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MAQUINAS SINCRONAS

1. OBJETIVO:  Conocer el comportamiento de la Maquina Síncrona.  Tener presente las conexiones respectivas para cada tipo de ensayo asi como también las normas IEC y NEMA  Saber el principio de funcionamiento de la máquina síncrona conociendo la constitución electromecánica.  Saber interpretar y analizar las gráficas correspondientes de cada ensayo.

2. FUNDAMENTO TEORICO El generador síncrono es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator. El rotor gira recibiendo un empuje externo desde (normalmente) tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitación que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al magnético giratorio que genera un sistema trifásico de fuerzas devanados estatóricos.

una turbina. Este rotor independiente variable rotor, crea un campo electromotrices en los

3. PRUEBAS REALIZADAS  MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA ÓHMICA Se puede realizar esta medición por los siguientes métodos:   

Voltio amperimétrico en CC y CA Ohmímetro de precisión Puente de medición para resistencias pequeñas.

Primero se mide el aislamiento en el estator: entre las bobinas u-V, v-W y w-U y después el aislamiento entre cada bobina con tierra (la carcasa del generador) U-tierra, V- tierra y W- tierra. Y el aislamiento en el rotor: F1-masa y F2-masa.

 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO Se mide el nivel de aislamiento que hay entre bobinas y entre cada bobina con la carcasa de la maquina. Para este ensayo se utiliza un megometro.

 PRUEBA DE VACÍO La prueba en vacio se realiza primero haciendo girar la maquina a la velocidad de sincronismo por medio del motor primario: turbina, motor diesel, etc. y entonces se debe cambiar gradualmente la corriente de excitación desde cero hasta un cierto valor máximo correspondiente a la saturación y desde este último nuevamente hasta cero.

Aquí se muestra la curva de vacío:

 PRUEBA DE CORTOCIRCUITO Esta prueba se realiza con la finalidad de obtener las perdidas en el cobre debido a la excitación en el rotor cuando este se encuentre girando a la velocidad síncrona. Las corrientes de armadura registradas serán para valores de 25%, 50%, 75%, 100% y 125% del valor nominal. Empezando con la corriente de campo en cero y elevando lentamente hasta obtener los valores antes mencionados.

Aquí se muestra la curva de cortocircuito:

Unión de la curva de vacío y cortocircuito:

 PRUEBA DE DESLIZAMIENTO La prueba de deslizamiento consiste en hacer girar el rotor a una velocidad ligeramente diferente a la velocidad síncrona, con el circuito de campo abierto y los bobinados del estator energizados con una fuente de potencia trifásica, de secuencia positiva, balanceada, a frecuencia nominal y tensión debajo del codo de saturación vista en la curva de vacío (aproximadamente a un 25% de la tensión nominal). El esquema de la prueba se observa en la figura 19. Se deben registrar lecturas de la corriente de armadura, tensión de armadura y la tensión inducida en el rotor mediante un voltímetro. También es posible utilizar oscilogramas u osciloscopios. La diferencia de velocidades entre el campo giratorio que las corrientes del inducido generan y la velocidad del rotor, da lugar a que alternativamente los ejes del campo del inducido coincidan con los polos inductores o estén en cuadratura con estos.

Cuando ambos ejes coinciden, la fuerza magnetomotriz del inducido actúa sobre el circuito longitudinal de reluctancia mínima, por los tanto el flujo será máximo, en tanto que cuando están en cuadratura actúa sobre el circuito transversal de reluctancia máxima. A continuación se dan algunas recomendaciones para la ejecución de esta prueba: a) En la práctica se presentan dificultades para mantener constante la velocidad cercana a la velocidad síncrona, debido al efecto de los polos salientes y a las corrientes inducidas en los devanados de amortiguamiento los cuales producen torques pulsantes. En estos casos es recomendable realizar una serie de lecturas para diferentes deslizamientos partiendo del deslizamiento más pequeño con el cual se logra mantener la velocidad constante. b) La velocidad de giro del rotor puede ser mayor o menor respecto de la velocidad síncrona, se pueden tomar lecturas para deslizamientos de 1%, 2% y 3%. c) La tensión inducida en el circuito de campo puede tomar valores altos debido a deslizamiento grandes. Estos casos se presentan para deslizamientos mayores al 5%. Se registran lecturas simultáneas par los valores máximo y mínimo de tensión y corriente de la armadura. La tensión mínima y la corriente máxima ocurren cuando la tensión en el campo es máxima, mientras que sucede lo contrario cuando la tensión en el campo para por cero.

 PRUEBA CON CARGA La diferencia de funcionamiento en vacío al de carga es que existe una composición de flujos, debido a las corrientes que circulan en el inducido.- Estas alteran el valor y forma de la E inducida.

a) 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.

b) CARGA RESISTIVA El flujo producido por los polos del rotor p y el producido por las corrientes del inducido i están desfasados. Generando así una distorsión del campo resultante.

c) 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.

d) CARGA R-L-C En este caso los flujos están desfasados un ángulo que depende de la carga del generador; en consecuencia se produce un efecto desmagnetizante, la suma vectorial de los flujos es menor; y los polos de igual nombre enfrentados, se rechazan apareciendo un momento resistente.

4. EQUIPOS UTILIZADOS  Generador Síncrono

 Milímetros Digitales

 Analizador de Redes

 Fuente DC 1 y AC 3 Variable

 Banco de Carga Resistiva

 Banco de Carga Capacitiva

 Banco de Carga Inductiva

 Cables de Conexión

 Megometro Digital

 Freno Electromecánico

5. PROCEDIMIENTO  Medición de la Temperatura: Se asume la temperatura ambiente de:

T amb =20ºC  Medición de la Resistencia del Estator:

Resistencia Ohmica DC por fase a

T amb

Devanado

Terminales

RT ( Ω/ fase )

T amb (ºC )

Rotor

F1 vs F2 U1 vs U2 V1 vs V2 W1 vs W2

233 10.1 10.1 10.2

20 20 20 20

Estator

 Prueba en Vacío: Datos tomados en forma ascendente: VL(Vol) 8.93 71.5 118.4 129.4 258.2 288.4 410.2 444.7

Vf(Vol) 0.03 6.58 10.04 11.01 2.22 23.5 35.44 40

If(Amp) 0 0.076 0.119 0.131 0.267 0.297 0.457 0.517

Datos tomados en forma descendente: VL(Vol) 402.2 301.9 285.7 206.6 122.5 115.6 75.7 57.9

Vf(Vol) 35.29 24.89 23.3 16.76 10.32 9.83 7.3 5.76

If(Amp) 0.453 0.316 0.293 0.206 0.121 0.114 0.081 0.06

amb

9.27

0.048

0.001

Prueba de Corto Circuito Icc(Amp) 0.12 0.2 0.33 0.42 0.53 0.63 0.73 0.82 0.95 1 1.14 1.22

Vf(Vol) 8.56 13.15 21.16 27.2 33.68 38.6 44.1 50.8 58.5 63.3 70.2 74.9

If(Amp) 0.096 0.157 0.262 0.341 0.43 0.492 0.573 0.658 0.756 0.814 0.898 0.962

Prueba con carga Carga Resistiva: If 0.645 0.68 0.795 0.95 1.101 1.39 1.535

Vf 51.8 54.7 64.2 77.4 90.2 116.2 132.1

V1 232.1 232.1 232.1 232.1 231.8 231 230

I 0.22 0.32 0.55 0.8 1.02 1.39 1.57

P 50.4 74.5 127.8 184.1 230 320 360

fdp 1 1 1 1 1 1 1

V2 1.493 1.493 1.493 1.493 1.493 1.493 1.493

Vf 57.2 65.8 91.6 127.2

V1 233 232.5 231 230

I 0.04 0.22 0.53 0.92

P 3.74 8.69 18.18 30.1

fdp 0.175 0.164 0.153 0.139

Carga Inductiva: Ting 0.7 0.7 0.7 0.7

If 0.684 0.786 1.086 1.484

Carga Capacitiva:

V2 1.493 1.493 1.493 1.493

Ting -0.7 -0.7 -0.7 -0.7

n 1500 1500 1500 1500

If 0.496 0.461 0.336 0.122

Vf 42.1 39.05 28.84 11.11

V1 230 231 230 233

I 0.07 0.14 0.28 0.56

P 0.33 0.68 1.4 4.1

fdp -0.033 -0.02 -0.019 -0.034

V2 1.493 1.493 1.493 1.493

n 1500 1500 1500 1500

If 1.076 1.07 1.06 1.05

Vf 92.5 92.4 92.3 91.4

V1 235.4 242.6 256.4 280.7

I 0.59 0.57 0.54 0.61

P 112.74 118.2 132.2 154.32

fdp 0.805 0.855 0.956 -0.907

V2 1.493 1.493 1.493 1.493

Carga RLC: Ting -3.44 -3.58 -3.88 -3.88

6. CUESTIONARIO 1. Enumere y defina las características de funcionamiento nominales del generador síncrono. Tome los datos de placa del motor primo y del generador síncrono utilizados en sus ensayos. Las características de funcionamiento de un generador síncrono son las siguientes:      

Corriente Nominal: 2.6A Corriente de Vacío: 1.5A Tensión Nominal: 230/440V RPM 1500 Factor de Potencia (COSØ): 0.8(considerando) Frecuencia Nominal: 60Hz



Conexión

 

IP Potencia Nominal

∆−Y 20 0.8KW

La potencia nominal de un generador síncrono simplemente es la que puede entregar, dentro de sus características nominales y en régimen continuo. El factor de potencia es la relación entre la potencia activa, P, y la potencia aparente, S, si las corrientes y tensiones son ondas perfectamente senoidales. La Tensión Nominal es a la cual va a operar el generador síncrono. La corriente nominal del generador síncrono es el valor eficaz de la corriente que dicho equipo puede transportar continuamente bajo condiciones de uso.

La corriente de vacio es la corriente que consumirá la máquina cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal. La conexión estrella-triángulo en un circuito de una maquina, se emplea para lograr un rendimiento óptimo en el arranque. 2. Utilizando el método V-A hallar el valor de Ra del campo y del estator.

Resistencia Ohmica DC por fase a

T amb

Devanado

Terminales

RT ( Ω/ fase )

T amb (ºC )

Rotor

F1 vs F2 U1 vs U2 V1 vs V2 W1 vs W2

233 10.1 10.1 10.2

20 20 20 20

Estator

amb

Luego hacemos la corrección por temperatura con la formula siguiente:

RT =R T [1+0.00393 ( T OP−T amb ) ] T

amb

No lo corregimos por efecto skin debido a que la potencia del generador es menor a 5HP

Resistencia Ohmica DC por fase a

T T =90 ºC

Devanado

Terminales

RT (Ω/fase)

T amb(ºC )

RT (Ω /fase)

Rotor

F1 vs F2 U1 vs U2 V1 vs V2 W1 vs W2

233 10.1 10.1 10.2

20 20 20 20

297.09 12.88 12.88 13

Estator

amb

T

Energizamos con tensión AC una bobina del generador y medimos los parámetros de tensión y corriente:

V 41.1 Z= = =79.04 Ω A 0.52 Z =R + X d j→ X d =√ Z 2−R 2

X d =√ 79.042−12.882=77.98 Ω

3. De los ensayos de vacio se le pide graficar y calcular la curva de excitación, las perdidas rotacionales, límites permisibles de los niveles de tensión y la frecuencia.

VL vs If 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

VL vs If Polynomial (VL vs If)

4. Del ensayo de corto circuito se le pide calcular y graficar: la curva de Icc (Ia vs If), hallar Xs.

Icc vs If 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

En la gráfica hallamos para una corriente nominal ( campo (

Eaf fase =

Z s=

If

Icc Linear (Icc)

In

=1.5A), una corriente de

=1.193A)

Eaf L−L 494.2 = =285.33 V √3 √3

Eaf fase 285.33 = =190.22Ω IN 1.5

Z s=R+ X s j→ X s=√ Z s2 −R 2

X s=√ 190.222−13.262 X s=189.75 Ω 5. De las pruebas con cargas se le solicita calcular y graficar: V vs Ia, Pot vs Wm, Eaf vs Wm, Eaf vs Pot, Pot vs Ia, Ia vs If.

V vs Ia (carga resistiva) 232.5 232 231.5 231 230.5 230 229.5 229 228.5

V vs Ia (carga resistiva)

V vs Ia (cara inductiva) 233.5 233 232.5 232 231.5 231 230.5 230 229.5 229 228.5 4.0000000000000022E-2

V vs Ia (cara inductiva)

0.53

V vs Ia (carga capacitiva) 233.5 233 232.5 232 231.5 231 230.5 230 229.5 229 228.5

V vs Ia (carga capacitiva)

V vs Ia (carga R-L-C) 290 280 270 260 250 240 230 220 210

V vs Ia (carga R-L-C)

P vs Ia (carga resistiva) 400 350 300 250 200 150 100 50 0

P vs Ia (carga resistiva)

P vs Ia (carga inductiva) 35 30 25

P vs Ia (carga inductiva)

20 15 10 5 0 4.0000000000000022E-2

0.53

P vs Ia (carga capacitiva) 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

P vs Ia (carga capacitiva)

P vs Ia (carga R-L-C) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

P vs Ia (carga R-L-C)

Ia vs If (carga resistiva) 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Ia vs If (carga resistiva)

Ia vs If (carga inductiva) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.68400000000000005

Ia vs If (carga inductiva)

1.0860000000000001

Ia vs If (carga capacitiva) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

Ia vs If (carga capacitiva)

Ia vs If (carga R-L-C) 0.62 0.6 0.58

Ia vs If (carga R-L-C)

0.56 0.54 0.52 0.5 1.0760000000000001

1.06

CONCLUSIONES:

 Controlando la alimentación del circuito de campo, se puede estabilizar la tensión inducida, la tensión de fase y la tensión de línea.  Se tiene q tener cuidado al momento de realizar la prueba de cortocircuito debido a la corriente elevada que se presenta.  Cuando operamos con carga se recomienda comenzar con una carga mínima y aumentarlo en forma gradual hasta llegar al máximo permisible.

 Controlando la alimentación del circuito de campo la máquina puede operar absorbiendo o inyectando reactivos a la red. Esto se podría usar para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico.  La curva de vacío y de cortocircuito nos salió como se esperaba, gracias a que los datos tomados en el laboratorio fueron buenos.  Los generadores síncronos se utilizan para producir la mayor parte de la potencia eléctrica que se utiliza en todo el mundo.

BIBLIOGRAFIA

 Máquinas Eléctricas, 3ª edición Stephen Chapman  Teoría Y Análisis De Maquinas Eléctricas Ing. Agustín Gutiérrez Paucar  Teoría y análisis de Máquinas Eléctricas Ing. Agustín Gutiérrez Páucar  http://www.tuveras.com/motorsincrono/motorsincrono.htm  http://www.nichese.com/sincrono.html