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Caracteristicas de Excitación De Un Generador Sincrono Laboratorio de (Maquinas electricas II) – Instructor: Ing. Soraya Blanco Universidad Nacional Autonoma de Honduras Facultad de ingeneria, Departamento de Ingeneria electrica Experimento 401 guia #1 Marcos Manuel Moreno Thompson 20151000488 Viernes 1100 Catedratico: Ing. Norman Flores Realizado 22/06/18 Entregado 29/06/18

I.

INTRODUCCIÓN

En este informe hablaremos son los motores sincronos que son de gran importancia en la industria electrica ya la velocidad con la que gira esta intimamente relacinada con la frecuencia, aparte que estas maquinas rotativas su velocidad se mantiene constante, ademas este tipo de maquina es de gran importancia, ya que mas del 95% de la potencia electrica generada mundialmente es provista por generadores sincronos,las estanciones generadoras difieren en el tipo de fuerza motriz primaria, que puede ser generada por turbinas de vapor, motores de combustion interna, turbinas hidraulicas, etc.En este lab iremos cambiando la velocidad y viendo como se comporta la frecuencia,tambien mantedremos la velocidad contates y tambien veremos como cambia el voltaje generado, variando la corriente de excitación, cabe mencionar que esto se realizadara sin carga. II.

OBJETIVOS

A

0-2.5 A

Medidor de velocidad

n

Medidor de frecuencia

Hz

0-2500 r.p.m 45-55 Hz

Resistencia

Rs

Reostato para campo de Maquina DC Reostato para campo de Maquina Sincrona Maquina trifasica sincrona

RR

Motor DC

A

EQUIPO NECESARIO

Equipo Fuente de voltaje constante DC

Simbolo

Interruptor ON/OFF dos polo/un tiro Interruptor ON/OFF dos polo/un tiro Interruptor ON/OFF dos polo/un tiro Interruptor ON/OFF dos polo/un tiro Voltimetro AC

S1

Valor 110 V 10A 16A

S2

16A

S3

16A

S4

16A

V

0-120V

RE G

0-500Ω 500W 0-250Ω 500W Y-1100 W 208V 1600W 110V

Tabla 401.1 Equipo Necesario IV.

a) Ver el comportamiento de la frecuencia vs la velocidad b) Analizar como varia el voltaje generado vs la corriente de excitación antes de llegar a la zona de saturacion todos sin carga . c) Comprender como mantener el voltaje generado constante. III.

Amperimetro DC

MARCO TEORICO

Un generador sincronico posee dos circuitos distintos: a) El circuito inductor de excitación, que se localiza generalmente en el rotor y se energiza con CC, b) El circuito inducido que se halla normalmente en el estator, donde un sistema trifasico de F.E.M es inducido por la rotacion de rotor. La CC necesaria para la excitación de alternadores grandes se genera con un generador de CC excitado en derivacion y acoplado mecanicamente ala maquina sincronica. La salida de este generador (el excitador) es aproximadamente del 2% al 4% de la que necesita la maquina sincronica. Los alternadores de tamaño mediano emplean ampliamente la autoexcitacion tal como las maquinas de CC excitada en derivacion. La pequeña F.E.M inducida por la magnetizacion residual de los polos inductores es rectificada y usada para energizar el circuito de excitación. Las conexiones internas son mas complicada en este caso y existe un gran numero de diseños diferentes. Cada generador sincronico, sin importar su tipo, cumple las dos ecuaciones basicas de la condicion sin carga: f=(p*n)/60 [ciclo/seg] (401-1)

que da la frecuencia de la F.E.M generada en funcion de la velocidad del rotor y : 2𝜋 𝐸 = ∗ 𝑓 ∗ Φ ∗ 𝑁 ∗ 𝑞 ∗ 𝑝 ∗ 𝑔 (401 − 2) √2 Que provee la F.E.M generada en funcion de la magnitud del flujo magnetico en el polo. Los simbolos de las ecuaciones son E=F.E.M generada ala frecuencia y magnitud del flujo en polo magnetico. p=numero de pares de polos de la maquina n= velocidad del rotor (rpm) f=frecuencia de la F.E.M generada (Hz) Φ=flujo magnetico de un polo V.S(weber). N= numero efectivo de conductores en una ranura del estator. q=numero de ranuras pertenecientes a una fase en cada polo. g=factor numerico dependiente del tipo de arrollamiento del estator(en general es aproximadamente 1) las ecuaciones (401-1) y (401-2) indica algunas propiedades importantes de los generadores sincronicos: a) La ecuacion (401-1) muestra que la frecuencia generada es directamente proporcional a la velocidad del rotor.como todas las aplicaciones tecnicas requieren una frecuencia constantes, el alternador debe ser accionado a velocidad constante pues las variaciones en la carga afectan ala velocidad del rotor; la fuerza motriz primaria debera en consecuencia adaptarse con un control sofisticado capaz de mantener la velocidad constante, a pesar de las variaciones de la carga b) La ecuacion (401-2) muestra que F.E.M generada es directamente proporcinal al flujo Φ en el polo. Este flujo es inducido por la corrient de excitación. Generalmente se necesita un generador para entregar una tension constante a los terminales de la maquina, para todas las cargas. Por los motivos que se veran en los proximos experimentos, la corriente de carga afecta mucho al flujo Φ en el polo; por lo tanto, para mantener la tension constante, la corriente de excitación debe variar con el cambio de la carga . Los generadores sincronicos tiene que tener un regulador de tension que ajuste automaticamente la corriente de excitación, al desviarse la tension del generador del valor necesario. El objetivo de este experimento consiste en: a) Verificar experimentalmente la ecuacion (401-1) y b) Graficar E=f(IEX) sin carga. Este grafico se denomina caracteristica sin carga del generador sincronico. V. 1.

2.

PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO

Conectamos todos los items de la tabla 401.1, tanto mecanica como electricamente, según se indica en la figura 401.1. Antes de activar la fuente de alimentacion, verificamos que cada parte del equipo esta en su estado correcto, espercificado en tabla 401.2.

Simbolo del equipo S1 S2 S3 S4 RR RE

Estado Abierto Abierto Abierto Abierto Resistencia nula Resistencia max.

Tabla 401.2: estado inicial del equipo

Figura 401.1: diagramas de conexiones del experimento. 3. 4. 5.

6. 7. 8.

9.

10.

11.

12. 13. 14.

Activamos la fuenta de alimentacion. Cierre S1 para poner en marcha el motor: el tacometro indicara la velocidad del rotor. Aguardamos unos segundos para cerrar S3. La puesta en marcha habara finalizado con esta operación. Primera Parte del Experimento Ajustamos RR lleve la velocidad del motor a 1650 rpm para un sistema de 60Hz. Cerramos S2 y seguidamente S4. Ajustamos RE llevamos la tension a su valor nominal de fase, indicado en la placa identificadora. Si cambia la velocidad, volvimos a ajustarla al valor requerido. Midimos la corriente de excitación IE. La frecuencia f y la velocidad n. anotamos estos valores en la Tabla 401.3. Ajustamos RR aumentamos la velocidad en pasos de 50 rpm cada uno, hasta 1900 rpm. Repetimos los pasos 8 y 9 para cada velocidad. Segunda Parte del Experimento Ajustamos RR para llevar la velocidad del rotor a la velocidad nominal de 1800 rpm para un sistema 60 Hz. Aumentamos RE a su valor maximo, para reducir la F.E.M a su minimo indicado en el voltimetro V. Midimos IE y V. anotamos estos valores en la tabla 401.3. Redujimos RE a cero en pasos de aproximadamente 10% de la resistencia maxima. Repita el paso 14 para cada resistencia. Advertencia Antes de ejecutar el paso 14 verifique que la velocidad del rotor tiene el valor nominal. En caso contrario, ajuste la velocidad con RR. No se confie en la

indicacion del frecuencimetro, que puede llevar a conclusion erroneas cuando la tension difiere del valor nominal. 15. Para finalizar el experimento, abra S4,S1, S2,S3 y desconecte la alimentacion. VI. N° 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5

TABLAS Y GRAFICOS

Ie n f V Amp RPM (ciclo/seg) Volt 1 1650 54.46 A la tension 0.8 1700 55.86 nominal 0.75 1750 57.4 120 0.7 1800 58.7 0.65 1850 61.13 0.6 1900 62.63 0.45 A la A una 100 V velocidad frecuencia 110 V 0.55 nominal constante 0.70 120 V 1800 rpm 0.95 130 V 1.4 140 V Tabla 401.3: resultados de la mediciones

Figura 401.4 E= f(IE) a velocidad constante VIII. CUESTIONARIO Un generador sincronico se diseña ara operar a una frecuencia de 60 Hz. Este tiene 2p=4 polos .debido alas limitaciones del laboratorio de experimentos. Se determina la caracteristica sin carga a una velocidad de 1000 RPM. Obteniendose los resultados de la siguietne tabla: IEX(A) 1 2 3 4 5

VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS F.E.M(V)

Figura 401.2: f=f(n) a tension constante (V=120 V)

21.6

66.0

87.6

109.2

IEX(A)

6

7

8

9

10

F.E.M(V)

127.8

145.2

160.8

171.6

180

Conteste las siguientes preguntas: 1. ¿Cuál sera la frecuencia del generador a 1000 rpm? 2∗1000 Utilizando 401-1 𝑓 = = 33.333 Hz 60 2. ¿a que velocidad se debera accionar el generador para obtener una frecuencia de 60 Hz? Utilizando 401-1 despejado par la velocidad 𝑛 = 60∗60 =1800 rpm 2 3. Cual sera la caracteristica sin carga en condiciones nominales (velocidad nominal)? Sabemos que 𝐸 = 𝑘 ∗ 𝑛 ∗ ∅ como la tabla se hizo con 1000 entonces para hallar nuestro nuevos valores 1800 1800 21.6 ∗ = 38.88 43.2 ∗ = 77.76 66.0 ∗

1000 1800

= 118.8 87.6 ∗

1000 1800

109.2 ∗ 145.2 ∗ 171.6 ∗ Figura 401.3: IE=f(n) a F.E.M constante (V=120V)

43.2

1000 1800 1000 1800 1000

1000 1800 1000

= 196.56 127.8 ∗

= 157.68

1800

= 230.04

1000 1800

= 261.36

160.8 ∗

= 308.88

180 ∗

1000 1800 1000

= 289.44

= 308.88

Como la relacion entre la corriente de excitación y voltaje generado no es linial entoces interpolamos para nues nuevos valores 1 − 𝐼(𝑒𝑥𝑐) 21.6 − 38.88 = ; 𝐼(𝑒𝑥𝑐) = 1.8 𝐼(𝑒𝑥𝑐) − 2 38.88 − 43.2

IEX(A) F.E.M(V)

230.04

261.36

289.44

308.88

324

3 − 𝐼(𝑒𝑥𝑐) 66 − 77.76 = ; 𝐼(𝑒𝑥𝑐) = 3.54 𝐼(𝑒𝑥𝑐) − 4 77.76 − 87.6 IX. CONCLUSIOJNES 1 − 𝐼(𝑒𝑥𝑐) 109.2 − 118.8 = ; 𝐼(𝑒𝑥𝑐) = 5.52 𝐼(𝑒𝑥𝑐) − 2 118.8 − 127.8



Podemos concluir que la corriente de excitación con el voltaje generado tiene una relacion linial hasta que llegamos a los niveles superiores de excitación donde se empieza desviar



Comprobamos que la frecuencia tiene una relacion intima con la velocidad de motor, por lo cual comprobamos con la grafica de la figura 401.2 se observa lineal.



Podemos concluir que para mantener un voltaje generado constante, nesesitamos mantener la corriente de excitación si tenemos una frecuencia constante como es normalmente trabajamo, si variamos la frecuencia tendermos que variar la velocidad del motor y la corriente de excitación.

7 − 𝐼(𝑒𝑥𝑐) 145.2 − 157.68 = ; 𝐼(𝑒𝑥𝑐) = 7.8 𝐼(𝑒𝑥𝑐) − 8 157.68 − 160.8 Entonces la tabla nos queda IEX(A)

1.8

3.54

5.52

7.8

F.E.M(V)

38.88

77.76

118.8

157.68

1956.6