Regulación de Voltaje de Un Generador Trifásico

Regulación de Voltaje de un Generador Trifásico Baño Ríos Bryan Mauricio, Burbano Vásquez Johao Jesús, Gancino Bustillos Henry Saúl, Guevara Zambrano Irving Josué, Reinoso Sacancela Isidro Santiago, Rojas Caicedo Franklin Jonathan, Terán Rodríguez Sergio Alejandro  [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected].

Universidad Politécnica Salesiana  —  This document contains the analysis and  Abstract —   development of the laboratory practice of Electrical  Machines II, in which voltage regulation was carried out  for both resistive, resistive, inductive and capacitive loads, each case  has its respective data tables and also its graphs respective which will help to understand graphically voltage  regulation.  Keywords — Capacitor, Capacitor, Inductor, Resistencia, Regulación de Voltaje .

I. I NTRODUCCIÓN La mayor parte de los dispositivos electrónicos requieren de voltajes continuos para operar. Las baterías son una opción útil, pero tienen un tiempo de operación limitado. Otra opción consiste en generar la fuente de alimentación utilizando la red de 220 volts alterno (220 RMS). Esta tensión puede ser manipulada fácilmente usando un transformador y circuitos recitadores, los que sumados a un dispositivo regulador proporcionan diferentes valores de tensión. En este artículo, se analizarán los reguladores más simples, los cuales se irán medicando hasta obtener conjuraciones más complejas y mejoradas. En la parte final se analizan los reguladores basados en circuitos montados en el Laboratorio de Maquinas Eléctricas. II. OBJETIVOS  A. Objetivo General

Desarrollar en el laboratorio de máquinas eléctricas la Regulación de voltaje de un generador trifásico.  B. Objetivos Específicos

i. ii. iii.

Apreciar la diferencia entre generadores ac y dc. Estar al tanto de los parámetros usados para medir el desempeño de un generador ac. Comprender los factores que afectan a la regulación de voltaje de un generador trifásico.

gira a la misma velocidad misma  velocidad independientemente de que carga esté produciendo (se mide en megawatts) no en voltaje, como los requerimientos de carga (consumo de la energía  producida) son variables, son variables,   la generación de megawatts es variable a frecuencia y voltaje constante, si no tienes un regulador automático de voltaje (llamado AVR en inglés) esto no se puede lograr.[4]  B.

Carga inductiva pura

En este caso los flujos aparecen en sentido contrario. Produciendo un efecto desmagnetizante, es decir que los flujos se restan; y además produciendo que los polos inducidos de igual nombre estén enfrentados.

Fig. 1: Esquema del GS y resta de flujos Supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en atraso y le adicionamos otra con el mismo f.d.p.; podemos observar que el valor de   aumenta pero mantiene el mismo ángulo de desfase con respecto a ∅entonces tenemos un incremento en el valor de     que como ya dijimos antes, debe conservar el mismo ángulo de desfase con respecto a ∅  y ya que el valor de  es constante, entonces se produce una disminución en el valor de ∅ tal como se muestra en el siguiente diagrama fasorial.[1]

III. MARCO TEÓRICO.  A.  Regulador de Tensión

El regulador automático de voltaje, proporciona una extinción al rotor, el rotor debe tener un campo magnético constante en cuanto a la dirección la  dirección de sus líneas magnéticas (no en cuanto a intensidad del campo) y este se logra excitándolo con corriente directa (alterna rectificada) la corriente la corriente alterna generada por el generador, debe ser de una frecuencia constante 60hz; y para eso el rotor siempre

Fig. 2. Diagrama Fasorial del GS con Carga Inductiva

IV. MATERIAL Y EQUIPO

C. Carga resistiva

El flujo producido por los polos del rotor ∅ y el producido  por las corrientes del inducido ∅ están desfasados. Generando así una distorsión del campo resultante.

Fig. 3. Esquema del GS y desfasaje de flujos Si se tuviera un generador síncrono con una carga resistiva, le aplicamos otra con el mismo f.d.p. (f.d.p.=1), y teniendo en cuenta las mismas restricciones que en el caso anterior,  podemos observar en el diagrama fasorial que el valor de ∅ decrece ligeramente. [2]

Fig. 4. Diagrama fasorial del GS con Carga Resistiva  D.

Carga capacitiva pura

En este caso los flujos tienen igual sentido. Dando como consecuencia un efecto magnetizante, es decir que los flujos se van a sumar; y los polos inducidos contrarios enfrentados.

Fig. 4. Esquema del GS y suma de flujos Del mismo modo que en los casos anteriores, si colocamos una carga con f.d.p. en adelanto, y le agregamos otra con el mismo f.d.p. notamos que el valor de ∅ se incrementa realmente, es decir se produce un aumento de la tensión en sus terminales, tal como vemos en el diagrama fasorial.[3]

A. Fuente de Alimentación Universal 60-105 B. Motor/generador Sincrónico Trifásico de Rotor Devanado 64-510 C. Panel de control de Torque y Velocidad 68-441 D. Dinamómetro 67-502 E. Cubierta y Acoplamiento del eje 68-703 F. Consola del Sistema 91-200 G. Juego estándar de terminales 68-800 Cualquiera de Instrumentación Virtual (Opción 60 a 070 V I-P) H. Unidad I/O Multicanal 68-500 I. Software Pack CD 68-912-USB J. Instrumentación Convencional (Opción 60 a 070) K. Dos paneles de voltímetro y amperímetro 68-110 V. DESARROLLO Y PROCEDIMIENTO  A.  Regulación de Voltaje con Carga Resistiva

Conecte la carga resistiva 67-142 al generador bajo prueba como se muestra en la Figura 3 (c). Poner todos los interruptores en apagado (OFF) para que el generador quede en circuito abierto. “A” Configure el generador para rotar a 1500 rpm. Usando la alimentación dc variable del 60-105, fije la corriente de campo para dar una tensión línea a línea de salida de 100V como se lee en el voltímetro V1 o V3 o en la instrumentación convencional 68-100. Aplicar el rango de cargas que figuran en la columna de la versión adecuada a las tres fases del generador con el Panel de Resistencias Conmutadas 67-142. O/C 140 Ω 163 Ω 196 Ω 245 Ω 327 Ω

Observe los valores correspondientes de la tensión y corriente línea a línea y registre los resultados en una copia de la correspondiente Tabla1 de Resultados de la Práctica 4.1 sección (g). Repita la secuencia desde “A” para una velocidad de 1000 rpm del generador de a. ingresando sus datos en una copia de la correspondiente Tabla1 de Resultados de la Práctica 4.1 sección (g). Fije el interruptor trifásico de la Fuente de Alimentación Universal 60-105 en apagado (OFF) y fije la velocidad del generador a cero rpm.  B.  Regulación de Voltaje con Carga Inductiva

Conecte la carga inductiva 67-312 al generador bajo prueba como se muestra en la Figura 3 (c). Poner todos los interruptores en apagado (OFF) para que el generador quede en circuito abierto. En la unidad 60- 105, fije el control de “tensión de salida variable” al 0%  y fije el interruptor trifásico en encendido (ON). La energía esta ahora disponible como indica el indicador ‘power on’ iluminado en verde. “A” Configure el generador para rotar 1500 rpm.

Fig.5: Diagrama Fasorial del GS con Carga Capacitiva

Usando la alimentación dc variable del 60-105, fije la corriente de campo para dar una tensión línea a línea de

salida de 100V, como se lee en el voltímetro V1 o V3 o en la instrumentación convencional 68-100. Aplicar el rango de cargas que figuran en la columna de la versión adecuada a las tres fases del generador con la Carga Inductiva Conmutada 67-312. O/C 0,39 h 0,7 h h 1,4 h 2,8 h Observe los valores correspondientes de la tensión y corriente línea a línea y registre los resultados en una copia de la correspondiente Tabla 2 de Resultados de la Práctica 4.2 sección (g). Repita la secuencia desde “A”  para una velocidad del generador de 1000 rpm ingresando sus datos en una copia de la correspondiente Tabla2 de Resultados de la Práctica 4.2 sección (g). Fije la velocidad del generador a cero rpm y desconecte la energía mediante el interruptor trifásico de la Fuente de Alimentación Universal 60-105 en apagado (OFF). C.  Regulación de Voltaje con Carga Capacitiva

Conecte la carga capacitiva 67-212 al generador bajo prueba como se muestra en la Figura 3 (c). Poner todos los interruptores en apagado (OFF) para que el generador quede en circuito abierto. En la unidad 60-105, fije el control de “tensión de salida variable” al 0% y fije el interruptor trifásico en encendido

(ON). La energía esta ahora disponible como indica el indicador ‘power on’ iluminado en verde. “A” Configure el generador para rotar 1500 rpm. Usando la alimentación dc variable del 60-105, fije la corriente de campo para dar una tensión línea a línea de salida de 100V como se lee en el voltímetro V1 o V3 o en la instrumentación convencional 68-100. Aplicar el rango de cargas que figuran en la columna de la versión adecuada a las tres fases del generador con la Carga Capacitiva Conmutada 67-212. O/C

Fig. 6 Diagrama de Conexión de la práctica a implementar. VI. A NÁLISIS DE R ESULTADOS  A. Tablas de la Regulación de Voltaje con Carga Resistiva

Resistencia de Carga (Ω)

Velocidad = 1500 rpm Voltaje de Corriente línea de de Línea de salida (V) Salida (I) 100 0

Voltaje de Campo (V)

Circuito abierto 140 60.2 0.728 55.7 163 66.1 0.685 196 72.3 0.626 245 79 0.544 327 86.4 0.453 Tabla. 1. Regulación con Carga Resistiva a una velocidad de 1500 rpm.

2μF 5μF 7μF 10 μ F 12 μ F 15 μ F 17 μ F

Observe los valores correspondientes de la tensión y corriente línea a línea y registre los resultados en una copia de la correspondiente Tabla 3 de Resultados de la Práctica 4.3 sección (g). Repita la secuencia desde “A”  para una velocidad de del generador de 1000 rpm ingresando sus datos en una copia de la correspondiente Tabla3 de Resultados de la Práctica 4.3 sección (g). Desconecte el interruptor trifásico de la Fuente de Alimentación Universal 60-105 y fije la velocidad del generador a cero rpm.

Fig. 7. Gráfica con Carga Resistiva a una velocidad de 1500 rpm

Resistencia de Carga (Ω)

Velocidad = 1000 rpm Voltaje de Corrie.2nte línea de de Línea de salida (V) Salida (I) 92.6 0

Voltaje de Campo (V)

Circuito abierto 140 74.2 0.895 141 163 75.3 0.790 196 78.2 0.678 245 81.4 0.551 327 85.3 0.438 Tabla. 2. Regulación con Carga Resistiva a una velocidad de 1000 rpm.

Fig. 8. Gráfica Regulación con Carga Resistiva a una velocidad de 1000 rpm.

Velocidad = 1000 rpm Resistencia Voltaje de Corrie.2nte Voltaje de de Carga línea de de Línea de Campo (H) salida (V) Salida (I) (V) Circuito 92.7 0 abierto 0.39 36.7 – 80 0.314 –  1.4 141 0.7 41 – 98 0.45 –  1.2 1.4 45 – 94 0.813 –  0.65 2.8 79.5 0.426 Tabla. 4. Regulación con Carga Inductiva a una velocidad de 1000 rpm.

Fig. 10. Gráfica de Regulación con Carga Inductiva a una velocidad de 1000 rpm.

 B. Tablas de la Regulación de Voltaje con Carga Inductiva

Velocidad = 1500 rpm Voltaje de Corriente línea de de Línea de salida (V) Salida (I) 100 0

Resistencia Voltaje de de Carga Campo (H) (V) Circuito abierto 0.39 32.27 0.688 55.7 0.7 45.2 0.575 1.4 63 0.427 2.8 78.4 0.284 Tabla. 3. Regulación con Carga Inductiva a una velocidad de 1500 rpm.

Fig. 9. Gráfica de Regulación con Carga Inductiva a una velocidad de 1500 rpm.

C. Tablas de la Regulación de Voltaje con Carga Capacitiva

Velocidad = 1500 rpm Voltaje de Corriente línea de de Línea de salida (V) Salida (I) 101.7 0

Resistencia Voltaje de de Carga Campo (µF) (V) Circuito abierto 2.5 108 0.138 5 110 0.144 55.7 7.5 115 0.223 10 117 0.305 12.5 119.6 0.394 15 122.6 0.483 17.5 125.2 0.577 Tabla. 5. Regulación con Carga Capacitiva a una velocidad de 1500 rpm.

Fig. 11. Gráfica Regulación con Carga Capacitiva a una velocidad de 1500 rpm. Velocidad = 1000 rpm Resistencia Voltaje de Corrie.2nte Voltaje de de Carga línea de de Línea de Campo (µF) salida (V) Salida (I) (V) Circuito 90.8 0 abierto 2.5 94.4 0.101 5 95.2 0.178 141 7.5 95.8 0.192 10 96.6 0.228 12.5 97.2 0.251 15 97.4 0.276 17.5 97.7 0.305 Tabla. 6. Regulación con Carga Capacitiva a una velocidad de 1000 rpm.

solamente en este caso debido a los parámetros mencionados con anterioridad. B. Como se pudo apreciar en cada tabla del segmento de resultados, solamente cuando se presenta una velocidad de 1500 rpm se pudo implementar un voltaje de salida en el circuito abierto de 100 (V), cuando se posee una velocidad de 1000 rpm este voltaje disminuye debido a, que la velocidad de arranque es menor y por ende el voltaje máximo que alcanza no llega ni supera los 100 (V) ya que el voltaje es directamente proporcional a la velocidad. C. Al visualizar las gráficas se pudo apreciar que para cada tipo de elemento con el que se realizó la práctica (resistencias, capacitores e inductores) y a su vez para las dos velocidades con las que se desarrolló el mismo (1500 y 1000 rpm) tanto el voltaje de salida crecía ascendentemente, hasta un valor máximo que para el banco de carga resistiva e inductiva no superaba el valor del voltaje en circuito abierto debido a que este llegaba a consumirse por el tipo de elemento, pero para el banco de cargas capacitivas la tensión si superaba a la de circuito abierto y esto por las propiedades de los capacitores las cuales permiten ese cambio, algo  parecido sucede en la corriente de línea de salida ya que tanto  para el banco resistivo e inductivo esta empieza en un valor máximo y conforme se va aumentando el valor esta disminuye, pero en el banco de carga capacitiva este aumenta en cada paso que da como se puede apreciar en las respectivas tablas de datos, por ende se asume que la práctica se llevó a cabo de forma correcta ya que esto se estipulaba con anterioridad. D. Los reguladores de voltaje son sistemas que  permiten mantener un voltaje fijo en la salida independiente de la corriente requerida por la carga. Estos pueden ser tipo  paralelo o serie. Si se requiere mayor precisión, el regulador  puede ser realimentado, con lo cual También se podrida obtener reguladores ajustables (voltaje de salida variable). Para el diseño de reguladores se debe conocer el voltaje y la corriente máxima requerida, así como la ondulación de la entrada. Esto servir para especial el elemento de referencia, el transistor regulador (en el caso de requerirse corrientes sobre 1[A]) y si este ha de ser ajustable o no. VIII. R ECOMENDACIONES

Fig. 12. Gráfica de Regulación con Carga Capacitiva a una velocidad de 1000 rpm. VII. CONCLUSIONES Al momento de realizar la práctica se concluyó lo siguiente: A. En la recolección de datos para la regulación de voltaje con carga inductiva a una velocidad de 1000 rpm se  presentó un problema con el motor, ya que este se frenaba y  perdía velocidad de giro luego de cierto intervalo de tiempo, y esto se producía debido a la existencia del torque invertido, debido a, que como se tenía una velocidad original tan solo de 1000 rpm no alcanzaba a permanecer constante y perdía  potencia luego de alcanzar un máximo, esto sucedió

A. Coloque los materiales con la mayor precaución  posible ya que, de no hacerlo podría tener consecuencias graves e la realización de la práctica y por ende causar un riesgo para los demás participantes del laboratorio. B. Siga las instrucciones mostradas en la guía de laboratorio en la cual se detalla todo el procedimiento paso a  paso y de forma ordenada para evitar accidentes futuros. C. Revise cuidadosamente el estado de todos los materiales del módulo de trabajo, ya que si no se encuentra todo correcto al momento de realizar la práctica no podría existir la calibración correcta y por ende la práctica no podría salir de acuerdo a lo estimado.

IX. R EFERENCIAS [1]

MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA, Ortega Plana Juan María, Ramírez Vásquez José., Barcelona, España. (1998), pp. 13-14.

[2]

RICHARDSON, Donald V. (1997). Máquinas eléctricas rotativas y transformadores. 4 ed. Prentice Hall

[3]

Cortés Cherta, M. “CURSO MODERNO DE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS. TOMO 1: LA MAQUINA ELECTRICA EN GENER AL”. Editores Técnicos Asociados. Barcelona. 1970.

[4]

Roldán Viloria, J. “MOTORES ELECTRICOS. APLICACION INDUSTRIAL”. Editorial Paraninfo.

Madrid. 1992. X. A NEXOS

Anexo. 1. Conexión del banco de Resistencias al motor para realizar la regulación de voltaje.

Anexo. 2. Velocidad aproximadamente.

del

módulo

a

1500

rpm