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Maquinas Eléctricas IV Ciclo Laboratorio N°7 “Alternador trifásico” Participantes Palomino Zavala, Jonás Matías

C5

A

Quiquia Luján, Luis Franklin

C5

A

Vilca Alarcón, Elvis Rubén

C5

A

Profesor: Cuba Anicama, Carlos Hernán

Fecha de realización: 12 de Noviembre Fecha de entrega: 23 de Noviembre

2018 – II

El Alternador Trifásico

I.

Objetivos

-

Obtener la curva de saturación en vacío del alternador.

-

Obtener las características de corto circuito del alternador.

II.

Introducción

En este trabajo se va aprender la constitución de los generadores síncronos, su funcionamiento y características a tomar en cuenta es su realización. Los alternadores sincrónicos o generadores son maquinas sincrónicas que se usan para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica de c.a. A continuación, en este informe se va dividir principalmente en 2 parte. Primeramente, se va realizar la prueba del generador síncrono sin carga y ya en la segunda parte se realizará la conexión con carga, la cuales, van hacer resistivas, capacitivas y inductivas. En los siguientes párrafos se entrará más a fondo del tema.

III.

Marco teórico

Construcción de una maquina síncrona El componente básico de una maquina síncronas son el estator, que alberga los conductores de la armadura, y un rotor, que provee el campo necesario según se explica a continuación. Estator También conocido como armadura de una maquina síncrona, el estator esta formado por laminaciones delgadas de acero sumamente permeable a fin de reducir las pérdidas del núcleo. Rotor En el de generadores síncronos se usan 2 tipos de rotores, el cilindro y el palo saliente. El se hace girar a velocidad síncrona mediante un impulsador primario, digamos una turbina de vapor. Características principales -

Los generadores síncronos están desvanados con tres arrollamiento distintos e independientes para genera energía trifásica.

-

Su salida es usualmente corriente alterna, en algunos casos se emplean rectificadores para obtener una salida de directa.

-

Para generadores de alta frecuencia se emplean turbinas de vapor alimentadas por combustibles fósiles o fuentes de energía nuclear.

-

Para generadores de baja frecuencia se emplean turbinas hidráulicas.

IV.

Equipos y materiales

Módulo motor/generador síncrono………………………………………..EMS 8241 Módulo de motor de inducción de jaula de ardilla………………………EMS 8221 Módulo de interruptor de sincronización…………………………………EMS 8621 Módulo de fuente de alimentación (120/208V, 3ᶲ, 0-120V c-d)………..EMS 8821 Módulo de medición de c-a (250/250/250v)……………………………..EMS 8426 Módulo de medición de c-a (2,5/25 A)……………………………………EMS 8425 Módulo de medición de c-d (0,5/2,5 A)……………………………….….EMS 8412 Cable de conexión……………………………………………………….....EMS 8941 Banda………………………………………………………………………...EMS 8942

V.

Procedimiento

Advertencia ¡En este experimento de laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición! 1. Conecte el circuito que se ilustra en la Figura N°1, usando los Módulos EMS de motor/generador síncrono, motor jaula de ardilla, fuente de alimentación y medición. El motor jaula de ardilla se utilizará para impulsar el motor/generador síncrono como alternador, durante este Experimento de laboratorio se supondrá que tiene velocidad constante. Observe que el motor jaula de ardilla está conectada a la salida la salida fija de 220 V de la fuente de alimentación, terminales 1,2 y 3. El rotor del alternador va conectado a la salida variable de 0- 120v de la fuente de alimentación, terminales 7 y N.

Figura N°1: Imagen donde se muestra el esquema eléctrico a implementar.

Figura N°2: Imagen donde se muestra la implementación del esquema eléctrico de la Figura N°1.

2. a) Acople el motor de jaula de ardilla al alternador, mediante la banda. b) Ajuste el reóstato de campo del alternador a su posición extrema moviendo en el sentido de las manecillas del reloj (para una resistencia igual a cero). c) Ponga la perilla de control del voltaje de la fuente a su posición extrema moviendo la perilla en sentido contrario de las manecillas del reloj (para un voltaje en c-d igual a cero). 3. a) Conecte la fuente de alimentación. El motor debe comenzar a funcionar. b) Siendo nula la excitación de c-d, mida y anote E1, E2 y E3 (use las escalas más bajas de los voltímetros). E1=9.46 V c-a

E2=9.37 V c-a

E3=9.33 V c-a

Figura N°3: Imagen donde se muestra las mediciones de I1, E1, E2 y E3 además del promedio de las tensiones.

c) Explique por qué se genera un voltaje de c-a cuando no hay excitación en c-d. -

El voltaje generado en c-a cuando no hay presencia de excitación en C-d se debe a que esta tensión se guarda en el núcleo del estator, y esto produce que se genere cierto flujo remanente que esta guardado en el núcleo de este mismo.

4. a) Si el motor tiene un interruptor S, ciérrelo al llegar a este paso. b) Aumente gradualmente la excitación en c-d, a partir de 0 hasta 0.1 A c-d. c) Mida y anote en la Tabla N°1, los tres voltajes generados E1, E2 y E3.

d) Repita el (b) para cada una de las corrientes directas indicadas en la Tabla N°1.

Tabla N°1: Tabla donde se muestran los valores de la corriente I1, las tensiones E1, E2 y E3 y el promedio de estas mismas.

e) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. 5. Calcule y anote en la Tabla N°1 el voltaje de salida promedio del alternador, para cada corriente indicada. 6. a) Conecte la fuente de alimentación y ajuste la excitación hasta de c-d hasta que E1= 208 V mida y anote E1 y E3. E1 = 208 V c-a

E2 = 210.2 V c-a

E3 = 209.6 V c-a

b) Desconecte la fuente de alimentación sin tocar el control de ajuste del voltaje. c) Vuelva a conectar los tres voltímetros de c-a de modo que midan los voltajes través de cada uno de los tres devanados del estator. d) Conecte la fuente de alimentación. Mida y anote los voltajes generados en cada devanado del estator conectado en estrella. E 1-4 = 190.80 V c-a

E 2-5 = 190.82 V c-a

E3 3-6 = 190.81 V c-a

e) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. f) Compare los resultados de (a) y (d). ¿coinciden con los que se obtendrían normalmente de una fuente de alimentación trifásica convencional? Los valores si coinciden, esto se debe a que está conectado en estrella.

Figura N°4: Imagen donde se muestra las mediciones de I1, E1, E2 y E3 además del promedio de las tensiones en el sistema trifásico.

Figura N°5: Imagen donde se muestra el analizador de fasores, donde están los valores de E1, E2 y E3.

Prueba de conocimientos 1. a) En la gráfica de la Figura N°6, marque los valores promedios del voltaje en función de los valores b) Trace una curva continua que pase por los puntos marcados.

Figura N°6: Imagen donde se muestra la grafica del promedio de las tensiones (E1, E2 y E3) vs la corriente I1.

c) ¿Hasta qué valor forma una línea más o menor recta la curva de voltaje? -

El valor de corriente en el que la recta se ve mas o menos recta es en 0.3 amperios aproximadamente d) ¿En dónde se encuentran el codo de la curva de saturación?

-

Aproximadamente en 350 V

e) Explique porque el voltaje aumenta con menor rapidez cuando se incrementa la corriente de c-d. -

El voltaje aumenta con menor rapidez cuando se incrementa la corriente de c-d ya que los valores de corriente son diminutos, como se sabe el voltaje es directamente proporcional a la corriente. Por lo que si la corriente está muy baja, el voltaje aumentara de manera lenta.

2. De alguna de las razones por las razones por las que no se debe operar un alternador cerca del codo de su curva se saturación. -

Porque la maquina entraría en un periodo de calentamiento al estar llegando a su punto de saturación y esto sería muy dañino para el personal que se encarga de operar en este rubro.

-

La corriente sufre cambios grandes, lo que sería perjudicial.

3. Un alternador tiene menos probabilidades de quemarse cuando está en un corto circuito permanente, que un generador en derivación de c-d con excitación independiente. Explique esto. -

Esto se debe a que al haber presencia de un corto circuito en este alternador, este mismo produce tensión en las terminales, ya que el campo eléctrico se mantiene aún, además que el motor de jaula de ardilla hace que el motor se vuelva a una velocidad regular. Es por esto que un cortocircuito situado en las terminales de un generador, no haría daño a este y no se quemaría, mientras que un generador que se excite solo, si.

El Alternador con carga

VI. -

Objetivos

Determinar las características de regulación de voltaje del alternador con carga resistiva, capacitiva e inductiva.

-

Observar el efecto de cargas desbalanceadas en el voltaje de salida.

VII.

Instrumentos y equipos

Módulo de motor / generador síncrono…………………………………..EMS 8241 Módulo de motor / generador de c-d……………………………………..EMS 8211 Módulo de resistencia…………………………………………….………..EMS 8311 Módulo de capacitancia……………………………………………………EMS 8331 Módulo de inductancia……………………………………………………..EMS 8321 Módulo fuente de alimentación (0 – 120v c-d, 120v c-d)………………………………………...………….EMS 8821 Módulo de medición de c-a (2.5 A)……………………………………….EMS 8425 Módulo de medición de c-a (250 / 250 / 250v)……………………………………………………...……EMS 8426 Módulo de medición de c-d (2.5 A)…………………………………...…..EMS 8412 Tacómetro de mano……………………………………………..…………EMS 8920 Cables de conexión………………………………………………..……….EMS 8941 Banda……………………………………………………………..………….EMS 8942

VIII. Procedimiento Advertencia ¡En este experimento de laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición! 1. Conecte el circuito que se ilustra en la figura 57-1 usando los Módulos EMS de motor/generador síncrono, motor/generador c-d, resistencia, fuente de alimentación y medición. Observe que la carga resistiva está conectada en estrella a la salida trifásica del alternador. el rotor del alternador. El rotor del alternador está conectado a la salida variable de 0-120 V de la fuente de alimentación, terminales 7-N. el devanado del motor en derivación de c-d se conecta a la salida fija de 120 v c-d de la fuente de alimentación, terminales 8 y N.

Figura N°7: Imagen donde se muestra el esquema eléctrico a realizar.

2. a) Acople el motor al alternador mediante la banda b) Ajuste el reóstato de campo del motor de c-d a su posición extrema haciendo girar la perilla en el sentido de las manecillas del reloj (para resistencia mínima). c) Ponga el reóstato de campo del alternador en la otra posición extrema moviendo la perilla en sentido contrario de las manecillas del reloj (para resistencia máxima). d) Ajuste cada sección de resistencia a un valor de 1100ohmios. 3. a) Conecte la fuente de alimentación y, fijándose en el tacómetro de mano ajuste el reóstato del motor para una velocidad de 1500 r/min. Nota: ¡esta velocidad se debe mantener constante durante el resto de este experimento de laboratorio! b) Si el motor síncrono tiene un interruptor S, ciérralo al llegar a este paso. c) Ajuste la excitación de c-d del alternador hasta que el voltaje de salida E1= 220 V mida y anote I1 e I2 en plena carga I1 = 0,12 A c-a

I2 = 0,163 A c-a

d) Abra los interruptores de las tres resistencias de carga, para que el alternador trabaje en vacío, y mida y anote E1 e I2 recuerde que debe comprobar la velocidad del motor y ajustarla a 1500r/min.

e) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

Figura N°8: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, I1 e I2 con carga resistiva.

Figura N°9: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, I1 e I2 sin carga resistiva.

f) Calcule la regulación del alternador con carga resistiva. %𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 − 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 × 100 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

%𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

256 − 220 × 100 = 16.36% 220

4. a) Reemplace la carga resistiva con una inductiva, utilizando el Método de inductancia EMS b) Ajuste cada sección de inductancia a una reactancia XL de 300ohms c) Repita el Procedimiento 3 y anote los valores de I1 e I2 en vacío. I1 = 0.12 A c-a

I2 = 0.19A c-a

d) Mida y anote los valores de E1 e I2 en vacío. E1 = 287.94 A c-a I2 = 0.21 A c-a e) Reduzca el oltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

Figura N°10: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, I1 e I2 con carga inductiva.

Figura N°11: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, I1 e I2 sin carga inductiva.

f) Calcule la regulación del alternador con carga inductiva %𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 − 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 × 100 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

%𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

266.1 − 218 × 100 = 22.06% 218

g) Con carga inductiva, ¿Cómo influye la fuerza magneto motriz del estator en la del rotor?, ¿Magnetiza el motor o lo desmagnetiza?

5. a) Sustituya la carga inductiva con una capacitiva, utilizando el Módulo EMS de capacitancia b) Ajuste cada sección de capacitancia a una reactancia de XC de 1100 Ohms c) Repita el Procedimiento 3 y anote los valores en plena carga de I1 e I2. a plena carga. I1 = 0.14 A c-a

I2 = 0.04 A c-d

d) Mida y anote los valores E1 e I2 E1 = 95.78 V c-a

I2 = 0.04 A c-d

e) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

Figura N°12: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, I1 e I2 con carga capacitiva.

Figura N°13: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, I1 e I2 sin carga capacitiva.

f) Calcule la regulación del alternador con carga inductiva %𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 − 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 × 100 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

%𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =

274.9 − 379.9 × 100 = −27.63% 379.9

g) Con carga capacitiva, ¿Cómo influye la fuerza magnetomotriz del estator?,¿magnetiza el motor o lo desmagnetiza?

6. a) Con carga de reactancia capacitiva de 2200 Ohms por fase, conecte la fuente de alimentación y ajuste la velocidad del motor a 1500 r / min. b) Ajuste a la excitación de c-d del alternador hasta que el voltaje de salida E1= 208 V. c-d c) Aumente la carga capacitiva colocando una resistencia adicional de 600 Ohms en paralelo con cada una de las secciones de 2200 Ohms y observe lo que sucede. d) Aumente la carga capacitiva más todavía, colocando una reactancia adicional de 300 Ohms conectados través de cada sección y observe lo que sucede. e) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación

Figura N°14: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, E2, E3 e I2 sin una carga capacitiva de 2200 ohms.

Figura N°15: Imagen donde se muestra las mediciones de E1, E2, E3 e I2 con una carga capacitiva de 2200 ohms.

Figura N°16: Imagen donde se muestra el analizador de fasores con variables de E1, E2 y E3 con carga capacitiva.

f) Explique el fenómeno que acaba de observar. -

Se observa que mientras mas aumentamos la carga capacitiva, la tensión aumenta de la misma manera.

7. a) Conecte el circuito que se ilustra en la figura 57-2 observe que solo hay una carga entre las dos fases del alternador. b) Conecte la fuente de alimentación y ajuste el reóstato del motor de c-d para una velocidad de 1800 r/min c) Ajuste la excitación de c-d del alternador hasta que la carga de 600 Ohms, E1, sea igual a 208 V mida y anote los otros voltajes entre fases E2 y E3 E2 = 220.45 V c-a E3 = 241.96 V c-d d) Desconecte la fuente de alimentación sin tocar ninguno de los controles variables. e) Vuelva a conectar los tres voltímetros de tal manera que midan los voltajes través de cada uno de los tres devanados del estator. f) Conecte la fuente de alimentación. Mida y anote los voltajes través de cada devanado del alternador. E 1-4 = 112.5 V c-a E 2-5 = 115.1 V c-a E 2-5 = 131.9 V c-a g) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. h) ¿basta una sola carga para producir desequilibrio? -

Como se observa en las figuras anteriores, si, bastaría una sola carga para producir un desequilibrio.

Prueba de conocimientos 1. Explique por qué el voltaje de salida del alternador aumenta con carga capacitiva. -

Como se sabe, la función de los capacitores es de almacenar cierta tensión dentro de sí. En este caso al usar una carga capacitiva medimos el voltaje en el capacitor, como el que ha almacenado dentro de sí.

2. ¿Es peligroso conectar un alternador a una línea de transmisión, si la línea se comporta como un capacitor? Explique por qué. -

Si es peligroso, ya que al conectar un alternador en una línea de transmisión que se comporta como un capacitor puede generar una pérdida de sincronismo, además genera un efecto de cascada o perdida rápida y produce la perdida en la salida del servicio.

3. El rotor de un alternador a potencia nominal, disipa más calor con una carga de un factor de potencia bajo (atrasado) que con una carga de factor de potencia elevado. Explique por qué. -

Esto se debe principal mente a la magnetización que estos factores de potencia dan, ya que uno que tiene factor de potencia elevado magnetiza el rotor, mientras que los factores de potencia baja lo desmagnetizan.

4. Si en la fábrica de un cliente de la compañía de luz y fuerza se conecta una carga monofásica grande a una línea trifásica de potencia, todos los demás usuarios que utilicen esa línea tendrán una potencia trifásica desequilibrada, incluso aquellos cuyas cargas estén balanceadas. Explique por qué. -

La causa principal es que las impedancias y la corriente en ambas son distintas por lo tanto, esto produciría en desequilibrio.

IX. -

Observaciones

Se observa que las cargas capacitivas producen un incremento en la tensión medida.

-

Para realizar las mediciones en las cargas capacitivas, tuvimos que esperar ciertos segundos para que esta carga almacene en si la tensión.

X.

Conclusiones

-

Se ha obtenido la curva de saturación en vacío del alternador

-

Se ha logrado obtener las características de corto circuito en el alternador.

-

Se ha determinado correctamente las características de regulación de voltaje del alternador con carga resistiva capacitiva e inductiva.

-

Se ha observado claramente el efecto de carga desbalanceadas en el voltaje de salida.

Palomino Zavala, Jonás Matías

Quiquia Luján, Luis Franklin

Vilca Alarcón, Elvis Rubén