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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIER´IA ´ E.A.P. INGENIER´IA MECATRONICA

´ ´ MAQUINAS ELECTRICAS ´ n Trifa ´ sica Laboratorio 03: Generacio

ASIGNATURA M´aquinas El´ectricas

DOCENTE Mg. Hurtado Butron Fernando

ESTUDIANTES Jara Alfaro Enrique Jacobo Zavaleta Sergio Medina Rodriguez Marco

10 de julio del 2017

´Indice General 1. Problema

3

2. Informaci´ on te´ orica y formulaci´ on de hip´ otesis

3

3. Contrastaci´ on de hip´ otesis 3.1. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Dise˜ no experimental . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Realizaci´on del experimento y obtenci´on de datos 3.4. An´alisis y discusi´on de resultados . . . . . . . . .

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4. Conclusiones

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5. Transferencia

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´Indice de figuras 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Alternador Trif´asico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Representaci´on vectorial de intensidades en Delta. . . . . . . . . Representaci´on vectorial de tensiones e intensidades en Estrella. Sistema trif´asico conectado en Delta. . . . . . . . . . . . . . . . Sistema trif´asico conectado en Estrella. . . . . . . . . . . . . . . Terminales de salida de bobinas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ranuras del rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rotor del generador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Banco de transformador trif´asico. . . . . . . . . . . . . . . . . . Mediciones en conexi´on Estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mediciones en conexi´on Delta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Banco de transformador trif´asico. . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Resultados de experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos te´oricos de los voltajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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´Indice de tablas 1. 2.

2

1.

Problema • ¿Cuales son las partes principales de un generador trif´ asico?. • ¿Cual es la relaci´ on de los voltajes de linea con los voltajes de fase en una fuente

trif´asica conectada en Delta y Estrella?

2.

Informaci´ on te´ orica y formulaci´ on de hip´ otesis

La maquina que genera una se˜ nal trif´asica de voltaje se le conoce como Generador sincr´onico o Alternador Trif´asico, y consta de las siguientes partes (Figura 1).

Figura 1: Alternador Trif´asico. El estator: Es la parte est´atica del generador, en donde est´an alojados tres bobinas RR’ SS’ y TT’ desfasadas 120◦ entre si, es la parte donde se inducen los tres voltajes (Inducido). El rotor: Es la parte giratoria en donde se aplica la energ´ıa mec´anica del primer motor, e ingresa el voltaje DC de excitaci´on a trav´es de la escobillas al electroiman del rotor, y que al girar origina un campo magn´etico giratorio (Inductor). Los rotores son de dos polos no salientes (para rotores de 2 a 4 polos). Seg´ un la estructura del generador se observa las siguientes relaciones: N ◦ de ranuras por Polo (Nr−p ) = N ◦ de ranuras por Polo y fase (Nr−p−f ) =

N ◦ de ranuras N ◦ de polos N ◦ de ranuras por polo N ◦ de fases

Frecuencia El´ ectrica: Los generadores son sincr´onicos porque la frecuencia el´ectrica producida est´a entrelazada o sincronizada con la velocidad de rotaci´on del roto. fe =

nm P 120

Donde: fe = frecuencia el´ectrica (Hz). nm = velocidad mec´anica del campo magn´etico r/min (igual a la velocidad del rotor para las maquinas sincr´onicas). P = numero de polos Frecuencia el´ ectrica y frecuencia mec´ anica: La relaci´on entre la frecuencia mec´anica y la frecuencia el´ectrica resultante en funci´on de los polos es: 360o mec´anicos = 180o (P ) el´ectricos 3

El numero de ciclos electricos generados en funci´on de los polos es: N o ciclos =

P 2

´ CONEXIONES DEL GENERADOR TRIFASICO: En un generador trif´asico se hacen dos conexiones b´asicas las que tienen diferentes caracter´ısticas de linea y de fase, ellas son: Conexi´ on en Delta o Triangulo: Es el caso de conexi´on, como se indica en la Figura , y cuyo diagrama vectorial de intensidades representamos en la Figura 2. Para este sistema de conexi´on, el valor de la tensi´on o f.e.m. del arrollamiento de fase Vf coincide con el valor de la linea VL , por lo que: Vf = VL Respecto a la intensidad, como en este sistema no es asequible ning´ un punto neutro, el transporte se efect´ ua trifilar. En un nudo cualquiera de los que forman un conductor de linea y dos arrollamientos tenemos : IR = IT R − IRS IL = If . cos 30◦ 2 √ 3 IL = 2.If . 2 √ IL = 3.If Por consiguiente, la corriente de fase circula por los devanados, como s indica en la figura 4 em circuito cerrado, √ de modo que en los puntos o nudos de salida la intensidad de linea es la compuesta y vale 3 veces mas que la fase.

Figura 2: Representaci´on vectorial de intensidades en Delta.

Figura 3: Representaci´on vectorial de tensiones e intensidades en Estrella.

Conexi´ on Estrella: Es el caso de conexi´on, cuya representaci´on esquem´atica se indica en la Figura 5, y cuyo diagrama vectorial de tensones e intensidades lo dibujamos en la figura 3.

4

Respecto las tensiones tenemos VRS = VL = VR − VS VL = Vf . cos 30o 2 o

VL = 2.Vf . cos 30 = 2.Vf

√

3 2

IL = If Es decir, en la conexi´on estrella la VL es

√

3 mayor que la tensi´on de fase o arrollamiento.

Hip´ otesis. Con el uso de un instrumentos de medici´on de voltaje y corriente y estableciendo las conexiones Estrella y Triangulo se trata de verificar las relaciones de voltajes e intensidades en ambas conexiones, tal como lo muestran las ecuaciones anteriores .

3.

Contrastaci´ on de hip´ otesis

3.1.

Equipo

• Fuente trif´ asica (Banco de transformadores 220V/12-0-12). • Maqueta de un generador sincr´ onico. • Cables de conexi´ on. • Volt´ımetro.

3.2.

Dise˜ no experimental

Figura 4: Sistema trif´asico conectado en Delta.

Figura 5: Sistema trif´asico conectado en Estrella. 5

3.3.

Realizaci´ on del experimento y obtenci´ on de datos Partes de un Generador Trif´ asico

1. En la maqueta del generador, identifique las partes del generador trif´asico. En el estator: terminales de salida de bobinas y las ranuras, en el rotor: numero de polos y escobillas y conexiones de circuitos de campo.

Figura 6: Terminales de salida de bobinas.

Figura 7: Ranuras del rotor.

Figura 8: Rotor del generador. Conexiones Trif´ asicas 1. Usar como fuente trif´asica los secundarios del banco de transformadores para voltajes nominales de fase de 12 V. Con el Volt´ımetro verifique los voltajes disponibles en cada uno de los transformadores de la fuente trif´asica.

Figura 9: Banco de transformador trif´asico. 2. Instalar un circuito de generaci´on trif´asica en Delta (Figura 4) y mida los voltajes de linea y de fase, anote sus resultados en la Tabla 1 . 3. Repita el paso 3 pero para un generador trif´asico conectado en Estrella. Anote los resultados en la Tabla 1. 6

Figura 10: Mediciones en conexi´on Estrella .

Figura 11: Mediciones en conexi´on Delta.

Tabla 1: Resultados de experimentos

Generaci´ on Trif´ asica en Delta

Generaci´ on Trif´ asica en Estrella

3.4.

Voltaje de Fase (V) VT T 0 = 24.7 VSS 0 = 24.7 VRR0 = 24.3 VRN = 24.5 VSN = 25.0 VT N = 24.9

Voltaje de Linea (V) VRS = 24.7 VST = 24.7 VT R = 24.3 VRS = 43.2 VST = 43.8 VT R = 43.3

An´ alisis y discusi´ on de resultados

1. El numero de polos del rotor es de 14 polos y el estator posee 42 ranuras, estas se pueden apreciar en la Figura 6. 2.

a) El numero de ranuras por polo: Nr−p =

N ◦ de ranuras 42 = =3 N ◦ de polos 14

b) El numero de ranuras por polo y fase: Nr−p−f =

N ◦ de ranuras por polo 3 = =1 N ◦ de fases 3

3. Para una maquina de dos polos: La relaci´on de grados mec´anicos y grados el´ectricos vienes dado por : 360◦ mec´anicos = 180◦ (P ) el´ectricos 360◦ mec´anicos = 180◦ (2) el´ectricos 360◦ mec´anicos = 360◦ el´ectricos y la relaci´on de frecuencia mec´anica con la frecuencia el´ectrica viene dado por: fe =

P × fm 2

2 × fm 2 fe = fm

fe =

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4. Los ciclos que se generan en una maquinas de dos polos viene dado por : N ◦ ciclos =

P ciclos 2

N ◦ ciclos = 1 ciclo 5. Si se tiene una frecuencia el´ectrica fe = 60 Hz, la velocidad del rotor viene dado por: nm =

fe × 120 P

60 Hz × 120 2 nm = 3600 rev/min nm =

6. Usando las ecuaciones del fundamento te´orico, los correspondientes voltajes de linea y voltajes de fase, tanto para la conexi´on Delta y como para la conexi´on Estrella se plasman en la Tabla 2. Tabla 2: Datos te´oricos de los voltajes

Generaci´ on Trif´ asica en Delta

Generaci´ on Trif´ asica en Estrella

Voltaje de Fase (V) VT T 0 = 24.0 VSS 0 = 24.0 VRR0 = 24.0 VRN = 24.0 VSN = 24.0 VT N = 24.0

Voltaje de Linea (V) VRS = 24.0 VST = 24.0 VT R = 24.0 VRS = 41.5 VST = 41.5 VT R = 41.5

Comparando estos datos con los obtenidos en la Tabla 1 podemos ver que los valores est´an cercanos as´ı que los experimentos se realizaron bien obteniendo un error m´aximo de solo el 5.4 %.

4.

Conclusiones • Con el uso de una maqueta de un generador trif´ asico se pudo observar las partes del

generador como se muestra en las Figuras 6, 7 y 8. Ademas se encontr´o los valores como en n´ umero de polos, ranuras, ranuras por polo y ranuras por polo y fase que se muestran en 3.4.1, 3.4.2a y 3.4.2b. • Con la ayuda de instrumentos de medici´ on se pudo hallar los voltajes tanto de fase

como de linea para las conexi´on Delta y Estrella, dichos valor est´an plasmados en la Tabla 1 y las im´agenes del experimento se muestran en las Figuras 10 y 11. • Se compar´ o los valores reales del experimento con los valores te´oricos (mostrados en

la Tabla 2) y se pudo observar que a pesar de haber un poco de error en los valores experimentales este no pasaba de un m´aximo error del 5.4 %. Llegando a la conclusi´on que el experimento se realiz´o en buenas condiciones de operaci´on, equipo y m´aquinas.

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5.

Transferencia

Si se tiene un sistema de alimentaci´on Trif´asica de tres hilos en delta, con un voltaje de linea de 380 V y se desea conectar a una carga trif´asica de seis terminales de voltaje nominal por fase de 220 V, Cual y porque debe ser la conexi´on a realizar entre la fuente y la carga de tal manera que no se deterior el sistema, haga un diagrama.

Figura 12: Banco de transformador trif´asico. Como se puede ver en la Figura , la conexi´on que debemos hacer en la carga de seis terminales es Estrella, ya que en esa conexi´on se cumple lo siguiente: VL =

√

3.Vf √ 380 = 3.Vf Vf = 220 El voltaje de fase que obtenemos es de 220V que coincide con el voltaje que debemos obtener. En conclusi´on se escoge una conexi´on Estrella en la carga.

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