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• Caleb Arroyo

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LABORATORIO N° 7 CARACTERÍSTICA EXTERNA DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA 1. OBJETIVOS.Los objetivos del presente laboratorio son:    

Tomar conocimiento del funcionamiento en carga de una máquina sincrónica. Conocer el diagrama fasorial. Evaluar y determinar la regulación de tensión. Comportamiento de la máquina sincrónica en función a variaciones de la carga.

2. MARCO TEÓRICO.2.1. FUNCIONAMIENTO EN CARGA Y REACCIÓN DE INDUCIDO.Una vez puesto en funcionamiento un alternador síncrono en vacio, con una determinada corriente de excitación, posteriormente se requiere se alimenta a una carga a su voltaje y frecuencia nominal, se debe realizar un ajuste en la corriente de campo para cada variación en la condición de carga en las terminales del generador. Para que entre la carga, en principio se cierra el circuito del inducido, conectando una impedancia de carga a sus terminales, se obtiene una tensión V en bornes de la máquina sincrónica inferior al valor que presentaba en vacio E0. La reducción en la tensión de salida del generador es debida a la aparición de una corriente en el inducido que provoca una caída de tensión en este circuito a la par que produce una f.m.m. que reacciona con la del inductor modificando el flujo del entrehierro de la máquina. La caída de tensión en el circuito del inducido se debe a la impedancia que presentan los arrollamientos de este devanado. La composición de las f.m.m.s., del inductor y del inducido, se analiza según sea la carga resistiva, inductiva o capacitiva. Si la carga es resistiva, el factor de potencia es la unidad, y si se prescinde de la impedancia del inducido se podrá considerar que el desfase entre la f.e.m. y la corriente es 𝜑 = 0. Cuando la carga es inductiva, el desfase entre la f.e.m. y la corriente es de 90°. En este caso, el máximo de las corrientes estará desplazado en el espacio respecto del máximo de las f.e.m.s. en un ángulo de 90° en sentido contrario al del giro del rotor. Una carga inductiva produce una reacción desmagnetizante, que tiende a reducir la f.m.m. resultante. Cuando la carga es capacitiva, la corriente del estator alcanzará su máximo, 90° eléctricos antes de que el polo se enfrente a los conductores que forman las espiras de inducido, que es el momento en que es máxima la f.e.m. En esta situación se produce un esfuerzo de la f.m.m. del inductor, lo que significa que las cargas capacitivas ayudan a la acción del campo de los polos provocando un efecto magnetizante sobre los mismos.

2.2.

DIAGRAMA FASORIAL DEL ALTERNADOR (RESISTIVO).-

El diagrama fasorial de un alternador determina de forma gráfica la relación existente entre la f.e.m. y la tensión en los diversos regímenes de funcionamiento de la máquina. En principio, para este análisis, se tiene la siguiente representación por fase del alternador sincrónico:

If +

I Rf

J Lf

+ E0

jX A

jX

S

Re V

ZC

K Campo inductor (Rotor)

Inducido o armadura (Estator)

Entonces la diferencia entre 𝐸0 y 𝑉, está dado por: 𝑉 = 𝐸0 − 𝑗𝑋𝐼 − 𝐽𝑋𝐴𝐼 − 𝑅𝑒𝐼 Tanto los efectos de la reacción del inducido como la autoinductancia de la máquina se representan por medio de reactancias y se acostumbra combinarlas en una sola llamada reactancia sincrónica de la máquina: 𝑋𝑆 = 𝑋 + 𝑋𝐴 Por lo tanto la ecuación final que describe a 𝑉 es: 𝑉 = 𝐸0 − 𝐽𝑋𝑆𝐼 − 𝑅𝑒𝐼 La dirección del flujo será también la que corresponde a la f.m.m. de excitación o inductora 𝐹𝑒 y de reacción de inducido 𝐹𝐴, de tal forma que se cumple: 𝐹𝑟 = 𝐹𝑒 + 𝐹𝐴 El diagrama fasorial del alternador será el siguiente:

E0

jI

XA

j

IX

ZS FA Fe

E Fr

2.3.

IRe

V

I

jIX S

REGULACIÓN DE TENSIÓN.-

Se define la regulación de tensión, de la siguiente manera: 𝑅𝑒𝑔% =

∆𝑉

100

𝑉𝑛 𝑅𝑒𝑔% =

𝐸0 − 𝑉𝑛

100

𝑉𝑛 Donde: 𝐸0 = Voltaje interno generado por fase sin carga. 𝑉𝑛 = Voltaje entre terminales por fase a carga nominal. La regulación de tensión expresa el cambio en la tensión de bornes del generador de vacío a plena carga para una determinada excitación en los polos. La curva que representa la tensión en bornes del alternador en función de la corriente de la carga se denomina característica exterior. En el siguiente gráfico se representan las curvas, que corresponden, respectivamente, a factores de potencia resistivo, inductivo y capacitivo. Factor de potencia inductivo

Ie

V Factor de potencia capacitivo

Factor de potencia resistivo

Vc Factor de potencia resistivo

If0

Factor de potencia capacitivo

Factor de potencia inductivo

In

Icc

V = f(I) de un alternador

I

In

I

If = g(I) de un alternador

En la operación del alternador, el comportamiento a analizar será:  

Voltaje terminal Vs corriente de carga. Corriente de excitación Vs corriente de carga.

La representación gráfica, es como sigue:

V Eo Vc

V

Voltaje terminal Vs Corriente de carga

In

I

If

Ip

If

Corriente de excitación Vs Corriente de carga

In

I

3. EQUIPO E INSTRUMENTAL PARA LABORATORIO.Para el presente laboratorio, se utilizara el siguiente equipo, instrumental y material:  Una Máquina motriz  Un generador síncrono (alternador), que tiene las siguientes características: o Tensión nominal: Vn = 220/380 (V) o Corriente nominal: In = 1.5/0.87 (A) o Velocidad nominal: ωn = 1500/1420 (rpm) o Frecuencia nominal: f = 50 (Hz) o Potencia nominal: Sn = 0.3 (kW) o Factor de Potencia: 0.7/1.0



Cables para conexión.

FIG 1. CONEXIÓN DEL CIRCUITO

4. CIRCUITO PARA EL LABORATORIO.-

5. DESCRIPCIÓN DEL LABORATORIO.        

Realizar el circuito de laboratorio, como se indica en el punto 4. Hacer funcionar el conjunto máquina motriz – dínamo; para tener tensión continua, la que será necesaria para el funcionamiento de la máquina motriz del alternador (que es un motor de corriente continua). Preparar la carga, según se indica en el circuito (punto 4), con el interruptor de carga abierto. Posterior a la misma, se pone funcionamiento al conjunto máquina motriz del alternador – alternador trifásico, hasta alcanzar la velocidad nominal (en vacio), la que determina la frecuencia con la que opera el alternador. Con el cuidado respectivo, cerrar el interruptor de carga, tomando en cuenta el valor de las resistencias, comenzar a tomar las lecturas correspondientes. Variar la carga, lo que variará la corriente de carga, registrar todas las lecturas. Proceder a corregir el voltaje terminal, procediendo a modificar la corriente de campo, de forma que a plena carga el alternador entregue voltaje nominal, registrar las lecturas. Reducir sucesivamente la corriente de armadura, registrara las lecturas correspondientes. Cabe mencionar que durante todo el proceso, debe mantenerse la velocidad nominal constante.

6. LECTURAS OBTENIDAS EN EL LABORATORIO .Lectura N° 1 2 3 4

𝝎 (rpm)

𝑰𝒇 (A)

1500

2,88

0

209,5

1500

2,83

0,25

204

1500

2,82

0,28

199,4

1500

2,78

0,31

195,5

5 6 7 8

1500

3,42

0,34

1500

3,38

1500

3,35

1500

3,33

𝑰 (A)

𝑽 (V)

𝑷 (W)

S (VA)

𝒄𝒐𝒔 𝝋

0

0

-0,944

47,7

51,4

-0,944

53,4

56,1

-0,941

57,4

61,2

-0,944

209,5

66,9

70,1

-0,940

0,31

210,6

61,4

64,1

-0,944

0,27

213

55

57,5

-0,944

0

219

0

0

-0,944

REGULANDO

7. CÁLCULOS Y GRÁFICOS Se realiza el cálculo de regulación de voltaje.

∆𝑉 = 𝐸𝑜 − 𝑉 ∆𝑉 = 219 − 209.5 = 9.5[𝑉] 9.5 𝑅% = ∗ 100 = 4.535% 209.5

FIG2. ESQUEMA DE UNA MAQUINA SINCRONICA

FIG3. CURVA CARACTERISTICA DE UNA MAQUINA SINCRONICA

8. ANÁLISIS DE RESULTADOS.-

¿Por qué realizo este ensayo? Este ensayo se realizó para poder conocer el funcionamiento en carga de una maquina síncrona, asi mismo con los datos obtenidos poder evaluar la regulación de tensión, es una experiencia que sirve para la práctica industrial ya que se conocerá objetivamente el comportamiento de la maquina en función de la variación de la carga.

-

Al aumentar la carga sube la potencia reactiva ¿Por qué? A medida que la carga se va aumentando, empieza a existir valores de corriente que incrementa la potencia reactiva, ya que el factor de potencia prácticamente se mantiene constante.

-

¿Cómo reacciona la corriente de campo If al variar la carga? La corriente de campo varia levemente reduciéndose este, de la misma forma en el punto de regulación la corriente disminuye.

9. DOCUMENTOS DE REFERENCIA.-

Máquinas Eléctricas y transformadores. Irving L. Kosow. Editorial reverte. Principio de las maquinas de corriente continua /Alexander S. Langsdorf./ Sexta edición/ 140,141,142 Maquina eléctricas/ Stephen J. Chapman/ https://www.reinhausen.com/es/desktopdefault.aspx/tabid-1526/1845_read-4666/ Guia de laboratorio N°7, Ing Victor Hugo Flores Arancibia, Maquinas eléctricas I.