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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

INFORME III: PRUEBA DE VACÍO Y CORTO CIRCUITO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA Laura M. Tulcán Camacho Leonel Calderón Supelano Wilmer Velandia Ladino Luis Miguel Hernández Luis Carlos Pérez Ospino

2113148 2113149 2101900 2101950 2090487

Bucaramanga, Colombia Grupo L4. Profesor Juan Manuel Murcia Pacheco. 05 de Noviembre de 2014. INTRODUCCIÓN La prueba de vacío o de circuito abierto y de corto circuito son dos de las tres pruebas (la restante es la prueba de resistencia) que me permiten obtener los parámetros de un generador síncrono, con el fin de manipularlo correctamente para que el funcionamiento de la maquina sea el óptimo. En este informe se detallan los resultados de las pruebas de vacío y de cortocircuito efectuadas a un generador síncrono.

El procedimiento de la prueba es: 1. Se Abre el circuito de los terminales del generador. 2. Se Lleva la máquina a la velocidad síncrona mediante un sistema mecánico externo 3. Poco a poco se aumenta la intensidad de campo y se mide la tensión abierta en los bornes. Como no hay corriente en la armadura, la tensión en los bornes de medida es la tensión inducida.

OBJETIVO GENERAL  Encontrar la curva característica de vacío y cortocircuito de un generado síncrono. OBJETIVOS ESPECÍFICO  Determinar la relación de cortocircuito y la impedancia por fase en por unidad.  Calcular eficiencia y regulación para un factor de potencia determinado. MARCO TEÓRICO

Prueba de Circuito Abierto La prueba a circuito abierto, o prueba sin carga consiste, en colocar el Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con corriente de campo inicialmente igual a cero. Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente de campo, se obtienen diversos valores de tensión en sus bornes ya que la corriente que circula por la armadura siempre será cero debido que se encuentra en vacío, se obtendrá que gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se puede formar “La curva de Características de Vacío” que permite encontrar la tensión interna generada por una corriente de campo dada.

Figura 1: Prueba de circuito abierto Prueba de Cortocircuito Como su nombre indica, la prueba de corto circuito se lleva a cabo con los terminales de la máquina de un cortocircuito, consiste en llevar la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo. El procedimiento es como lo muestran los siguientes pasos: 1. Se establece el campo a cero 2. Se pone en cortocircuito en los terminales 3. Se Acciona el generador a la velocidad síncrona con el sistema mecánico externo. 4. Poco a poco se aumenta la corriente del devanado de campo hasta que la corriente de corto

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circuito de la armadura alcanza el valor nominal de diseño La prueba en cortocircuito brinda información acerca de las potencialidades de corriente de un generador síncrono.

Figura 3: Curva característica de CA y CC

DESARROLLO LABORATORIO

Figura 2: Prueba de corto circuito

Características de la Prueba de Circuito Abierto El primer dato se toma cuando la corriente de campo, que corresponde al valor de la tensión residual. Posteriormente la corriente de campo se va incrementando gradualmente y progresivamente con el reóstato R, tomando lecturas de la corriente de campo y del voltaje de armadura hasta llegar al 120% del voltaje nominal. Con esta información se construye la característica de saturación en vacío. Se observa en la curva característica de vacío, la linealidad que se presenta para corrientes de campo bajas, pero a medida que la corriente de campo empieza a aumentar se acerca a la zona de saturación. Características de la Prueba de Cortocircuito Al encontrarse el generado sincrónico girando a velocidad nominal con los terminales cortocircuitados, a medida que varía la resistencia de campo R, se toma en forma simultánea, las lecturas de las corrientes de armadura y de la corriente de campo. Normalmente se toman datos para el 25%, 50% 75%, 100% y el 125% de la corriente nominal de armadura. En la (figura No3) se observa el comportamiento característico de las dos –pruebas.

1) Ensayo de vacío Se realizó el ensayo de vacío de una maquina síncrona funcionando como generador (el montaje se muestra en: Figura 1: Prueba de circuito abierto ), obteniendo los siguientes resultados de tensión de salida versus corriente de excitación. Tabla 1: Corriente de excitación Vs Tensión de salida en vacío. Iexi_o [A]

Vsal_o [V]

0 0,05 0,152 0,28 0,39 0,53 0,65 0,77 0,93 1,05 1,2 1,26

0,997 13,67 32,92 59,8 84,7 112,2 136,2 156,6 181,4 200 215,6 223,3

Al graficar estos datos se obtuvo la curva de vacío de la máquina síncrona mostrada a continuación:

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GRÁFICA DE CORTO-CIRCUITO

GRÁFICA DE CORTO-CIRCUITO

4.5

250

4 3.5

200

3

I línea

I línea

150

2.5 2 1.5

100

1 0.5

50

0

0

0

0.2

0.4

0.6 0.8 I de excitación

1

1.2

0

0.1

0.2

0.3

0.4 0.5 I de excitación

0.6

0.7

0.8

1.4

Figura 5: Curva de cortocircuito.

Figura 4: Curva de vacío.

2) Ensayo de cortocircuito. Se realizó el ensayo de cortocircuito de una maquina síncrona funcionando como generador (ver montaje Figura 2: Prueba de corto circuito) obteniendo resultados de corriente de línea versus corriente de excitación en la tabla a continuación:

Usualmente por razones prácticas se grafica la curva de vació y cortocircuito en un mismo plano como se muestra en la siguiente gráfica.

Tabla 2: Corriente de excitación Vs Corriente de línea.

Iexi_coci [A] 0 0,1 0,23 0,37 0,51 0,66 0,79

I_l [A] 0 0,6 1,23 2,02 2,81 3,51 4,15

Al graficar los datos anteriores se obtuvo la curva de cortocircuito de la maquina síncrona, mostrada a continuación:

Cuestionario 1) A partir de la característica en vacío y cortocircuito obtenga la relación de cortocircuito y calcule Zpu. Relación de cortocircuito: 𝐼𝑒𝑥−𝑉𝑛𝑜𝑚 1,2343 𝑅𝑐𝑜𝑐𝑖 = = = 1,6698 𝐼𝑒𝑥−𝐼𝑛𝑜𝑚 0,7392 Donde 𝐼𝑒𝑥−𝑉𝑛𝑜𝑚 corresponde a la corriente de excitación para tensión de vacío nominal y 𝐼𝑒𝑥−𝐼𝑛𝑜𝑚 corresponde a la corriente de excitación para corriente de línea nominal. Zs en por unidad: 1 1 𝑍𝑠𝑝𝑢 = = = 0,5989𝑝𝑢 𝑅𝑐𝑜𝑐𝑖 1,6698 2) Hallar la regulación de la maquina síncrona por el método de impedancia

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síncrona para un factor de potencia de 0,8 en atraso. (𝑉𝑔 − 𝑉𝑡 ) 𝑅𝑣% = ∗ 100 𝑉𝑡 Donde Vg es la tensión generada y VT es la tensión en Bornes de salida. 𝑉𝑔𝑝𝑢 = 𝑉𝑇𝑝𝑢 + (𝑍𝑠 ∗ 𝐼 < − acos(0,8))𝑝𝑢 Donde: 𝑍𝑠𝑝𝑢 = 𝑅𝑝𝑢 + 𝐽𝑋𝑝𝑢 𝑉𝑇𝑝𝑢 = 1 e 𝐼𝑝𝑢 = 1 De la práctica anterior R=2,4Ω y la impedancia nominal de la maquina en conexión Y es 𝑍𝑁 =

𝑉𝑁 √3∗𝐼𝑁

=

220 √3∗3.9

= 32,57Ω.

De ahí 𝑅𝑝𝑢 =

𝑅 𝑍𝑁

=

2,4 56,41

= 0,074𝑝𝑢

y 2 − 𝑅𝑝𝑢 2 = 0,5943 𝑋𝑝𝑢 = √𝑍𝑠𝑝𝑢 𝑝𝑢

𝑉𝑔𝑝𝑢 = 1 + (0,074 + 𝑗0,5943) ∗ 1 < −36,87 = 1,479 < 16,93 Sustituyendo se obtiene: (𝑉𝑔 − 𝑉𝑡 ) ∗ 100 𝑉𝑡 1,479 − 1 = ∗ 100 1 = 𝟒𝟕, 𝟗% 3) ¿Por qué razón al variar la velocidad en el ensayo de cortocircuito no se produce una variación apreciable de la corriente de cortocircuito? Porque el efecto de variar la velocidad de la maquina síncrona se refleja en la tensión y frecuencia de los terminales, pero como la corriente de cortocircuito es de gran magnitud y la tensión de corto tiende a cero, no se ve afectada la corriente al variar la velocidad. 𝑅𝑣% =

OBSERVACIONES  La regulación de tensión de una maquina síncrona a un factor de potencia de 0,8 en atraso es un valor de gran porcentaje (cerca a 50%), ya que la reactancia síncrona es mucho mayor que la resistencia síncrona y por ello para realizar





el cálculo de la regulación de tensión no se tiene en cuenta la resistencia síncrona. Se puede apreciar que la curva de cortocircuito es de carácter lineal lo que implica que a cierta variación de la corriente de excitación, la corriente de línea aumenta así: IL=K*Iexc, para K>0; La curva de vacío nos permite observar el comportamiento de la maquina síncrona para ciertos valores de corriente de excitación, es decir, para corrientes de excitación bajas el comportamiento de tensión en terminales Vs dicha corriente es de carácter lineal, y a medida que se aumenta la corriente el comportamiento se va acercando cada vez más a la zona de saturación.

REFERENCIAS  Bhag S. Guru, Hüseyin R. Hiziroglu, Máquinas Eléctricas y Transformadores, Tercera Edición, Oxoford University Press.  Mora, Jesús F. Maquinas Eléctricas, quinta edición, Madrid, McGraw Hill, 2003, p 381-462.