calor ........................................................ 39 Figura. 3.9 Prueba del circuito para la medición de la curva sin carga. .................................... 44 Figura. 3.10 Curva sin carga de una máquina sincrónica. .......................................................... 46 Figura. 3.11 Prueba del circuito para la medición de la curva de corto circuito. ..................... 47 Figura. 3.12 Curva de cortocircuito de una máquina sincrónica ............................................... 49 Figura.3.13 Prueba del circuito para la prueba súbita de cortocircuito .................................... 58 Figura.3.14 Circuito de prueba para la prueba de recuperación de tensión ............................. 59 Figura. 3.15. Determinación del par de arranque ........................................................................ 64 Figura. 3.16 Circuito de prueba para la carga de encendido / apagado .................................... 66 Figura. 3.17 Prueba del circuito para la prueba de sobrecarga (con carga reactiva) ............... 69 Figura. 3.18 Prueba del circuito para la prueba de sobrecarga (en corto circuito) .................. 69 Figura. 3.19 Prueba del circuito para la prueba de sobretensión ............................................... 70 Figura. 3.20 Circuito de prueba para curva V ............................................................................. 72 Figura. 3.21 Curva V ...................................................................................................................... 73 Figura. 3.22 Prueba del circuito para la prueba bajo deslizamiento.......................................... 74 Figura. 3.23 Prueba del circuito para la prueba bajo deslizamiento.......................................... 75 Figura. 3.24 Oscilograma típico de la prueba de tensión aplicada ............................................. 76 Figura. 3.25 Circuito de prueba para prueba sostenida de cortocircuito de línea a línea ........ 78 Figura. 3.26 Circuito de prueba para Prueba sostenida de línea a línea y neutro e n cortocircuito ............................................................................................................................ 80 Figura. 3.27 Medición de las impedancias de los devanados. ...................................................... 82 Figura. 3.28 Circuito de prueba para prueba rotor bloqueado .................................................. 83 Figura 4.1. Ajuste lineal de la curva característica de cortocircuito. ......................................... 93 Figura 4.2 Características de cortocircuito y circuito abierto. ................................................... 94 Figura 4.3 Resultados de la prueba de cortocircuito y circuito abierto de la ABB. .................. 96 Figura 4.4 Valores típicos de reactancias, resistencias t constantes de tiempo para máquinas sincronas .................................................................................................................................. 97
viii
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.1. Valores Máximos en condiciones de desequilibrio trifásico ...................................... 87 Tabla 4.2. Valores de tolerancia de acuerdo a los Resultados de las pruebas efectuadas. ....... 90 Tabla 4.3. Resultados de las pruebas de circuito abierto, corto circuito y corriente directa. .. 92 Tabla 4.4. Valores obtenidos de las curvas características de circuito abierto y cortocircuito.94 Tabla 4.5 Resultados para la reactancia síncrona saturada........................................................ 95
ix
x
NOMENCLATURA e voltaje inducido
dt diferencial de tiempo dλ flujo magnético rpm revoluciones por minuto f e = frecuencia eléctrica
ηm= velocidad mecánica del campo magnético, rpm P= número de polos de la máquina EA = Tensión inducida, V K = constante que depende de la construcción de la máquina Φ = flujo magnético de la máquina, Wb/m2 ω = velocidad de giro de la máquina, rad/s P = potencia de salida, W Vφ = voltaje de fase del generador, V EA = voltaje de fase generado, V XS = reactancia sincrónica, Ω δ = ángulo de par de la máquina τind = par inducido, Nm Vf = fuente de CC que alimenta el devanado de campo IF = corriente de campo R F = resistencia del devanado de campo LF = Inductancia del devanado de campo EA = tensión generada por cada fase XS = reactancia sincrónica x
xi R A= resistencia de armadura IA = corriente de armadura Vφ = voltaje de fase U1 voltaje de línea a línea Uuv,vw,uw voltaje de fase (uv,vw,uw) Im corriente de excitación Iu,v,w corriente de fase (u,v,w) AVR regulador automático de voltaje R uv,vw,uw resistencia en el devanado del estator (uv,vw,uw) Pa = potencia de entrada de la máquina CC PCua = pérdidas en el cobre de la máquina CC PB = pérdidas cepillo de la máquina CC Padd = pérdidas de carga adicionales P0DC = mide las pérdidas sin carga de la curva de calibración Motor de CC Ua = Tensión de inducido del motor de CC Ia = Corriente de armadura del motor de CC R a = Valor de la resistencia en frío del motor de CC
xi
1
RESUMEN Este proyecto consiste en el análisis de las pruebas realizadas a máquinas sincrónicas por parte de la compañía ABB de acuerdo a la normativa de la IEEE Std-115 y de la IEC-34. Para dicho análisis se facilitaron los manuales de prueba empleados por parte de la compañía, asi como de los resultados de algunas de las pruebas realizadas. Primero se compararon las pruebas que venían referenciadas con alguna de las normas para conocer el objetivo de cada ensayo, así como las variables a medir y el equipo necesario para tomar los datos. Se utilizaron ambas normas ya que para algunos casos con diferentes pruebas se pueden obtener un dato en común. Ciertas pruebas se encontraban en otras normas fuera de alcance. Se realizó una búsqueda de los criterios de aceptación para cada una de las pruebas, de las cuales solo en ciertos casos se encuentra en alguna literatura especializada, como es el caso de los valores típicos del reactivo, resistencias y constantes de tiempo de las máquinas sincrónicas, para la mayoría de las pruebas no se cuenta con la información disponible. Para otras pruebas, debido a su simpleza no es necesario con algún parámetro estandarizado. Por último se buscó realizar una prueba adicional a las que se realiza en los laboratorios del curso de máquinas eléctricas de la escuela, sin embargo no se cuenta con un equipo de medición más detallado para lograr la captura de los datos.
2
CAPÍTULO 1: Introducción Las máquinas sincrónicas son de gran importancia en la generación de energía eléctrica en nuestro país, ya que producen una gran parte de la electricidad que se demanda. Los generadores los cuales serán instalados por primera vez, necesita de pruebas destinadas a conocer su estado antes de su puesta en marcha, es por ello que se requieren de normativas estandarizadas; sin embargo al ser normas estadounidenses y/o europeas es necesario estudiar con detalle el objetivo de cada prueba y si se ajusta a la realidad de nuestro país, especialmente las condiciones climáticas. También al ser equipos muy costosos, se requiere de un mantenimiento preventivo que prolongue su vida útil y más importante, conocer su estado; todo ello basado en los estándares internacionales, evitando así la salida en operación de unidades por falta de información oportuna de su estado. El proyecto nació por el interés de conocer y aplicar para nuestro caso las normas internacionales, tanto IEEE como IEC a las máquinas sincrónicas que instala el ICE, especialmente cuando estas se adquieren por primera vez; así como desarrollar un documento en el cual se describan y expliquen los procedimientos descritos en la normativa IEEE Std. 115 y la normativa IEC 34 para la realización de pruebas en máquinas sincrónicas.
3
1.1
Objetivos
1.1.1 Objetivo general Analizar los procedimientos de pruebas en máquinas sincrónicas descritos en la normativa IEEE Std. 115 y la normativa IEC 34.
1.1.2 Objetivos específicos •
Estudiar la normativa IEC 34.
•
Estudiar el estándar 115 de la IEEE.
•
Desarrollar un documento en el cual se describan y expliquen los procedimientos descritos en la normativa IEEE Std. 115 y la normativa IEC 34 para la realización de pruebas en máquinas sincrónicas.
•
Desarrollar un ejemplo de simulación utilizando el equipo de LABVOLT de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica.
•
Desarrollar un ejemplo práctico utilizando el equipo de laboratorio de máquinas eléctricas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica.
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1.2
Metodología Este proyecto se basó en un análisis sobre los procedimientos de prueba en
máquinas sincrónicas de acuerdo a las normativas de la IEE y la IEC. Para el análisis teórico se necesitó de una investigación completa de ambas normativas, así como la búsqueda de dichas pruebas por parte de otras compañías fabricantes de máquinas sincrónicas. También fue necesario repasar los conceptos básicos de funcionamiento de las máquinas sincrónicas. Para cada prueba se buscó el propósito de ésta, la norma en la cual se basa, los parámetros a medir y el equipo de medición necesario. Dentro de la parte experimental se buscó simular la prueba más real de acuerdo al equipo disponible del laboratorio de Maquinas Eléctricas.
5
CAPÍTULO 2: Máquinas Síncronas 2.1
Conceptos Básicos Para la determinación de los de los voltajes inducidos por medio de los campos
magnéticos se utiliza la ecuación: e=
d λ dt
(2.1)
Dado el movimiento mecánico, se producen cambios en la dispersión de flujo λ, provocando la conversión de energía electromecánica. En las máquinas de rotación, estos voltajes se obtienen de los devanados al ser girados de forma mecánica a través de un campo magnético, o por el contrario, al girar mecánicamente un campo magnético por un devanado o grupo de bobinas provocando que la reluctancia varíe con la rotación del rotor. De cualquiera de las dos formas hace que el acoplamiento del devanado cambie de forma cíclica generando un voltaje variante en el tiempo. En las máquinas de corriente alterna, como lo son las máquinas de inducción o sincrónicas, el devanado de armadura se localiza en el estator, la parte estacionaria del motor. En estas máquinas se incluye un devanado secundario que lleva corriente directa, para la producción del flujo principal de operación de la máquina, denominado devanado de excitación, localizado en el rotor. El funcionamiento como generador o como motor se puede explicar a continuación:
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“Para la operación como generador se hace girar el rotor mediante un primotor (ej. turbina hidráulica) el cual hace que el campo magnético creado por los conductores del rotor sea giratorio y por lo tanto induzca un sistema de voltajes trifásicos en los devanados de armadura (estator). Para su funcionamiento como motor se hace circular un sistema trifásico de corriente de igual magnitud y desfasados 120° por los devanados de armadura, creando un campo magnético giratorio, el cual interactúa con el campo magnético del devanado del rotor generando un par en el eje de la máquina.”
2.2
Generador Sincrónico1 Como se mencionó anteriormente, es una máquina sincrónica operando en modo
generador, es decir, convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica.
2.2.1 Rotor del generador sincrónico Constructivamente, el rotor puede ser de polos salientes o polos lisos. Un polo saliente es un polo magnético que sobresale de la superficie del rotor, mientras que uno no saliente se construye a ras de la superficie del rotor. Los rotores lisos se usan en máquinas de alta velocidad, como en turbinas de gas y vapor de 1800 o 3600 rpm, y se emplean para dos a cuatro polos. Los rotores de polos salientes se usan para cuatro o más polos en máquinas de baja velocidad (1200, 900, 600 rpm) como en las turbinas hidráulicas.
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Debido a que el rotor gira, se hace necesario suministrar la corriente continua al devanado de campo por medio de construcciones especiales, las dos formas más usadas son: Por medio de anillos rozantes y escobillas, proveer la energía al rotor desde una fuente externa Suministrar la corriente de campo, con una fuente especial (excitatriz sin escobillas) montadas sobre el eje del generador. El rotor debe construirse con laminaciones, esto con el objetivo de reducir las pérdidas por corrientes parásitas debido a que el rotor está sometido a campos magnéticos variables.
2.2.2 Estator del generador sincrónico El estator está formado por varias bobinas en cada fase, las cuales se distribuyen en ranuras ubicadas en la superficie interior del estator, Cada bobina es, casi siempre, una unidad independiente formada por un grupo de espiras aisladas entre sí. Cada espira a su vez está formada por un grupo de conductores o soleras también aisladas entre sí. Cada bobina se encuentra aislada del estator. El estator se construye con bobinas premoldeadas formando un devanado de dos capas distribuido con el objetivo de disminuir los armónicos del voltaje y corrientes suministrados. 1
Rojas Prado, Orlando Manual de Pruebas para Generadores Sincrónicos . Julio 1995
8
2.2.3 Velocidad de giro del generador sincrónico El sincronismo en un generador significa que no existe desplazamiento entre el campo magnético del rotor en relación con el campo del estator. La siguiente ecuación relaciona la frecuencia eléctrica y la velocidad mecánica del campo magnético: f e
=
η m ⋅ P
120
(2.2)
Donde: f e = frecuencia eléctrica
ηm= velocidad mecánica del campo magnético, rpm P= número de polos de la máquina
En un generador sincrónico, la velocidad del campo magnético es igual a la velocidad de giro del rotor.
2.2.4 Voltaje inducido de un generador sincrónico El voltaje inducido en una fase del devanado del estator se puede expresar mediante la siguiente ecuación simplificada: E A
=
k φω
(2.3)
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Donde: EA = Tensión inducida, V K = constante que depende de la construcción de la máquina Φ = flujo magnético de la máquina, Wb/m2 ω = velocidad de giro de la máquina, rad/s
2.2.5 Par y Potencia en un generador sincrónico No toda la potencia mecánica que le suministra al generador sale como potencia eléctrica. Esta diferencia se debe a pérdidas en el cobre, en el núcleo y pérdidas por fricción y ventilación. Si se desprecia la resistencia eléctrica de los devanados de la armadura R A, dado que la reactancia XS es mucho mayor que R A, se tiene la siguiente ecuación para evaluar la potencia que entrega el generador: P =
3Vφ E A senδ X S
Donde: P = potencia de salida, W Vφ = voltaje de fase del generador, V EA = voltaje de fase generado, V
(2.4)
10
XS = reactancia sincrónica, Ω δ = ángulo de par de la máquina (ángulo entre Vφ y EA) El par inducido en el generador sincrónico se puede expresar mediante la siguiente ecuación: τ ind =
3Vφ E A senδ ω m X S
(2.5)
Donde τind = par inducido, Nm ω = velocidad de giro, rad/s
2.2.6 Circuito equivalente del generador sincrónico El voltaje generado internamente en la máquina EA, normalmente no es el mismo voltaje que se obtiene en los terminales del generador. Los siguientes factores son los que provocan la diferencia entre EA y Vφ: 1-Reacción de armadura 2-La inductancia propia de los devanados de la armadura 3-La resistencia de los devanados de armadura 4-El efecto de los polos salientes A partir de estos factores se obtendrá el circuito equivalente del generador sincrónico. Es muy importante aclarar que el efecto de los polos salientes no se tomará en cuenta, es decir, se asumirá que la máquina es de polos lisos. Con esta suposición se
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obtendrá un modelo que no es exacto, pero los errores son relativamente pequeños, además se simplificará el análisis. El efecto de la reacción de armadura se puede explicar de la siguiente manera: el voltaje EA que se induce en el estator provoca una corriente de armadura, IA, cuando se conecta carga en los terminales de salida. Esta corriente induce un campo magnético en el estator que distorsiona el campo magnético original del rotor, originando un cambio en el voltaje de fase. Ahora, si se modela la reacción de armadura mediante una reactancia Xra, la reactancia correspondiente a la inductancia propia del estator por XA y la resistencia eléctrica de los devanados de armadura por R A, entonces la diferencia entre EA y Vφ se representa por la ecuación: Vφ = E A − jX RA I A − jX A I A − R AI A
(2.6)
Por lo general se combina la reactancia de reacción de armadura y la autoinductancia en una sola reactancia XS, llamada reactancia sincrónica: X S
=
X RA + X A
(2.7)
La expresión para Vφ, será entonces: Vφ = E
−
jX S I A − RA I A
Esta ecuación se puede reducir aún más:
(2.8)
12
Vφ = E A − Z S I A
(2.9)
Donde ZS = la impedancia sincrónica (R A + jXS) Por último, el modelo del generador sincrónico se muestra en la fig 2.1
Figura 2.1 Modelo del Generador Sincrónico
Vf = fuente de CC que alimenta el devanado de campo IF = corriente de campo R F = resistencia del devanado de campo LF = Inductancia del devanado de campo
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EA = tensión generada por cada fase XS = reactancia sincrónica R A= resistencia de armadura IA = corriente de armadura Vφ = voltaje de fase
2.2.7 Medición de los parámetros del Circuito Equivalente del Generador Sincrónico Para modelar el generador sincrónico es necesario determinar tres magnitudes: la relación entre la corriente de campo y el voltaje generado, la reactancia sincrónica y la resistencia de armadura. El método que se utiliza es el siguiente, primero se construye la característica de magnetización (de vacío) del generador . Con esta curva es posible determinar el voltaje
generado EA para cualquier corriente de excitación. La fig 2.2 muestra una característica de vacío típica.
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Figura 2.2 Curva de Circuito Abierto típica
Al principio esta curva es casi lineal, pero a medida que aumenta la corriente de excitación, llegará a un punto de saturación. La condición de saturación se presenta cuando se ha saturado el hierro, y por lo tanto su reluctancia ha aumentado grandemente. La parte lineal de la curva de magnetización se llama línea de entrehierro. El segundo paso consiste en construir la característica de cortocircuito. Con esta curva se puede obtener el valor de la corriente de armadura para una corriente de campo determinada. En la fig. 2.3 se presenta una curva de cortocircuito típica.
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Figura 2.3 Curva de Cortocircuito típica
En la fig 2.4 se muestra el circuito equivalente del generador durante la prueba de cortocircuito
Figura 2.4 Circuito equivalente del generador en la Prueba de Cortocircuito
De este circuito se obtiene que la magnitud de IA está dada por: I A
=
E A
( R 2 + X 2 ) A
S
(2.10)
Lo que significa que la impedancia interna de la máquina (ZS) es:
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Z S
=
E
( R2 + X 2 ) = I A
S
A
(2.11)
Por lo tanto, si EA e IA son conocidos, puede calcularse la reactancia sincrónica del generador a partir de la ecuación: X S
=
( Z 2 − R2 ) S
A
(2.12)
El método para obtener la reactancia sincrónica se puede resumir en los siguientes pasos: 1- obtener EA a partir de la curva de magnetización para una determinada corriente de excitación. 2- Determinar, para esa misma corriente de excitación, y a partir de la característica de cortocircuito la corriente de armadura correspondiente. 3- Calcular la reactancia sincrónica utilizando la ecuación 2.12 Este método es para máquinas de polos lisos, sin embargo, es una buena aproximación para el cálculo de la reactancia sincrónica de máquinas de polos salientes. Es importante saber que este método es bastante aceptable sólo para la parte recta de la curva de magnetización. En el punto de saturación el valor de EA calculado por medio de la curva de vacío para cierta corriente de campo, no es igual al valor de EA que generaría la misma corriente de campo en condiciones de cortocircuito.
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CAPÍTULO 3: Descripción de Pruebas Los programas de prueba estándar se dividen en tres partes: las pruebas de rutina, pruebas de tipo y pruebas especiales. El programa de pruebas de rutina se hace para cada máquina. La prueba de tipo es realizado, además de las pruebas de rutina normalmente a una de las máquinas de una serie de máquinas similares o por una petición del cliente. Las pruebas especiales son necesarias si la máquina funcionará en condiciones especiales, por ejemplo aplicaciones marinas. El programa de pruebas especiales es especificado por el cliente.
3.1 Descripción de pruebas de rutina para máquinas sincrónicas AMG y AMZ 3.1.1 Inspección visual Antes de cualquier prueba a realizar a la máquina, se verifican los siguientes puntos: - Número de serie correcto de la máquina se encuentra localizado en el marco (se refiere a máquinas completamente ensamblado) - Ventiladores y sopladores con sus escudos, otros escudos y otras cubiertas, cajas de conexión y auxiliares están correctamente ensamblados - Extensiones de eje y las ranuras no estén dañados - Cojinetes están llenos de grasa de la calidad correcta - La brushgear de una máquina provista de anillos está en buenas condiciones - Cepillo de puesta a tierra eventual está en buenas condiciones - Juntas de tuberías de refrigeración de agua y tuberías de aceite lubricante estén
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impecables - Tipo y modelo del regulador de tensión (por AMG) están de acuerdo con las instrucciones de fabricación y la orden
3.1.2 Medición del entrehierro y comprobación del espaciamiento de los cojinetes Los entrehierros de la máquina principal y la excitación se miden utilizando una jaula de espesores, cuando la máquina está ensamblada. El entrehierro de la máquina principal se mide desde 4 puntos diferentes y de ambos extremos del estator usando el mismo polo del rotor mismo en cada medición. El polo del rotor utilizado en la medición del entrehierro es marcado. Todos los valores medidos se registran en el documento final de montaje, la cantidad mínima y máxima de valores registrados se transfieren al informe de la prueba final. De la misma manera la holgura de los cojinetes se mide y registran.
3.1.2 Medida de la resistencia de aislamiento El propósito de la medición de la resistencia de aislamiento es para comprobar el estado de los aislamientos de las bobinas, terminales, brusher y otras partes conductoras contra el marco de la máquina. Aislamientos defectuosos y húmedos muestran un bajo valor de resistencia de aislamiento. La resistencia de aislamiento se mide antes de que cualquier cable esté conectado a la máquina. Cuando todas las pruebas se han realizado, las resistencias de aislamiento se medirán de nuevo para controlar la condición final.
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Las resistencias de aislamiento de las bobinas se miden utilizando un probador Megger o instrumento similar. La prueba de tensión es de 1000 VCC, si no se especifica lo contrario (de acuerdo con la mayoría de las sociedades de clasificación la tensión de prueba para los devanados del estator de las máquinas tienen una tensión nominal del estator de 7200 V o más es de 5000 VCC). La conexión de prueba para un devanado trifásico se muestra en la fig. 3.1. La práctica normal es medir todas las fases en conjunto, porque en cualquier caso, el Megger mostrará el valor de aislamiento de menor resistencia.
Figura 3.1 Medición de la resistencia de aislamiento del bobinado del estator de una máquina sincrónica
En caso de una máquina sin escobillas, los aislamientos del devanado del rotor de la máquina principal y el devanado del rotor de la excitación se prueban en conjunto. Los diodos y tiristores del puente rectificador de diodos se ponen en cortocircuito durante la prueba. Eventuales anillos y brushgear se ponen a prueba junto con el devanado del rotor. Durante las pruebas, el marco de la máquina y los devanados que no están a prueba se ponen a tierra para evitar voltajes inducidos. Después de la prueba, los devanados que se
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probaron se conectan a tierra para eliminar las cargas eléctricas. Las lecturas de las resistencias de aislamiento se toman después de un minuto de aplicado el voltaje. La resistencia de aislamiento de los calentadores es posible medirlos a 500 Vcc. Los detectores de temperatura son probados a 500 Vcc. Los aislamientos de rodamiento se ponen a prueba a 100 Vcc.
3.1.3 Medición de la resistencia de los devanados / IEC 60034-4 Las resistencias de los devanados se miden para averiguar: - Conexiones defectuosas y dimensiones incorrecta del conductor - Eventuales asimetrías de los devanados - Un valor exacto de la resistencia del devanado a temperatura ambiente y la temperatura correspondiente del devanado para la prueba de calor (véase los ensayos de tipo MDD 8006328) Las resistencias de los bobinados se miden mediante un micro-óhmetro o el uso de dos medidores digitales y una fuente de corriente constante, ver fig. 3.2. Toda corriente de la fuente constante de corriente, debe fluir a través de las bobinas a realizar la prueba. Eventuales circuitos en paralelo se debe desconectar antes de las mediciones. La temperatura de las bobinas del estator se mide siempre.
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Figura 3.2 Medida de resistencia de los devanados
Las resistencias de los bobinados del estator se miden antes de conectar cualquier fuente u otros cables. Las lecturas de resistencia (o lecturas de voltaje y de corriente) se toman tan pronto se obtienen valores estables. Al mismo tiempo, la temperatura del devanado se mide utilizando los detectores de temperatura (Pt-100) incrustado en el bobinado. Si la máquina a prueba se ha llevado desde un lugar más frío o más cálido, la temperatura del devanado no puede ser medido utilizando detectores incrustados o un termómetro de superficie, la máquina debe permanecer en el banco de pruebas durante la noche. Después de ello, la temperatura de la carcasa de la máquina se toma como la temperatura del devanado.
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La resistencia del devanado del rotor de una máquina con excitación de anillo rozante se mide entre los anillos. La corriente puede ser suministrado a través de as escobillas, pero el voltaje siempre se mide entre los anillos. En caso de una máquina sin escobillas, la resistencia del devanado del rotor se mide entre las conexiones finales. Desconectar el puente de diodos no es necesario debido a que la tensión es baja. Los valores medidos de la resistencia del devanado se calculan a la temperatura estándar de 20 ° C en acuerdo con la ecuación (X). Rmeas ,20
=
235 + 20 R 235 + t meas meas ,t
meas
(3.1)
3.1.4 Verificación de los detectores de temperatura y resistencias de calefacción Los detectores de temperatura son elementos de la resistencia lineal (Pt-100) o termistores. Ambos son verificados por medición de los valores de resistencia. Las mediciones se realizan con un bajo voltaje (menos de 2,5 V) por un instrumento digital. La resistencia medida y los valores de temperatura son registrados con las marcas en terminales correspondientes. Las resistencias de los calentadores de espacio son medidas y comparadas con los valores calculados mediante la ecuación (3.2). Rheat =
2 U heat
P heat
(3.2)
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3.1.5 Secuencia de fases y sentido de rotación / IEC 60034-8 El sentido de giro y las marcas correspondientes en terminales se comprueban sin carga durante la marcha de prueba axial, o sin carga. En cualquier caso, la dirección de rotación tiene que ser revisado antes de la prueba final de calor, porque el ventilador, posiblemente montado en el eje de la máquina, a menudo gira en una sola dirección. El sistema de enfriamiento de la máquina se ve perjudicado si la máquina gira en sentido inverso. La máquina a probar se inicia con la ayuda de un motor CC. La corriente de excitación se incrementa hasta que la tensión en bornes es lo suficientemente alta para que la secuencia de fases se puede observar mediante un instrumento especial (RST meter). La secuencia de fases también se puede comprobar mediante el trazado de los voltajes del estator al mismo gráfico y determinando la secuencia de fases de eso. Al mismo tiempo, el sentido de giro es revisado en la unidad final de la máquina síncrona.
3.1.6 Desplazamiento axial sin bloqueo de cojinetes Durante el montaje de las máquinas sincrónicas montados sobre cojinetes de manga, el rotor se coloca primero simétricamente en relación con el estator en dirección axial. Cuando la máquina está en marcha, las fuerzas magnéticas entre estator y el rotor, así como la fuerza mecánica causada por el ventilador posible montado en el eje puede cambiar la posición del rotor. Teniendo en cuenta los cojinetes de la máquina el rotor es capaz de
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moverse, pero puede resultar en un mal funcionamiento de los rodamientos, del acoplamiento del eje del manejo de la máquina. Para ajustar el juego axial del rotor, un indicador de cuadrante está montado para medir la posición del rotor en relación con el estator inmediatamente después del montaje. La lectura del indicador se registra. Luego la máquina se opera sin carga con velocidad nominal y tensión nominal. Las lecturas del indicador se registran de nuevo. La diferencia de las dos lecturas es la corrección que debe hacerse. Después, el estator de la carcasa del cojinete (pedestales) será trasladado a conseguir la igualdad de distancias axiales en ambos lados de los rodamientos (o autorizaciones se indica en los dibujos).
3.1.7 Prueba de cojinete/soporte (correr primero) La prueba de cojinete/soporte se realiza en todas las máquinas. La máquina síncrona está impulsada por un motor CC a velocidad nominal. Durante la prueba de rodamiento, el asiento correcto y el funcionamiento de los rodamientos son controlados. Posibles derrames de aceite se observan y se sellan. La temperatura se siente con la mano. El ruido y las vibraciones se toman en consideración. La duración de la prueba de es cinco a diez minutos o más si se considera necesario.
3.1.8 Mediciones de la vibración / IEC 60034-14 Las vibraciones se derivan de diversas razones, tales como: - Desequilibrio del rotor, que pueden ser de origen estática o dinámica - Arrastre magnético desigual entre el estator y el rotor, que puede ser causada
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por ejemplo por un entrehierro asimétrico - Devanados asimétricos, defectuoso o dañados Las vibraciones del rotor se transferirán sobre el eje a los soportes que lleven o pedestales que sostienen. Grandes fuerzas de vibración y las estructuras de soporte elástico producirán grandes amplitudes. Las características de la vibración medidas en la superficie de la caja del cojinete dará una indicación sobre las fuerzas que se trate y sobre el grado de severidad de la fatiga. Basado en las experiencias sobre los diferentes tipos de máquinas, los límites de vibración se dan en las publicaciones pertinentes. La medición de las vibraciones se realiza en todas las máquinas. Las mediciones de las vibraciones son medidas cuando la máquina sincrónica se encuentra manejada por el motor CC a velocidad y voltaje nominal y sin carga. Las vibraciones se miden en los soportes o pedestales en dirección horizontal, vertical y axial.
3.1.9 Puntos en vacío / IEC 60034-4 El propósito del punto de medición sin carga es: - Verificar el correcto funcionamiento de la máquina cuando no se carga - Medir la cantidad de electricidad y otras cantidades asociados con la operación sin carga La máquina síncronica a probar es conducido por un motor CC, que es capaz de funcionar a la velocidad nominal, véase la fig 3.3. La excitación necesaria para producir tensión nominal del estator se suministra desde una fuente independiente. El regulador de voltaje del generador síncrono está desconectado.
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Figura. 3.3 Medición de circuito para el vacío / corto circuito de medición de punto de una máquina síncrona
Después de la puesta en marcha, la máquina a probar debe operar unos cinco minutos a la velocidad nominal y tensión en bornes nominal. El ruido, las vibraciones y las temperaturas se observan. Cuando la operación se haya restablecido, las siguientes cantidades se miden: - Valor medio de las tensiones terminales línea a línea U 1 - Cada tensión terminal línea a línea terminal Uuv, Uuw, Uvw - Velocidad n - Corriente de excitación (Im) de la excitatriz sin escobillas - Para las máquinas con excitación de anillo rozante, corriente rotor Ir - Temperatura del bobinado del estator (utilizando el incorporado Pt-100 detector de temperatura).
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3.1.10 Punto de cortocircuito/ IEC 60034-4 El propósito de la prueba de cortocircuito es medir la corriente excitación correspondiente con la corriente nominal del estator, cuando las terminales están en cortocircuito en el circuito de prueba. La máquina sincrónica a probar es conducida por el mismo motor CC, que se utiliza para la prueba en vacío, ver fig 3.3. La excitación se extrae de una fuente independiente CC. El regulador de voltaje del generador sincrónico se desconecta. Cuando la máquina sincrónica está funcionando a velocidad nominal, la excitación está encendida y la corriente se aumentó lentamente hasta que la corriente del estator se iguale a la corriente nominal. Las corrientes de fase se comparan para comprobar la simetría. Las siguientes cantidades se miden: - Valor medio de las corrientes de fase I1 - Cada corriente de fase Iu, Iv, Iw - Velocidad n - Corriente de excitación Im de la excitatriz sin escobillas - Para las máquinas con excitación de anillo rozante, corriente rotor I r - Temperatura del bobinado del estator (utilizando el detector Pt-100 de temperatura)
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3.1.11 Pruebas de reguladores de voltaje instalados en generadores síncronos (AMG) Los ensayos de reguladores de voltaje incluyen los siguientes puntos: - El cableado del regulador de tensión y dispositivos auxiliares, como transformadores de corriente, transformadores de potencia, circuito interruptor, resistencias y relés de derivación es inspeccionado - La configuración básica para el regulador automático de voltaje (AVR) son hechos a medida: - Voltaje sin carga del generador se establece en el valor nominal - Amplificación y las características dinámicas se ajustan para obtener un funcionamiento estable - La gama de reactivo kVA (caída de voltaje) se establece en el valor correcto - El límite de frecuencias que se establece en el valor correcto - Limitadores de excitación se establecen en los valores propios - Se mide el ancho de pulso de tensión de excitación - El limitador de corriente de excitación (ECL) se establece en el valor correcto, si está equipado - La corriente de cortocircuito sostenido se prueba - La tensión de remanencia se mide
3.1.12 Prueba de excitación de cubículo de motores síncrono (AMZ) Los ensayos de excitación cubículo incluye los siguientes puntos: - Inspección visual
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- Ajuste del regulador de acuerdo con las especificaciones - Ajuste y prueba de funcionamiento de detectores de velocidad y relés - Ajuste de los relés de control de acuerdo a las instrucciones del departamento de ingeniería - Ajuste y pruebas de funcionamiento de los relés de tiempo - Control de medición - Prueba de excitación a partir de cubículo - Pruebas de control del factor de potencia - Pruebas de funcionamiento
3.1.13 Prueba de exceso de velocidad / IEC 60034-1 Todos los generadores sincrónicos (y también algunos motores) están sujetos a la prueba de sobrevelocidad, porque en operaciones temporales pueden llegar a velocidades más altas que la nominal. La máquina sincrónica es conducida por un motor de CC, con terminales circuito abierto y sin excitación. La velocidad se incrementa 1,2 veces la velocidad nominal durante 2 minutos, si no se acuerde otra cosa.
3.1.14 Prueba de alto voltaje (ensayos dieléctricos) / IEC 60034-1 Las pruebas de alto voltaje se realizan para detectar posibles puntos débiles en los aislamientos de la máquina. Una tensión de prueba a una frecuencia de línea (50 Hz) se aplica. En algunos casos se utiliza voltaje de CC, entonces la tensión de prueba es de 1,7 veces la tensión CA. La duración de la prueba de alta tensión es de un minuto, si no se
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acuerde otra cosa. El prueba de voltaje que se aplican, son al menos tan altas como las indicadas en la norma, para los valores exactos de ensayos, véase el programa de pruebas. El circuito de prueba de alto voltaje se muestra en la fig. 3.4.
Figura. 3.4 Prueba de alta tensión para devanado del estator
Las bobinas de la máquina y los circuitos son probados uno a la vez. Cuando los devanados de fase del estator son fácilmente desconectados entre sí, se les prueba uno por uno. Los devanados de fase que no está siendo examinado son aterrizados. Si no es posible desconectar el punto neutro para la prueba, la prueba de alta tensión se realiza para todo el estator del sistema a la vez. Medidas preliminares que deben realizarse antes de la prueba: -Detectores de temperatura en los devanados están en cortocircuito y puestos a tierra - El eje de la máquina está conectada a tierra para la prueba de los bobinados del rotor
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- Los diodos y tiristores del puente rectificador está en cortocircuito con un cable de cobre desnudo y puesto a tierra - La prueba de alta tensión se inicia aplicando menos de la mitad de la tensión plena de la prueba - La tensión de prueba se incrementa paulatinamente a la totalidad del valor en un tiempo no inferior a 10 segundos - La tensión de prueba completo se mantiene durante un minuto - La tensión de prueba se redujo a cero sin problemas antes de apagar - Eventuales cargas eléctricas en los devanados restantes a la prueba son neutralizados por corto tiempo aterrizándolos
3.1.15 Medición de resistencia de aislamiento Cuando todas las pruebas se han realizado, las resistencias de aislamiento se miden de nuevo para el control de la condición final. Para más detalles, véase el apartado 3.3.3 Medida de la resistencia de aislamiento.
3.1.16 Referencias normativas A menos que se especifique lo contrario todas las pruebas se realizan según la norma IEC 60034.
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3.2 Descripción de pruebas de tipo para máquinas sincrónicas AMG y AMZ Estas son las pruebas que se realizan en adición a las pruebas de rutina.
3.2.1 Prueba de factor de potencia cero/ IEC 60034-2 La corriente de excitación de una máquina sincrónica a la carga nominal y la tensión en los terminales puede ser directamente medibles sólo cuando estas condiciones de carga puede hacerse realidad. Cuando la carga es posible solo con la corriente reactiva, o cuando se ejecuta el calor se realizan sin carga y en cortocircuito, el valor nominal de la corriente de excitación se deriva de la prueba de factor de potencia cero (determinado de la reactancia Potier), y de la no-carga y cortocircuito características. La prueba de factor de potencia cero se realiza cuando la máquina está operando como motor con sobreexcitación, sin carga y a la tensión nominal. Los voltio-amperios reactivos deben ser suministrados a una carga reactiva apropiada (una máquina síncrona auxiliar), o a la línea de tres fases. El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.5.
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Figura. 3.5 Circuito de medición para la prueba de factor de potencia cero
La máquina síncrona a probar se inicia con la ayuda del Motor de CC. La tensión en terminales se aumenta hasta el valor nominal y la máquina se sincroniza con la máquina auxiliar (carga reactiva), o a la línea. El motor CC de suministro se desconecta. La máquina a la cual se esta sometiendo a prueba está funcionando como motor sin carga. Las pérdidas están cubiertas por la máquina auxiliar o desde la línea de tres fases. La corriente de excitación se incrementa hasta que la corriente del estator iguale a la corriente nominal. El límite de la corriente de excitación es de 1,5 veces el valor nominal. Para mantener la tensión en terminales a su valor nominal, la corriente de excitación de la maquina auxiliar se reduce en proporción. Los parámetros a medir son los siguientes: - Valor medio de tensiones en los terminales de línea a línea U - Valor medio de las corrientes de fase I - Potencia real P
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- Velocidad n - Corriente de rotor (Ir ) y voltaje (Ur ) - Corriente de excitación (Im) y tensión (Um) - Temperaturas correspondientes La prueba de factor de potencia cero se utiliza para la determinación de la corriente de excitación (corriente del rotor) a carga nominal, con fundamento en los diagrama ASA y de conformidad con la norma IEC 60034-2. De la misma manera, los valores de corriente de excitación se calculan en otras condiciones de carga. Los valores de la corriente de excitación se utilizan para cálculos de pérdida.
3.2.2 Prueba de incremento de temperatura (Prueba de elevación de la temperatura) / IEC 60034-1, IEEE 115 3.2.2.1 General El propósito de la prueba de calor es para medir el aumento de temperatura de las bobinas, rodamientos (cojinetes) y otros partes importantes de la máquina con carga conectada. Las condiciones de operación corresponden cuando se encuentra con carga nominal, tensión en terminales a voltaje nominal y otros parámetros. La prueba de elevación de temperatura se realiza por métodos indirectos. Las condiciones de ensayo como voltaje terminal, corriente terminal y velocidad deben permanecer estables durante la prueba. Para la ejecución de prueba de calor, varios termopares podría ser colocado en los puntos críticos en la máquina como se determina en la prueba, y conectado a un registrador gráfico o un grabador de exploración. Los detectores de temperatura esencial en los
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bobinados, rodamientos, sistema de enfriamiento y otros lugares de la máquina están conectados a la misma grabadora. En el caso de las máquinas de anillos, el brushgear es inspeccionado y los brush pressure son controlados. Se comprueba que todas las cubiertas estén en su lugar y las puertas de mantenimiento están cerradas. Las corrientes de aire deben de prevenirse. Los filtros de aire deben ser colocados en su sitio. El flujo de agua del radiador de la máquina se comprueba, así como la dirección del flujo de agua. En el caso de máquinas equipadas con cojinetes y circulación de aceite lubricante, el flujo del aceite lubricante es controlado.
3.2.2.2 Métodos de prueba Primer método. La prueba de calor se realiza dejando que la máquina síncrona funcionando como un motor con sobreexcitación, a corriente nominal y frecuencia nominal. La corriente de carga se compone principalmente de reactivo. Esta prueba con la sobreexcitación y un factor de potencia cero, la corriente nominal producirá un aumento de la temperatura del devanado del estator, que es aprobada para el valor correcto, de acuerdo con las normas de ensayo. El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.6. El motor CC se desconecta de la fuente de alimentación y es utilizado solamente para frenar.
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Figura. 3.6 Circuito de prueba para prueba de calor con sobreexcitación
Debido a la sobreexcitación, la tensión en terminales de la máquina tiene que disminuirse con respecto al valor nominal, para retener las condiciones magnéticas apropiadas (estator y rotor a corriente nominal). El voltaje es de aproximadamente 0,8 a 0,9 veces la tensión nominal o incluso menos cuando se prueban los motores. El segundo método para realizar la prueba de calor es de realizar distintas pruebas de aumento de temperatura en corto circuito, sin carga (y sin excitación), véase la IEEE 115. Los resultados se combinan para producir aumento de la temperatura en condiciones nominales. La prueba se realizara en las siguientes condiciones: - En cortocircuito a la corriente nominal del estator - Sin carga a la tensión nominal - Sin excitación (terminales abiertos)
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El aumento de temperatura del bobinado del estator, con la carga nominal, se calcula como la suma de los aumentos de la temperatura en cortocircuito y el aumento de la temperatura sin carga restando el aumento de la temperatura de la prueba sin excitación. El aumento de la temperatura del bobinado de rotor suele calcularse sobre la base de la prueba de aumento de temperatura en cortocircuito. El tercer método para la prueba de calor es la prueba “back-to-back”. Dos máquinas similares son necesarias. Los ejes de las máquinas se acoplan entre sí y, además, los terminales del estator están conectadas a barras comunes. Uno de las máquinas funcionará como un generador, el otro como un motor. Las pérdidas están cubiertas por la energía mecánica suplida por una máquina CC acoplada al eje común, o por la energía eléctrica absorbida de la línea de suministro. A menudo, la máquina CC se coloca entre las máquinas a ensayar, ver fig. 3.7.
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Figura. 3.7 Circuito de prueba “back to back”
Los terminales del estator están conectados a las barras comunes respecto a los instrumentos de medición adecuados, y un interruptor automático. La secuencia de fases de las máquinas deben ser idénticas, en relación con el sentido de giro. Un acoplamiento ajustable especial se monta en la línea de eje, entre las máquinas síncronas. El ángulo entre los rotores es ajustado para corresponder a la carga que deben aplicarse en las máquinas. Una configuración preliminar de ángulo que se utilizará es de 30 a 50 grados eléctricos. Al comienzo de la prueba de calor, el ajuste final se hace para obtener la transferencia de potencia correcta.
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La potencia necesaria para cubrir las pérdidas se suministra con el motor CC, o se extrae de una de las tres fases de la fuente. Una de las máquinas es la máquina a probar. La otra máquina trabaja como carga del dispositivo. El motor tiene que girar antes de que lo haga el generador.
3.2.2.3 Prueba del circuito El circuito de prueba general se muestra en la fig. 3.8.
Figura. 3.8 Circuito de prueba de funcionamiento de calor
Los instrumentos de medición utilizados en el circuito de prueba son los siguientes: - Instrumentos de medición de tensión, corriente y potencia en CA. Dos vatímetros para mediciones en las tres fases en el lado del estator. - Instrumentos para la medición de corriente y voltaje del rotor. - Instrumentos para la medición de corriente y tensión de la excitación y la tensión de la excitatriz - Medidor rpm (tacómetro)
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- Instrumentos para la medición de corriente y tensión de armadura, así como la corriente de excitación del Motor de CC - Multicanal registrador gráfico de barrido o grabadora para mediciones de temperatura
3.2.2.4 Procedimiento de ensayo La frecuencia se mantiene constante durante la prueba. La tensión terminal y (o) la corriente de carga se conservan en los valores indicados. Las cantidades que figuran a continuación se registran a intervalos de media hora. - Media de las corrientes de fase I (no en la prueba sin carga) - Valor medio de tensiones en los terminales de línea a línea U (no en el corto circuito de prueba) - Potencia real de P (con sobreexcitación) - Los valores de excitación La prueba de calor se continúa hasta que las temperaturas no suban más de 2 K (° C) por hora, como se ha señalado desde el trazador de curvas por el registrador de la temperatura. Cuando se considera útil, la duración de la prueba de calor puede ser acortada mediante la reducción del sistema de refrigeración o el flujo de agua, o bien aumentando la corriente de carga en una proporción razonable. Cuando las temperaturas se han estabilizado como se ha dicho, la máquina bajo prueba se desconecta y se detiene.
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Eventuales sopladores externos se detienen para prevenir la circulación del aire. En caso de una máquina de refrigeración por agua, la válvula de agua está cerrada. Las bobinas que se probarán serán conectadas a tierra por un momento para eliminar las cargas eléctricas. Las resistencias de las bobinas se miden en intervalos cortos durante unos minutos. Los valores de resistencia se representan gráficamente en función del tiempo transcurrido. La resistencia del devanado del estator R uv se mide a intervalos apropiados. En la mayoría de los casos el intervalo es de 10 segundos. La primera lectura se toma aproximadamente 1 minuto después de que la máquina se ha detenido. Demasiado corto tiempo de estabilización rendimiento de las lecturas demasiado alto. Después de 3 a 5 minutos, cuando las temperaturas comienzan a notarse, resistencias de los bobinados y R uw R vw se miden y se compara con la curva de enfriamiento del refrigerante R uv para comprobar que las temperaturas se encuentran en el mismo nivel en los tres devanados.
3.2.2.5 Medición de los resultados La resistencia del devanado al apagar el equipo de la máquina es tomada de acuerdo con la tabla de abajo.
Potencia de salida 50 a 200 kVA más de 200 hasta 5000 kVA más de 5000 kVA
Tiempo transcurrido desde el apagado 90 segundos 120 segundos bajo previo acuerdo
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El aumento de la temperatura promedio de una bobina de cobre se calcula de acuerdo con la ecuación (3.3). R2
θ =
R1
− 1
( 235 + t1 ) + t1 − t a (3.3)
donde: R 2 = resistencia del devanado al apagar el equipo R 1 = resistencia del devanado correspondiente con la temperatura t1 t1 = temperatura del devanado en la prueba de resistencia al anterior (° C) ta = temperatura media del medio refrigerante (temperatura del aire) al final de la prueba de calor 235 = coeficiente de temperatura del cobre
3.2.3 Curva de vacío / IEC 60034-4 El propósito de la prueba de la curva sin carga es: - Para medir la corriente de excitación de la máquina en circuito abierto a velocidad nominal y en la terminal de varias voltajes. Sobre la base de las mediciones, la línea del entrehierro se traza para la máquina - Para medir las pérdidas en vacío de la máquina (cuando se acuerde en un contrato). Las pérdidas se componen de las pérdidas de hierro PFe, y la fricción y las pérdidas de ventilación Pr
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El generador síncrono o motor a probar está directamente acoplado a un motor CC calibrada. Las pérdidas del motor CC puede calcularse con exactitud en el rango de operación en cuestión. Para los cálculos de la pérdida, la corriente de armadura y el voltaje del motor CC, así como la corriente de excitación se debe medir. El mismo manejo del motor CC también debe utilizarse para la prueba de la curva de corto circuito y la prueba del factor de potencia cero. El regulador de tensión del generador se desconecta. El circuito de prueba para el ensayo en vacío se muestra en la fig. 3.9. Sólo los transformadores de potencia se conectan a las terminales del estator. La corriente de excitación y la tensión son, en caso de una máquina sin escobillas, la medición se realiza sobre unos anillos rozantes, que se montan en el eje para las pruebas solamente. La corriente de excitación de la máquina sin escobillas se suministra de su propia excitación.
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Figura. 3.9 Prueba del circuito para la medición de la curva sin carga.
La corriente de excitación de la excitatriz de una máquina sin escobillas es suministrada por una fuente CC ajustable. Esto también afectará a la corriente de excitación de una máquina de anillo rozantes. Para la prueba de la curva sin carga, la máquina síncrona se ha iniciado y conducido con la ayuda del motor CC. La corriente de excitación del motor CC se mantiene a un valor constante. La velocidad de sincronismo es mantenida por la tensión de la armadura a un valor constante. La excitación de la máquina síncrona está encendido. La excitación se incrementa continuamente, hasta que la tensión en los terminales es elevado a 1,35 veces la tensión nominal, si es posible. La corriente de excitación de la maquina sincrónica no debe aumentar más de 1,5 veces el valor nominal. Cuando se obtienen lecturas estables, las siguientes cantidades se registran en: - Valor medio de tensiones en los terminales de línea a línea U - Cada terminal de tensión línea a línea Uuv, Uuw, Uvw a una tensión nominal - Velocidad n - Corriente de excitación (Im) de la excitatriz sin escobillas, más corriente del rotor (Ir ) y la tensión Ur cuando se midan las pérdidas - Para las máquinas con excitación de anillo rozante, corriente rotor Ir (Ur cuando se midan las pérdidas)
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- Corriente de armadura Ia, voltaje Ua y corriente de excitación Im1 del motor CC (cuando se midan las pérdidas) La prueba se repetirá al menos en 1.2, 1.0, 0.9, 0.7 y 0.4 veces la tensión nominal, además, con la corriente de excitación en cero. La corriente de excitación se debe disminuir de forma continua. A tensión nominal los terminales, la temperatura del devanado del estator se mide con la ayuda de los detectores de temperatura, para permitir el cálculo de las pérdidas. La curva de vacío se representa con base en los resultados de las pruebas, ver fig. 3.10. La remanencia magnética hace que la curva de intersección del eje vertical pase un poco por encima del punto cero de la tensión. Las normas de ensayo actual estado que la curva de vacío debe comenzar en cero voltaje correspondiente con cero corriente de excitación. Por esa razón, la curva final sin carga es a menudo derivado de la medida por moverlo hacia la derecha tanto como sea necesario.
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Figura. 3.10 Curva sin carga de una máquina sincrónica.
La tangente a la curva sin carga a cero de tensión es la línea de entrehierro. La línea de entrehierro muestra las características de la máquina sin saturación magnética. La medida sin carga se desvía de la línea de entrehierro debido a la saturación.
3.2.4 Curva de Cortocircuito / IEC 60034-4 El propósito de la prueba de la curva de corto circuito es: - Para medir las características de la máquina síncrona en varios valores de corriente de excitación, con la terminales del estator en cortocircuito. - Para controlar la simetría de los bobinados de fase del estator. - Para medir las pérdidas en el cobre PCu y las pérdidas adicionales de carga PAdd en el bobinado de estator (cuando se).
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El generador síncrono o motor a probar es acoplado directamente un motor CC calibrado, que ha sido utilizado para pruebas sin carga. El regulador de voltaje del generador se desconecta. Todos los protectores, las tapas y las guías aéreas de la máquina sincronica para la prueba, debe estar en su lugar. El circuito para la prueba de corto circuito se muestra en la fig. 3.11. Los terminales del estator están en cortocircuito sobre corriente transformadores y amperímetros. La corriente de excitación de una máquina sin escobillas se suple de su propia excitación. El corriente de excitación y la tensión se miden con anillos rozantes especiales, que se montan en el eje de las pruebas solamente.
Figura. 3.11 Prueba del circuito para la medición de la curva de corto circuito.
La corriente de excitación de la excitatriz de una máquina sin escobillas es suministrada por una fuente CC ajustable. Esta también afectará a la corriente de excitación de una máquina de anillo rozante.
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Para la prueba de la curva de corto circuito, la máquina síncrona se puso en marcha y conducida con la ayuda del Motor de CC. La corriente de excitación del motor CC se mantiene constante. La velocidad sincronica se mantiene dejando la tensión de armadura a un valor constante. La corriente de excitación de la máquina síncrona se encuentra encendida. La corriente de excitación se aumenta, hasta que la corriente de cortocircuito es elevado a 1,5 veces la corriente nominal del estator. Cuando se obtienen lecturas estables, las siguientes cantidades se registran: - Valor medio de las corrientes de fase I - Cada corriente de fase Iu, Iv, Iw a la corriente nominal - Velocidad n - Corriente de excitación Im de la excitatriz sin escobillas, más corriente del rotor Ir y tensión Ur cuando se miden las pérdidas. - Para las máquinas con excitación de anillo rozante, corriente de rotor Ir (Ur cuando se miden las pérdidas) - Corriente de armadura Ia, voltaje Ua y corriente de excitación Im1 del motor CC (cuando se miden las pérdidas) La prueba se repite en las corrientes de corto circuito de 1.1, 1.0, 0.75, 0.5 y 0.25 veces la corriente nominal, y, además, a corriente de excitación cero. La corriente de excitación se debe disminuir de forma continua. En la corriente nominal del estator, la
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temperatura de los bobinados del estator se mide con la ayuda de los detectores de temperatura, para permitir el cálculo de las pérdidas. La curva de corto circuito se traza para la máquina como se muestra en la fig. 3.12. Debido a la saturación baja, la curva es una línea recta.
Figura. 3.12 Curva de cortocircuito de una máquina sincrónica
3.2.5 Pérdidas y eficiencia / IEC 60034-2 La eficiencia de una máquina síncrona se calcula comúnmente aplicando el método de pérdida de segregación. La máquina a probar es impulsado por un motor CC calibrado, para determinar las pérdidas sin carga y en corto circuito. A partir de estas pérdidas, las pérdidas de la máquina síncrona en diferentes condiciones de operación pueden ser derivadas.
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La corriente de excitación se determina con base en la prueba de factor de potencia cero, o se toma desde los cálculos del diseño. La fricción y las pérdidas de ventilación se miden después de la prueba de curva de corto circuito a la velocidad nominal. La máquina síncronica se acciona por el motor CC, con terminales abiertos y sin excitación. Sobre la base de la tensión de inducido y la corriente del motor CC, su potencia de salida mecánica se calcula. La salida es igual a la fricción y las pérdidas de ventilación Pρ de la máquina síncrona, dando en la ecuación
P ρ = Pa − PCua − PB − Padd − P0DC = Ua Ia − Ia 2 Ra − 2 V · Ia − 0.005· Ua Ia − P0DC donde: Pa = potencia de entrada de la máquina CC PCua = pérdidas en el cobre de la máquina CC PB = pérdidas cepillo de la máquina CC Padd = pérdidas de carga adicionales P0DC = mide las pérdidas sin carga de la curva de calibración Motor de CC Ua = Tensión de inducido del motor de CC Ia = Corriente de armadura del motor de CC R a = Valor de la resistencia en frío del motor de CC
(3.4)
51
Las pérdidas en el núcleo se determinan sin carga, a la tensión nominal y la velocidad nominal. En primer lugar la potencia mecánica de una máquina CC se calcula según la ecuación (3)
PDC 0
=
U a 0 Ia 0 – I2a 0 R a − 2 V · Ia 0 − 0.005 · Ua 0 Ia 0 − P0 DC (3.5)
donde: Ua0 = tensión de inducido Motor de CC sin carga de la curva Ia0 = corriente de armadura motor CC sin carga de la curva Para una máquina sin escobilla, las pérdidas en el núcleo P Fe se calculan como (3.6)
PFE
=
PDC 0 − Pm 0 − P ρ
=
PDC 0 − Ur 0 Ir 0 − 2 V · Ir 0 − Pρ
(3.6)
donde Pm0 = pérdidas de excitación sin carga Pρ = fricción y las pérdidas de corrección vertical de la ecuación (2) Ur0 = voltaje medido rotor sin carga de la curva Ir0 = medida de corriente del rotor sin carga de la curva Para una máquina de deslizamiento de anillos, con la corriente de excitación suministrada por una fuente independiente, las pérdidas en el núcleo son calculado en (3.7)
PFE
=
PDC 0 − P ρ
(3.7)
52
Pérdidas de carga Pk se determinan con base en la prueba de la curva de corto circuito. Al principio, la potencia mecánica de salida del motor de CC debe calcularse con las corrientes de estator adecuadas (3.8)
PDCk
=
Uak I AK − Iak 2 R a − 2 V · IAK − 0.005 · IAK Uak − P0 DC
(3.8)
donde Uak = tensión de inducido del motor CC de la curva de cortocircuito Iak = corriente de armadura del motor CC de la curva de cortocircuito Las pérdidas de carga para una máquina sin escobillas se calculan como se muestra en la ecuación (3.9)
Pk
=
PDCk − PMK − P ρ
=
PDCk – IrK Urk − 2 V · IrK − Pρ
(3.9)
donde Pmk = pérdidas de excitación a cortocircuito Pρ = fricción y las pérdidas de corrección vertical de la ecuación (2) Urk = voltaje medido del rotor de la curva de cortocircuito Irk = corriente medida del rotor de la curva de cortocircuito Para una máquina de anillo rozante, con la excitación de corriente que obtiene de una fuente distinta, la pérdida de carga se calcula (3.10)
53
Pk
=
PDCk − P ρ
(3.10)
Las pérdidas de excitación se calculan de las corrientes del rotor correspondiente con las condiciones de carga requerida. Los valores de las corrientes del rotor se han tomado de los cálculos de diseño, o de los resultados de la prueba de factor de potencia cero por medio del diagrama ASA. El coeficiente de corrección para las resistencias se calcula primero como (3.11) k =
235 − t k 235 + t 0
(3.11)
siendo: t0 = medida de la temperatura en frío de la resistencia tk = cálculo de la temperatura (clase B: 95 °C y clase F o H: 115 °C) Las pérdidas de excitación de la máquina sin escobillas Pm se calculan de acuerdo a la ecuación (3.12) 2
3 2 ⋅ I rl R 2 Pm = k ⋅ I r2l Rr + 2V ⋅ I rl + k ⋅ I m2 l Rm + k ⋅ m ⋅ m 3
(3.12)
Donde Irl = calcula corriente del rotor para la carga de corriente correspondiente Iml = excitación calculada actual de la carga de corriente correspondiente m = número de la fase del excitador (3 o 6)
54
R r = resistencia del rotor principal R m = resistencia del estator excitador R 2 = resistencia de la fase de excitación del rotor Para la máquina de anillo rozante, las pérdidas de excitación se determinan en (3.13) P
=
k · Irl2 R r + 2 V · Irl (3.13)
Las pérdidas totales son entonces PH (3.14)
PH
=
P ρ +
PFe + Pk + Pm
+
(3.14)
La eficiencia del generador se calcula como (3.15) η =
P 2 P2
+
P H
(3.15)
donde P2 = S N cos φ S N = potencia aparente nominal cos φ = factor de potencia La eficiencia del motor es (14) η =
donde
P1 − P H P 1
(3.16)
55
P1 = es la potencia de entrada.
3.2.6 Momento de inercia / IEC 60034-2 El momento de inercia de una máquina sincrónica se mide para el estudio de vibraciones de torsión y tensiones en el rotor, que es mecánicamente acoplado a la conducción o a la máquina de trabajo. Cuando es necesario, el almacenado de energía constante se puede calcular. Esta cantidad se utiliza para la evaluación de las oscilaciones y la estabilidad de la máquina en situaciones de funcionamiento. El momento de inercia se mide después de la prueba en vacío o una prueba de cortocircuito, cuando la máquina pueda fácilmente ser llevado con la ayuda del motor CC. La máquina a probar funciona sin excitación. La velocidad es medido por medio de un generador de tacómetro. La velocidad de la máquina se incrementa aproximadamente un 10% sobre la velocidad sincrónica. El suministro del motor CC, así como su excitación se desconectan. Cuando la velocidad se reduce hasta un valor de 1,05 veces la velocidad de sincronismo, el cronómetro se inicia. Cuando la velocidad se ha reducido a un valor de 0,95 veces de la velocidad de sincronismo, el cronometro se detiene. El tiempo transcurrido se registra. Un registrador gráfico se puede utilizar en lugar del tacómetro y el cronómetro. Para los cálculos, el momento de inercia del motor CC y del acoplamiento del eje debe ser conocido. La fricción y las pérdidas de ventilación de la máquina síncrona y del
56
motor CC se han tomado de los datos medidos de ambas máquinas. Después de restar los momentos de inercia adicional, el cálculo se realiza como muestra en la ecuación (15). J
=
J meas
−
J aux
=
T ρ d ω
−
J aux
=
0,9119 ⋅105
dt
n s
∆n
P ρ
∆t
−
J aux
(3.17)
Donde: Jaux= momento de inercia del motor CC y el acoplamiento del eje Tρ = par correspondiente con la fricción común y expuesta al viento Pρ = potencia debido a la fricción común y expuesta al viento, la pérdida kW ns = velocidad de sincronismo, rpm. ∆n = reducción de la velocidad, rpm. ∆t = tiempo de retardo correspondiente, segundos
3.3 Descripción de las pruebas especiales 3.3.1 Medición del Nivel de ruido/ ISO 1680, ISO 3746 El propósito de la medición de nivel de sonido es: - Para determinar la presión de ruido global y nivel de potencia procedente de la máquina - Para investigar las bandas de octava contenida en el ruido - Para determinar las principales orientaciones de la radiación de ruido La máquina sincrónica es conducido sin carga con tensión nominal y velocidad nominal con la ayuda de un motor CC.
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Varias muestras se miden alrededor de la máquina. El número de puntos de medición depende del tamaño de la máquina. Cuando todos los puntos necesarios se miden, la máquina se detiene y el ruido de fondo se mide. De las mediciones con ponderación de presión sonora y niveles de potencia se calculan.
3.3.2 Prueba súbita de corto circuito / IEC 60034-4, IEEE 115 El objetivo de esta prueba súbita de corto circuito es: - Para asegurarse de que la construcción mecánica de la máquina es lo suficientemente fuerte como para soportar tensiones, que son causados por cortocircuitos y de otras perturbaciones eventuales - Para saber la información básica sobre las características de la máquina síncrona durante condiciones transitorios (reactancias Xd´´, Xd´, Xd y constantes de tiempo Td´´, Td´) El circuito de prueba se muestra en la figura 3.13. Los terminales del estator de la máquina síncronica se conectan a la del interruptor de cortocircuito. Las resistencias de derivación para ser medidas están conectadas al otro lado del interruptor. El otro extremos de las resistencias están conectadas entre sí y conectados a tierra.
58
Figura.3.13 Prueba del circuito para la prueba súbita de cortocircuito
La prueba súbita de cortocircuito por lo general se realiza a una tensión terminal cercana a la mitad de la tensión nominal. Los resultados de las pruebas se refieran a una máquina no saturado. Antes de la prueba, las siguientes cantidades se miden: - Valor medio de tensiones en los terminales de línea a línea U - Velocidad n La máquina a probar es conducida por un motor CC a la velocidad nominal. La memoria del registrador se inicia y el interruptor de cortocircuito se cierra. Las tres corrientes de cortocircuito se miden. Las reactancias y constantes de tiempo de la máquina síncrona se calculan de acuerdo con la norma IEC 60034-4. Debido a la reducida tensión de prueba, el sistema por unidad se aplica.
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3.3.3 Prueba de recuperación de Tensión / IEC 60034-4, IEEE 115 El propósito de la prueba de recuperación de tensión es: - Para saber la información básica sobre las características de la máquina síncrona durante condiciones transitorias (reactancia X´d y constantes de tiempo Td0, Td0'') El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.14. Los terminales del estator de la máquina síncronica se conectan a la del interruptor de cortocircuito.
Figura.3.14 Circuito de prueba para la prueba de recuperación de tensión
La prueba de recuperación de tensión se realiza con una corriente de excitación de cerca de la mitad de la tensión nominal del estator sin carga. Los resultados de las pruebas se refieran a una máquina no saturada. Antes del examen, las siguientes cantidades se miden:
60
- Media de las corrientes del estator antes de abrir el interruptor de cortocircuito Durante la prueba, las siguientes cantidades se miden: - La tensión línea a línea del estator vs el tiempo La máquina a probar es conducida por un motor CC a la velocidad nominal, sin excitación. El interruptor de cortocircuito se cierra y la corriente de excitación se incrementa a un valor especificado. El registrador se inicia y el interruptor de cortocircuito se abre. Las reactancias y constantes de tiempo de la máquina síncronica se calculan de acuerdo con la norma IEC 60034-4. Debido a la baja tensión de prueba, el sistema por unidad sistema se aplica.
3.3.4 Medición de la tensión del eje Pequeñas asimetrías del núcleo de hierro y las bobinas, así como los picos de voltaje provenientes del regulador de voltaje, pueden provocar tensiones CA en el eje de una máquina sincrónica. La frecuencia de tales tensiones es sobre todo a la frecuencia de línea, o una armónica de la misma. Tensiones en el eje puede dar lugar a corrientes en los cojinetes, que son perjudiciales para la manga y rodamientos de rodillos. Para evitar las corrientes, uno de los rodamientos está aislado del armazón de la máquina o el eje está puesto a tierra con unas escobillas aterrizadas. La tensión del eje (CA) se mide con un voltímetro entre los extremos del eje.
61
3.3.5 Medida de forma de onda de tensión / IEC 60034-1, IEEE 115 La tensión en bornes de un generador sincrónico, siempre cuenta con la presencia de armónicos, lo que puede interferir con el funcionamiento de los equipos de comunicación, y provoca un aumento de temperatura adicional en el equipo conectado a la línea de suministro. La desviación de la tensión de salida de un generador de la onda sinusoidal se puede medir, así como la gravedad de la injerencia en las redes de comunicación. La forma de onda de la tensión en bornes del generador se representa sin carga, con la ayuda de una grabadora. El regulador de tensión del generador está en funcionamiento. La curva se compara con la onda de seno con el mismo valor efectivo. La desviación de la onda de voltaje de la onda senoidal fundamental (Distorsión armónica total, THD) es calcula como se muestra en la ecuación (3.18) r
∑2 U 2 n
THD [%] =
n=
U 1
× 100
(3.18)
donde: r = el orden de los armónicos El contenido armónico de la tensión en bornes del generador se determina sin carga, utilizando una grabadora o instrumento similar. El regulador de tensión del generador está en funcionamiento. Los armónicos se miden desde la frecuencia nominal hasta el armónico 100.
62
El factor telefónico de armónicos (THF) se calcula a partir de la ecuación (3.19) r
∑2 ( λ U ) n
THF [ %] =
2
n
× 100
n=
U 1
(3.19)
donde: r = el orden de los armónicos λn = el factor de ponderación de la armónica El factor de Influencia telefónica (TIF) se calcula a partir de la ecuación (3) r
∑1 ( λ U ) n
TIF =
2
n
n=
U 1
(3.20)
donde: r = el orden de los armónicos (y también el valor fundamental) λn = el factor de ponderación de la armónica (y también el valor fundamental)
3.3.6 Arranque del motor sincrónico El propósito de iniciar la prueba es: - Para determinar la corriente y el par de arranque de valores medidos - Para poner a prueba las funciones y la configuración de cabina de excitación (excitación en, sincronización, etc.)
63
Para hacer factible un encendido en línea de un motor síncrono, el motor está provisto de una caja de devanados incrustados en las caras de los polos, o los polos se fabrican de chapa de acero sólido. El proceso de encendido es como el de caja de arranque de motor. La prueba se realiza normalmente a partir de la mitad de la tensión nominal (que limita los efectos de la red principal / alimentación). En el inicio de la prueba de arranque, el motor síncrono se está operando en el sentido inverso de rotación, en alrededor de un 7% de la velocidad nominal, con la ayuda del Motor de CC. El interruptor de circuito entre los terminales y la línea de suministro permanece abierta. El voltaje de línea se verifica. El motor CC de suministro se desconecta y el interruptor del circuito es cerrado. Las cantidades que deben medirse durante el arranque son: - Tensión terminal de línea a línea US - Corriente de arranque IS - Velocidad n - Corriente de excitación Im El procedimiento de arranque se controla, y las vibraciones y el ruido de la máquina se observan. La sincronización del motor está supervisado. Después de eso, el motor se desconecta y se leen los datos de la grabadora y se guarda.
64
3.3.6.1 Cálculo de los resultados de las pruebas El par de arranque se puede determinar de la curva de velocidad medida, con la siguiente ecuación T s
=
∆ω
∑ J ⋅ ∆t
(3.21)
donde: ΣJ = inercia total durante la prueba (motor y máquina CC)
Figura. 3.15. Determinación del par de arranque
Corrección de la tensión nominal y se puede hacer con la siguiente ecuación si el voltaje utilizado no ha sido el nominal:
65
U TSN = N U S
2
× T S
(3.22)
donde TSN = corrección del par de arranque U N= Tensión nominal US= tensión durante el ensayo TS = par de arranque calcula a partir de valores de medición (4) I SN
U N × I S U S
=
(3.23)
donde: IS = medida de la corriente de arranque.
3.3.7 Prueba de encendido / apagado de carga A menudo es necesario que un motor muy grande jaula de ardilla se pueda iniciar, cuando se alimentan de un generador síncrono de potencia de salida no mucho más que la entrada del motor en el arranque. Se trata, por ejemplo, de unidades de la hélice de los barcos. Cuando se considere necesario, se realiza una prueba en condiciones, que corresponden aproximadamente con el arranque real. El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.16. La tensión en los terminales y la línea actual se miden mediante un registrador gráfico e instrumentos que indica. El regulador de tensión del generador está en funcionamiento.
66
Figura. 3.16 Circuito de prueba para la carga de encendido / apagado
El generador se inicia con la ayuda del motor CC. La velocidad se incrementa a su valor nominal. La excitación del generador está encendido. El regulador de tensión se ajusta la tensión en bornes a su valor nominal. La graficadora está en marcha y el interruptor del circuito está cerrado. Las lecturas de los instrumentos que indica (corriente y voltaje) se monitorean. Después de que la corriente se ha estabilizado al cabo de un tiempo, el circuito se abre. La restauración de la tensión en bornes del generador se observa.
3.3.8 Índice de polarización / IEEE 43 El propósito de este ensayo es: - Para determinar el valor de referencia para el nivel de aislamiento. Cuanto más alto sea el valor del índice de polarización (IP), mejor nivel de aislamiento. El nivel de aislamiento se ve afectada por varios factores, como estado de la superficie, la humedad, temperatura, etc.
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El valor del IP para bobinados del estator se puede determinar durante la medición final de resistencia de aislamiento. Por lo general, la construcción de bloques de puente del rotor se rectifica a cabo la medición del rotor IP. Normalmente, el valor del IP es la relación de valor de la resistencia 10 minutos a un minuto valor de la resistencia. El valor del IP es a menudo superior a 2.0, pero ninguna norma estricta no se puede encontrar al tener alta valores de resistencia de aislamiento.
3.3.9 Prueba de sobrecarga (prueba de sobrecorriente) / ABS, BV, CCS, DNV, GL, LRS, RINA 3.3.9.1. General Motores y generadores deberían ser capaces de soportar cortas sobrecargas sin dañarse. La prueba de sobrecarga para el motor se realiza para verificar si el par del motor es lo suficientemente alto como para manejar sobrecargas por un período breve. Normalmente la potencia al eje del motor no puede ser observado y la prueba se realiza como una prueba de sobrecorriente. Para los generadores también las pruebas llevadas a cabo como una prueba de sobrecorriente. La prueba de sobrecarga para los motores se lleva a cabo con las siguientes corrientes:
68
- 1,5 veces la corriente nominal del estator durante 15 segundos. a LRS, BV, RINA - 1,5 veces la corriente nominal del estator durante 120 segundos. de DNV, ABS, GL, CCS La prueba de sobrecarga para los generadores se lleva a cabo con las siguientes corrientes: - 1,5 veces la corriente nominal del estator durante 15 segundos. a LRS, BV, RINA - 1,5 veces la corriente nominal del estator durante 30 segundos. de DNV, ABS - 1,5 veces la corriente nominal del estator durante 120 segundos. a GL, CCS
3.3.9.2 Métodos de prueba Primer método. La prueba de sobrecarga se realiza dejando que la máquina síncrona opere como motor con sobreexcitación. El motor CC se desconecta de la fuente de alimentación y es utilizada para el frenado solamente. El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.17.
69
Figura. 3.17 Prueba del circuito para la prueba de sobrecarga (con carga reactiva)
Segundo método. Si no es posible hacer la prueba de sobrecarga con carga reactiva, por ejemplo, por muy baja frecuencia nominal (<50 Hz), la prueba de sobrecarga se puede hacer en un cortocircuito trifásico. El circuito para la prueba de corto circuito se muestra en la fig. 3.18. Los terminales del estator están en cortocircuito sobre corriente de transformadores y amperímetros. La corriente de excitación de una máquina se suministra sin escobillas de su propia excitación. La máquina sincrónica se pone en marcha y es conducida con la ayuda de un motor CC.
Figura. 3.18 Prueba del circuito para la prueba de sobrecarga (en corto circuito)
3.3.9.3 Procedimiento de ensayo La corriente del estator se incrementa a 1,5 veces la corriente nominal y se mantiene durante un tiempo necesario. La temperatura se observan durante la prueba. Las cantidades que se mide son los siguientes: -Valor medio de tensiones en los terminales de línea a línea U (no a cortocircuito)
70
- Valor medio de las corrientes de fase I - Potencia real (no a cortocircuito) - Velocidad n - Corriente de rotor Ir y voltaje Ur (cuando está equipado con la medición de los anillos colectores) - Corriente de excitación Im y la tensión Um (para máquinas sin escobillas)
3.3.10 Prueba de sobretensión El propósito de la prueba de sobretensión es: - Para probar vuelta a vuelta los aislamientos en los bobinados del estator El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.19.
Figura. 3.19 Prueba del circuito para la prueba de sobretensión
La máquina a probar es conducida por un motor CC a la velocidad nominal con terminales del estator en circuito abierto. La excitación de la máquina síncrona está encendida. La excitación se incrementa de forma continua, hasta que la tensión en
71
terminales se ha elevado a 1,3 veces la tensión nominal. La corriente de excitación de la máquina síncrona no debe ser aumentado en 1,5 veces el valor nominal. La velocidad de la máquina se puede aumentar si es necesario para evitar una excesiva corriente del rotor. Las siguientes cantidades se registran: - Velocidad n - Valor medio de las tensiones de línea a línea, - Corriente del rotor Ir y tensión Ur -Corriente de excitación Im y tensión Um. La duración de la prueba suele ser de 1 minuto.
3.3.11 Medición de la curva V El propósito de este ensayo es - Para demostrar el control de excitación de la máquina síncrona El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.20.
72
Figura. 3.20. Circuito de prueba para curva V
Las mediciones han de hacerse con el voltaje del estator constante (nominal). El primer punto de medida se halla al valor nominal de la corriente en el estator (sobreexcitado), con cosΦ = 0. La excitación se reduce lentamente y otros puntos se miden como muestra en la figura 3.20. El punto más bajo de la corriente del estator es cuando cosΦ = 1. La máquina está teniendo solamente las pérdidas en vacío en ese punto. La temperatura se considera durante la prueba. Las cantidades que deben medirse en cada punto se enumeran a continuación: - Valor medio de tensiones en los terminales de línea a línea U - Valor medio de las corrientes de fase I - La potencia real P - Velocidad n - Corriente de rotor y voltaje (Ir y Ur ) - Corriente de excitación y tensión Im y Um si es aplicable. El curva V se traza como se muestra en la fig. 3.21 con base en los resultados de la medición.
73
Figura. 3.21 Curva V
3.3.12 Prueba bajo deslizamiento / IEC 60034-4, IEEE 115 El propósito de este ensayo es: - Para determinar la reactancia síncrona de cuadratura eje Xq (y reactancia síncrona Xd) El circuito de prueba se muestra en la fig.3.22.
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Figura. 3.22 Prueba del circuito para la prueba bajo deslizamiento
La máquina bajo prueba es conducida por un motor CC a una velocidad alrededor de 1 a 2% por debajo de la velocidad nominal con el devanado de rotor en circuito abierto. Las tres fases de alimentación con frecuencia nominal están conectados a las terminales del estator. La tensión del estator se ajusta a un voltaje inferior al 25% del voltaje nominal. El valor de la tensión del rotor debe ser observado y no se permite aumentar demasiado alto. Las siguientes medidas están conectados con tarjeta de registro: - Tensión del rotor, Ur - Tensión del estator de línea a línea, U - Corriente de fase del estator, I Los resultados se calculan a partir de los valores obtenidos según oscilograma. IEC 60034-4.
3.3.13 Prueba de tensión aplicada (baja velocidad) El propósito de esta prueba es:
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- Para determinar la reactancia subtransitoria del eje de cuadratura Xq `` y eje directo de la reactancia subtransitoria Xd´´ El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.23.
Figura. 3.23 Prueba del circuito para la prueba bajo deslizamiento
La máquina a probar es conducida por un motor CC a baja velocidad con el devanado del rotor en cortocircuito. Una fuente de alimentación en CA (generador) con frecuencia nominal está conectado a dos de las terminales del estator. Un voltaje reducido se aplica a las dos terminales del estator. El calentamiento de la máquina se sigue. Las siguientes medidas están conectados al grabador de memoria: - Corriente del rotor, Ir . - Corriente de fase del estator, I1 - Tensión del estator de línea a línea, U1.
76
Figura. 3.24 Oscilograma típico de la prueba de tensión aplicada
Los resultados se calcula a partir de los valores obtenidos del oscilograma. según la IEC 60034. X d"
=
Z d" 2 − Rd "2
donde Z d " =
U
2 ⋅ I
(3.25)
(3.24)
77
Rd " =
P
2 ⋅ I 2
(3.26)
Las mismas fórmulas se utilizan para determinar la reactancia subtransitoria en el eje de cuadratura. El índice “d” se sustituye por el índice “q” y la tensión, corriente y potencia se mide por la posición del rotor que da prácticamente una corriente de excitación de bobinado de cero.
3.3.14 Prueba sostenida de cortocircuito de línea a línea (X2 + R2) / IEC 60034-4, IEEE 115 El propósito de esta prueba es: - Para determinar reactivo de secuencia negativo X2 (y la resistencia R 2) El circuito de prueba se muestra en la fig. 3.25. Sostenido a cortocircuito se debe conectar entre dos terminales del estator. Un adecuado transformador de corriente se utiliza para medir la corriente a través del cortocircuito.
78
Figura. 3.25 Circuito de prueba para prueba sostenida de cortocircuito de línea a línea
La máquina bajo prueba es conducida por un motor CC a velocidad nominal. La corriente de excitación se incrementa hasta que la corriente de cortocircuito es aumentado 0,2 veces la corriente nominal del estator. Las siguientes cantidades se miden rápidamente: - Corriente de cortocircuito del estator, I2 - Tensión línea a línea del estator, U2 - Potencia real, P2 La corriente de excitación debe reducirse a cero inmediatamente después de que las lecturas se han tomado. La prueba se repite 4 a 5 veces para varios valores de corriente por debajo de la corriente nominal del estator. El calentamiento del devanado del rotor se observa durante las mediciones. Entre lecturas el devanado del rotor debe ser enfriado si es necesario. La reactancia X2 (y la resistencia R 2) se calcula de acuerdo con la norma IEC 60034-4.
79
Z 2
X 2
R2
=
=
=
U 2
3 ⋅ I 2
(3.27)
P 2
3 ⋅ I 2
(3.28)
Z 22 − X 22
(3.29)
3.3.15 Prueba sostenido línea a línea y neutro en cortocircuito (X0 y R0) / IEC 600344, IEEE 115 El propósito de esta prueba es: - Para determinar la reactancia de secuencia cero X0 (y la resistencia R 0) El circuito de prueba se muestra en la fig.3.26. Sostenido a cortocircuito se debe conectar entre dos terminales del estator y al neutro. Un transformador de corriente adecuado se utiliza para medir la corriente a través del cortocircuito.
80
Figura. 3.26 Circuito de prueba para Prueba sostenida de línea a línea y neutro en cortocircuito
La máquina bajo prueba es conducida por un motor CC a velocidad nominal. La corriente de excitación se incrementa y las cantidades se miden con rapidez: - Corriente de estator de corto circuito, I0 - Tensión del estator línea a neutro, U0 - Potencia real, P0 La corriente de excitación debe reducirse a cero inmediatamente después de que las lecturas se han tomado. La prueba se repite 4 a 5 veces para varios valores actuales de la corriente del estator. El calentamiento del devanado del rotor se observa durante las mediciones. Entre las lecturas, el devanado del rotor debe enfriarse si es necesario. Reactancia X0 (y la resistencia R 0) se calcula de acuerdo con la norma IEC 60034-4.
81
X 0
=
R0
=
U 0 I 0
(3.30)
P 0 I 02
(3.31)
3.3.16 Medición de impedancia El propósito de la prueba es la siguiente: - Para determinar la impedancia de los devanados La medición de las impedancias de los devanados se lleva acabo utilizando dos multímetros y una fuente de corriente alterna, ver fig. 3.27. Toda la corriente de la fuente CA debe fluir a través de los devanados a probar. Eventuales circuitos paralelos deben ser desconectada antes de las mediciones.
82
Figura. 3.27 Medición de las impedancias de los devanados.
Las impedancias de los bobinados del estator se miden una a la vez si es posible. Las lecturas (voltaje y corriente) se toman tan pronto los valores son estables. Se toman varias lecturas, a partir de alrededor de 0,5 A. La tensión se observa cuando la corriente se incrementa. Los resultados se calculan de la ecuación (3.32). Z =
U I
(3.32)
83
3.3.17 Prueba de rotor bloqueado para motor / IEC 60034-4, IEEE 115 La prueba se puede hacer para máquinas de altura del eje 710 y por debajo (que tiene una forma clave). Una prueba más preferida para determinar los mismos valores se ha descrito anteriormente en el punto 3.3.6 arranque del motor síncrono. El propósito de la prueba es: -El circuito de prueba se muestra en la fig. 16. El motor está conectado a la fuente de alimentación de 3 fases. La figura. 3.28. Prueba del circuito para la prueba de rotor bloqueado
Figura. 3.28 Circuito de prueba para prueba rotor bloqueado
La manga se acopla al enganche D del extremo del motor. El haz se encuentra en posición horizontal, que es el punto cero para la medición de la fuerza. La longitud del brazo de palanca desde el centro del eje hasta el punto de apoyo en la fuerza de medición se mide.
84
Las pruebas preliminares se hacen en varias posiciones del rotor. El rotor debe estar ubicado en la posición donde es el mínimo de par. Las siguientes cantidades se miden con rapidez: - Corriente de fase del estator, I - Tensión del estator de línea a línea, U - Potencia real, P - Fuerza, F La corriente de excitación debe reducirse a cero inmediatamente después de que las lecturas se han tomado. La prueba se repite 4 a 5 veces para varios valores de la corriente del estator. El calentamiento del devanado del rotor se observa durante las mediciones. Entre las lecturas, el devanado del rotor debe enfriarse si es necesario. Los resultados se derivan de la tensión del estator nominal de acuerdo con la norma IEC 60034-4. En la práctica, los resultados más precisos pueden obtenerse a partir de la prueba de arranque, ya que por lo general el más alto voltaje del estator, que se puede acceder durante el ensayo es inferior a 0,4 veces la tensión nominal del estator.
3.3.18 Prueba de decaimiento de campo / IEC 60034-4 El propósito de la prueba es:
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- Para determinar la constante de tiempo transitorio T d0 en el eje directo a circuito abierto y la constante de tiempo Td transitorio en el eje directo a cortocircuito. Otras pruebas donde las mismas constantes tiempo se puede determinar son las siguientes: -Tensión de prueba de recuperación para Td0 descrito en el punto 3.3.3 - Prueba Súbita de cortocircuito para Td descrito en el punto 3.3.2 La máquina a probar es manejada por un motor CC a velocidad nominal. Se aplica la excitación de una fuente separada, es importante que la fuente de excitación pueda ser apagada rápidamente. La máquina se excita hasta la tensión nominal (T d0) o, alternativamente, a la corriente nominal (Td). A continuación, la excitación se apaga y los siguientes valores se miden con un registrador gráfico: - Tensión del rotor Ur , si no procede, voltaje de excitación Um - Tensión del estator de línea a línea de tensión, U para medir Td0 - Corriente de fase I, para la medición de Td Los resultados se calculan a partir de los valores obtenidos según oscilograma. IEC 60034-4.
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CAPÍTULO 4: Condiciones de funcionamiento, criterios de aceptación y pruebas de laboratorio De acuerdo a la norma de la IEC 60034-1, las condiciones de operación de las máquinas deben de estar dentro de los siguientes parámetros: La altitud de operación no exceda los 1000 m sobre el nivel del mar La temperatura ambiente no exceda 40° C La temperatura del agua refrigerante se encuentre entre 5 a 25° C También a menos que se especifique lo contrario, las máquinas sincrónicas trifásicas deberán estar en condiciones de operar continuamente en un sistema desequilibrado, siempre y cuando ninguna de las corrientes de fase exceda a la nominal, la relación entre la componente de secuencia negativa de corriente (I2) con la corriente nominal (I N) no supere los valores de la tabla 4.1 y además en condiciones de falla sea capaz de funcionar de acuerdo al producto (I2/I N)2 x tiempo (t), no exceda los valores de la tabla .
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Tabla 4.1. Valores Máximos en condiciones de desequilibrio trifásico Valor Máx. Operación Continua I2/IN
Valor Máx. Bajo Falla en segundos (I2/IN)2x t
Enfriado Indirecto Devanados motor generador condensadores sincrónicos
0,1 0,08 0,1
20 20 20
Enfriamiento directo estator y devanados de campo motor generador condensadores sincrónicos
0,08 0,05 0,08
15 15 15
0,1 0,1
15 10
0,08 ver nota 1 ver nota 1 0,05
8 ver nota 2 5 5
Item
Tipo de Máquina Máquina de polos salientes
1
2
3
4
Máquinas Sincrónicas de rotor cilíndrico Enfriamiento Indirecto devanados de rotor enfriamiento por aire enfriamiento por hidrógeno Enfriamiento Directo devanado rotor ≤350 MVA >350 ≤900 MVA >900 ≤1250 MVA >1250 ≤1600 MVA
Nota 1
Para estas máquinas el valor I2 /IN se calcula como 4
I2 /IN=0,08-(SN - 350)/3x10 Nota 2
2
Para estas máquinas el valor (I2 /IN) x t se calcula como 2
(I2 /IN) x t=8 - 0,005 45 (SN - 350) donde SN es la potencia aparente en MVA
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Otro criterio de importancia se relaciona con la duración de las pruebas térmicas. Estas pueden llegar a tener la carga promedio a la cual la máquina operará hasta alcanzar el equilibrio térmico, esto tomando en cuenta también, la velocidad y la refrigeración durante el ciclo de trabajo. Otras pruebas de rutina mínimas que se deben de efectuar a las máquinas sincrónicas de acuerdo a la norma IEC 60034-1 son las siguientes: resistencia de los devanados en frío, pérdidas en vacío a factor de potencia unitario, corriente de excitación sin carga a voltaje nominal por medio del circuito abierto; dirección de rotación en caso de motor y secuencia de fase en caso de generador y la prueba de la resistencia de tensión. Las pruebas de exceso de velocidad no se considera normalmente necesarias, pero se puede realizar cuando sea especificado y se haya acordado. Una prueba de sobrevelocidad se considerará satisfactorio si ninguna deformación anormal permanence posterior a la prueba, también que no se presente cualquier otra debilidad que evite que la máquina no funcione de manera normal, y siempre que las bobinas del rotor después de la prueba cumplen con la necesarios ensayos dieléctricos. La duración de cualquier exceso de velocidad de ensayo será de 2 minutos. Según la norma, la sobrevelocidad no debe de exceder 1,2 veces la velocidad nominal. Para el cortocircuito de corriente para máquinas síncronas, a menos que se especifique lo contrario, el valor pico de la corriente de cortocircuito para máquinas sincrónicas, en el caso de cortocircuito en todas las fases durante la operación a la tensión
89
nominal, no será superior a 15 veces el máximo valor ó 21 veces el r.m.s. del valor de la corriente nominal. La verificación puede ser efectuada por cálculo o por medio de una prueba a una tensión de 0,5 veces la tensión nominal o por encima. Para la prueba de soporte de cortocircuito para máquinas síncronas, se llevará a cabo sólo a petición del comprador. En este caso, la prueba se llevará a cabo en la máquina sin carga, con una excitación que corresponde a la tensión nominal a menos que se acuerde otra cosa. La prueba no se lleva a cabo con una excitación mayor que el correspondiente a 1,05 veces la tensión nominal en vacío. La excitación de prueba, según lo determine, podrá reducirse por acuerdo, con el fin de tener en cuenta la impedancia del transformador que se puede colocar entre las máquinas y el sistema. En este último caso, también se puede acordar que la prueba se hizo en el sitio de operación con el dispositivo de sobreexcitación en funcionamiento. El cortocircuito se mantendrá durante 3 segundos. La prueba se considera satisfactoria si no se produce deformaciones perjudiciales y si los requisitos de la tensión aplicada, prueba dieléctrica, cumplen después de la prueba de cortocircuito. Para los criterios de aceptación de acuerdo a los resultados de las distintas pruebas, se encuentra una tabla resumen en la norma IEC 60034-1 de las cuales para la máquina AMG y AMZ podemos comparar son las siguientes:
90
Tabla 4.2. Valores de tolerancia de acuerdo a los Resultados de las pruebas efectuadas. item
Cantidad
Tolerancia
Eficiencia 1 maquinas superiores a 150kW o kVA
-10%
Perdidas Totales (aplicable a 2 maquinas superiores a 150 kW o kVA
+10% del total de perdidas
13
Corriente rotor bloqueado
20% del valor
14
Torque rotor bloqueado
-15% al +25% -10% salvo que después que permita dicha tolerancia el par
15
Torque extraible no podrá ser inferior a 1,35 o 1,5 veces el par nominal
18
Momento de Inercia
+/- 10% del valor
Otro criterio de suma importancia son los parámetros obtenidos del generador. Aunque estos no solo deben de ser medidos al adquirirse las unidades generadoras, sino por el contrario se debe de realizar cada cierto tiempo con pruebas de campo, para tener parámetros precisos y así gracias a los programas informáticos info rmáticos de simulación de potencia, p otencia, a sus desarrollos matemáticos que se perfeccionan día a día, simular con un alto grado de confiabilidad, grandes sistemas de potencia. Sin embargo esto es un estudio totalmente aparte al desarrollado en este proyecto.
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Para las pruebas en el laboratorio de máquinas eléctricas se intentó buscar simular alguna de las pruebas realizadas por la compañía ABB de acuerdo a los estándares de la IEEE y de la IEC, sin embargo en la mayoría de los casos se necesitan de equipos especiales para la medición de los parámetros. En algunas de las pruebas es necesario el uso de termómetros y en la bodega de la escuela ciertos multímetros no cuenta con dicha función o no se encuentra disponible el cable especial para la toma de temperatura. Otra limitante se encuentra en que no se es posible capturar los datos del rotor por fase, si no simplemente el de terminales del estator, Lo mismo sucede con las corrientes. Revisando los laboratorios del curso de Máquinas Eléctricas si existen experimentos los cuales son parte de las pruebas a realizar en una maquina sincrónica. Entre las cuales están característica de cortocircuito y vacío como las de mayor importancia para este proyecto en estudio. Además también se efectuaron experimentos de regulación de carga, curvas V en motores y eficiencia. Los siguientes datos fueron tomados del laboratorio durante el curso de Máquinas Eléctricas y se obtuvieron los siguientes resultados de las pruebas de circuito abierto, corto circuito y corriente directa2:
2
Vásquez C. Alex y otro La Máquina Sincrónica. Experimento 3, 4, 5, 6,7 y 8 . Año 2007
92
Tabla 4.3. Resultados de las pruebas de circuito abierto, corto circuito y corriente directa. Prueba de circuito abierto Voltaje inducido Corriente de campo [VAC] 2,9 8,7 15 23,5 30,13 35,53 42,82 46,08 52,36 57,17 62,18 65,66 71,75 75,19 78,52 84,25 87,68 91,7 95,65 98,35 103,7 106,8 113,9
[ADC] 0,001 0,031 0,055 0,085 0,108 0,129 0,156 0,171 0,198 0,219 0,241 0,26 0,284 0,302 0,324 0,359 0,38 0,405 0,433 0,456 0,491 0,524 0,594
119,3
0,66
123 128,3 133,2 136,4
0,72 0,807 0,925 0,993
Prueba de corto Prueba de corriente circuito directa Corriente Voltaje Corriente Corriente de de de de campo inducido entrada entrada [AAC] [ADC] [VDC] [ADC] 0,048 0,002 12,2 1,01 0,083 0,011 0,103 0,017 0,12 0,021 0,139 0,026 0,177 0,035 0,197 0,039 0,228 0,046 0,254 0,05 0,281 0,056
0,329
0,065
0,389
0,075
Los valores en negrita y más grandes indican las corrientes de campo con las que se alcanzan los valores nominales de voltaje inducido y corriente de inducido, se debe mencionar que estos valores posteriormente se determinaron en por unidad.
93
Con la tabla anterior se procedió a realizar las gráficas necesarias para obtener los valores de la reactancia sincrónica, tanto saturada como no saturada, por lo que se llevo a cabo la gráfica que muestra la variación en corto circuito, en esta se midió la corriente de campo y la corriente inducida, esta variación se observa en la figura 16, posteriormente se realizó la gráfica que muestra la variación de la tensión y la corriente de campo, por lo que se obtiene la figura 17.
Figura 4.1. Ajuste lineal de la curva característica de cortocircuito.
De las pruebas de vacío y cortocircuito se pueden construir las curvas características de circuito abierto y de cortocircuito del alternador sincrónico del laboratorio. Para la curva de cortocircuito, que debe presentar la forma de una línea recta que pasa por el origen, se utilizará una recta de ajuste que pasa por el punto de la corriente nominal, para mejorar la exactitud de los cálculos.
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Así, la ecuación de la recta de ajuste de la curva de cortocircuito se puede escribir observar en la figura 16. Luego, se puede construir la gráfica de características de circuito abierto y cortocircuito en un mismo plano, en función de la corriente de campo.
Figura 4.2 Características de cortocircuito y circuito abierto.
De la gráfica se puede observar el comportamiento de saturación de la curva de circuito abierto, y la aproximación lineal que se realizó para la curva de cortocircuito, congruentes con los comportamientos teóricos. De la tabla de resultados, observando los valores nominales del voltaje inducido y la corriente inducida en negrita, se obtienen f’ y f’’. Observando la gráfica se puede aproximar el valor de Iaf’, sin embargo, para obtener valores más confiables, es mejor utilizar la ecuación de la recta de cortocircuito.
Tabla 4.4. Valores obtenidos de las curvas características de circuito abierto y cortocircuito.
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f' [A]
f'’ [A]
Iaf’ [A]
0,66
0,07129
3,055
Parámetros del circuito equivalente Los parámetros del circuito equivalente del alternador sincrónico que se encuentran a partir de las pruebas realizadas son Ra y Xs. A partir de la prueba de corriente directa, y considerando el efecto piel, se puede encontrar el valor de Ra con las fórmulas posteriormente
,
. Con estas ecuaciones y con los valores de la tabla 1 se
obtiene que
.
De las pruebas de circuito abierto y cortocircuito se calcula el valor de la reactancia síncrona saturada y la no saturada. Utilizando las curvas características de vacío y cortocircuito, la impedancia equivalente se calcula como
. Así, conociendo el
2 2 valor de Ra, la reactancia síncrona saturada se encuentra con la fórmula Xs = Zs − Ra .
Además, el inverso de la relación de cortocircuito (SCR) es el valor de la reactancia saturada en p.u.
Tabla 4.5 Resultados para la reactancia síncrona saturada SCR 9,258
Xs [pu] 0,108
Zs [Ω] 39,28
Xs [Ω] 36,96
96
Figura 4.3 Resultados de la prueba de cortocircuito y circuito abierto de la ABB.
Podemos observar también que los parámetros Xd se encuentran dentro del rango de acuerdo a la fig 4.4 tomado del libro Power System Stability and Control de Kundur, P
97
Figura 4.4 Valores típicos de reactancias, resistencias, constantes d e tiempo (t) para máquinas síncronas
El cual establece un parámetro entre 0.8 a 1.5 pu, con un promedio de 1.2 pu para motores sincronizo.
98
CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones Es necesario contar con un manual o protocolo de pruebas para máquinas sincrónicas dada la importancia de estos equipos en la generación eléctrica y por su alto costo. Es necesario de antemano conocer el producto que se este adquiriendo, así como desarrollar un programa de mantenimiento durante cierto intervalo de tiempo para conocer el estado real de cada unidad y tener una comparación de un equipo nuevo contra uno usado. Debido a la importancia de los generadores síncronos en los sistemas de generación de energía eléctrica, es fundamental conocer los parámetros de operación del generador. Es muy importante practicarle un conjunto de pruebas a la máquina sincronica después de un determinado tiempo de funcionamiento, nos dará un diagnóstico muy cercano a la realidad total de la máquina. Una prueba individual aislada no generará información valiosa. Las pruebas de resistencia, factor de potencia y descargas parciales nos informará sobre el funcionamiento adecuado o no, de los aislamientos. La prueba térmica, nos da una idea del calentamiento al que se somete la máquina a determinados valores de corriente o potencia, esto a la vez nos permite conocer los límites de operación por temperatura. De las pruebas de fallas se logra entender y predecir con un alto grado de certeza, el comportamiento de la maquina, que sin embargo no garantiza la resistencia de fuerzas
99
transitorias severas a la que sea sometida durante su operación normal en la red como un elemento más. Es importante mencionar que en ninguna de las normas internacionales (IEEE e IEC) mencionan la humedad del medio ambiente, el cual sabemos que es un factor a tomar en cuenta en nuestro país, y lo dañino que puede ser para cualquier equipo eléctrico. Entre las recomendaciones cabe destacar la necesidad de contar con un personal encargado especializado para la realización de las pruebas y/o interpretación de dichos resultados, si éstas se realizan en el exterior. De realizarse las pruebas en nuestro país (las pruebas periódicas), contar con el equipo de medición especializado, calibrado y de mejor precisión disponible, asi como un equipo técnico especializado para dichas pruebas.
100
BIBLIOGRAFÍA Libros 1. Chapman, S. “Máquinas Eléctricas”, Cuarta Edición, Editorial McGraw Hill, México, 2005. 2. Fitzgerald A. “Máquinas Eléctricas”, Sexta Edición, Editorial McGraw Hill, México, 2004. 3. Kimbark, E.W. “Power System Stability: Synchronous Machines”, cap. 12. Nueva York: Dover Publications, Inc., 1968. 4. Kundur, P. “Power System Stability and Control”, McGraw Hill, 1994
Normas 5. Norma IEC 34-4 de 1967, “Recommendations for Rotating Electrical
Machinery (excluding machines for traction vehicles). Part 4: Methods for Determining Synchronous Machine Quantities from Test”. 6. ANSI / IEEE Std 115 – 1983, IEEE Guide: “Test Procedures for Synchronous
Machines.”
Documentos académicos y técnicos 7. C. Vargas, T Hernandez. “Estimación de los parámetros eléctricos del generador
No. 15 de la central hidroeléctrica Simón Bolívar, basado en la aplicación del Método de Elementos Finitos ”, XIII Encuentro Regional Iberoamericano de Cigré, Mayo 2009.
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8. Martínez, E. “Guía para la determinación de límites de operación, curvas de
capacidad, pruebas y mantenimiento predictivo de generadores síncronos”, Universidad de San Carlos de Guatemala, Guatemala, 2003. 9. Documentos obtenidos a través del ICE de la compañía ABB. 10. Documentos del curso Maquinas Eléctricas 2, de la UCR.
ANEXOS
Prueba realizada a otra máquina. Proyecto Peñas Blancas
